基于Sentinel-1遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测.pdf

年 月第 卷 第 期 湖南师范大学自然科学学报 ，引用格式：蒋宇翔，温彦平，赵国松，等 基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测 湖南师范大学自然科学学报，（）：，（）：基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测蒋宇翔，温彦平，赵国松，李晓玲，瞿依然（中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院 区域生态过程与环境演变湖北省重点实验室，武汉 ）摘要水文特征的动态变化对于农业生产、防洪泄洪、水文循环以及湿地生态系统的稳定性及其生物多样性有直接影响，通过高时空分辨率的遥感影像对湖泊水文特征进行动态监测显得尤为重要。本研究基于 （）云平台、（）雷达影像数据，使用 法对东洞庭湖水体进行提取，应用台体公式结合城陵矶水文站的水位数据计算湖泊月度水量变化，再基于 降水数据与水文站月平均径流量分析湖泊水量与洞庭湖流域降雨以及径流量的变化关系。结果表明：（）东洞庭湖多年平均水体面积为 ，峰值为 （年 月），谷值为 （年 月）。（）东洞庭湖月度面积与城陵矶水文站的月度水位具有明显的线性关系，两者回归方程的 达到 。（）随着浸没率上升，西侧湖泊范围扩大的连续性要强于东侧，说明东洞庭湖西侧湖底地形起伏较小。（）历年湖泊水量达峰时间相较于流域降雨滞后一个月且两者波形高度一致。（）东洞庭湖的湖水持续从位于湖泊东北角城陵矶的通江口流入长江，其径流量随季节波动明显并与相对水量变化具有较强一致性。本研究可为洞庭湖地区的灌溉管理、汛期洪水调蓄等实际应用提供参考，也为 数据在湖泊水文分析上的应用提供一种可行方案。关键词 ；水体提取；水量计算；东洞庭湖中图分类号 ；文献标识码 文章编号 （），（，（），），（）（），收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费专项（）通信作者：温彦平，博士，副教授，研究方向：经济地理，：。蒋宇翔等：基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测 ，（），（），（）（），（），（），（），；水是地球上最丰富也是最重要的资源之一，湖泊是地球水资源的重要载体 。全球约有 亿个湖泊（面积 万 ），覆盖地球表面的 ，这些湖泊起到了为人们提供饮用水与食物、灌溉、调蓄洪水、支持人类生存、社会发展和生态系统稳定的功能。洞庭湖是长江流域重要的调蓄洪水湖泊，是长江仅有的两个大型通江湖泊之一，其年内水量随季节变化明显，水位涨落幅度大，丰枯季节水位落差可达 以上 ，剧烈的年内变化以及其具有的重大生态环境意义赋予洞庭湖水文极高的研究价值。研究显示，洞庭湖自清代以来由于气候以及人为等因素，其面积一直在缩减，由 年的 缩减至 年的 。在 年三峡工程正式运行后，荆江三口和洞庭湖水沙发生重大变化，东洞庭湖地区季节性水资源短缺问题成为常态，洞庭湖湿地生态系统正面临生态环境恶化、生物多样性降低、生态调节功能减弱等一系列生态问题 ，因此，监测东洞庭湖水文特征的短期动态变化对于洞庭湖地区的灌溉计划、防洪泄洪、水文循环以及湿地生态系统的稳定性有直接且重要的影响 。遥感影像能够及时准确地观测地表，所以被广泛用于监测地表水动态的研究中 。现成的地表覆盖遥感产品如 ，和 使用方便，但这类土地覆盖产品时间频率过低，无法充分描述年内地表水变化；具有高时间分辨率的低空间分辨率数据，如 和 数据可绘制全年水体变化图，但这些影像的空间分辨率过低，导致提取出的水体边界准确度较差；具有较高空间分辨率的光学影像，如 和 卫星的图像，由于云层的影响导致可用的影像时间频率较低，影像时间序列不规则。由于合成孔径雷达影像（）完全不受云层的影响，其监测地表水的研究应用越来越广泛。一些高分辨率（）的雷达影像如 （），（），（），（）因为其高昂的价格而较少被大范围应用于实际研究中，但从 年开始，系列卫星陆续发射成功，其免费的高时空分辨率数据（）也开始公开，被广泛应用于水体提取的相关研究中。此外，随着 云平台的普及，遥感数据的收集与处理过程得到整合，使得雷达影像水体提取的研究更为便捷，大大提高了成果产出效率。因此，笔者在此次研究中探索使用不受云层影响并且时间分辨率与空间分辨率较高的数据源对东洞庭湖的水体水文特征动态进行监测。研究区概况、数据与方法 研究区概况洞庭湖位于 ，是中国第二大淡水湖，其流域覆盖大部分湖南省和湖北省、广西壮族自治区、贵州省和重庆市部分地区，流域面积约 ，约占长江流域面积的 ，流域多年平均年降水量 ，多年平均年径流量为 亿，约占长江流域地表水资源 。洞庭湖西北方向有松滋河、虎渡河和藕池河，分别从松滋、太平、藕池三口分泄长江中游的江水入湖 ，第 期西边和南边主要有湘江、资江、沅江和澧水 条支流汇入湖中，湖水在城陵矶（七里山）附近的东北出口汇入长江。洞庭湖是一个典型的河道型湖泊，在 月到 月洪水泛滥期间，它储备长江的洪水，缓冲长江中游的水量变化；而在 月到次年 月旱季期间，它为长江供水，维持其航运功能 。洞庭湖通常被分为东洞庭湖、西洞庭湖和南洞庭湖三个部分，其中东洞庭湖面积最大，占洞庭湖总面积的一半以上，水量最多，径流调节能力最强，它还有很大的航运和渔业价值，并为周边地区农业提供灌溉水，调节当地的气候。此外，东洞庭湿地在 年被列入 拉姆萨尔公约，生态价值巨大。注：审图号为 （）号，底图无修改图 研究区域位置及概况图 数据来源 遥感数据本文的遥感影像数据来自 ，包括两颗雷达卫星（和 ），分别由欧空局于 年 月 日和 年 月 日发射 ，空间分辨率为 ，单颗卫星的重复周期是 天，两颗卫星同时工作可以将卫星影像的时间间隔缩短至 天 。的雷达可以在 种模式下运行：干涉宽幅（），超宽幅（），波（）和带状图（），其中波动模式具有单极化模式（或 ）以及双极化模式（或 ）。以往研究多使用 与 极化模式来提取水体，考虑到 极化方式雷达影像上存在条带状误差，笔者在本次研究中选择 极化方式。在 年之前，覆盖整个东洞庭湖需要在同一时间拍摄两个图像场景，随着第二颗卫星的影像数据（年 月之后）投入使用，东洞庭湖可以被一幅 的影像所覆盖。图 是研究中所有 数据的日期分布图，主要选择 到 年中每个月 号的遥感影像，目的是让选取的每个月的水体影像尽可能地代表这个月的平均湖泊面积。图 各年份研究数据具体时间分布图 流域降雨数据本文所用降水产品为 平台上的 产品（：），时间分辨率为月，空间分辨率为 。本文选取的时间湖南师范大学自然科学学报第 卷蒋宇翔等：基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测跨度为 年 月至 年 月，覆盖范围为洞庭湖流域全境，在 平台上进行直接运算分析。水文数据本文所用水文数据来源于湖北省水文水资源中心（：），城陵矶水文站的水位数据时间与 数据时间对应，精确至小时（卫星拍摄东洞庭湖的时间绝大部分为每天 点，少部分为 点）。月平均径流量数据是将一个月内城陵矶水文站的每小时实测径流量取的平均值。研究方法 滤波添加与坡度校正合成孔径雷达（）图像在遥感中得到了广泛的应用，但其固有的散斑噪声妨碍了对图像信息内容的解释，但通过滤波器可以将图像中的散斑噪声消除，具有优异的除噪能力的散斑去除滤波器会降低图像的辐射测量和空间分辨率，从而导致图像中详细信息的丢失 。本研究使用的是被广泛使用的 滤波器 ，该滤波器通过匹配边缘方向窗来确定同质像素，不仅可以很好地控制相干斑噪声，并且能够引入边缘结构特征，减小边缘细节的损失 。在雷达成像的过程中，往往会发生地形重合遮掩等情况，这时需要对其进行坡度矫正，使识别结果更为精确，本文中采用 等人专门为 平台上的 影像处理提出的一种基于角的辐射坡度校正程序 。水体提取 法本文水体提取方法采用 法，又被称为最大类间方差法。该算法是由 于 年提出的一种图像二值化算法 。该算法被广泛应用于机械 、环境 、医学 等多个领域，其相较于监督分类法，另一种提取 影像的常用方法，具有计算速度快、结果精度高等优点。此算法的基本思想是假设这两个类别由大致双峰强度直方图分开。然后通过计算最小化两个类别之间差异的阈值 ，找到将两个类别分开的最佳阈值，来使这些类别的加权平方差()最小，计算过程如下：()()()()()，（）式中，与 是被阈值 分离开来的两个类别的概率，而 与 是这两个类的方差，()与()由灰度直方图进行计算，公式如下：()（），（）()（）。（）类均值（）与()计算公式如下所示：()（）()()，（）()（）()()，（）式中：()为第 个直方图面元中心的值。学者 曾证明，最小化类内方差与最大化类间方差相同，计算公式如下：()()()。（）总方差可表示为下式：()()()()()。（）相对水量变化回归分析假定湖泊水量变化近似一个不规则“台体”，根据“台体”体积公式计算湖泊水量的变化量，即根据面积和水位变化量求解，但由于水位数据的测量会受到日照、风速、湿度、气温、波浪等方面因素的影响 ，易产生误差，所以在计算洞庭湖水量变化之前，需构建水位高度水体面积的回归方程。水位高度数据为城陵矶水文站获取的洞庭湖水位数据，水体面积通过在 中提取出的水体在 中转化为面矢量计算得出。将水位数据代入回归方程中校正数据的误差，并对每个研究时间点的水体面积与校正后的水位高度数据进行排序，之后再代入到台体公式中进行计算（下文讨论的相对水量是将 年中水位最低、水体面积最小的 年 月的水量设定为“”），进一步算出其他月份的相对水量。水量变化量计算公式如下：（）（槡），（）其中 是相邻时间段东洞庭湖水量的变化量，与 分别是这两个时间段的城陵矶水文站的水位高度，与 则分别是通过雷达影像计算出的两个时间段水体面积。船舶对水体提取影响的去除在雷达影像中，金属物体的反射较强，往往一小块金属物体会在水体第 期上形成很大一块放射状光斑，而船舶的顶棚大都为金属制成，这对水体提取以及水体面积的计算造成了一定的误差。东洞庭湖是湘、资、沅、澧四水船舶入江的必经航道，并且洞庭湖的渔业与水产养殖业发达，所以来往船舶众多，这是造成本研究中对东洞庭湖水体的提取精度的主要误差原因之一。目前，研究者们并没有发现较好的在提取水体过程中自动消除船舶影响的较好方法，所以在本研究中，选择目视解译去除船舶光斑的方法。具体方法是：将水体提取结果（格式）从 中导出；将水体提取结果在 中重新分类，去除非水体部分，仅保留水体部分，然后转化为矢量格式；对照原始 、影像以及 卫星地图，通过编辑折点来对矢量地图进行修正，去除水体面矢量中由船舶造成的放射状光斑。东洞庭湖水文特征动态图 东洞庭湖 年至 年月度水体面积变化情况 东洞庭湖水体面积时空变化从东洞庭湖多年水体面积变化（图 ）可以看出，一年中湖区水面存在较为明显的丰枯变化特征：东洞庭湖在每年的 月或 月开始进入涨水期，到 月份水面积达到峰值，在 月会因春汛而出现小幅度涨水，月水量小幅度回落，月水量迅猛增长。东洞庭湖湖区水面面积每年 月达到最大，月则达到最小。研究期间湖区水体面积峰值范围为 ，湖区水体面积谷值范围为 ，年际峰值水面面积的变化幅度（）小于谷值水体面积的变化幅度（）。在研究时间区间内，所有年份中水体面积都是在 月达到峰值，图 东洞庭湖浸没率图 但谷值分散分布在 月、月和 月。其中，最大峰值出现在 年 月 日，为 （对应水位 ）；最低谷值出现在 年 月 日，面积为 （对应水位 ）。浸没率变化特征浸没率表示湖区中各地区在研究时间区间中被湖水淹没的频率。如图 所示，在 年，东洞庭湖浸没率总体变化特征是从湖中心到边缘的减少。其中，东洞庭湖在 年时间内都被水浸没（浸没率 ）的地区占整个东洞庭湖范围的 ，呈条带状分布于湖区东部及中北部；浸没率在 的部分占湖区总面积的 ；浸没率在 的地区占湖区面积 ；浸没率在 的部分占湖区面积的 ；浸没率在 的地区占 ；在湖区范围内 年中从未被水淹没过的干燥地区（浸没率 ）占总面积的 ，主要分布在南部的南洞庭湖水流入东洞庭湖的入水口附近以及西北部的藕池河东支两岸。其中，西南部的漉湖是时令湖，东洞庭湖地区的旱季其会急剧萎缩，随着浸没率的下降，西侧湖泊范围扩大的连续性要强于东侧，这说明东洞庭湖西侧湖底地形起伏较小；此外，东南侧东洞庭湖在一半以上的研究时间段中呈细长河道状。湖南师范大学自然科学学报第 卷蒋宇翔等：基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测 水位高度与水体面积回归分析水位高度水体面积的回归方程如图 所示，图中回归方程的 高达 ，表明水位数据与提取水体的面积数据有很强的相关性。基于此回归方程和水量变化计算公式计算水量的变化。图 东洞庭湖水位高度与水体面积线性回归方程 在 年东洞庭湖的相对水量呈现波动变化（图 ）。年、年与 年的峰值水量要大于其他年份，其中最大值出现在 年 月，其相对水量（设最低水量为 ）达到了 ；年内最低峰值出现在 年 月，水量仅有 ；年的月平均水量也是所有年份中最高的，达到 ，年月平均水量最低，仅为 。东洞庭湖水量变化与流域月度降雨量有较好的一致性，在观测时间区间（年）中，流域降雨量峰值出现在 年 月，达到 ，但平均月降雨量最多的年份是 年，全年平均月降雨量达 ，与湖泊水量相同，洞庭湖流域的降雨量较少为 年与 年，最低的 年仅 。图 东洞庭湖相对水量与流域月降雨总量年际变化关系图 月度相对水量与流域降雨量分析图 显示了不同年份流域月降雨量与湖泊相对水量的月度变化。在每年的 月，降雨量逐月递增，在 月，降雨量逐月递减，流域降雨量上升的过程较为平缓，下降的过程变化波动更为剧烈，月降雨量的峰值出现在 月。同水域面积一样，东洞庭湖相对水量在每年的 月比较丰富，冬季水量偏低，不同年份丰水月份的水量差异较大（月），枯水月份同比水量波动较小（月），湖泊相对水量的峰值出现在第 期 月。相比流域降雨水量达到峰值的时间滞后了一个月，这是由于流域降水需要转化为地表径流，而洞庭湖流域面积广阔，地表水汇聚后需要一段时间才能到达湖泊，成为东洞庭湖的补给，因此相对于降水量的最大值，湖泊相对水量的最大值在时间上存在约一个月的延迟。此外，在 月，有一个降雨量短暂回升的过程，但这个过程在同期湖泊相对水量的变化上并未得到体现，同样的现象在其他学者对鄱阳湖的水文研究中也出现过 。除了降水和地表径流，洞庭湖水持续地从东洞庭湖的城陵矶湖口流入长江，也影响湖泊水量变化，因此存在降水量增加而湖泊水量减少的情况。图 东洞庭湖相对水量与流域月降雨总量月际数据箱形图 月度相对水量与径流量分析通过图 可以看出，与达峰时间固定的湖泊水量以及流域降雨不同，湖水汇入长江的径流量每年的达峰时间不固定，年是 月；，和 年是在 月；年则是在 月，但其波动形状以及峰值高度上与湖泊相对水量变化具有很高的一致性，通过图 的趋势线可以看出，二者的相关性较高，相对水量月平均径流量回归方程 达到 。并且月平均径流量同样具有较高的季节性，这说明湖泊相对水量是影响洞庭湖水汇入长江径流量的主要决定因素，但后者更容易受到流域降雨量之外其他因素的影响，如长江水位的高低以及其他人为因素。图 年东洞庭湖相对水量城陵矶水文站月平均径流量折线图 湖南师范大学自然科学学报第 卷蒋宇翔等：基于 遥感数据的东洞庭湖水文特征动态监测图 东洞庭湖相对水量与对应月平均径流量散点图 结论与讨论 结论本研究提出了一种使用高时间、空间分辨率的雷达影像对东洞庭湖的水文特征进行详细分析的具体实现流程，该试验方法具有精度较高、成本低廉、简单易行等优点。揭示了近 年来东洞庭湖的水文变化，结论如下：（）在 年间，东洞庭湖平均面积 ，峰值为 （年 月），谷值为 （年 月），一年中湖体面积峰值时间稳定在 月，谷值时间分散于 月、月与 月。（）分析东洞庭湖的浸没率，当浸没率为 时，东洞庭湖呈东西两条带状湖泊，浸没率在 至 的水体面积占总湖泊面积比率最大，达 ，随着浸没率下降，西侧湖泊范围扩大的连续性要强于东侧。（）东洞庭湖 年 月至 年 月的月度水体进行提取，提取的水体面积与水文站水量变化数据具有很明显的线性相关关系，回归方程 达 。（）通过结合水位数据与水体面积数据计算得到的东洞庭湖相对水量变化，并通过 产品计算流域月降雨量，发现流域降雨量与湖泊相对水量有明显一致性，但流域降雨量的达峰时间均在每年的 月而湖泊相对水量达峰时间在每年的 月。（）分析湖水入江口处的径流量发现流域年降雨量是影响入江口净流量的决定因素，降雨量、净流量以及相对水量三者波形的吻合也证明了实验结果的准确性，并且建立了东洞庭湖相对水量与月平均径流量的函数关系。讨论（）洞庭湖是长江流域的大型通江湖泊，其相对水量受流域降水、长江水位、三峡水库和四水来水等的共同影响，既有自然因素，也有人为因素。（）研究得出的东洞庭湖季节性水文动态特征与之前学者对洞庭湖与长江流域其他通江湖泊的类似研究结论较一致 ，。但与 月流入长江的水量高于 月的鄱阳湖相比 ，在峰值水量较为丰富的 ，以及 年的东洞庭湖入江径流量峰值出现时间是在 月，而在峰值水量偏小的 年与 年，径流量峰值时间出现在 月与 月，每年径流量达峰时间不固定的原因可能是由于洞庭湖流域面积更大，地形更为复杂，并且上游河流与下游河湖海拔落差较大，因此在汛期长江对东洞庭湖的顶托作用较鄱阳湖要更小。（）研究中选取的有些遥感影像时间是在东洞庭湖地区刚发生强降水的不久之后，强降水会导致雷达影像中湖区里原本干旱的地区（以草地为主）积水而颜色变深，进而会引起短时间内水体提取的结果出现突然增加的情况，而事实上湖泊的水量没有明显的变化，这导致水位数据与水面积数据不对应现象，所以必须对照 影像以及 等卫星地图对提取结果进行目视解译编辑。（）本研究可对洞庭湖地区水文、生态以及资源开发等后续研究提供方法与数据方面的参考，后续相关研究建议增加更丰富的水位数据，如荆江三口附近水文站数据或湖区的测高卫星数据，并且运用多种统计学方法，结合数学模型分析人类活动对洞庭湖地区地表水的长期影响。第 期参考文献：，（）：，（）：朱轶 三峡大坝运行前后西洞庭湖鱼类群落结构特征变化 北京：北京林业大学，余姝辰，王伦澈，夏卫平，等 清末以来洞庭湖区通江湖泊的时空演变 地理学报，（）：庹瑞锐 三峡工程运营后对洞庭湖水环境影响及其治理对策研究 长沙：湖南农业大学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：彭焕华，张静，梁继，等 东洞庭湖水面面积变化监测及其与水位的关系 长江流域资源与环境，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：杨学志，陈靖，周芳，等 基于同质像素预选择的极化 图像非局部均值滤波 电子与信息学报，（）：，（）：，（）：，（）（），：，（）：，：单文明，童家玉 水文测量工作出现误差问题及解决措施 中国新技术新产品，（）：孙芳蒂，马荣华 鄱阳湖水文特征动态变化遥感监测 地理学报，（）：黄菊梅，韩沁哲，姚晟，等 基于卫星遥感的洞庭湖水体面积变化及与水文的相关性 中低纬山地气象，（）：（编辑 ）湖南师范大学自然科学学报第 卷