基于遙感技術(shù)的塔里木河流域業(yè)務(wù)應(yīng)用及展望

段遠(yuǎn)斌

（新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

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基于遙感技術(shù)的塔里木河流域業(yè)務(wù)應(yīng)用及展望

段遠(yuǎn)斌

（新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

通過(guò)遙感技術(shù)在塔里木河（以下簡(jiǎn)稱塔河）流域水調(diào)水管業(yè)務(wù)中的具體應(yīng)用，詳細(xì)介紹系統(tǒng)構(gòu)架和基于遙感技術(shù)在輸水水頭跟蹤、河道跑漫水監(jiān)測(cè)、湖面面積變化監(jiān)測(cè)等實(shí)際工作中的應(yīng)用情況，技術(shù)方法及發(fā)揮的效益，初步展示利用遙感技術(shù)開(kāi)展塔河流域生態(tài)調(diào)度輸水遙感監(jiān)測(cè)的重要性和必要性，并對(duì)開(kāi)展此項(xiàng)工作的長(zhǎng)效機(jī)制提出展望。

塔里木河流域；遙感技術(shù)；監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)；影像圖

0 項(xiàng)目背景

塔河流域是我國(guó)第一大內(nèi)陸河流域，流域由塔里木盆地周?chē)蛐木哿鞯陌⒖颂K河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開(kāi)都－孔雀河、迪那河、渭干－庫(kù)車(chē)河、克里雅河和車(chē)爾臣河等九大水系的 144 條河流組成，總面積 102 萬(wàn)km2。從其源流葉爾羌河的源頭算起，至塔里木河干流尾閭臺(tái)特瑪湖，全長(zhǎng)2 437 km，塔河干流自源流匯合口肖夾克至尾閭臺(tái)特馬湖全長(zhǎng) 1 321 km。目前與塔里木河干流有地表水聯(lián)系的只有葉爾羌河、和田河、阿克蘇河和孔雀河（通過(guò)博湖揚(yáng)水站經(jīng)庫(kù)-塔干渠向塔里木河下游輸水），形成“四源一干”的格局。

近年來(lái)，塔河流域的水資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，引起了黨和國(guó)家的高度重視。國(guó)家在實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)和建設(shè)山川秀美工程中，將塔河治理放在了十分重要的位置，塔河生態(tài)輸水及流域綜合管理是實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的重要保障[1]。在塔河生態(tài)輸水過(guò)程中，卻經(jīng)常遇到輸水水頭演進(jìn)情況不知、沿途跑漫水情況不明、生態(tài)閘放水受益情況不清等問(wèn)題，作為塔河生態(tài)輸水成效評(píng)價(jià)指標(biāo)的臺(tái)特瑪湖水面變化情況尚無(wú)有效及時(shí)的監(jiān)測(cè)措施。上述種種問(wèn)題由于存在著監(jiān)測(cè)范圍大、環(huán)境條件惡劣等難以克服的困難，常規(guī)監(jiān)測(cè)手段難以獲得有效信息。

為了解決上述問(wèn)題，塔里木河流域管局（以下簡(jiǎn)稱塔管局）基于遙感技術(shù)手段，利用遙感影像數(shù)據(jù)，開(kāi)展了下游輸水水頭、源干流跑漫水、生態(tài)閘放水范圍、臺(tái)特瑪湖水面面積旬變化等監(jiān)測(cè)，向塔河流域各部門(mén)實(shí)時(shí)提供各類監(jiān)測(cè)成果，為輸水期間實(shí)施決策及流域綜合治理提供有力的信息支持，因此，利用衛(wèi)星遙感開(kāi)展塔河生態(tài)調(diào)度輸水遙感監(jiān)測(cè)是非常必要的。

1 建設(shè)目標(biāo)

借鑒遙感技術(shù)在國(guó)內(nèi)主要流域應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)[2]，結(jié)合塔里木河流域業(yè)務(wù)工作的實(shí)際情況，初步提出了調(diào)水、洪水和生態(tài)等的遙感監(jiān)測(cè)及支撐系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作為塔里木河流域基于遙感技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。通過(guò)改建塔河已建遙感影像庫(kù)，開(kāi)發(fā)了遙感應(yīng)用支撐系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，為流域綜合管理提供信息支持。建設(shè)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

1）調(diào)水遙感監(jiān)測(cè)。輸水期水頭及跑水監(jiān)測(cè)、輸水期生態(tài)閘放水范圍監(jiān)測(cè)、輸水前河道野外查勘。

2）洪水遙感監(jiān)測(cè)。洪水期的河道及溢水監(jiān)測(cè)、河道野外查勘。

3）生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)。臺(tái)特瑪湖水面面積和中下游植被覆蓋度年際變化等的監(jiān)測(cè)。

4）支撐系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。原遙感影像庫(kù)改建、塔河生態(tài)調(diào)水遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)。

2 總體布局

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為 3 層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、中間層和服務(wù)層。其中，數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)地理、水利專題等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理體系，中間層為中間件服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)層為地理信息應(yīng)用服務(wù)體系。外加系統(tǒng)安全、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與組織保障體系，構(gòu)成系統(tǒng) 3 層結(jié)構(gòu)、4 大體系，如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)框架圖

2.1.1 地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理體系

地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理體系負(fù)責(zé)數(shù)字線劃地圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）等地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，提供數(shù)據(jù)備份和服務(wù)等功能。

2.1.2 中間件服務(wù)平臺(tái)

中間件服務(wù)平臺(tái)是遙感和地理信息系統(tǒng)的核心技術(shù)層，通過(guò)中間件技術(shù)為應(yīng)用系統(tǒng)提供工具化接口。

2.1.3 地理信息應(yīng)用服務(wù)體系

地理信息應(yīng)用服務(wù)體系是系統(tǒng)的應(yīng)用界面層，是系統(tǒng)面向用戶的窗口，包括基礎(chǔ)地理信息查詢、專題制圖、業(yè)務(wù)應(yīng)用等子系統(tǒng)。

2.1.4 系統(tǒng)安全、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與組織保障體系

除了以上幾個(gè)部分以外，系統(tǒng)由于其龐大性、復(fù)雜性，需要地理信息安全、地理信息標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范及系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行管理保障等體系的支持。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù) RS/GIS 軟件自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案將軟件體系定為 3 層體系結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和無(wú)縫升級(jí)，用戶在進(jìn)行系統(tǒng)提升時(shí)，無(wú)需考慮數(shù)據(jù)庫(kù)端和客戶端的改造，只需在應(yīng)用服務(wù)器端追加功能模塊即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用 B/S，C/S 這 2 種模式。數(shù)據(jù)庫(kù)在服務(wù)器端集中管理和維護(hù)，在各個(gè)管理和應(yīng)用單位，通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。

2.4 功能劃分

2.4.1 生態(tài)輸水遙感監(jiān)測(cè)

主要實(shí)現(xiàn)在生態(tài)輸水期間水頭、干流生態(tài)閘放水漫溢范圍及跑水跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)提供干流大西海子至臺(tái)特瑪湖河道輸水水頭行進(jìn)、生態(tài)閘放水漫溢范圍及河道跑水口跑水范圍解譯信息與遙感影像圖。從影像圖即可看出輸水水頭各時(shí)間段行進(jìn)距離、跑水口位置、跑水水面面積等信息。通過(guò)這些信息輸水管理單位可以實(shí)時(shí)掌握輸水情況，準(zhǔn)確定位跑水口位置如圖 2 所示。

圖 2 塔里木河干流第 12 次下游生態(tài)輸水水頭衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖

通過(guò)該影像圖，水管單位可以清晰地看到水頭到達(dá)的位置及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，能夠及時(shí)了解河道阻塞或漫溢的情況，為保障輸水工作的順利開(kāi)展提供了直觀、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4.2 洪水遙感監(jiān)測(cè)

主要實(shí)現(xiàn)汛期河道水頭行進(jìn)情況和河道跑水口（人工扒口、堵壩取水）跟蹤監(jiān)測(cè)，提供和田河、葉爾羌河、塔河干流河道洪水漫溢位置及范圍解譯信息與遙感影像圖。通過(guò)系統(tǒng)可以了解河道跑水漫溢情況，定位跑水位置，了解漫溢面積。2010 年汛期，和田河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測(cè)如圖 3 所示。2013 年汛期，葉爾羌河 48 團(tuán)渡口至艾里克塔木段河道洪水漫溢嚴(yán)重，遙感跟蹤監(jiān)測(cè)情況如圖 4 所示。

圖 3 和田河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)同一區(qū)域不同時(shí)刻的多個(gè)影像的水體信息進(jìn)行提取，并采用疊加、卷簾、平鋪等方式對(duì)比分析，可以及時(shí)掌握汛期跑水口的起始時(shí)間、面積變化及災(zāi)害情況等，為水管、防洪部門(mén)提供了決策依據(jù)。

2.4.3 臺(tái)特瑪湖水面面積監(jiān)測(cè)

主要實(shí)現(xiàn)臺(tái)特瑪湖水面面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源情況每旬提供臺(tái)特瑪湖水面面積解譯信息與遙感影像圖。臺(tái)特瑪湖是塔河干流的尾閭，在塔河綜合治理開(kāi)始前，臺(tái)特瑪湖幾近干涸。塔河綜合治理工作開(kāi)展以后，塔管局組織的生態(tài)輸水曾多次將水輸送至臺(tái)特瑪湖，但由于水面分布不規(guī)則，水面面積變化迅速，難以有效掌握水域面積變化規(guī)律，通過(guò)不同日期影像數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以了解不同時(shí)間湖面面積和水面變化情況，如圖 5，6 所示。

通過(guò)趨勢(shì)圖可以看出，在 2012 年 6 月和 2013 年7 月，臺(tái)特瑪湖的面積處于較小值，與傳統(tǒng)認(rèn)為臺(tái)特瑪湖面積在汛期或夏季為最大值有較大的偏差。

以上技術(shù)手段是通過(guò)決策樹(shù)模型地表水體的自動(dòng)分類實(shí)現(xiàn)，該方法選取歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化建筑指數(shù)（NDBI）和修正歸一化水體指數(shù)（MNDwI）作為遙感特征指數(shù)集，并根據(jù)這些指數(shù)構(gòu)建了遙感特征指數(shù)曲線[3]。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)地表水體在特征曲線中單調(diào)上升，植被在特征曲線中單調(diào)下降，而其它地物并無(wú)此特征。因此，根據(jù)這一規(guī)律，利用 ENVI 軟件建立了自動(dòng)化提取模型，并以 ArcGis Server 為平臺(tái)進(jìn)行專題數(shù)據(jù)信息的 Web 發(fā)布。通過(guò)與其他方法對(duì)比，表明所建立的模型在精度和自動(dòng)化方面都明顯優(yōu)于其他方法，可用于海量數(shù)據(jù)地表水體的自動(dòng)提取。

圖 4 葉爾羌河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測(cè)

圖 5 臺(tái)特瑪湖湖面動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

圖 6 臺(tái)特瑪湖面積變化趨勢(shì)圖

基于遙感技術(shù)中決策樹(shù)水體提取成功應(yīng)用于塔里木河流域生態(tài)輸水、洪水、臺(tái)特瑪湖面積等監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)獲取當(dāng)日輸水信息準(zhǔn)實(shí)時(shí)提取，為塔河生態(tài)輸水信息準(zhǔn)確獲取提供了有效技術(shù)手段。監(jiān)測(cè)成果在塔河水資源管理與流域綜合治理中發(fā)揮了重要作用，直接為水量調(diào)度、防洪、工程規(guī)劃提供信息，減少了野外人工作業(yè)、洪水災(zāi)害損失、跑水造成的水資源浪費(fèi)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益；洪水期監(jiān)測(cè)成果可以及時(shí)提供河道兩側(cè)洪水受災(zāi)情況，為防洪決策提供依據(jù)，減小因洪水災(zāi)害造成的人民生命財(cái)產(chǎn)損失，維護(hù)了社會(huì)穩(wěn)定，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益；提供了臺(tái)特瑪湖水面面積變化等生態(tài)環(huán)境治理成效評(píng)價(jià)指標(biāo)，為生態(tài)環(huán)境治理成效評(píng)估提供支撐，指導(dǎo)流域生態(tài)環(huán)境治理管理與決策。

通過(guò)該系統(tǒng)建設(shè)，已初步建立了塔里木河流域遙感應(yīng)用實(shí)例，本著以需求為引領(lǐng)、應(yīng)用為核心的原則，建立一套符合塔里木河流域日常業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的遙感應(yīng)用系統(tǒng)，形成以經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定的遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源為基礎(chǔ)，以遙感專業(yè)和水業(yè)務(wù)知識(shí)復(fù)合型技術(shù)團(tuán)隊(duì)服務(wù)作為技術(shù)保障，以緊密結(jié)合塔河流域綜合管理實(shí)際日常業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，不斷建立健全塔河流域遙感技術(shù)應(yīng)用的長(zhǎng)效機(jī)制。

[1] 托乎提 ? 艾合買(mǎi)提，覃新聞，王新平，等. 塔里木河流域近期綜合治理工程施工與管理[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2014: 13.

[2] 路京選. 水利遙感應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展回顧與展望[J]. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008, 6 (3): 224-230.

[3] 于德浩，龍凡，鄧正棟，等. 基于遙感特征指數(shù)的地表水體—?jiǎng)犹崛〖夹g(shù)研究[J]. 2009, 24 (2): 707-713.

Business Application and Prospect of Tarim River Basin based on Remote Sensing Technology

DUAN Yuanbin

(Information Center of Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China)

By application of remote sensing technology in diversion and management business in Tarim River Basin water, the article introduces detailedly the system architecture, application situation of tracking in water head based on remote sensing technology，monitoring the river running water and the change of diffuse Lake area，technology and benefit. It shows the necessity and importance of carrying out ecological operation of Tahe river water remote sensing monitoring using remote sensing technology. And it puts forward the outlook for long-term mechanism of carring out this work to hope.

Tarim River Basin; remote sensing; monitoring; system; image

TP7

A

1674-9405(2015)03-0010-05

2015-03-23

段遠(yuǎn)斌（1981－），男，四川邛崍人，大學(xué)本科，從事水利信息化建設(shè)及應(yīng)用工作。