摘要： 水体的面积监测是调查水资源的一个重要方面，也是洪水灾害监测的重要内容。基于卫星遥感影像，进行快速、准确的提取水体面积信息已经成为水资源调查、监测的重要手段。本文通过环境减灾A、B星得到的鄱阳湖湖区卫星影像，采用手工数字化进行分类，提取水体信息，并与1998年实测面积按水位进行比较分析，实现湖区水体面积的快速监测。
Abstract： The water area monitoring is an important aspect of water resources investigations， also is the important content of flood disaster monitoring. Through satellite remote sensing image， quickly and accurately drawing the information of water area has become the important means of water resources investigation and monitoring. Based on the satellite images of Poyang lake region through the A， B star of environmental disaster reduction， the paper uses the manual digitization to sort， extracts water information， compares with the actual area in 1998 in accordance with the water level， and realizes fast monitoring for lake water area.
关键词： 环境减灾A、B星；HJ-1；遥感；鄱阳湖；水体面积估算
Key words： A，B star of environmental disaster reduction；HJ-1；remote sensing；Poyang lake；water area estimating
中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）19-0213-03
1 概述
1.1 鄱阳湖基本情况 鄱阳湖位于江西省的北部，长江中下游南岸，承纳赣江、抚河、信江、饶河、修河五大江河及博阳河、漳河、潼河之来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个过水性、吞吐型、季节性的湖泊。鄱阳湖南北长173km，东西平均宽度16.9km，最宽处约74km，入江水道最窄处的屏峰卡口，宽约为2.8km，湖岸线总长1200km。鄱阳湖水系流域面积16.22万km2，约占长江流域面积的9%。
鄱阳湖水位涨落受五河及长江来水的双重影响，高水位维持时间长，4-6月水位随鄱阳湖水系洪水入湖而上涨，7-9月因长江洪水顶托或倒灌而维持高水位，10月才稳定退水；每当洪水季节，水位升高，湖面宽阔，一望无际。湖口水文站水位21.00m（吴淞基面，下同）时，湖水面积3840km2，容积262亿m3。当达到湖口水文站1998年实测最高水位22.58m时，湖水面积达4070km2，容积320亿m3。枯水季节，水位下降，洲滩出露，湖水归槽，蜿蜒一线，洪、枯水的水面、容积相差极大。湖口水文站历年最低水位5.90m（1963年）时，其通江湖体面积仅为28.7km2，相应容积为0.63亿m3。“高水是湖，低水似河”、“洪水一片，枯水一线”是鄱阳湖的自然地理特征。
湖口水文站位于湖口县双钟镇三里街（东经116°13′，北纬29°45′），鄱阳湖入江水道末端右岸。中低水断面位置下距河口仅0.7km，该站为鄱阳湖出流的唯一控制站，受长江和鄱阳湖来水的双重影响，水文现象复杂，观测资料深受影响。水位观测，枯水时期每日早晚8点观测水位各一次，汛期视水情变化，随时增加测次。流量观测平时以流速仪观测，在流速小于0.3m/s时，改用积深浮标施测。在中枯水流速仪断面施测时，全断面测线分布，在7月以前一般为9条，少数测次用15或30条施测，7月以后，均为30条。每线测5点。在高水流速仪断面施测时，一般全断面施测30条，其中3次施测40条。但在遇大风浪时，适当减少条数。含沙量测验采用横式采样器，与测流同时施测。
1.2 环境减灾A、B星基本情况 “环境与灾害监测预报小卫星星座”是中国为适应环境监测和防灾减灾新的形式和要求所提出的遥感卫星星座计划。根据灾害和环境保护业务工作的需求，“环境与灾害监测预报小卫星星座”由具有中高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、宽观测幅宽性能，能综合运用可见光、红外与微波遥感等观测手段的光学卫星和合成孔径雷达卫星共同组成，以满足灾害和环境监测预报对时间、空间、光谱分辨率以及全天候，全天时的观测需求。是中国专用于环境与灾害监测预报的卫星，其A、B星于2008年9月6日以一箭双星的方式在太原卫星发射中心由长征二号丙火箭发射升空。
环境减灾A、B星由两颗中分辨率的光学小卫星组成，拥有光学、红外、高光谱多种探测手段，是目前国内民用卫星中技术较复杂、指标较先进的对地观测系统之一，具有大范围、全天候、全天时、动态的灾害和环境监测能力。其中A星搭载两台宽覆盖多光谱可见光相机和一台高光谱成像仪，并安装泰国的Ka波段通信试验设备，B星搭载两台宽覆盖多光谱可见光相机和一台红外相机。宽覆盖多光谱可见光相机的地面分辨率为30米，重访周期为48小时，高光谱成像仪和红外相机的重访周期为96小时。
民政部国家减灾中心（民政部卫星减灾应用中心）负责环境减灾卫星的运行管理工作。A、B星发射以来，卫星及载荷运行指标正常、状态良好。截至2012年6月1日，已稳定运行1364天，共安排成像约8100轨，成像时间约1550小时，累计获取卫星数据70万余景，其中宽覆盖多光谱可见光影像约25万景，红外影像约3万景，高光谱影像约42万景。
2 资源卫星数据及其处理
2.1 水体提取方法的确定 水体因对入射能量（太阳光）具有强吸收性，所以在大部分遥感传感器的波长范围内，总体上呈现较弱的反射率，并具有随着波长的增加而进一步减弱的趋势。具体表现为在可见光的波长范围里（480-580nm），其反射率约为4%-5%，但到了580nm处，则下降为2%-3%；当波长大于740nm时，几乎所有入射纯水体的能量均被吸收。因此，通常只能采用可见光波段来研究水体。其中水体在蓝光范围里的反射率相对较强，并具有明显的散射作用，绿光次之，红光相对较弱，这也是海水呈蓝色的主要原因。由于水体在近红外及随后的中红外波段范围内（740-2500nm）所具有的强吸收特点，导致了清澈水在这一波长范围内几乎无反射率，因此，这一波长范围常被用来研究水陆分界、圈定水体范围。综上，清澈水体的遥感信息模型根据其反射率可以近似表示为：蓝光>绿光>红光>近红外>中红外。但是随着水体浑浊度（各种有机、无机物质浓度）的增加，水体的反射率会有所变化。如水体泥沙量的增加会导致反射率的提高，并使光谱曲线的反射峰往长波方向移动。
目前，利用遥感信息提取水体信息的方法一般可分为手工数字化法、监督分类法、单波段法、多波段法等。
①手工数字化是最原始的方法，虽然提取精度较高，但工作强度巨大，效率极低。
②监督分类法工作量较大，且要求训练区域具有典型性和代表性，适合于有先验知识时使用，而且受人的主观影响严重，对于同一副图像，不同的人或同一人在不同时刻所做的结果都不一样，很难保证分类的客观性，而且监督分类的精度一般不超过85%。
③单波段法又叫波段阈值法，原理较为简单，主要选取遥感影像中的近红外波段并辅于阈值来提取水体。这种方法利用了水体在近红外波长处的强吸收性以及植被和干土壤在此波长范围内的强反射性特点，但是很难去除水体中杂有的阴影，而且阈值的选取需要反复试验才能确定，同样受人的主观影响，对于同一副图像，不同的人所确定的阈值亦不相同，而且效率较差，自动化程度较低。
④多波段法则主要利用多波段的优势综合提取水体信息，并可分为谱间分析法和比值法。谱间分析法多为国内学者所采用。它通过分析水体与背景地物的波谱曲线特征，找出它们之间的变化规律，进而用逻辑判别表达式将水体提取出来。这种方法通常比较复杂，不同的人或在不同的地区所使用的逻辑判别表达式亦然不同，建立的提取模型通用性较差，不具备可移植性，且自动化程度较低。而比值法则根据不同地类在不同波段中的波谱特点，利用比值计算快速提取水体信息。如用绿光或红光波段除以近红外波段的简单比值运算就有利于抑制植被信息，增强水体信息。但是这一方法无法彻底抑制与水体无关的背景信息，提取精度较低，而且阈值的选取同样需要反复试验才能确定，自动化程度低。
纵观水体提取的方法，根据我们所面临的实际情况，由于鄱阳湖湖区水体范围高水位时汪洋一片；低水位时各种圩垸、分洪区、联圩等复杂情况，自动化提取错判率比较高，人工数字化不是很繁琐的情况下，我们采取手工数字化的方式对水体进行提取。
2.2 卫星图像数据选取与处理 由于鄱阳湖地区每年云覆盖时间较长，因此很难获取连续的无云影像。根据环境减灾A、B星2012全年的卫星影像，挑选了天气晴好、无云遮挡时期的影像约58景，再根据鄱阳湖湖口水文站2012年相关水位资料，查询影像当天相应的水位信息，并从中筛选出具有代表性的影像，本次试验只选取了两幅相对应水位分别为最高和最低水位附近的影像。
根据湖口水文站水位资料，国家1985高程基准下，全年最高水位19.45m，最低水位7.68m，平均水位13.42m，从上述的58景影像中挑选最高和最低水位附近的影像，最终选定2012年1月1日和2012年8月15日各一景，相对应的水位分别为7.93m和19.14m来进行试验。
影像选定之后，开始进行数据处理，首先，由于原始卫星影像的变形，可利用控制点数据库进行影像的纠正；其次，手工数字化提取水体，严格剔除非相关水体，保证其提取精度；最后叠加分析、算面积、出示意图。如下，图1是2012年1月1日鄱阳湖水体提取图（浅蓝色代表水体），图2是2012年8月15日鄱阳湖水体提取图（深蓝色代表水体），图3是两幅水体提取图的叠加，浅蓝色是水体范围，深蓝色是变化的范围，由图可以明显的看出随着水位的涨落鄱阳湖蓄水面积的变化情况，珠湖圩、康山圩、青岚湖、军山湖联圩等区域均与水位的关系不大，是由于近年来修建大堤的原因。经过计算，2012年1月1日鄱阳湖水体面积1239.13km2，2012年8月15日鄱阳湖水体面积3716.34km2。
3 与以往的数据对比
根据长江水利委员会水文局2010年公布的 《1998年鄱阳湖面积、容积量算及分析报告》，鄱阳湖1998年实测范围包括鄱阳湖松门山以北湖泊区、鄱阳湖松门山以南湖泊区、珠湖圩、方舟斜塘、康山圩、黄湖、青岚湖、军山湖联圩、五河尾闾河道。本次影像提取水体面积范围包含上述除去五河尾闾河道的所有水域。
根据报告面积统计表，国家1985高程基准19m时，鄱阳湖松门山以北湖泊区648.75km2、鄱阳湖松门山以南湖泊区2417.53km2、珠湖圩133.86km2、方舟斜塘33.39 km2、康山圩300.21km2、黄湖49.08km2、青岚湖94.75km2、军山湖联圩224.92km2、五河尾闾河道427.02km2。除去五河尾闾河道之后水体面积总计3902.49km2，根据2012年8月15日影像（相对于水位19.14m时），提取水体面积为3716.34km2，相差186.15km2。
国家1985高程基准8m时，98年报告中鄱阳湖松门山以北湖泊区84.52km2、鄱阳湖松门山以南湖泊区19.95 km2、珠湖圩0.27km2、方舟斜塘0.0096km2、康山圩0.35km2、黄湖干涸、青岚湖0.044km2、军山湖联圩干涸、五河尾闾河道17.06km2。除去五河尾闾河道之后面积总计105.14km2，根据2012年1月1日影像（相对于水位7.93m时），提取湖区水体面积为1239.13km2，前后相差十倍多，从图上分析原因，差距之大主要表现于鄱阳湖松门山以南湖泊区、珠湖圩、康山圩、青岚湖、军山湖联圩这几个地方，显然是因为近年来修建大堤形成水库所造成的。
4 结语
水资源是社会经济发展的基础条件，随着我国经济的持续高速发展，对水资源的需求日益增加。鄱阳湖作为中国最大的淡水湖资源，其地位可想而知，在全球气候变化和人类活动的共同影响之下，湖面萎缩、水质恶化、湿地退化、旱涝急转等一系列水文与生态问题，急需解决。遥感作为一种新兴的对地观测技术，具有观测范围大、时效性强、成本低廉等其他技术手段无法比拟的优势，是进行湖泊动态监测的一种行之有效的手段。
通过试验研究，基于遥感技术的鄱阳湖水体面积监测，具有速度快精度高等优点，能够迅速的进行湖泊的动态监测，给湖区的监测带来极大的便利，为以后水文生态更加深入的研究提供了一个良好的平台。
参考文献：
[1]于德浩，龙凡，邓正栋等.基于遥感特征指数的地表水体自动提取技术研究[J].地球物理学进展，2009，24（2）.
[2]徐涵秋.利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究[J].遥感学报，2005，9（5）.
[3]曲伟，路京选，李琳，李小文.环境减灾小卫星影像水体和湿地自动提取方法研究[J].遥感应用，2011，4.
[4]郭善昕，蔡阳，孟令奎，成建国.面向环境卫星CCD数据的指数合并和HSV变换水体检测方法的改进算法[C].
[5]许小华，张维奇，胡强.基于MODIS的鄱阳湖湖面面积遥感监测研究[J].江西水利科技，2008，34（4）.
[6]李辉，李长安，张利华，田礼侨.基于MODIS影像的鄱阳湖湖面积与水位关系研究[J].第四纪研究，2008，28（2）.
[7]杨清华，曾福年，曹文玉，齐建伟，范景辉.遥感技术在北京周边资源与环境监测中的应用[J].国土资源遥感，2007（04）.
[8]申晋利，张军龙.基于面向对象分类方法的查干湖地区生态环境变化遥感分析[J].地球科学与环境学报，2009（02）.
[9]马明秀，全明宰.遥感技术及其应用研究[J].科技创新导报，2012（08）.
[10]李哲莹，崔丰元.浅谈环境监测中遥感技术的应用[J].科技资讯，2012（06）.
[11]胡黎明，苏达，王树文.遥感与GIS技术在土地利用动态监测及执法监察中的应用[J].影像技术，2012（03）.
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