遙感技術(shù)在東江-韓江流域下墊面變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳濤，朱麗，任正情

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽六安 237000）

0 引言

下墊面是由地質(zhì)條件、地貌形態(tài)、植被覆蓋及土壤等要素組成，并能影響水量平衡及水文過程的一個(gè)綜合體。遙感技術(shù)具有快速、覆蓋范圍廣、多時(shí)相等優(yōu)勢(shì)，可以提取下墊面要素遙感信息，包括坡度、坡向、土地利用、植被覆蓋度和不透水面等，分析下墊面各要素變化情況，為流域尺度下墊面監(jiān)測(cè)提供可能。

本文以東江-韓江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用專業(yè)地信和遙感軟件提取區(qū)域下墊面的坡度、坡向、土地利用類型、植被覆蓋度、不透水面等信息，對(duì)比2009年和2019年兩期結(jié)果，從變化的面積、空間位置、類型等幾個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)內(nèi)下墊面變化情況。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江流域珠江三角洲東部的東江流域-韓江流域，總面積約為72900km，行政區(qū)域包括惠州市、河源市、汕尾市、汕頭市、揭陽市、梅州市、龍巖市和贛州市等重要城市。

東江是珠江水系干流之一，發(fā)源于江西省尋烏縣，流域范圍包括江西省、廣東省。韓江，是中國東南沿海最重要的河流之一，廣東省除珠江流域以外的第二大流域，流域范圍包括廣東、福建、江西三省部分區(qū)域。

研究區(qū)的地層、巖體、地質(zhì)構(gòu)造以及地貌條件等因素控制著地下水的賦存與分布規(guī)律及其水化學(xué)特征，氣象、水文因素則支配著區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給和動(dòng)態(tài)變化，形成了測(cè)區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)環(huán)境。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)源及處理

遙感影像數(shù)據(jù)采用2009年、2019年東江-韓江流域兩個(gè)時(shí)期9～11月初的Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，個(gè)別云覆蓋嚴(yán)重區(qū)采用其他時(shí)相無云覆蓋影像代替（表1）。其中2009年數(shù)據(jù)影像為L(zhǎng)andsat5-TM數(shù)據(jù)，分辨率為30m，2019年數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat8-OLI數(shù)據(jù)，分辨率通過融合可以達(dá)到15m。地形地貌數(shù)據(jù)選擇ASTER GDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30m。

表1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息表Table 1.Data product information

Landsat影像數(shù)據(jù)處理工作包括圖像預(yù)處理與圖像增強(qiáng)處理。圖像預(yù)處理主要包括圖像幾何校正、輻射校正、圖像匹配與鑲嵌等；圖像增強(qiáng)處理包括拉伸、直方圖均衡化、濾波處理等，經(jīng)處理后得到研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2 坡度坡向分析

地形和滲透性都是控制地下水流向的重要條件，地貌條件是了解地下水起源、運(yùn)移、水化學(xué)反應(yīng)的重要信息，進(jìn)行流域下墊面分析應(yīng)當(dāng)首先分析地形地貌特征。

地表上某點(diǎn)的坡度

S

、坡向

A

是地形曲面函數(shù)

Z=f

（

x，y

）在東西、南北方向上高程變化率的函數(shù)，即：

式中

f

是東西方向高程變化率，

f

是南北方向高程變化率。由公式可知，要獲取地面某點(diǎn)的坡度和坡向，首先要獲得

f

和

f

。一般采用3×3移動(dòng)窗口（圖1）在DEM格網(wǎng)上進(jìn)行求解，窗口中心的值通過一種納入8個(gè)相鄰像元值的算法計(jì)算。

圖1 3×3移動(dòng)窗口Figure 1.3×3 moving window

采用ArcGIS三階反距離平方權(quán)差分算法計(jì)算，公式為：

本文選擇ASTER GDEM30m空間分辨率數(shù)據(jù)，利用數(shù)字地形分析技術(shù)（DTA，Digital Terrain Analysis）提取坡度、坡向信息進(jìn)行地形地貌分析（圖2）。

圖2 東江-韓江流域坡度圖（a）及坡向圖（b）Figure 2.Slope(a)and aspect(b)map of the Dongjiang and Hanjiang Rivers basin

根據(jù)表2、表3可知，東江-韓江流域坡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，平原的面積最大，占研究區(qū)總面積的一半，其次為斜坡和緩斜坡；峭壁的面積最小，基本未見垂直壁。流域各坡向統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，面積最大的為平坦坡向，占研究區(qū)總面積將近一半，其他各坡向面積相差不多，無明顯優(yōu)勢(shì)坡向。

表2 東江-韓江流域坡度分級(jí)Table 2.Slope classification of the Dongjiang and Hanjiang Rivers basin

表3 東江-韓江流域坡向Table 3.Aspects of slopes of the Dongjiang-Hanjiang Rivers basin

2.3 土地利用分類

農(nóng)業(yè)、森林、城鎮(zhèn)化、水域等變化對(duì)區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生作用，因此土地利用變化的獲取對(duì)下墊面具有重要意義。

常用的遙感影像監(jiān)督分類方法有基于面向?qū)ο蠓诸惙?、決策樹分類法和支持向量機(jī)的監(jiān)督分類等方法。面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)集合臨近像元為對(duì)象用來識(shí)別感興趣的光譜要素，充分利用高分辨率的全色和多光譜數(shù)據(jù)的空間、紋理和光譜信息來分割和分類的特點(diǎn)，以高精度的分類結(jié)果或者矢量輸出來進(jìn)行地物信息提取。

本文采用面向?qū)ο笈c目視解譯相結(jié)合的方法，針對(duì)不同地貌單元分別建立各因子遙感解譯標(biāo)志，以ENVI、ARGIS等軟件為平臺(tái)，對(duì)2009年和2019年東江-韓江流域各類土地利用/覆蓋變化情況進(jìn)行信息提取，主要土地利用/覆蓋類型分為林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)用地、居民點(diǎn)、道路、濕地、河流、湖泊、水庫/坑塘、未利用地等11種（圖3）。

圖3 東江-韓江流域2009年（a）和2019年（b）土地利用類型圖Figure 3.Map of land use types in the Dongjiang-Hanjiang Rivers basin in 2009(a)and 2019(b)

從表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：2009年東江-韓江流域土地覆被以林地、耕地和城鎮(zhèn)用地、居民點(diǎn)為主；土地利用率達(dá)到99.78%，僅有河流和積水區(qū)常水位岸線以下的裸土地未被利用。林地面積有55468.93km，占比高達(dá)74.83%；耕地是第二個(gè)主要類別，占據(jù)研究區(qū)域的9.22%，體現(xiàn)出東江-韓江流域以農(nóng)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)體系；城鎮(zhèn)用地面積5927.69km，占比8%；農(nóng)村居民點(diǎn)面積3291.9km，占土地面積的4.44%。

表4 東江-韓江流域2009年、2019年地物面積比變化統(tǒng)計(jì)表Table 4.Statistics of changes in areal ratios of surface features in the Dongjiang Hanjiang Rivers basin from 2009 to 2019

2019年東江-韓江流域土地覆被以林地、城鎮(zhèn)用地和居民點(diǎn)、耕地為主。林地面積59061.31km，占比79.65%；研究區(qū)域在過去十年內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展速度較快，城鎮(zhèn)用地已成為第二個(gè)主要類別，占據(jù)研究區(qū)域的9.99%；居民點(diǎn)面積2638.07km，占比3.56%；耕地面積2519.23km，占比3.40%。各地耕地面積較2009年下降明顯，表明研究區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占比正在下降。

變化分析：結(jié)合圖4和表4可以看出，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng)，東江-韓江流域各地物也發(fā)生了變化。城鎮(zhèn)向外擴(kuò)張侵占了大片的草地和耕地，使得農(nóng)田和草地的面積大幅度減少，草地面積減少了669km，耕地面積減少了一半以上；同時(shí)隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，居民點(diǎn)的占比也從4.44%下降至3.56%，減少的居民點(diǎn)用地正轉(zhuǎn)變成城鎮(zhèn)用地；城市化進(jìn)程加劇了交通的發(fā)展，道路占地面積從2009年242.44km增加至2019年460.38km，增加了近一倍。

林地的占地面積不減反增，十年間增加了4.82%，面積增加了3592.38km；水域面積中河流、湖泊、濕地面積均有所上升，其中河流面積由2009年618.79km增加至2019年916.98km，湖泊面積由334.28km增加至498.28km，濕地面積由163.48km增加至248.32km，雖 水 庫/坑 塘 面 積 由333.8km減 少 至125.82km，但水域總體占比上升了0.46%。

綜上得出，東江-韓江流域在2009年至2019年實(shí)現(xiàn)了大幅度的開發(fā)與建設(shè)，與此同時(shí)植被與水域面積也有所提高。

2.4 植被覆蓋度

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示，對(duì)水文、生態(tài)、區(qū)域變化等都具有重要意義。

植被覆蓋度遙感估算主要指基于

NDVI

數(shù)據(jù)利用像元二分法，建立模型反演植被覆蓋度。根據(jù)像元二分模型，一個(gè)像元的

NDVI

值可以表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息

NDVI

，與裸土部分所貢獻(xiàn)的信息

NDVI

這兩部分組成，因此：

其中，

NDVI

為完全裸土或無植被覆蓋區(qū)域的值；

NDVI

則代表完全被植被所覆蓋像元的值，即純植被像元的

NDVI

值。本文利用Landsat遙感影像的近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和獲得

NDVI

值，采用像元二分法植被覆蓋度反演模型，提取2009年和2019年東江-韓江流域的植被覆蓋度（圖4）。

圖4 東江-韓江流域2009年（a）和2019（b）年植被覆蓋度圖Figure 4.Vegetation coverage in the Dongjiang-Hanjiang Rivers basin in 2009(a)and 2019(b)

表5結(jié)果表明：由于流域處于南方地區(qū)，十年前后整個(gè)研究區(qū)兩期結(jié)果都是以高植被覆蓋度分布為主。流域植被覆蓋度稍有增長(zhǎng)，低覆蓋度面積減少，而高覆蓋度面積增加?？臻g上來看，由于南方沿海城市人居環(huán)境的改善，荒地開墾和植樹造林，植被覆蓋度明顯增加，變化最大的是韓江白蓮以下及粵東諸河流域。

表5 東江-韓江流域2009年、2019年植被覆蓋度變化統(tǒng)計(jì)Table 5.Statistics of changes in vegetation coverage in the Dongjiang-Hanjiang Rivers basin in 2009 and 2019

2.5 不透水面

不透水面是瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的屋頂、道路、停車場(chǎng)等。不透水面隔離了地表與地下的水分交換，對(duì)流域的水熱循環(huán)和水環(huán)境有重要影響。

光譜混合分析法是廣泛適用于中分辨率遙感影像中的不透水面反演方法。在光譜混合分析法中，線性光譜混合分析LSMA(Linear SMA)是采用的最多的方法，其基本模型為：

本文基于線性光譜混合模型提取東江-韓江流域2009年、2019年不透水面變化圖（圖5）。

圖5 東江-韓江流域2009年、2019年不透水面變化圖Figure 5.Changes in impervious surface in the Dongjiang-Hanjiang Rivers basin from 2009 to 2019

不透水面從一定意義上反映了人類工程活動(dòng)范圍，隨著人口的增加、城鎮(zhèn)化以及鄉(xiāng)村建設(shè)，不透水面在全國呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。從2009—2019年東江-韓江流域不透水面變化圖可以看出，全域不透水面覆蓋以城、鄉(xiāng)、村為中心，輻射狀擴(kuò)大。統(tǒng)計(jì)得出，2009年不透水面面積為5031.40km，2019十年間增加的不透水面為4565.40km。不透水面的變化反映了東江-韓江流域2009年至2019年城鎮(zhèn)化及鄉(xiāng)村建設(shè)的大發(fā)展。

3 結(jié)語

（1）本文以遙感數(shù)字地形、土地利用分類、植被覆蓋度、不透水面監(jiān)測(cè)成果，來分析東江-韓江流域下墊面變化，相較傳統(tǒng)方法具有動(dòng)態(tài)、宏觀、快速、節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)，為構(gòu)建東江-韓江流域下墊面綜合模型提供了基礎(chǔ)成果數(shù)據(jù)，為東江-韓江流域水文地質(zhì)調(diào)查提供了技術(shù)支撐。

（2）從2009—2019年東江-韓江流域下墊面各要素的變化中，不透水面增加，城鎮(zhèn)用地和道路明顯增加，表明東江-韓江流域在2009—2019年實(shí)現(xiàn)了大幅度的開發(fā)與建設(shè)。植被覆蓋度和林地面積增加，反映了退耕還林政策的推動(dòng)與成效。人工河湖和對(duì)自然水域的保護(hù)政策，使水域面積也有所提高。

（3）本次工作的東江-韓江流域面積較大，給數(shù)據(jù)源時(shí)相的選取和影像配準(zhǔn)等預(yù)處理帶來了困難，由于影像時(shí)相和成像質(zhì)量的差異，影像會(huì)存在一定程度的拼接線和色差問題。由于采用的兩期遙感影像數(shù)據(jù)分辨率不同，可能對(duì)土地利用、植被覆蓋度、不透水面等信息監(jiān)測(cè)結(jié)果造成一定的影響。