基于MNDWI的丹江口水庫(kù)面積提取及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

岳　輝　劉　輝

(西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710054)

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基于MNDWI的丹江口水庫(kù)面積提取及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

岳輝劉輝

(西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710054)

丹江口水庫(kù)因其優(yōu)良的水質(zhì)，相對(duì)穩(wěn)定的輸水量，以及地勢(shì)上可以使水自流到北方地區(qū)等一些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)被選為南水北調(diào)中線工程的水源地。本文選取2002-2015年的42期Landsat TM/ETM+遙感影像，利用修正型歸一化差異指數(shù)(MNDWI)提取14a的水庫(kù)水域的面積變化的動(dòng)態(tài)信息。結(jié)果表明，2005年9月丹江口水庫(kù)大壩開始加高以后的水庫(kù)面積開始增大；丹江口水庫(kù)面積的四季變化研究中，秋季丹江口水庫(kù)水域的面積變化幅度較大，冬季水庫(kù)水域的面積變化幅度較小，春季和夏季的面積變化幅度相對(duì)穩(wěn)定；豐水期(9-12月)的水庫(kù)面積的變化幅度較大，枯水期(1-4月)與平水期(5-8月)的水庫(kù)面積變化幅度較小，豐水期的水庫(kù)面積總體上大于枯水期與平水期水庫(kù)水域面積。加強(qiáng)對(duì)丹江口水庫(kù)的水域面積與生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)我國(guó)水資源的空間調(diào)度有著十分重要的意義。

丹江口水庫(kù)；MNDWI；面積；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

1　引　言

丹江口水庫(kù)位于漢江中上游，庫(kù)區(qū)分布于湖北省丹江口市和河南省南陽(yáng)市，水域橫跨鄂豫兩省。丹江口水庫(kù)由漢江庫(kù)區(qū)和丹江庫(kù)區(qū)組成，水源來(lái)自于漢江及其支流丹江。丹江口水庫(kù)的水質(zhì)一直保持優(yōu)良，現(xiàn)為南水北調(diào)中線工程的起點(diǎn)和調(diào)水水源地，南水北條中線工程為沿線地區(qū)的北京、天津、河南、河北4個(gè)省市的20多座城市提供生活和生產(chǎn)用水。同時(shí)，丹江口水庫(kù)也是亞洲第一大人工淡水湖、國(guó)家一級(jí)水源保護(hù)區(qū)、中國(guó)重要的濕地保護(hù)區(qū)和國(guó)家級(jí)生態(tài)文明示范區(qū)[1]。由此可見(jiàn)，掌握丹江口水庫(kù)面積及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)我國(guó)淡水資源的保護(hù)以及生態(tài)文明建設(shè)有著十分重要的意義。

衛(wèi)星遙感技術(shù)現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家發(fā)展的非常迅速，因其有成本低、宏觀高效等特點(diǎn)以及能夠克服時(shí)間和地域地形的限制且能進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)而被運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。Mcfeeters[2]提出的歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)利用遙感影像的特定波段進(jìn)行歸一化差值處理，基于綠波段與近紅外波段的歸一化比值指數(shù)，以凸顯影像中的水體信息。徐涵秋[3]提出的修正型歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)是在對(duì)歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)成歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)的波長(zhǎng)組合進(jìn)行了修改。修正型歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)相比歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)在于MNDWI可以用來(lái)提取有較多建筑物背影的水體，且可以很容易地區(qū)分出水體和陰影，從而解決了水體提取中難以消除陰影的這一難題。眾多學(xué)者以丹江口水庫(kù)為研究對(duì)象，利用不同的水體指數(shù)法對(duì)水庫(kù)面積進(jìn)行提取，例如董亞?wèn)|等[4]利用1991-2006年Landsat數(shù)據(jù)采用NDWI、MNDWI和監(jiān)督分類三種模型提取丹江口水庫(kù)地區(qū)的水域面積，結(jié)果表明MNDWI模型更適合該地區(qū)水體信息定量提取研究。吳川等[5]收集了2002-2011年47幅Landsat TM/ETM和HJ-1A/B影像，采用基于閾值分割的歸一化水體指數(shù)法(NDWI)提取了10a間水庫(kù)水域動(dòng)態(tài)信息，結(jié)果表明春夏季節(jié)水庫(kù)水域面積相對(duì)穩(wěn)定，秋冬季節(jié)水庫(kù)水域面積波動(dòng)較大。

本文以14a年來(lái)的Landsat TM/ETM+影像為數(shù)據(jù)源，利用修正型歸一化水體差異指數(shù)法(MNDWI)提取水體邊界并計(jì)算水域面積，得到近年來(lái)丹江口水庫(kù)的面積變化的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，以期為南水北調(diào)中線工程提供水源地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并為丹江口水庫(kù)水文監(jiān)測(cè)和管理提供科學(xué)參考。

2　研究區(qū)概況

丹江口水庫(kù)位于我國(guó)的110°59′～111′49′ E，32°36′～33°48′N。丹江口水庫(kù)位于漢江中上游，水域橫跨鄂豫兩省。庫(kù)區(qū)由漢江干流和丹江支流交匯而成，于是也將丹江口水庫(kù)區(qū)分為丹江庫(kù)區(qū)與漢江庫(kù)區(qū)這兩大庫(kù)區(qū)，庫(kù)區(qū)在形態(tài)結(jié)構(gòu)上總體呈現(xiàn)“V”字形。庫(kù)區(qū)所處的氣候?yàn)楸卑肭虻膩啛釒蚺瘻貛н^(guò)渡的過(guò)渡帶，是典型的大陸季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候。庫(kù)區(qū)所處的地形、地理位置決定了這里四季分明，雨量充沛的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，丹江口水庫(kù)以上流域多年平均降雨總量為900.4mm。降水時(shí)間非常集中，在主汛期5-10月，占年降水量的80.5%，而1-4月和11-12月僅占年降水量的19.5%。7、8月份為全年降水量最多的月份，平均降水量為169.8和140.5mm，占年降雨量的18.9%和15.6%。9、10月份僅次于7、8月份，平均降雨量為131.6和77.2mm[6-7]。

3　研究方法

本文從美國(guó)的USGS網(wǎng)站上(http：//glovis.usgs.gov/)輸入丹江口水庫(kù)地區(qū)的條代號(hào)為125，行編號(hào)為37，選擇下載了2002-2015年間的Landsat-5的TM影像19幅，Landsat-7的ETM+影像23幅。本文采用的是修正型歸一化差異指數(shù)(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)。其公式為：

MNDWI= (Green-MIR)/ (Green+MIR)

式中，Green為TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)中綠光波段遙感數(shù)據(jù)；MIR為TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)中的中紅外波段遙感數(shù)據(jù)。在ENVI5.1中對(duì)所下載的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正，然后，對(duì)影像進(jìn)行波段計(jì)算、影像裁剪、柵格轉(zhuǎn)矢量等，最后，將矢量化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行面積提取。

4　結(jié)果與分析

4.1水庫(kù)面積年際變化

將所下載數(shù)據(jù)的時(shí)間，搭載傳感器的衛(wèi)星以及提取出來(lái)的丹江口水庫(kù)水域面積整理為表1。由表1可知，2002年至2004年3月水庫(kù)面積變化幅度不大，處于緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從2004年7月至2015年12月水庫(kù)面積變化幅度明顯變大，水庫(kù)面積總體上處于增大趨勢(shì)，這不僅僅與丹江口水庫(kù)上游的降雨量有關(guān)，也與從2005年9月開始實(shí)施的丹江口大壩加高工程有關(guān)，丹江口大壩加高，水位上漲，水域面積增加。水庫(kù)面積最小值出現(xiàn)在2013年5月，此時(shí)水庫(kù)中上游有著較為嚴(yán)重的旱情；最大值出現(xiàn)在2010年10月，此時(shí)正處于丹江口水庫(kù)的蓄水時(shí)期，加上水庫(kù)中上游的強(qiáng)降雨使得水庫(kù)面積出現(xiàn)了峰值。

表1　2002-2015年數(shù)據(jù)采集時(shí)間、傳感器和面積表

4.2水庫(kù)月際變化

丹江口水庫(kù)月際變化圖如圖1所示，丹江口水庫(kù)的面積在1月至4月份之間變化幅度較小，此時(shí)水庫(kù)正處于平水期，水庫(kù)水域面積既無(wú)顯著的增加也無(wú)顯著的減少；5月至8月份之間水庫(kù)面積總體上處于較低的水平，此時(shí)水庫(kù)正處于枯水期，水庫(kù)中上游的降雨量較少；9月至12月份水庫(kù)面積較大，此時(shí)水庫(kù)正處于豐水期，水庫(kù)的中上游的降雨量較多且為保證發(fā)電、航運(yùn)及輸水，水庫(kù)從每年10月份開始蓄水。通過(guò)計(jì)算，得出平水期的最大水域面積為694.01km2，最小水域面積為336.42km2，平均水域面積為482.94km2；枯水期的最大水域面積為648.48km2，最小水域面積為322.55km2，平均水域面積為436.91km2；豐水期的最大水域面積為758.336km2，最小水域面積為380.99km2，平均水域面積為576.30km2。

圖1　江口水庫(kù)月際面積變化圖

4.3水庫(kù)面積季節(jié)變化分析

根據(jù)丹江口水庫(kù)所處地理位置的氣候特征，將四季

從3月到次年2月，分別劃分為春季、夏季、秋季和冬季，如圖2-5所示。春季水庫(kù)面積的最大值為2015年3月21日的585.98km2，最小值為2013年5月2日的322.55km2，其中最大值和最小值得面積差為263.43km2。夏季水庫(kù)面積的最大值為2015年6月9日的648.48km2，最小值為2004年7月4日的357.17km2，最大值和最小值的面積差為291.31km2。秋季水庫(kù)面積的最大值為2010年10月9日的758.34km2，最小值為2002年11月4日的380.99km2，最大值和最小值的面積差為377.35km2。冬季水庫(kù)面積的最大值為2015年12月2日的685.65km2，最小值為2003年1月7日的436.55km2，最大最小值的面積差為249.10km2。秋季丹江口水庫(kù)水域的面積變化幅度較大，冬季水庫(kù)水域的面積變化幅度較小，春季和夏季的面積變化幅度相對(duì)穩(wěn)定。

圖2　春季水庫(kù)面積示意圖 (1)最大 (2)最小

圖3　夏季水庫(kù)面積示意圖(3)最大 (4)最小

5　討　論

為了緩解華北地區(qū)水資源短缺的緊張局面，促進(jìn)我國(guó)北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善，同時(shí)為南水北調(diào)中線二期工程調(diào)水奠定基礎(chǔ)，加高大壩將進(jìn)一步提高水庫(kù)的防洪能力和下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)，工程的建設(shè)還可改善樞紐的發(fā)電和漢江干流的通航條件。丹江口大壩加高工程于2005年1月5日開始進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，9月26日舉行了大壩加高工程開工儀式，2013年8月29日加高工程順利通過(guò)蓄水驗(yàn)收。丹江口大壩的加高使水庫(kù)水位上升，水庫(kù)面積增加。為了保障水庫(kù)調(diào)水、發(fā)電及航運(yùn)等，水庫(kù)每年的10月份開始蓄水，2、3月份開始放水，這在一定程度上也影響了水庫(kù)面積的變化。

目前，在影響丹江口水庫(kù)面積變化的眾多影響因素中，水庫(kù)上游的降雨以及人為對(duì)水庫(kù)大壩的加高、蓄水、放水等成為了影響丹江口水庫(kù)面積變化的主要影響因素[8-9]。上游的降雨多、降雨量大就會(huì)使水庫(kù)水位上升，水庫(kù)面積增加。反之，水庫(kù)水位下降，水庫(kù)面積減少。人們對(duì)丹江口大壩進(jìn)行整體加高、進(jìn)行水庫(kù)蓄水時(shí)，水庫(kù)的水位與面積都會(huì)有所增大。在水庫(kù)選擇放水時(shí)，水庫(kù)的水位與面積會(huì)有所減小。受上游水庫(kù)調(diào)蓄和支流漲水的影響，水庫(kù)的水位不斷增加。截至目前，水庫(kù)蓄水量達(dá)290億立方米[10]。丹江口水庫(kù)按現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展，水庫(kù)的面積會(huì)越來(lái)越大。作為南水北調(diào)中線水源地的丹江口水庫(kù)，其水資源的保護(hù)與管理尤為重要，退耕還林，提高森林覆蓋率，建立自然生態(tài)保護(hù)區(qū)等措施都可以提高水資源的安全，保障水源地的水量和水質(zhì)。

圖4　秋季水庫(kù)面積示意圖(5)最大 (6)最小

圖5　冬季水庫(kù)面積示意圖(7)最大 (8)最小

[1]李偉萍，曾源，張磊，等.丹江口水庫(kù)消落區(qū)土地覆被空間格局分析[J].國(guó)土資源遙感，2011，04：108-114.

[2]McFeeters S K.The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features，Int.J.Remote Sens.，1996，17(7)，1425-1432.

[3]Xu.H.Q.Modification of normalized difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery，Int.J.Remote Sens.，2006，27(14)，3025-3033.

[4]董亞?wèn)|，楊勤.丹江口水庫(kù)水域面積動(dòng)態(tài)變化研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2009，7(6)：255-257.

[5]吳川，張玉龍，許秀貞，等.基于Landsat TM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水庫(kù)水域變化監(jiān)測(cè)研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2013，22(9)：1207-1213.

[6]李仁東，李勁峰，黃進(jìn)良.南水北調(diào)對(duì)湖北丹江口水庫(kù)區(qū)土地資源的影響[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，1998，7(2)：109-114.

[7]金炎平，趙文煥.丹江口水庫(kù)秋汛期水文氣象要素變化規(guī)律的變化分析[J].水利水電快報(bào)，2004，25(10)：22-24.

[8]張利平，胡志芳，秦琳琳，等.2050 年前南水北調(diào)中線工程水源區(qū)地表徑流的變化趨勢(shì)[J].氣候變化研究進(jìn)展，2010，6：391-397.

[9]殷淑燕，黃春長(zhǎng).漢江上游近50a 來(lái)降水變化與暴雨洪水發(fā)生規(guī)律[J].水土保持通報(bào)，2012，32(1)：19-25.

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Water Area Extraction and Dynamic Monitoring of the Danjiangkou Reservoir using MNDWI

YUE HuiLIU Hui

(College of Geomatics，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，Shaanxi 710054)

Danjiangkou Reservoir because of its good water quality，relatively stable carrying capacity，and on the ground to artesian water to some unique advantages such as the northern area was selected as the water source of south-to-north water transfer project. This article selects 2002-2015 period of 42 Landsat TM/ETM + remote sensing image，using the fixed type normalized difference index (MNDWI) extract 14a changes in the area of the reservoir water dynamic information. The results show that the September 2005 after the Danjiangkou Reservoir dam heightening reservoir area began to increase；The four seasons of Danjiangkou Reservoir area of study，large variations in the area of Danjiangkou Reservoir water，autumn winter variations in the area of reservoir water area is lesser，variations in the size of the spring and summer is relatively stable；Altogether (Sep to Dec) in the reservoir area of the change of the amplitude is larger，the mutagenicity in April (Jan -Apr) and level period (May to Aug)，small variations in the reservoir area of the plentiful reservoir area on the whole is greater than the mutagenicity and level period reservoir water area. Strengthen the Danjiangkou Reservoir water.

Danjiangkou Re Reservoir；MDNWI；water area；dynamic monitoring

岳輝，講師，博士，主要從事礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和環(huán)境遙感研究

X21

A

1673-288X(2016)05-0201-04

項(xiàng)目資助：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO.41401496)；陜西省教育廳2014年科學(xué)研究計(jì)劃(NO.14JK1471)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2011KTZB01-02-04)

引用文獻(xiàn)格式：岳輝等.基于MNDWI的丹江口水庫(kù)面積提取及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(5)：202-204.