丹江口库区水域面积动态变化分析——基于长时间序列Landsat数据

董亚东，杨文宇，秦 赫

(1.湖北汉江水利水电(集团)有限责任公司，湖北武汉 430048；2.湖北丹江口水力发电厂，湖北丹江口 442700)



丹江口库区水域面积动态变化分析
——基于长时间序列Landsat数据

董亚东1，杨文宇1，秦 赫2

(1.湖北汉江水利水电(集团)有限责任公司，湖北武汉 430048；2.湖北丹江口水力发电厂，湖北丹江口 442700)

地表水是人类发展重要的战略资源和生态环境的重要组成部分之一。储存在河流湖泊和水库等中的地表淡水在农业灌溉、水产养殖、水力发电、防灾减灾、生活及工业用水等方面发挥着巨大作用[1]。我国水资源总量占世界总量的5.8%左右，人均水资源仅为世界平均水平的25%[2]。更重要的是，我国淡水资源时空分布非常不平衡，南方地区水资源量占全国的80%左右，而北方地区只拥有18%左右的水资源，尤其是黄淮海地区，人口占全国的35%，耕地面积占39%，而水资源仅占7%，是全国水资源最为紧缺的地区[3]。为解决华北和西北地区水资源短缺问题，我国从2002年开始实施包括东线、中线、西线3条调水线的南水北调工程。其中，中线工程是从长江流域最大支流的汉江流域上游的丹江口水库向河南、河北、北京和天津调水。

为了实施南水北调中线工程，丹江口大坝从2005年9月开始进行加高；加高工程实施后，会影响丹江口水库库区水域面积的变化。而且丹江口水库库区水域面积变化分析在水资源管理、土地利用变化、库区生态监测等方面具有重要指导意义。因此，需要对丹江口库区水域面积动态变化进行长时间序列监测分析。遥感数据具有覆盖区域大、来源稳定和成本低等特点，为大范围水域面积定量估算提供了可能[4]。

目前，TM(Thematic Mapper)、ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)、OLI(Operational Land Imager)、MODIS(MOderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、HJ-A/B(Environment-Disaster Monitoring-Forecasting A/B)等多源遥感数据被成功应用到地表水域面积提取或变化监测中[1，4-10]。虽然高时间分辨率的遥感数据(如MODIS)可用来监测水域面积的连续变化[10-12]，对应丹江口库区而言，最窄的水面宽300 m左右，该类数据的空间分辨率(250～1 000 m)很低，水域面积估算精度差[1]。为了研究丹江口水库库区水域面积动态变化，笔者利用1993～2013年的陆地资源系列卫星(Landsat-5，Landsat-7和Landsat-8)的TM、ETM+和OLI多源遥感数据，定量分析丹江口水库水域面积近20年的动态变化情况，为丹江口水库库情监测和南水北调管理提供科学依据。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况丹江口水库(110° 59′～111° 49′ E、32° 36′～33° 48′ N)是南水北调中线工程的水源地，也是亚洲最大的人工湖。丹江口水库位于汉江干流与其支流丹江的交汇地，丹江口库区成“V”字形(图1)，分为丹江库区和汉江库区。库区总面积846 km2，库区水面东西宽为超过20 km。丹江口水库控制流域面积约为9.52万km2，占汉江流域集水面积的60%[13]。库区多年平均流量409亿m3，丹江口水库来水量主要包括汉江流域上游和其支流丹江。为了实施南水北调中线工程，丹江口大坝从2005年9月开始进行加高，在2013年5月完成加高工程；大坝加高后，丹江口水库正常蓄水位从157 m提高至170 m，库容从174.5亿m增加到290.5亿m3。

丹江口库区地处北亚热带向暖温带过渡带，属于北亚热带季风型大陆性半湿润气候，年平均气温15～16 ℃，雨量比较充沛，年平均降水量800～1 000 mm，降水主要集中在4～10月[1]。丹江口水库库区是一个相对独立的自然地理单元，地形复杂，地貌多姿，库区以中小起伏山地为主。库区地势呈西北高，东南低。西部、北部被伏牛山所环绕，东部自北向南依次为山地、丘陵、垄岗、平原，南部与江汉平原相连。库区高山丘陵面积占全部面积的97%，平原只占3%[13-14]。库区植被以常绿针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林和农业植被为主；主要土壤类型有黄棕壤、山地黄棕壤、水稻土、潮土和黄褐土[1]。

1.2数据来源为了定量分析丹江口水库库区水域面积的动态变化，该研究从美国地质调查中心(USGS)(http://earthexplorer.usgs.gov/ )收集了1993～2013年丹江口库区共72景Landsat卫星遥感数据(表1)。

图1　丹江口库区Fig.1　Danjiangkou Reservoir

时间Date卫星/传感器Satellite/sensor时间Date卫星/传感器Satellite/sensor时间Date卫星/传感器Satellite/sensor1993-09-24Landsat-5/TM2001-08-21Landsat-7/ETM+2004-03-14Landsat-5/TM1995-11-17Landsat-5/TM2001-11-09Landsat-7/ETM+2004-05-17Landsat-5/TM1996-01-04Landsat-5/TM2001-11-17Landsat-5/TM2004-07-04Landsat-5/TM1996-02-05Landsat-5/TM2001-12-27Landsat-7/ETM+2004-10-08Landsat-5/TM1996-04-25Landsat-5/TM2002-01-04Landsat-5/TM2005-04-02Landsat-5/TM1996-05-27Landsat-5/TM2002-01-12Landsat-7/ETM+2005-10-11Landsat-5/TM1996-08-31Landsat-5/TM2002-01-28Landsat-7/ETM+2006-03-04Landsat-5/TM1996-10-18Landsat-5/TM2002-02-21Landsat-5/TM2006-05-23Landsat-5/TM1999-09-01Landsat-7/ETM+2002-03-09Landsat-5/TM2006-06-24Landsat-5/TM1999-12-22Landsat-7/ETM+2002-04-02Landsat-7/ETM+2006-07-10Landsat-5/TM2000-03-19Landsat-5/TM2002-04-18Landsat-7/ETM+2006-09-12Landsat-5/TM2000-03-27Landsat-7/ETM+2002-07-07Landsat-7/ETM+2006-10-14Landsat-5/TM2000-04-04Landsat-5/TM2002-08-24Landsat-7/ETM+2007-06-11Landsat-5/TM2000-04-12Landsat-7/ETM+2002-09-01Landsat-5/TM2007-08-14Landsat-5/TM2000-04-28Landsat-7/ETM+2002-09-25Landsat-7/ETM+2007-09-15Landsat-5/TM2000-06-15Landsat-7/ETM+2002-10-27Landsat-7/ETM+2009-07-18Landsat-5/TM2000-07-17Landsat-7/ETM+2002-11-04Landsat-5/TM2009-11-23Landsat-5/TM2000-08-10Landsat-5/TM2002-11-28Landsat-7/ETM+2010-05-02Landsat-5/TM2000-12-24Landsat-7/ETM+2002-12-30Landsat-7/ETM+2011-08-09Landsat-5/TM2001-02-18Landsat-5/TM2003-01-07Landsat-5/TM2011-08-25Landsat-5/TM2001-05-01Landsat-7/ETM+2003-03-20Landsat-7/ETM+2013-06-11Landsat-8/OLI2001-06-18Landsat-7/ETM+2003-04-05Landsat-7/ETM+2013-08-14Landsat-8/OLI2001-07-04Landsat-7/ETM+2003-05-07Landsat-7/ETM+2013-09-15Landsat-8/OLI2001-08-05Landsat-7/ETM+2003-06-16Landsat-5/TM2013-11-18Landsat-8/OLI

如表1所示，该研究选用的Landsat-5的TM数据共40景，Landsat-7的ETM+数据28景，Landsat-8的OLI数据4景。TM、ETM+和OLI多光谱遥感数据的空间分辨率为30 m，重复周期为16 d。为了定量分析南水北调实施前后丹江口库区水域面积的动态变化，其中大坝加高工程前的Landsat卫星数据共53景，加高过程中的遥感数据15景，加高后4景。

1.3研究方法目前，包括监督分类、非监督分类、单波段阈值、植被指数、归一化水体指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)、MNDWI(Modified NDWI)和ONDWI(Override NDWI)等模型都被成功应用到地表水体识别与提取[1，5-9，15]。与监督或非监督分类比较，NDWI或MNDWI能更简单快速提取地表水域面积信息。研究结果表明，MNDWI模型比NDWI模型更适合Landsat系列卫星遥感的地表水域信息提取[6，8]。MNDWI的计算公式为：

(1)

式中，ρGreen和ρSWIR分别为绿光波段和短波近红外波段图像的反射率。

对于TM、ETM+和OLI3种传感器来讲，ρGreen为TM传感器第二波段(Band2：0.52～0.60μm)对应的数据；也为ETM+传感器第二波段数据(Band2：0.525～0.605μm)，为OLI传感器第三波段数据(Band3：0.53～0.59μm)。由于TM、ETM+和OLI多光谱遥感数据都包括两个通道的短波近红外数据，如TM的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.08～2.35μm)，ETM+的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.09～2.35μm)，OLI的通道6(Band6：1.57～1.65μm)和通道7(Band7：2.11～2.29μm)。选择哪个通道的短波近红外数据，是利用Landsat系列卫星遥感数据和MNDWI模型进行丹江口水库库区水域面积动态监测首先需要解决的问题。研究结果表明，波谱范围处于1.2～1.8μm的短波近红外数据更适合TM、ETM+和OLI构建MNDWI[6-8]。

对于Landsat-5的TM数据，MNDWI模型转化为：

(2)

式中，ρTMB2和ρTMB5分别TM传感器对应的Band2和Band5数据的反射率。

对于Landsat-7的ETM+数据，MNDWI模型转化为：

(3)

式中，ρETM+B2和ρETM+B5分别ETM+传感器对应的Band2和Band5数据的反射率。

对于Landsat-8的OLI数据，MNDWI模型转化为：

(4)

式中，ρOLIB3和ρOLIB6分别OLI传感器对应的Band3和Band6数据的反射率。

公式(2)～(5)利用TM、ETM+和OLI多光谱数据中绿波和短波近红外2个通道数据的反射率数据获得MNDWI图像，必须将USGS提供的TM、ETM+和OLI原始遥感数据通过大气校正获得所需的反射率数据。

2结果与分析

该研究在ENVI5.0平台上，首先利用FLAASH(FastLine-of-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes) 模块对所选用Landsat系列卫星的多光谱遥感数据进行预处理，获得MNDWI模型所需要的TM、ETM+和OLI绿波和短波近红外通道数据的反射率数。然后利用公式(2)～(5)获得丹江口库区1993～2013年不同时相的MNDWI图像。在获得MNDWI图像的基础上，利用Otsu模型获得不同时相MNDWI图像分割阈值，并利用获得阈值对丹江口库区的水域面积进行分割和制图；最后通过空间统计获得丹江口库区不同时相水域面积。1993～2013年丹江口水库库区水域面积变化见图2。由图2可知，1993～2013年丹江口库区水域面积变化较大。统计结果表明，1993～2013年丹江口库区最小面积为292.34 km2(1999年12月22日)，最大面积为506.64 km2(2005年10月11日)，面积比为1.73。库区最小水域面积处于枯水期；而最大面积出现在10月，而不是汉江中上游流域降水最大的7月，主要原因是2005年10月汉江流域中上游地区发生了100年一遇的华西秋雨[16]。在所选的72景Landsat数据中，有6个面积小于300 km2，有46个面积处于300～400 km2，有19个面积处于400～500 km2，面积超过500 km2的只有1个，平均水域面积为367.56 km2。

丹江口大坝加高前，库区平均水域面积为355.44 km2；加高过程中库区平均水域面积为406.08 km2；大坝加高后，库区平均水域面积为383.79 km2。加高工程前，库区水域平均面积接近1993～2013年的平均水域面积；加高过程中的8年(2005～2012年)，平均水域面积大于多年平均面积和加高后的库区水域平均面积。其原因主要为：加高过程选择的15景Landsat数据多集中在汉江上游流域降雨充沛的4～10月，只有2景(2006年3月4日和2009年11月23日)处于枯水期。大坝加高后，丹江口库区水域面积明显大于多年平均值，如2013年8月14日水域面积为415.23 km2，2013年9月15日水域面积为387.63 km2，而处于枯水期的水域面积也高达375.28 km2(2013年11月18日)。

3结论与讨论

该研究收集了1993～2013年丹江口库区的TM、ETM+和OLI多时相多源Landsat系列遥感数据，利用水体指数模型提取了丹江口库区72个不同时相的水域面积，实现了对丹江口库区水域面积的动态监测。结果表明，在过去的近20年中，库区最小面积为292.34 km2，最大面积为506.64 km2，多年水域面积为367.56 km2。1993～2013年丹江口库区水域面积变化比较大，库区水域面积变化主要由汉江流域中上游地区降雨等因素引起。为了更加深入地分析丹江口库区水域面积动态变化原因，需要进一步分析库区水域面积变化与汉江中上游的降水量的关系。

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摘要丹江口水库是南水北调中线工程水源地，库区水域面积的变化监测对库区生态环境建设和南水北调工程都具有重要的意义。该研究以1993～2013年的Landsat多源多时相遥感数据为基础，利用修正的归一化水体指数(MNDWI)模型对丹江口库区过去20年的水域面积进行动态监测。结果表明：库区最小面积为292.34 km2，最大面积为506.64 km2，多年平均面积为367.56 km2。研究成果能为丹江口水库库情监测、水资源调度和南水北调管理提供科学的决策依据。

关键词水体提取;动态变化;Landsat; MNDWI;丹江口水库

Dynamic Analysis of Water Area in Danjiangkou Reservoir—Based on Long-time Series Landsat data

DONG Ya-dong，YANG Wen-yu，QIN He(1.Hubei Han River Water Conservancy and Hydropower (Group) Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430048; 2.The Danjiangkou Hydropower Plant，Danjiangkou，Hubei 442700)

AbstractDanjiangkou Reservoir is the freshwater source of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project (MRSNWDP) in China.Monitoring the surface water area change of Danjiangkou Reservoir is of great significance to ecological environment construction and MRSNWDP.Based on Landsat remote sensing images from 1993 to 2013，dynamic monitoring on water area of Danjiangkou Reservoir in the past 20 years was carried out by using the MNDWI model.Research results showed that the minimum and maximum areas of Danjiangkou Reservoir were 292.34 and 506.64 km2，respectively; and the perennial average area was 367.56 km2.This research provides scientific base for the decision making of reservoir situation monitoring，water resources scheduling and SNWDP project in Danjiangkou Reservoir.

Key wordsWater extraction; Dynamic change; Landsat; MNDWI; Danjiangkou Reservoir

收稿日期2015-12-10

作者简介董亚东(1981- )，男，湖北黄冈人，工程师，从事水力发供电和发展规划编制研究。

中图分类号S 129

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)01-321-04