多源遥感影像在水库水位－库容曲线复核中的应用

丁志雄，颜廷松，屈吉鸿

（1．中国水利水电科学研究院，北京100048;2．华北水利水电学院，河南郑州 450011）

我国己建有水库8万多座，这些水库在防洪、发电、灌溉、航运、渔业等方面发挥了重要作用，为经济社会的发展提供了强有力的支撑．要发挥水库的相关功能，必须了解其水位－库容关系曲线是否准确．由于水库在建成后多年运行造成库区的淤积，改变了原有的水位－库容关系，或者水库在建成时受技术条件等方面的限制，并不能获得真实、准确的水位－库容关系曲线．因此，水库建成或运行多年后，有必要对水库的水位－库容关系曲线进行复核，掌握水库准确的水位－库容关系曲线，在水库、大坝安全的前提下，最大限度地发挥水库的效益．

应用传统的水下地形测量等方法测定水库水位－库容关系曲线费时、费力，遥感技术的应用是近年来新兴的一种方法，但如何选择遥感数据源、如何准确提取遥感影像上库区水体、如何完整地推求水库水位－面积关系曲线以及如何建立水位－库容曲线等问题直接影响该方法的准确性与可行性．笔者将对此进行深入探讨，并以水丰水库水位－库容曲线复核为例进行论述和验证．

1 遥感数据源的适用性分析

遥感技术能够直观、准确地反映水域范围，因此能够准确地测定水库面积，为建立水位－库容关系曲线发挥其重要作用．

遥感技术分卫星遥感和航空遥感2种．航空遥感用于水库水位－库容曲线测定几乎不可能，一是费用太高，二是需要多个不同水位条件下的航空遥感影像，需要进行多次的航空飞行摄影，这在实际应用中几乎不可能做到．卫星遥感技术自20世纪70年代出现以来，陆续有数十种遥感影像产品，最早的有美国的陆地卫星系列 LANDSAT，还有 MODIS，NOVAA等．近年来，高分辨率卫星遥感数据源有QuickBird，IKNOS，GeoEye 等．法国的 SPOT、欧空局的ENVISAT以及加拿大的RADARSAT等也是常用的卫星遥感数据源［1］．我国近年来卫星遥感也得到了长足的发展，常用的卫星数据源有CBERS系列卫星数据、环境减灾卫星数据、北京一号小卫星数据以及最近已发射或将要发射的高分辨率系列卫星数据等．这些卫星数据的分辨率从1 km到0．1 m不等，数据类型包括可见光、近红外、雷达等数据产品．再加上卫星运行的轨道时间、重访周期、数据获取来源多样等方面的影响因素，使得利用遥感技术进行水库水位－库容曲线测定时不容易选择合适的遥感数据源．

遥感影像数据分辨率的大小决定了单景遥感影像所能覆盖范围的大小，一般规律是分辨率越高，单景遥感影像的覆盖范围越小．由于水库的水位经常变化，因此水库的水域范围也经常变化．遥感技术应用于水库水位－库容曲线测定时，要求同一轨道上的遥感影像能够覆盖完整，这样才能保证同一时间遥感获取的水域范围可以对应于水库的某一水位．水库水域范围的大小与水库大小的分类、水库水位的高低密切相关，大的有几百平方公里甚至上千平方公里，小的只有几平方公里或几十平方公里．因此，要在同一轨道上一次性覆盖整个水库区域，综合考虑遥感影像的分辨率、覆盖宽度和水库水域范围的大小，中高分辨率的卫星遥感影像应是比较合适的选择．

目前用的比较多的中高分辨率的卫星影像有美国陆地卫星（LANDSAT）数据，包括 TM（Thematic Mapper）和 ETM（Enhanced Thematic Mapper），还有中巴资源卫星数据（CBERS）．TM数据是美国陆地卫星5号搭载的可见光波段遥感数据，共有7个波段，其中波段1～4、波段5以及波段7分辨率为30 m，波段6分辨率为120 m．该卫星目前仍在轨运行，轨道高度705 km，运行周期98．9 min，扫描带宽度185 km，同一地点的重访周期16 d．ETM数据是美国陆地卫星7号搭载的可见光波段遥感数据，共有8个波段，除包含LANDSAT－5的7个波段外，还增加了1个全色波段，其分辨率为15 m．该卫星的轨道、幅宽与重访周期与 LANDSAT－5一致．CBERS数据是我国与巴西合作研发的，CBERS－01/02载有CCD相机5个波段，分辨率为19．5 m，幅宽113 km，重访周期26 d，CBERS－01/02已失效．我国目前在轨运行的可替代CBERS系列卫星的数据有环境减灾卫星数据（HJ－1A/1B）．该卫星有CCD相机4个波段，其波段特性与CBERS－01/02前4个波段一致，分辨率为30 m，单景幅宽360 km，重访周期4 d．

可见TM/ETM，CBERS以及HJ－1A/1B数据覆盖范围都比较大，分辨率也适中，CCD相机的数据波段特性基本一致，可以保证同时使用该多种数据源在水库水体范围提取时的一致性．这几种卫星数据联合应用，存档的数据积累已近40 a，数据覆盖的时间范围可以满足大多数水库相应水位状态下的影像数据需求，并且这些数据基本上都具有免费获取的渠道，可以大大减少利用遥感技术实现水库水位－库容曲线测定的费用．

2 水库水位－库容曲线复核

利用遥感技术开展水库水位－库容曲线的复核，在分析收集有关的遥感影像资料后，首先需要进行遥感影像水体提取，然后推求完整的水库水位－面积关系曲线，最后建立水库水位－库容关系曲线．

2．1 遥感影像水体提取

从遥感影像上提取水体，有目视解译方法和水体自动提取方法．

目视解译耗费大量的人力，水库水域区细小分支比较多，一幅影像的水库水体提取需要一个人花费数十个工作日的时间才能完成，进行水库水位－库容曲线复核又需要使用多个时相的遥感影像数据，因此靠人工解译进行水库水位－库容曲线复核的工作量巨大．

利用遥感影像自动提取水体，方法大致分为2类：单波段阈值法和多波段增强图阈值法．单波段阈值法是最早使用的方法，即利用对水体反应表现为强烈吸收的红外波段，通过设定相应的波段反射率的阈值来提取水体［2］．这种方法的优点是简单快速;缺点是水体边界受周边地物的影响，在同一景影像上，由于水体所在周边地物不一样，导致区分水体与周边地物的阈值也会不一样．因此在提取大范围水体时，可能需要分区设定阈值来提取整个水体．多波段增强图阈值法利用水体在遥感影像不同波段的波谱特性，通过多波段运算来增强影像中的水体信息，使得在增强图中水体值高于非水体地物值，从而设定下限阈值提取水体［3］．最有代表性的是1996年McFeeter提出的归一化水体指数法NDWI=（BGreen－BNIR）/（BGreen+BNIR）（BGreen为绿波波段，BNIR为近红外波段），该方法通过抑制植被和土壤信息提取水体［4］．2005年徐涵秋指出NDWI难以抑制土壤和建筑物信息，提出了改进后的归一化水体指数MNDWI=（BGreen－BSWIR）/（BGreen+BSWIR）（BSWIR为中红外波段），并提出在部分建筑区域MNDWI＞k（k为下限阈值）来提取水体［5］．

水体自动提取方法可在很大程度上节省人力，特别是对需要处理大量遥感影像数据的水库水位－库容曲线复核工作特别适合．由于水库水位－库容曲线的准确性直接影响水库大坝安全和水库效益的发挥，因此要求遥感影像提取的水体必须非常准确．遥感水体自动提取在加快速度的同时，也会带来一些误提的结果，如遥感影像上云的覆盖可能误判为非水体，山体阴影可能误判为水体［6］．所以，需要对自动提取的水体进行人工仔细地检查和修正，才能保证水体提取的准确性．

以水丰水库为例，利用历史水文系列资料，分析水丰水库出现过的最高、最低水位落差约为79～124 m，受云覆盖以及轨道位置的影响，按水库水位平均间隔1 m使用卫星图像一次的要求难以满足．以LANDSAT和CBERS影像数据源为主，最后确定的遥感数据为32景，其中LANDSAT卫星资料（TM/ETM）24次，CBERS卫星数据8次．对所收集的32景影像进行几何精校正，即建立地面控制点文件，将遥感卫星图像纠正到同一大地坐标网格上．

由于 CBERS没有中红外波段数据，为了与LANDSAT数据相统一，采用基于近红外波段的归一化水体指数法（NDWI）来提取水体，并在部分区域为区分建筑区或裸土区用NDWI＞k（k为建筑区或裸土区的下限阈值）来提取水库库区水体，最后通过人工仔细检验校核，修正云覆盖及山体阴影等造成的误提部分，得到相应库区水体范围．

2．2 完整水库水位－面积关系曲线推求

确定水库水位－面积关系曲线，需要获得水库不同水位时刻的遥感影像资料，且水库水位间隔应当尽量小，根据有关经验，水库水位每间隔1 m就有相应的库区遥感影像资料，基本能满足工作要求［7］．对于大中型水库，水库水位变幅都在数十米，有的甚至上百米，按1 m间隔使用遥感影像资料一次的要求，所需要的遥感影像资料就需要数十次，甚至上百次．由于能够利用的遥感影像资料有限且受卫星的重访周期、云雾等天气的影响，以及水库未达到过的最高水位等因素的影响，水库一些关键水位下的遥感影像资料并不能有效地获取．因此，可能造成所建立的水库水位－面积关系曲线有偏差或不完整．

笔者在进行水丰水库的水位－库容曲线复核工作中，通过数字高程模型（DEM）插补无遥感影像资料的水库水位相应的水面面积，很好地解决了这一问题．水丰水库水位125～131 m的高水位在历史水位资料中尚未出现过，因此也不可能有相应的遥感影像资料，而水库的高水位运行又是最大限度发挥水库效益的关键因素．因此，高水位下的水库水位－面积关系曲线也需要推求得到．所以在工作中考虑使用DEM来提取相应等高线下的水面面积．用DEM提取的水库水面面积并不能反映真实的水库水面状况，与实际状况（遥感影像提取的结果）还有一些差别，如图1所示．其中遥感解译的水库面积对应的水位范围为80～124 m，DEM提取的水库面积对应的水位范围为80～131 m．

图1 遥感解译与DEM提取的水库水位－面积关系对比

从图1可以看出，遥感解译与DEM提取的数据具有非常紧密的相关性，因此考虑建立两者的相关关系计算方程，用DEM提取的高水位下的库区水面面积模拟计算高水位（125～131 m）时相应遥感的库区水面面积．用四次多项式建立的相关关系回归计算方程如下．

相关系数R2=0．999 931 366 116，

式中：y为遥感解译面积;x为DEM插值水库面积．利用该相关关系回归计算方程，可以得到水库在125 m以上高水位时相对应的遥感解译水库面积．并将该计算结果与遥感解译的水库面积成果合在一起，得到水丰水库库水位80～131 m之间完整的水位与水库面积关系曲线，如图2所示．

图2 水丰水库完整水位与水库面积关系曲线

2．3 水库水位－库容关系曲线的建立

由水库水位－面积关系曲线可以进一步推求水库水位－库容关系曲线．首先建立较为详细的水库水位－面积关系查算表，该查算表可由水库水位－面积关系曲线计算得到［8］．按0．01 m的间隔计算水库水位相应的面积，然后按下式计算相应水位差下的库容．

累计库容按下式计算，

式中：V为某一水位时的库容;hi为两次相邻水位的水位差;Si为水面面积;n为次数;i为序数．

按上述公式计算水库库容存在一个问题，即i=1时，S0无法取得，因此V1也无法计算．笔者分析认为，在没有其他参考资料的前提下，较好的解决方法是通过DEM计算得到水库的初始库容，然后由初始库容水位开始起算，得到水库初始库容水位以上各水位下的水库库容．

在进行水丰水库的库容曲线复核时，由于该工作是水库电厂扩容建设的一部分，电厂扩容需要利用水库死水位（95 m）以下、80 m以上的水库库容进行发电．因此，80 m为水库的起始调度水位，利用DEM计算得水丰水库80 m水位以下的初始库容为30．2亿m3．然后以80 m为起算水位，按0．01 m 间隔计算得到各水位差下的库容，最后累加得到各水位下的水库库容，绘制的水库水位－库容关系曲线如图3所示．

图3 水丰水库水位－库容关系曲线

3 结语

通过对多种遥感数据源的分析，提出了适合于水库水位－库容曲线复核的遥感数据源，并通过对遥感影像水体的自动提取方法的研究，确定了适合多种遥感数据源相统一的水体自动提取方法，在缺少遥感影像资料时，通过DEM插值来回归计算相应遥感的库区水面面积，从而建立完整的水库水位－面积关系曲线．由水库水位－面积关系曲线进而得到水库水位－库容关系曲线，并给出相应实例验证．结果表明，该方法可行、实用、有效，能够较为准确、快速地获取水库水位－库容关系曲线．可用于水库的动态监测和管理，并能够实时、有效地对库区水域的变化进行动态监测及分析预报，为区域水资源的监测评价与可持续利用提供了依据．

［1］田雨，林宗坚，卢秀山，等．基于RS的水库水位面积曲线测定［J］．南水北调与水利科技，2007，5（1）：59 －60．

［2］彭望琭．遥感概论［M］．北京：高等教育出版社，2002．

［3］席晓燕，沈楠，李小娟．ETM+影像水体提取方法研究［J］．计算机工程与设计，2009（4）：993 －996．

［4］ McFeeters S K．The use of the Normalized Difference Water Index（NDWI）in the delineation of open water features［J］．International Journal of Remote Sensing，1996，17（7）：1425 －1432．

［5］徐涵秋．利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究［J］．遥感学报，2005（5）：23－26．

［6］李文波，于春颖，张秋文，等．基于归一化水体指数的水域面积估算研究［J］．人民长江，2008（2）：11－13．

［7］曹荣龙，李存军，刘良云，等．基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测［J］．测绘科学，2008，33（2）：158－160．

［8］李纪人，黄诗峰．3S技术水利应用指南［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．