基于遙感的白洋淀長時間序列水面監(jiān)測研究

步 凡 王 昊 于 航

（中國自然資源航空物探遙感中心 北京 100083）

引言

白洋淀是華北地區(qū)最大的淡水湖泊，其對于華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境都具有重要的調(diào)節(jié)的作用。目前，國內(nèi)眾多學者已開展采用不同類型的遙感數(shù)據(jù)，對白洋淀地區(qū)的水資源現(xiàn)狀和變化趨勢進行分析的研究。但不同學者采用的遙感解譯方法、數(shù)據(jù)源時相的選取都有所不同，對于白洋淀水資源現(xiàn)狀和變化的結(jié)果具有一定的不確定性。隨著近年來國產(chǎn)衛(wèi)星傳感器的發(fā)展，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源已逐漸成為水資源調(diào)查監(jiān)測的一個重要數(shù)據(jù)來源，基于多源衛(wèi)星遙感影像開展白洋淀濕地變化長時間序列的水面監(jiān)測工作也逐漸成為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的主要手段，系統(tǒng)總結(jié)近年來的白洋淀水面變化趨勢開展深入分析研究，成為具備現(xiàn)實意義的科學問題[1]。

本研究利用白洋淀地區(qū)2003-2020 年間的高分一號衛(wèi)星和Landsat 衛(wèi)星影像，基于NDWI（歸一化水體指數(shù)）、GNDWI（高斯歸一化水體指數(shù)），配合人機交互解譯進行校正，對白洋淀地區(qū)的水面信息進行提取。從水體面積變化的角度分析了白洋淀地區(qū)近20 年來的變化趨勢，為白洋淀地區(qū)的濕地保護和管理、雄安新區(qū)的規(guī)劃與建設提供科學依據(jù)和決策支撐[2]。

1 研究區(qū)概況

白洋淀，位于河北雄安新區(qū)，總面積約為366 平方公里（包含水體、周邊蘆葦和淺灘等），是華北地區(qū)最大的淡水湖泊。地理范圍在38°43′—39°02′N，115°38′—116°07′E[3]。

2 研究數(shù)據(jù)

本研究搜集了白洋淀地區(qū)2003-2020 年期間的Landsat-7數(shù)據(jù)（2003-2012 年）和高分一號WFV 數(shù)據(jù)（2013-2020 年）。Landsat-7 衛(wèi)星是美國陸地衛(wèi)星的第七顆衛(wèi)星，于1999 年發(fā)射升空，其全色波段的空間分辨率為15 米，多光譜波段分辨率為30 米；高分一號衛(wèi)星是我國高分專項的第一顆衛(wèi)星，于2013 年發(fā)射，其搭載了PMS 和WFV 兩類傳感器，PMS 相機可采集2 米分辨率全色數(shù)據(jù)和8 米分辨率多光譜數(shù)據(jù)，影像幅寬為60 公里，WFV 相機由4 臺相機拼合，可拍攝分辨率16 米的多光譜數(shù)據(jù)，4 臺WFV 相機拼合后，影像幅寬可達到800 公里[4]。

為了增強年度間數(shù)據(jù)的可比性，規(guī)避因旱季和雨季等因素的干擾，遙感影像的拍攝時間均為6-9 月，為保證年度間對比的標準化，經(jīng)過處理的遙感影像均采用CGCS2000 大地坐標系統(tǒng)。

表1 白洋淀地區(qū)水體遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源

3 研究方法

3.1 遙感影像的預處理

遙感影像的預處理主要采用ENVI 軟件完成，主要針對Landsat-7 和高分一號WFV 數(shù)據(jù)進行正射糾正、影像裁切與增強等。

本研究以搜集的白洋淀地區(qū)2018 年土地變更調(diào)查影像為參考影像，以SRTM DEM 作為高程參考，選取控制點，在待糾正影像選取與參考影像相對較為明顯的同位置點，例如線性地物的交叉口等，坐標系統(tǒng)采用CGCS2000 大地坐標系統(tǒng)，對高分一號WFV 和Landsat-7 數(shù)據(jù)進行正射糾正。對于高分一號WFV和Landsat-7 數(shù)據(jù)進行糾正時，選取控制點數(shù)量在30 個左右，采用二次多項式、雙線性內(nèi)插的方法。

3.2 水體提取

考慮到要同時適用兩種類型的遙感影像，同時白洋淀地區(qū)的水體相對較淺，水面、周邊蘆葦、淺灘等相互交錯，本研究對于白洋淀地區(qū)的水體提取工作采用自動化指數(shù)提?。w一化水體指數(shù)（NDWI）、高斯歸一化水體指數(shù)（GNDWI）和人工校正相結(jié)合的方法[5]，首先對Landsat-7 和高分一號WFV 影像的光譜特征進行分析，制定提取規(guī)則，并在定量提取的基礎上，加以人工改正，提高提取精度[6]。

（1）歸一化水指數(shù)（NDWI）

NDWI 是遙感影像的綠（Green）波段和近紅外（NIR）波段的歸一化比值指數(shù)。

NDWI=（p（Green）-p（NIR））/（p（Green）+p（NIR））

（2）高斯歸一化水體指數(shù)（GNDWI）

高斯歸一化水體指數(shù)指將原有的歸一化水體指數(shù)（NDWI）進行高斯變換，進而拉伸原來的歸一化水體指數(shù)（NDWI）中的臨近0 值的區(qū)域的弱信息，提高水體與非水體的辨識度，GNDWI的計算公式為：

式中：GNDWIa,b為點（a,b）處的高斯歸一化水體指數(shù)，NDWIa,b為點（a,b）處的歸一化水體指數(shù)（NDWI），為影像全部像素的歸一化水體指數(shù)（NDWI）均值，σ 為影像全部像素的歸一化水體指數(shù)（NDWI）標準差。

3.3 綜合分析

在提取完2003-2020 年共18 景遙感影像中的白洋淀水體面積后，基于ArcGIS10.2 軟件開展長時間序列的白洋淀濕地水體的矢量信息的空間分析，主要用來計算各年度水體矢量范圍內(nèi)的面積，分析長時間序列的白洋淀水體面積的變化。

4 結(jié)果分析

根據(jù)2003-2020 年白洋淀地區(qū)遙感影像，結(jié)合歸一化水體指數(shù)（NDWI）、高斯歸一化水體指數(shù)（GNDWI）和人工改正的水體提取結(jié)果，得到每年1 期的白洋淀地區(qū)18 年來的水體范圍，進而分析2003-2020 年來的每年的水面面積變化趨勢。

圖1 部分年度白洋淀地區(qū)水體提取結(jié)果

從圖2 中可看出白洋淀地區(qū)水體面積變化的幾個趨勢，2003-2005 年，水面面積保持總體穩(wěn)定，保持在200 平方公里左右；2006-2011 年，水面面積呈縮小趨勢，由200 平方公里左右逐漸下降到150 平方公里左右，尤其是2010-2011 年，水面面積縮小的趨勢較為明顯；2011-2013 年，水面萎縮的情況有所扭轉(zhuǎn)，水面面積回升較為明顯，由150 平方公里左右回升到250 平方公里左右，2014-2019 年，水面面積穩(wěn)步回升。但是從總體上來，相比2010 年以前，2010 以后的十年，白洋淀的水位總體上處于擴張趨勢，近年來，總體穩(wěn)定在250 平方公里左右。從客觀的數(shù)據(jù)來觀察，隨著國家對生態(tài)環(huán)境的保護力度的加大，雄安新區(qū)規(guī)劃的出臺，白洋淀地區(qū)的生態(tài)狀況，尤其是地表水資源的保護工作取得了積極的進展，水資源的總量在逐步恢復。

圖2 白洋淀水面面積變化趨勢（2003-2020）

表2 白洋淀歷年水面面積（2003-2020）

結(jié)語

通過遙感等技術(shù)手段，可以直觀、快速、準確的估算出白洋淀地區(qū)的水體面積，利用多期次的遙感影像疊加分析，還可以反映出白洋淀地區(qū)水體面積的變化趨勢，為白洋淀地區(qū)的水資源的保護和開發(fā)利用提供科學支撐。同時，以白洋淀地區(qū)水體面積監(jiān)測為樣板，可以監(jiān)測其他區(qū)域主要湖泊、河流等水體水資源的現(xiàn)狀和歷史變遷情況。在當前生態(tài)文明建設日益重要、生態(tài)保護力度日趨加大的背景下，遙感為以水資源為代表的生態(tài)環(huán)境保護問題的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管提供了客觀的科學手段。