遙感在高原湖泊蓄水量估算的應(yīng)用研究

于浩　王濤

摘? ?要：青藏高原湖泊眾多，水資源開發(fā)利用與保護(hù)是推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵要素。以薩利吉勒干南庫勒湖為研究區(qū)，采用高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)，利用可見光同時(shí)具水體穿透力和湖底反射特性，通過水深實(shí)地測量，建立湖水深度與綠波段之間的模型，生成湖底地形，水深反演模型平均絕對誤差為0.23 m，相對誤差均為2.84%。采用GIS水淹分析建立湖泊面積與蓄水量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，估算當(dāng)前薩利吉勒干南庫勒湖蓄水量為6.179×108 m3。結(jié)果表明：結(jié)合野外實(shí)測數(shù)據(jù)，高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)能夠較精細(xì)地反映湖泊湖底地形結(jié)構(gòu)和紋理，能夠滿足對湖泊蓄水量估算需求，為水資源利用與保障、高原湖泊研究等提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：遙感；高原湖泊；蓄水量；估算

青藏高原被譽(yù)為“亞洲水塔”，是我國重要的生態(tài)安全屏障和戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備基地[1]。由于海拔高，自然條件差，高原湖泊水文相關(guān)數(shù)據(jù)較少，特別是藏北無人區(qū)及可可西里地區(qū)仍有大量湖泊尚未進(jìn)行測量和研究，依靠傳統(tǒng)方法進(jìn)行湖泊水下地形測量耗費(fèi)大量人力物力，難以在短時(shí)間內(nèi)完成[2-4]。遙感探測通過建立實(shí)測水深和水體輻射（反射）之間的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)湖底地形反演，估算湖泊蓄水量。于瑞宏等利用多源遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行湖泊淺水區(qū)水深反演的方法[5]，齊述華等對鄱陽湖地區(qū)水深反演結(jié)果應(yīng)用于水資源管理[6]，隆院男等利用Landsat數(shù)據(jù)反演洞庭湖水底地形[7]，為湖泊管理和防洪工作提供參考。萬祥禹等利用Grace重力衛(wèi)星多角度分析維多利亞湖流域水儲(chǔ)量變化[8]。

本文以羌塘高原和田地區(qū)薩利吉勒干南庫勒湖為研究區(qū)，基于國產(chǎn)高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)及實(shí)測水深數(shù)據(jù)，利用可見光波段同時(shí)具有水體穿透力和湖底反射特性，建立水深實(shí)測數(shù)據(jù)和水體反射之間的數(shù)據(jù)模型，通過誤差分析，確定最優(yōu)水深反演模型，構(gòu)建湖底地形，估算湖泊蓄水量。表明國產(chǎn)高分二號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行水深探測能夠較精細(xì)地反演湖底地形，大幅減小野外工作量，為高原湖泊水資源開發(fā)利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

薩利吉勒干南庫勒湖是羌塘高原西區(qū)的一個(gè)封閉咸水湖，位于新疆維吾爾自治區(qū)和田縣南部，距國內(nèi)最大的火燒云鉛鋅礦40 km，地理位置為東經(jīng)79°42′，北緯34°41′，湖泊位于第三紀(jì)喜馬拉雅山期形成的山間斷陷盆地最洼處，三面環(huán)山，北為NW向昆侖山脈南坡，南為喀喇昆侖山東段北坡，東為昆侖山與喀喇昆侖山木梢結(jié)合部，西北為戈壁砂礫區(qū)。湖面南北長12.0 km，東西寬7.8 km，水域面積達(dá)71 km2，湖岸海拔5 163 m。薩利吉勒干南庫勒湖補(bǔ)給水源主要為薩利吉勒干西河和薩利吉勒干南庫勒河地表水，水量受季節(jié)性影響較大。流域內(nèi)氣候寒冷，空氣稀薄，水分少，植被較為稀少，環(huán)境條件惡劣。

2? 高原湖泊水深反演模型

2.1? 水深遙感原理

水體光譜特征由水體所含物質(zhì)組成決定：①波長較短的紫外線波段，水體光譜吸收少，反射率低、大量透射，水面反射率約1%～0.5%；②在可見光波段，水體的反射率大幅增加，主要包括3部分：水表面反射、水體底部物質(zhì)反射、水中懸浮物質(zhì)反射。對于清澈水體，在藍(lán)-綠光波段反射率4%～5%，0.6 μm以下紅光部分反射率降至2%～3%；③在近紅外、短波紅外波段，水體吸收了幾乎全部入射能量，光譜反射率低[9]。

可見光波段測深原理基于光線對水體的透射，同時(shí)具一定反射率?？梢姽庠谒w中的衰減系數(shù)越小，對水體的穿透性越好[10]。不同水體由于所含物質(zhì)不同，在可見光波段衰減系數(shù)不同。研究表明，在可見光波段藍(lán)綠光波段對研究水深和水底特征較為有效，隨水中懸浮物質(zhì)含量（渾濁度）的增加，衰減系數(shù)增大，光對水的穿深能力減弱，當(dāng)光線向下能夠到達(dá)水體底部，發(fā)生反射后向上穿透水體并發(fā)生折射，衛(wèi)星傳感器接收光譜信息的強(qiáng)弱反映了“水深”的概念[11]。

2.2? 數(shù)據(jù)采集

2023年10月6日—2023年10月18日，項(xiàng)目組對薩利吉勒干南庫勒湖水深度進(jìn)行實(shí)測，相關(guān)設(shè)備包括：中海達(dá)BSA無人船、水深測量儀器、GPS定位儀、便攜式氧氣瓶、裝載機(jī)1臺(tái)等。每隔5 s無人船搭載的水深測量儀記錄1組數(shù)據(jù)，包括水深、坐標(biāo)位置、溫度等，測量誤差為±0.2 m。由于環(huán)境惡劣，風(fēng)浪較大，僅在湖區(qū)東北開展測量工作，測量距離2 300 m，采集測量點(diǎn)712處。

收集研究區(qū)高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)，時(shí)相為2023年10月9日，利用ENVI5.5軟件對多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣糾正、正射糾正，成果數(shù)據(jù)空間分辨率為3.2 m，包括藍(lán)、綠、紅、近紅4個(gè)波段。

2.3? 多光譜波段優(yōu)選

通過掩膜處理，計(jì)算薩利吉勒干南庫勒湖高分二號(hào)各波段反射率（表1）。

從表1中可看出，綠波段標(biāo)準(zhǔn)差最大，表明該波段湖面反射率值距均值的離散程度最大，即反射率差異最大，信息量最豐富，是反映湖面光譜特征最佳波段。

由于高原湖泊受人為因素、季節(jié)變化影響小，水中浮游生物很少，水質(zhì)較好，湖泊表面水體的反射較為均勻，湖面光譜反射更多的來自于湖底。從圖1-a可看出，湖水越深，光譜反射率越小，影像亮度越低；湖水越淺，光譜反射率越大，影像亮度越高。從圖1-b可看出，湖面光譜反射率差異明顯增強(qiáng)，反射率越高，湖水越淺；反射率越低，湖水越深。由此可知，薩利吉勒干南庫勒湖最深部位于西部，薩利吉勒干南庫勒河入湖口附近，中部、東部湖岸邊緣水深較淺。

2.4? 薩利吉勒干南庫勒湖水深反演模型

光譜反射率只能反映湖體底部形態(tài)，具體深度需實(shí)地測量，篩選536對水深數(shù)據(jù)作為模型樣本，剩余176對用于模型精度檢驗(yàn)。為構(gòu)建最佳模型，分別對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括二次冪函數(shù)（Pow）、平方根（Sqrt）、自然對數(shù)（Ln）（表2），并與采樣點(diǎn)對應(yīng)的綠波段反射率進(jìn)行相關(guān)性分析，可看出ln（band）相關(guān)性最高（R2=0.910 7），選擇Ln（band）構(gòu)建模型。

建立湖面反射率值自然對數(shù)與湖水深度的坐標(biāo)系，采用線性、二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式3種方式進(jìn)行擬合，其回歸方程、相關(guān)系數(shù)R2分別為：

模型一（線性）：y=-0.325 4x+6.071? R2=0.878 2

模型二（二次多項(xiàng)式）：y=-0.031 3x2-0.062x+3.384? R2=0.902 4

模型三（三次多項(xiàng)式）：y=-0.008 1x3+0.069x2-0.517 1x+7.264? R2=0.910 7

分別對模型一、模型二、模型三反演的水深進(jìn)行精度檢驗(yàn)，從反演水深模型精度評價(jià)表可以看出（表3），模型三反演深度與實(shí)測深度最為接近，且反演深度的平均絕對誤差和相對誤差均最小，分別為0.23米和2.84%，模型較為理想。

從水深反演結(jié)果看，薩利吉勒干南庫勒湖區(qū)面積71.82 km2，平均水深12.57 m。湖區(qū)西部薩利吉勒干西河為入水口，將湖底環(huán)西側(cè)沖積形成貫穿南北的深水溝。北段深水溝較狹窄，一直延伸至湖區(qū)最北端；南段深水溝最寬處達(dá)2 350 m，最深處達(dá)32.69 m，向南逐漸變窄，并延伸至湖區(qū)最南端。湖水深度由西向東逐漸變淺，形成地勢較平坦的底部地形，平均水深約8～12 m。從圖2可看出，湖區(qū)西側(cè)深水溝底部結(jié)構(gòu)和紋理較為清晰的顯示，相比于淺水區(qū)并未變得模糊或平滑，表明利用國產(chǎn)高分二號(hào)進(jìn)行高原湖泊水深探測有效。受汛期洪水的沖擊作用，湖底形態(tài)隨時(shí)間推移發(fā)生變化，但不影響蓄水量。

2.5? 蓄水量估算

利用ARCGIS10.8中3D分析模塊，據(jù)野外測量湖面平均海拔高程為5 163.87 m，此時(shí)薩利吉勒干湖蓄水量為617 934 257 m3。通過水淹分析，計(jì)算不同湖區(qū)面積對應(yīng)蓄水量，并建立二者數(shù)學(xué)模型，結(jié)果見表4。

對湖區(qū)面積與蓄水量進(jìn)行回歸分析，二次多項(xiàng)式能夠很好地?cái)M合二者關(guān)系，

y = 0.013 5x2 - 1.481 1x + 42.898? ?R2=0.975 1

高原湖泊多數(shù)屬內(nèi)流型湖泊，受氣候環(huán)境、人為因素影響較小，湖水補(bǔ)給以冰川融水為主，蓄水量隨季節(jié)變化較為穩(wěn)定，規(guī)律性較強(qiáng)，除極端年份，短時(shí)年際間月份蓄水量變化不大。收集近年來不同月份遙感影像，提取湖面面積，反演得到各月份薩利吉勒干南庫勒湖蓄水量（表5）。

從表5可看出，冰川融水是薩利吉勒干南庫勒湖主要補(bǔ)給方式，7月至10月夏秋季節(jié)為豐水期，平均蓄水量為5.231×108 m3；12月至次年4月冬季為枯水期，平均蓄水量為3.715×108 m3。

3? 結(jié)論

（1） 利用高分二號(hào)遙感數(shù)據(jù)，建立薩利吉勒干南庫勒湖水面綠波段光譜與實(shí)測水深數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，對湖水深度進(jìn)行反演，生成湖底地形。當(dāng)湖面高程為5 163.87 m時(shí)，薩利吉勒干南庫勒湖面積為71.82 km2，平均水深12.57 m，最大水深32.69 m，蓄水量為6.179×108 m3。

（2） 結(jié)合野外實(shí)測水深數(shù)據(jù)，對薩利吉勒干南庫勒湖底部地形反演模型精度進(jìn)行評價(jià)，平均絕對誤差為0.23 m，相對誤差均為2.84%，能夠滿足對湖泊蓄水量估算需求。

（3） 湖區(qū)西部薩利吉勒干西河為入水口，將湖底西側(cè)沖積形成貫穿南北的深水溝，湖水深度由西向東逐漸變淺，形成地勢較為平坦的底部地形。從反演結(jié)果來看，湖區(qū)西側(cè)深水溝結(jié)構(gòu)和紋理能夠較為清晰的顯示，相比于淺水區(qū)并未變得模糊或平滑，表明利用國產(chǎn)高分二號(hào)進(jìn)行高原湖泊水深探測有效。

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Application of Remote Sensing in Estimating the Storage Capacity of Plateau Lakes

Yu Hao1， Wang Tao2

（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Geological and Mineral Exploration and Development Bureau

Information Center，Urumqi，Xinjiang，830000，China;2.Xinjiang Geological Engineering Survey I

nstitute Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： The Qinghai Tibet Plateau has numerous lakes， and the development， utilization， and protection of water resources are key elements in promoting China's ecological civilization construction. Using the Saligileghan Lake as the research area and using high-resolution remote sensing data， utilizing the characteristics of visible light with both water penetration and lake bottom reflection， a model between lake depth and green band was established through field measurements of water depth. The lake bottom topography was generated， and the average absolute error of the water depth inversion model was 0.23m， with relative errors of 2.84%. Using GIS flooding analysis， establish a mathematical relationship between lake area and storage capacity， and estimate the current storage capacity of Saligileghan Lake to be 617.9 million cubic meters. The results show that， combined with field measurement data， the Gaofen-2 remote sensing data can accurately reflect the structure and texture of lake bottom topography， meet the needs of estimating lake water storage capacity， and provide data support for water resource utilization and protection， plateau lake research， etc.

Key words： Remote sensing; Plateau lakes; Storage capacity; Estimate

項(xiàng)目資助：新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局自然資源衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)分中心建設(shè)及應(yīng)用示范（XGMB202255）資助

收稿日期：2023-10-13；修訂日期：2024-02-21

第一作者簡介：于浩（1979-），男，碩士，高級工程師，從事遙感地質(zhì)調(diào)查、礦山環(huán)境方面的應(yīng)用研究；E-mail： yhaofly@163.com