基于Landsat影像的1...019年鄱阳湖面积动态监测_刘浩.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：江西省数字国土重点实验室开放基金项目（）；江西省研究生创新基金项目（）作者简介：刘 浩（），男，硕士，主要从事地质学方面的研究工作。：通信作者：周万蓬（），男，博士，副教授，主要从事于区域地质、铀矿地质、遥感地质等方面的教学与科研工作。：基于 影像的 年鄱阳湖面积动态监测刘 浩，周万蓬，张宇佳，牛春妹，王心雨，祝民强（东华理工大学 江西省数字国土重点实验室，江西 南昌；东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌）摘 要：鄱阳湖作为中国第一大淡水湖，近年来多次出现洪旱灾害。本研究基于 年间 个时相的 遥感影像数据，通过单波段阈值法、多波段谱间关系法、归一化差异水体指数（）、改进的归一化差异水体指数（）提取鄱阳湖水体信息，定量分析 年鄱阳湖水域面积动态变化状况并探究其原因。结果表明，在 种水体提取方法中 提取鄱阳湖水体信息效果最佳；年间鄱阳湖水域面积不断波动，每年最小水域面积整体呈现减少趋势，年低至 ，年际最大水域面积为最小水域面积的 倍，存在显著的季节性变化；鄱阳湖丰水年与枯水年以大约 年的周期交替出现，年以来多次出现枯水期的提前、延长与极端枯水位等现象。研究结果为该地的水资源开发利用，生态文明建设提供了重要参考依据。关键词：；动态监测；水体提取；鄱阳湖中图分类号：文献标志码：文章编号：（）刘浩，周万蓬，张宇佳，等，基于 影像的 年鄱阳湖面积动态监测 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：湖泊作为一种重要的国土资源，在调节区域气候、记录区域环境变化、维护生态系统平衡等方面起着十分重要的作用。近年来，随着全球气候变化，人类活动增多，导致湖泊水量急剧减少，水质恶化，面积萎缩，乃至枯竭，从而使湖泊的水文周期和水文动态条件发生了巨大的变化（张振克等，；崔保山等，）。鄱阳湖作为全国最大的淡水湖，具有调节洪水、涵养水源、保护生态多样性、维护生态平衡等众多功能，同时也对长江流域生态环境方面有着巨大的影响。随着遥感技术的迅速发展，具有覆盖范围广、监测频率高、人力成本低等优势的遥感技术，已被广泛应用于湖泊水文条件监测。利用遥感影像快速、准确地提取水体信息，进而对湖泊进行监测、调查和分析成为一种必然趋势（王海波等，；，）。近年来，越来越多的国内外学者开始利 用 遥 感 图 像 数 据 来 获 取 水 体 的 信 息。（）发现将绿光波段和近红外波段进行比值运算后可以有效抑制植被信息并突出显示水体信息，通过遥感影像特定波段进行归一化差值处理，提出了。徐涵秋（）在对 的归一化差异水体指数分析的基础上，调整波长组合，利用中红外波段替代近红外波段，提出了，消除了建筑物、土壤的干扰。等（）在 、影像中探讨了 种水指数方法对水进行分类的准确性，确认优化的阈值，抽象实现 影像水体准确分类的自动化。在湖泊水域变化方面，不同类型的遥感数据源及水体提取方法被用来实现对湖泊的动态监测。文雄飞等（）基于 年以来多期 卫星遥感影像提取洪湖水域，并与同期逐月日平均降雨资料进行对比，探讨洪湖流域的面积变化情况，证实其与年均降水量之间的关系。崔亮等（）选用 遥感影像通过单波段阈值法、多波段谱间关系法、目视解译 等 方 法，对 洞 庭 湖 年的水域面积动态变化进行了研究。为了满足湖泊监测的时间连续性和空间完整性要求，当前倾向于多组遥感影像结合多种方法提取影像中的水体信息，监测湖泊面积。本研究基于、多组影像数据，通过单波段阈值法、多波段谱间关系法提取鄱阳湖水体信息，以 影像作为基准面积，比较分析几种水体提取方法的适用性与精确度，最终选定最合适的一种方法提取鄱阳湖水体，定量分析 年鄱阳湖水域面积动态变化状况。研究区概况鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，与赣江、信江、修水、饶河、抚河等河流相连（图）。鄱阳湖水量丰沛，丰水期流域面积达到 。湖区通常由松门山岛分为南北两部分，南北跨度为 ，南部湖泊湖面辽阔，水深较浅，是鄱阳湖主湖区，北部湖面狭窄，水深较深，属于通江港道（孙芳蒂等，）。由于鄱阳湖的湖底地形和周边山体滩地高程的特殊性，以及汛期受江河水位的影响，使鄱阳湖出现了“高水是湖，低水似河”“洪水一片，枯水一线”的独特自然景观（周禹，）。数据来源与研究方法 数据获取与预处理 卫星是由美国国家航空航天局发射的，其主要目的是对海洋及地下水资源进行调查，监测农业、林业、水利等方面的发展，预测农作物的生长及收成，并对地物的种类和地形进行研究，监测和预报各种自然灾害（如地震、洪涝灾害），还可通过影像资料的分析，获得各类专题图供各部门参考（彭望琭等，）。影像是欧洲空间局“哥白尼计划”发射的首颗环境监测卫星，包含、两颗合成孔径雷达星座，重访周期最短可达（王磊等，；刘向铜等，）。本研究主要通过地理空间数据云下载获取 系列影像（行编号：，条带号：）作为鄱阳湖动态监测数据源，以 数据作为基准面积验证 数据准确性（表）。针对 部分影像存在的条带现象，利用 插件对其进行条带修复（图）。由图 可以看出修复效果良好，利用 软件平台选取某一年卫星影像进行辐射定标和大气校正处理，基于波段运算和阈值以及决策树分类对几种水体提取方法进行比较分析，选用最精确的方法提取鄱阳湖水体信息（万建鹏等，；刘波等，）。表 卫星选取参数表 卫星参数传感器 收集影像数量 景选取时间范围 年 主要研究方法（）单波段阈值法。利用水体在近红外波段和中红外波段吸收最强而反射率较低的特性，设置一定的阈值将水体与植被、裸地等非水体地物进行区分，小于设定阈值为水体，反之则为其他地物，从而提取水体信息（毕海芸等，；王秋燕等，）。其计算公式如下：（）式中，为近红外波段，为提取水体的灰度阈值。（）多波段谱间关系法。由周成虎等（）提出，通过分析水体与其他地物在 影像不同波段上的灰度曲线图，确定水体与其他地物的关系特征，将不同波段组合运算，增大水体和阴影光谱特征值之间的差距，从而提取水体信息。其公式如下：（）式中，、依次为影像中的绿光波段、红光波段、近红外波段、中红外波段。（）归一化水体指数。由（）提出，利用绿波段和近红外波段间的比值运算，加强遥感影像中的水体信息、抑制非水体信息，从而增强影像的对比度，有利于水体的进一步提取。其公式如下：（）（）（）式中，为归一化差异水体指数值。（）改进的归一化差异水体指数。由徐涵秋（）提出，在 分析的基础上调整波长组合，利用中红外波段替代近红外波段，对土壤、建筑第 期刘浩等：基于 影像的 年鄱阳湖面积动态监测图 鄱阳湖地理位置图 以及干涸湖体敏感度较高，并减少了噪声，能够更加准确地提取水体信息。其公式如下：（）（）（）式中，为改进的归一化差异水体指数值。结果与分析 种水体方法的总体精度对比为了选取更精确的水体提取方法，选用数据质量较好、云量小于 的 年 月 日的 影像数据进行试验。基于 软件进行辐射定标与大气校正等预处理，得出鄱阳湖真 假彩色合成图（图），利用波段运算、阈值处理以及决策树分类对单波段阈值法、多波段谱间关系法、和 等 种水体提取方法进行比较分析，整体提取效果如图，局部精度提取效果如图。通过对比处理前后的遥感影像，由图 可以看出以上 种方法在整体上均能较好地提取鄱阳湖区主体水域，具有较好的完整性。由图 局部精度对比图可以看出单波段阈值法可以准确识别连续大范围水体，但对于许多细条状的细小水体界限不能很好地区分出来，漏提现象较多。多波段谱间关系法有 个波段参与计算，差异度比较大，信息量较为丰富，提取总体效果较好，但对建筑物、山体和居民地产生的阴影不能很好地识别，总体漏提率较东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 条带修复前后效果 修复前；修复后。图 鄱阳湖真 假彩色合成图 真彩色合成图；假彩色合成图。少，误提率高。利用遥感影像特定波段进行归一化差值处理，在 水体提取影像中水体和植被、土壤等其他地物阈值相差较大，分别为正值和负值。通过阈值分界可以很好地提出水体，本次试验通过多次比较，设定阈值为 ，提取效果相对于单波段阈值法漏提率较低。以中红外波段替代近红外波段，可以有效提取鄱阳湖区深水区、入江水道和碟形湖等，也可以体现湿地范围内沼泽、水田的细节。本次试验设置 阈值分界，将研究区所有地物划分为水体与非水体，提取第 期刘浩等：基于 影像的 年鄱阳湖面积动态监测结果可以最大程度抑制植被、阴影信息，突出水体，提取效果最佳。为了进一步验证遥感影像中 种水体提取方法的准确性，对提取的相同水域面积进行定量统计精度验证。以 年 月 日 影像为基准，计算每种水体方法提取的面积与基准面积的差值（表）。结果表明，单波段阈值法与 存在漏提现象，多波段谱间关系法误提较多，而 水体提取结果最接近基准面积，差异最小，与之前目视对比结果基本一致，最终选用 方法对鄱阳湖水域进行提取。图 整体提取效果图 单波段阈值；多波段谱间关系；。图 局部精度对比图 局部假彩色合成图；单波段阈值；多波段谱间关系；。表 不同方法对鄱阳湖水体提取面积对比 方法单波段阈值法谱间关系法面积 差值 鄱阳湖水域面积变化分析 鄱阳湖水域面积月变化分析采用 方法对鄱阳湖水域面积进行提取。受 卫星周期重访的限制以及云量等天气因素的影响，获取的影像数据时间分布并不均匀，某些年份的部分月份只能获取到一幅影像或者没有影像。针对这种情况，将同一月内的一景影像的湖泊面积或者两景影像提取的湖泊面积平均值作为本月的平均水域面积，以此来分析湖泊面积的季节变化趋势，如 年部分月份图像（图）。如图 所示，鄱阳湖水域面积月变化十分明显，年的、月份鄱阳湖水域面积超过 ，月 日达到最大值（），而到 月份，水域面积最小只有 。月最大水域面积约为 月最小水域面积的 倍。由 年鄱阳湖水域面积平均月变化图（图）分析可知，鄱阳湖存在明显的季节变化特征。湖泊面积从 至 月份开始扩张，至 月为东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 年鄱阳湖不同月份湖泊面积提取 湖泊面积 ；湖泊面积 ；湖泊面积 ；湖泊面积 ；湖泊面积 。图 年鄱阳湖水域面积平均月变化图 鄱阳湖丰水期，湖泊水域面积最大，湖水在这段时间内维持高水位。这种现象主要由于此阶段江西省降水偏多，赣江、信江、修水、饶河、抚河等 大河流与长江处于汛期，进入鄱阳湖流量较大，鄱阳湖水域面积在 月达到最大，整个湖面基本连成一片。进入 月后，由于降水量的逐渐减少，以及上流水库蓄水引起的长江等水域径流的减少，使得鄱阳湖水域面积不断降低，在 月至次年 月，鄱阳湖进入枯水期，此阶段鄱阳湖会形成一个南北窄长的线条状湖泊水体，从而形成了鄱阳湖“洪水成片，枯水一线”的特有景观。鄱阳湖水域面积年变化分析由图 分析可知，鄱阳湖 年水域面积不断波动，每年最小水域面积整体呈现减少趋势。年鄱阳湖由于 年洪水影响，湖泊调蓄能力和调洪功能没有得到恢复，最大水域面积与图 鄱阳湖最大与最小水域面积年变化图 最小水 域 面 积 仍 然 较 高，最 大 水 域 面 积 达 到 。在 年鄱阳湖的水域面积呈现萎缩趋势，萎缩速率达到 （，）。年以来，长江流域进入枯水期，流量明显下降，长江水文情势变化是 年以后鄱阳湖水位长期低枯的主要因素。在 年间，长江流域总体属于枯水年，年以后，鄱阳湖星子站水位比 年以前年平均水位降低 ，枯水期由 月份提前至 月份，其中 月份下旬水位降低了 。鄱阳湖秋冬季节持续出现低枯水位，最小水域面积保持在 左右。年长江上游部分地区 至 月出现新中国成立以来最严重的干旱，汛期长江上游来水明显偏少，此外由于降水的减少导致五河（赣江、修水、抚河、饶河、信江）入湖水量相应减少，使得 年鄱阳湖地区出现严重的干旱，丰水期最大水第 期刘浩等：基于 影像的 年鄱阳湖面积动态监测域面积只有 。年春夏季长江中下游遭受到历史罕见的干旱，截止到该年 月 日，长江中下游各省降水量比往年同期偏少（胡振鹏等，），鄱阳湖旱情更为突出，最大水域面积与最小水域面积均处于历史较低水平。而在 年，长江及鄱阳湖流域总体属于丰水年，鄱阳湖在这 年中多次出现洪水灾害。年 月江