基于Google Earth影像的福州八一水库水域变化监测

乐通潮,潘辉,聂森,江振蓝

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2.闽江学院，福建 福州 350108)

基于Google Earth影像的福州八一水库水域变化监测

乐通潮1,潘辉2,聂森1,江振蓝2

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2.闽江学院，福建 福州 350108)

为了监测福州八一水库枯水期水域面积变化状况，从Google Earth数据库下载2013—2015年共3期冬季(1—2月)的高分辨率卫星影像，通过目视解译方法提取水域边界。研究表明，水域面积逐年减小，其中2013年面积最大达23.54 hm2，接近最大库容面积，2015年面积最小，只有7.89 hm2；水域面积与降水显著相关，相关系数超过0.983。

八一水库；Google Earth影像；目视解译；水域面积

城市水库是重要的淡水资源，在城市供水、农业灌溉、调蓄洪水、防涝泄洪、工业用水、调节河道生态用水、景观旅游等方面发挥巨大作用[1]。水域面积是水库贮存量的一个重要衡量指标，准确获取面积是水资源监测、调查、评估、保护的重要依据[2]。随着遥感技术的发展，大范围、快速精确地监测湖泊水库动态变化已经成为现实，利用遥感影像获取水体信息已是学者们进行水体研究的常规方法[3，4]。Google Earth数据库服务器拥有海量高分辨率遥感影像并且更新频繁，其影像数据已经被广泛应用于影像制图、资产评估、规划设计、地表监测等方面。本文利用Google earth的历史影像库的数据来研究福州八一水库枯水期水域面积的变化情况，同时结合气象资料分析变化原因。

1 研究区概况

八一水库位于福州市城区北郊，距城区约5 km，集水面积15 km2，区内水系源于北峰和叶洋村的赤桥溪。研究区地处亚热带，温暖湿润，雨水充足，年平均气温19.7 ℃，年降水1 000～1 600 mm，春季降雨分春雨期和梅雨期，夏秋季为台风多发季节，降雨频繁，强度大，常出现大雨到暴雨，易造成洪涝灾害。水库总库容310万m3，属于小(一)型水库。大坝为黏土土坝，长500 m，高20.6 m，顶宽2.6 m，坝顶高程为51 m。水库内日常水位48.5 m，汛期水位47.5 m。输水涵洞和溢洪道都设在坝东，输水涵洞长120 m，最大流量1.5 m3·s-1；溢洪道长444 m。宽顶堰设4孔大闸，闸门由手动和电动两用机械控制，最大泄洪量442 m3·s-1。

2 材料与方法

2.1 数据来源

遥感数据来自Google Earth历史影像库的高分辨率遥感影像和高程数据，其中影像的空间分辨率为0.5～0.6 m/像素，高程的空间分辨率为9m/像素。研究区为福州八一水库库区，选择影像成像时间较为接近(1—2月)的2013—2015年的晴空卫星遥感数据共3景，卫星影像参数如表1所示。气象数据来自中国气象数据网提供的福州乌山气象标准站2013—2015年的逐日气温、降水量、蒸散量数据。

表1 选取的Google Earth卫星资料参数

2.2 研究方法

利用91卫图助手软件查找并下载研究区的Google earth卫星影像和高程数据，在ArcGIS软件中将影像数据由地理坐标系转换(WGS 1984)为投影坐标系(WGS1984 UTM 50N)，并以2015-01-18影像为基准，利用地理配准模块将其他年份的影像进行几何校正。因水域与陆地在影像的色彩及纹理特征差异明显，故直接利用目视解译进行陆地与水域的识别，勾绘水库水域边界，获得水域面积。八一水库属城市水库，调蓄洪水属其主要功能之一，台风暴雨前，因防洪抗涝的需要，水库管理处会提前排放水量，增大蓄洪库容量。每年10月过后，台风较少，且进入枯水期，除了正常排放水量到下游河道以外，人为原因调节水库水位的可能性较小，水库的水位主要受降水量和蒸发量的影响。本文3期影像对应的时间点为冬季枯水期，为了研究水库水域面积与降水、蒸发的影响，取影像成像时间点之前3个月的降水量和蒸发量，分析水域面积与降水量和蒸发量的关系。

本文利用Arcgis软件制图和分析，应用Excel 2010进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 八一水库水域面积卫星影像提取结果

由下载的并经坐标转换的DEM可知，福州八一水库库区三面环山南面大坝拦截，水库高程39～50 m。在经几何精校正的高分辨率卫星影像上沿水库大坝及岸线边缘，勾绘水库最大库容水域边界，如图1、图2所示，经计算最大库容水域面积为25.36 hm2。

由于三期影像分辨率达亚米级，影像中地物色彩及纹理特征明显，由影像可知，最大库容线内呈暗蓝色为水域，棕黄色、暗绿色、浅黄色为裸露地、草地等非水域。水域有两块，西侧一小块为私人承包供人钓鱼的鱼塘，有田埂隔离，常年有水，面积不变，东侧水域不同年份面积不一样，这三景影像水域面积分别为23.54 hm2、12.91 hm2和7.89 hm2，如表2和图3～5所示。

图1 八一水库DEM图

图2 八一水库最大库容边界

表2 影像解译的八一水库水域面积一览表 hm2

图3 2013-01-16八一水库水位线

图4 2014-02-02 八一水库水位线

图5 2015-01-18 八一水库水位线

3.2 水库水域面积年变化及其与降水量、蒸发量的关系

由表3可知，2013—2015年，八一水库的水域面积呈逐年下降，平均下降速率为7.83 hm2·a-1；影像成像之前3个月降水量呈下降趋势，平均下降速率为68.1 mm·a-1，前2个月降水量下降趋势与前3个月基本一致，平均下降速率为67.8 mm·a-1，前1个月降水量呈快速下降又快速上升的趋势；蒸发量均呈略微变动，前3个月的蒸发量先略微下降再升高，前2个月和前1个月的蒸发量均呈略微升高。除了2013年的蒸发量略小于降水量之外，2014和2015年的蒸发量均大于降水量。将2013—2015年八一水库水域面积与影像成像之前3个月、前2个月、前1个月的降水量进行皮尔森相关系数分析，结果显示，前3个月的降水量与水域面积的相关系数为0.995，相关性极显著(P<0.01)，前2个月的降水量与水域面积的相关系数为0.983，相关性显著(P<0.05)，前一个月的降水量与水域面积的相关系数为-0.229，相关性不显著(P>0.05)。

表3 八一水库水域面积与降水量、蒸发量

注：时间指卫星影像成像之前的3个月、2个月和1个月。

4 结论与讨论

福州八一水库2013—2015年冬季(1—2月)水域面积呈逐年下降，年均下降速率为7.83 hm2·y-1，蒸发量变化幅度较小，水域面积变化与影像成像之前3个月降水量、前2个月降水量相关显著，相关系数超过0.983。水库水域面积逐年下降的主要原因是降水量显著减少导致。除了气象原因，人为活动等其他因素也可能导致水库水域面积变化，笔者将在后续的研究中进一步阐述。

Google Earth数据库存储全球各地高分辨率遥感影像数据，在城市及人类重要活动区存储亚米级的卫星影像数据并经常更新，为水库水域面积的影像解译提供了更高的精度。对福州八一水库水域面积进行遥感监测，能够更直观地了解八一水库水域面积的动态变化，本文的研究方法可为其他水库水域动态监测提供参考。

[1] 卢碧林，严平川，田小海，等．湖北省主要大中型水库富营养化状况及特征分析[J]．长江流域资源与环境，2012，21(5)：634-640

[2] 徐德增.基于高分辨率遥感影像的大伙房水库水域面积变化监测[J].水利发展研究,2016(7):50-52

[3] 苗立新，唐守正，李霞，等.利用掩膜主动轮廓模型提取水库水面面积[J].水土保持研究，2010，17(5) :7-11

[4] 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

[5] 林韵.基于HEC-HMS模型的洪水重现期研究——以福州市八一水库流域为例[D].福州：福州大学,2009

Dynamic Monitoring of Water Area of Bayi Reservoir in Fuzhou based on Google Earth Images

Le Tongchao1,Pan Hui2,Nie Sen1,Jiang Zhenlan2

(1.Fujian Forestry of Science,Fuzhou 350012,China; 2.Minjiang University,Fuzhou 350108,China)

In order to monitor water area of Bayi Reservoir in Fuzhou in low water seasons,three phase high-resolution-satellite images in winter (from January to February) were downloaded from Google Earth database Server,and extracted the water border by visual interpretation of remote sensing images.Research shows that the water area was reduced year by year.It is 23.54 hm2at 2013,closing to the maximum water area of reservoir; the water area is the smallest,being 7.89 hm2.It is significant correlation between water area and rainfall and the related coefficient exceed 0.983.

Bayi reservoir; images of Google Earth ; visual interpretation ;water area

1005-5215(2017)03-0036-03

2017-01-18

福建省社会发展引导性项目(2015Y0074)；福建省属公益类科研院所专项(2016R1010-8)

乐通潮(1980-)，男，福建大田人，博士，高级工程师，从事林业3S技术、湿地生态等研究.

潘辉(1968-)，男，福建福州人，博士，教授，从事森林经理、生态学等研究.

TP79；P208

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.015