利用TM影像測定豐寧縣境內(nèi)灤河長度及水域面積

趙金華 于海良 趙滄杰 吳國成 張文林

摘 要：河流流域長度及水域面積是水資源勘察的重要內(nèi)容之一，也是水域變化、洪水淹沒范圍及災(zāi)后評估的重要手段，可以為河流治理提供科學(xué)決策依據(jù)。該研究選用2013年Landsat-TM影像，ERDAS環(huán)境非監(jiān)督分類，GPS定位校正，計(jì)算豐寧縣境內(nèi)灤河長度及水域面積。結(jié)果表明，豐寧境內(nèi)的灤河水域面積為9.05 km2，境內(nèi)水域長度102.84 km。與傳統(tǒng)方法比較，TM影像法花費(fèi)人力和物力較少，時(shí)效性、動(dòng)態(tài)性、客觀性和實(shí)用性強(qiáng)，為灤河總長度和總流域面積測定提供一種可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：豐寧縣 灤河 水域面積 Landsat-TM 水體提取 非監(jiān)督分類

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（b）-0180-02

灤河是華北地區(qū)第二條大河，古稱濡河，唐朝末年改稱灤河。灤河發(fā)源于河北省豐寧縣西北巴彥圖古爾山麓，流經(jīng)內(nèi)蒙古高原、承德壩上草原和燕山山區(qū)，于遷西縣北潘家口穿過長城進(jìn)入唐山市，至灤縣穿京沈鐵路出山進(jìn)入平原，于樂亭縣兜網(wǎng)鋪?zhàn)⑷氩澈！?/p>

豐寧是灤河的發(fā)源地，利用遙感影像對灤河流域總長及區(qū)域內(nèi)地表水域面積的測定未發(fā)現(xiàn)完整的歷史資料記載。傳統(tǒng)的人工測定方法需要花費(fèi)較大的人力和物力，受自然和人為干擾因素影響大，時(shí)相性差，難以達(dá)到較高的精確度。利用Landsat TM遙感影像提取水體信息，有很多人做了研究，主要是單波段閾值法和多波段增強(qiáng)閾值法。單波段閾值法是根據(jù)影像單個(gè)波段中水體值低于或高于其他地物值，設(shè)定閾值提取水體信息，但由于水體與非水體之間的過渡區(qū)被忽略，無法提取細(xì)小水體。多波段增強(qiáng)閾值法被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，1996年McFeeter借鑒NDVI（歸一化植被指數(shù)），提出了“歸一化差異水體植被指數(shù)NDWI（Normalized Difference Water Index）”，但這一方法只考慮植被因素，沒有考慮土壤和建筑物的因素，所以提取植被水體仍然存在缺陷。就目前而言，水體信息的提取并沒有較為系統(tǒng)和典型的方法。

該研究以2013年11波段的較高空間分辨率的TM影像為主要數(shù)據(jù)源，對豐寧境內(nèi)的灤河水域面積和流域長度進(jìn)行提取試驗(yàn)研究，并試圖為將來進(jìn)行灤河流域總長度和總流域面積測定提供一種借鑒的方式方法。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

該研究中的灤河流域范圍，是指外溝門鄉(xiāng)-四岔口鄉(xiāng)-蘇家店鄉(xiāng)-豐寧隆化縣邊界的主干流（圖1）。

1.2 TM影像的獲取及處理

采用2010年、2013年兩期8月份Landsat-TM影像（農(nóng)業(yè)部全國畜牧總站），空間分辨率為30 m。為突出時(shí)效性，以2013年影像為主，2010年影像主要提供參考對照值。2013年8月的遙感影像有11個(gè)波段，2010年8月的影像有8個(gè)波段。ERDAS環(huán)境下，遙感影像處理的基本步驟是：融合波段（Layer stack）→圖像鑲嵌（Mosaic images）→坐標(biāo)系統(tǒng)、投影轉(zhuǎn)換（Coordinate transformation，add/change projection）。

投影采用的是阿爾伯斯等積圓錐投影（Albers Equal Area Conic），坐標(biāo)系統(tǒng)為地心坐標(biāo)系（World Geodetic System of 1984，WGS84），坐標(biāo)單位為m。在GPS接收機(jī)的初始設(shè)置中，定位信息基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行換算，顯示的經(jīng)緯度值也是基于WGS84橢球體模型。

1.3 地面調(diào)查數(shù)據(jù)

2014年6月～8月，GPS定位采集了豐寧境內(nèi)灤河流域110個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，主要用于灤河流域流向位置校正，尤其是在遙感影像中云霧遮擋區(qū)域。

1.4 設(shè)置、切割TM影像研究區(qū)域

為準(zhǔn)確地對灤河流域進(jìn)行分類，限定目標(biāo)因子，減少干擾因子，將處理好的遙感影像針對豐寧灤河流域的主干流域部分設(shè)置了AOI（感興趣區(qū)域），然后用ERDAS subset（分割）指令把AOI區(qū)域切割下來，在AOI區(qū)域內(nèi)進(jìn)行非監(jiān)督分類。

1.5 非監(jiān)督分類（Unsupervised classification）

按照像元的光譜特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，原始圖像的所有波段都參與分類運(yùn)算，分類結(jié)果基本是各類像元大體等比例。由于人為干擾較少，分類過程的自動(dòng)化程度較高。利用非監(jiān)督分類的主要目的是提取計(jì)算灤河水體的區(qū)域面積值。

分類結(jié)果出來后，水體確定以影像中的牛圈子壩水庫明顯水體為特征樣本，用ERDAS的Start/Update inquire cursor工具定位標(biāo)定后，在Raster Attibute Editor賦予水體類為藍(lán)色。

1.6 數(shù)據(jù)校正

用GPS對整個(gè)研究區(qū)域的拐點(diǎn)采集了110個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，在ArcGIS環(huán)境下利用Add xy Data工具投放在遙感影像中作為校正和指示點(diǎn)，避免出現(xiàn)偏離灤河流域線路，并通過坐標(biāo)指示點(diǎn)，結(jié)合目視解譯法剔除非水體像元，保證灤河長度和水域面積數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 地表水域面積

該研究的水域面積是指在灤河河床可見的流動(dòng)水域面積，流域長度是指灤河河床內(nèi)可見流動(dòng)水域長度。TM影像每個(gè)像元面積為900 m2（30×30 m），豐寧境內(nèi)灤河地表水域由非監(jiān)督分類計(jì)算得出該水面的像元數(shù)為10054個(gè)，折合9.05 km2。（缺少計(jì)算過程，非專業(yè)人士很難明白這組數(shù)據(jù)）。

在傳統(tǒng)的對水系進(jìn)行目視解譯提取中，季節(jié)性河流在雨量充沛時(shí)，遙感影像表現(xiàn)出是有水河道的特點(diǎn)，可以充分利用水體的光譜特征與形態(tài)特征提取水系網(wǎng)，對無水河段采取形態(tài)特征和其他光譜學(xué)特征對水系提取，但目視解譯工作量大。劉建波等利用TM影像短波紅外波段（第七波段）來提取水庫水面。王國興等利用TM影像近紅外波段記性二值化，估計(jì)水體面積。單波段法雖然使用簡便，但難以消除影像中山體陰影的影響。該研究在ERDAS環(huán)境下采取了多波段非監(jiān)督分類方法，自動(dòng)從影像中分離出水體，通過不同波段的優(yōu)勢組合，從非監(jiān)督分類結(jié)果中剔除其它地物信息，突出水體信息。

2.2 河流長度

河流長度是在ArcGIS系統(tǒng)中進(jìn)行的。在該系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行距離量算的前提是數(shù)據(jù)有空間參考信息（該研究為經(jīng)過投影的投影坐標(biāo)）。有了空間參考之后，矢量文件每個(gè)點(diǎn)都有自己的X，Y坐標(biāo)，進(jìn)行距離量算的時(shí)候，ArcGIS就是根據(jù)這些坐標(biāo)計(jì)算距離的。

傳統(tǒng)的計(jì)算河流長度的方法是人工測量或用地形圖比例尺在圖面勾劃得出結(jié)果，這兩種方法的弊端在于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其在地形圖上勾劃，受地形圖時(shí)相的限制，難以準(zhǔn)確勾劃出同時(shí)相河流的確切走向。利用遙感影像結(jié)合地理信息系統(tǒng)進(jìn)行河流長度計(jì)算，能夠比較準(zhǔn)確的反映河流的走向，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。提高計(jì)算準(zhǔn)確度的另一因素是遙感影像必須糾正、配準(zhǔn)精確，再用GPS點(diǎn)進(jìn)行參考修正。計(jì)算的長度為水平距離，即地面兩點(diǎn)間的連線投影在水平面上的長度。

3 結(jié)語

該研究利用較新時(shí)相的TM遙感影像，對豐寧境內(nèi)灤河水體信息的提取屬于專題信息提取，主要提取水體的輪廓和面積，以確定研究區(qū)的面積和長度。通過遙感影像計(jì)算提取的豐寧境內(nèi)灤河水域面積及河流長度數(shù)據(jù)結(jié)果，是遙感影像衛(wèi)星拍攝時(shí)期（2013年8月）的豐寧境內(nèi)灤河水域的同時(shí)項(xiàng)數(shù)據(jù)。影像中水體的提取主要依據(jù)是水體的光譜特性，水體的光譜特性主要取決于水體本身的物質(zhì)組成，同時(shí)又受到各種水態(tài)的影響。為從遙感影像中準(zhǔn)確提取水體，采取目視解譯、對重要水域用GPS定位以及用樣本特征進(jìn)行比對等綜合方法，從而校正影像中對水體的誤提取，保證提取水體的準(zhǔn)確性。

該研究具有時(shí)效性、動(dòng)態(tài)性、客觀性和實(shí)用性，感測范圍大、信息量大，且對被調(diào)查對象不產(chǎn)生破壞，花費(fèi)人力和物力較少，適用于大范圍的資源調(diào)查與研究。存在的問題是受氣溫、降水、季節(jié)（汛期、凌期、結(jié)冰期）、人為的修筑堤壩和引水灌溉等多方面因素對研究結(jié)果造成一定影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉建波，戴昌達(dá).TM影像在大型水庫庫情監(jiān)測管理中的應(yīng)用[J].環(huán)境遙感，1996，1（1）：54-58.

[2] 王國興，李士鴻.應(yīng)用遙感資料獲取庫區(qū)水下地形的方法研究[J].海河大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26（6）：91-94.