遥感技术在江苏省水域面积监测中的应用

高士佩，梁文广，王冬梅，王春美，杨 印，钱 程

(1.江苏省水利科学研究院，南京 210017；2. 江苏省水利科学研究院 湖泊研究所，南京 210017)

遥感技术在江苏省水域面积监测中的应用

高士佩1，梁文广2，王冬梅2，王春美2，杨 印2，钱 程2

(1.江苏省水利科学研究院，南京 210017；2. 江苏省水利科学研究院 湖泊研究所，南京 210017)

为准确掌握江苏省水域面积，结合江苏省水利普查数据、1∶10 000水系数据等相关参考资料，利用2012年江苏全省0.3 m空间分辨率航片，提取了2012年度江苏全省8大类别水域面积。分析与评价结果表明：2012年江苏水域面积为22 433.2 km2，包含湖泊(不含省管湖泊圈圩)6 271.0 km2、省管湖泊圈圩637.5 km2、河流5 042.9 km2、水库480.4 km2、塘坝39.8 km2、洪泽湖滞涝圩1 590.0 km2、里下河滞涝圩595.4 km2、鱼塘5 322.5 km2和沟渠2 453.8 km2。该成果精度较高、客观真实，节省了大量人力物力，为今后省级和地方政府水域岸线动态监管、定期开展全省水面变化监测和水利基本现代化进程考核提供了基础数据，为下一步研制全省水域面积管理行政执法协同监管系统提供了监测数据资源。

江苏省水域面积；遥感监测；航片；水域分类；水利普查

1 研究背景

河湖水域是地表水的主要载体，是经济社会发展的基础资源，是生态文明建设的重要内容。国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》明确指出，要健全自然资源资产产权制度和用途管制制度，严守资源环境生态红线，健全生态保护补偿机制，完善政绩考核和责任追究制度。

江苏地处江淮下游，境内河道纵横交错，大小湖泊星罗棋布，素有“水乡江苏”之称。江苏境内拥有大小河道及人工河道2 900多条，湖泊137个(水域面积>0.5 km2)，在册水库908座，水面面积占全省总面积的16.9%，居全国各省区之首。资料表明，1978年江苏省水域面积为17 748 km2，约占国土面积的17.5%；到2000年，衰减为16 432 km2，约占全省国土面积的16.11%，与1978年相比，减少1 316 km2，衰减率达7.4%[1]。其中，淮河、长江、太湖3大流域的水域衰减率分别为9.9%，7.4%和3.1%。由此可见，近几十年来，江苏省的水域面积减少的趋势十分显著。定期开展水域面积的动态监测，对于准确掌握水资源现状、加强水域的管理与保护、维护地区经济社会可持续发展的意义十分重要。

以往针对江苏省水域面积的研究相对较少，仅在2003年通过勘测设计单位对全省水域面积进行过初步调查[2]，当时调查采用的是经过辐射改正的2000年汛前平水期美国陆地卫星ETM卫片，空间分辨率最高只有15 m。15 m以上的河道水域面积按卫片判读，15 m以下的河道按片统计河道长度，采取典型调查取河道宽度平均值的办法计算水域面积，由此计算得到的全省现状水域总面积为17 223 km2，该数据一直沿用至今。十多年来江苏省经济发展一直位于沿海地区前列，土地开发利用强度大，单位面积产值高，全省陆地面积内的水域已经发生了较大的变化，且原有成果基于15 m分辨率ETM卫片，分辨率较低，对于15 m以下的沟渠水域提取的精度存在一定误差。因此，原有调查资料成果已不足以反映全省水域当前的实际状况，不适应《江苏省建设项目占用水域管理办法》规定的要求，以及全省水域面积率动态监测和水利基本现代化指标考核的要求，迫切需要利用最新的更高空间分辨率遥感影像数据对水域面积和涉水违法占用开展动态监测，为河湖的信息化管理提供准确的、最新的基础资料。

鉴于此，本研究采用最新的高分辨率遥感影像，考虑到江苏水域的特点与管理的实际需求，对水域开展分类，提取各类水域面积，为江苏省水域的动态监管与保护提供基础数据支撑。

2 数据收集与处理

本研究收集的数据资料主要包括高分遥感影像、水利专题数据以及县级行政区划数据。

高分遥感影像采用了江苏省测绘局提供的2012年江苏省航片，该数据为DOM产品，空间分辨率为0.3 m。

收集的水利专题数据主要包括2010年左右江苏省水利普查成果数据[3]、2005年江苏省1∶10 000水系数据、江苏省省管湖泊勘界设桩成果等。其中江苏省水利普查数据主要包括全省湖泊、河流、水库、堤防以及其他水利工程等，1∶10 000水系数据包含全省河、湖、库、塘、沟渠等资料，江苏省管湖泊勘界设桩成果为江苏省13个省管湖泊蓄水范围和保护范围。

数据处理主要将以上数据转化为相同的地图投影(高斯-克吕格)和坐标系统(西安80坐标系)，遥感影像为栅格数据，其他均转化为矢量格式，水系转化为面数据，便于叠加分析和处理。

3 技术方法

3.1 水域分类

考虑到水利部门水域管理和防洪的实际需求以及江苏省水域类型的复杂性，水域划分主要突出对防洪安全的作用，将全省水域划分为湖泊(不含省管湖泊圈圩)、省管湖泊圈圩、河流、水库、塘坝、滞涝圩、鱼塘和沟渠共计8大类别。在这8大类别中，湖泊(不含省管湖泊圈圩)、河流、水库、塘坝、滞涝圩和沟渠对防洪安全起积极作用，在水利管理中需要加强保护，维持水域面积不减少；而省管湖泊圈圩和鱼塘对防洪的意义不大。其中，湖泊以江苏省水利普查数据中湖泊数据为本底数据，河流以江苏省水利普查数据中河流数据为本底数据，主要包含乡级以上河道以及人工运河；水库以江苏省水利普查数据中水库为本底数据，滞涝圩包括洪泽湖滞涝圩和里下河圩区，省管湖泊圈圩为省管湖泊蓄水范围内圈圩，沟渠指除河流外其他较小的河流，主要为村级河道，包含水网渠道。

3.2 监测方法

高分辨率遥感数据具有现势性强、信息丰富、真实客观等优势。利用高分辨率遥感数据开展水域范围提取，主要利用水体在影像上的色调、纹理信息、几何形状等与陆地存在较大差别，易于区分的特点。提取方法主要有人工目视解译法和监测分类法[4-5]、非监督分类法、面向对象的分类法[6]、决策树分类[7]、指数法[8]、数学形态学[9]等多种自动提取方法。其中人工目视解译主要依据人的经验知识，结合相关参考资料，对水域进行综合分析和判读，人工提取水域范围。该方法提取精度高，适合于地物类型复杂的地区。而自动提取方法速度快，但精度相对低，适用于地物类型简单、色调一致的地区，对于地物类型复杂的地区，自动分类法存在部分分类错误，需要大量的后续修改工作。

通过多种监测方法比较，兼顾效率和精度，考虑到江苏水域类型复杂，船只、桥梁、藻类、水色差异等多种因素影响着水域的自动提取精度，结合现有的相关资料相对齐全的情况，最终采用了人工目视解译的方案，即以现有资料为基础，结合2012年航片，通过目视判读、人工修正，更新原有水域数据。具体提取方法如下：

(1) 湖泊以江苏省水利普查数据中湖泊数据为本底数据，省管湖泊以蓄水范围为界，叠加2012年全省航片，更新以上湖泊数据，剔除圈圩、开发利用等水域占用，得到2012年全省湖泊数据。

(2) 省管湖泊圈圩以2012年航片为基础，通过人工提取蓄水范围内圈圩。

(3) 河流、水库分别以江苏省水利普查数据中河流、水库数据为本底数据，叠加2012年全省航片，更新河流、水库数据。

(4) 滞涝圩包括洪泽湖滞涝圩和里下河滞涝圩。洪泽湖滞涝圩主要利用了相关电子图资料，以航片产品为基准，将相关电子图校正，提取洪泽湖滞涝圩范围；里下河滞涝圩主要利用了里下河勘界设桩成果，将三批滞涝圩(I，II，III)和1992年后新圩(W)合并为里下河滞涝圩。

(4) 鱼塘和沟渠分别以1∶10 000水系数据中鱼塘和河流(剔除水利普查中的河流)为本底数据，结合2012年航片进行更新。

(5) 结合2012年航片，从地理位置、范围大小、集中程度、图形特征等多方面进行判读，从而提取塘坝。

4 结果分析

由以上方法提取的江苏全省各类水域面积经过计算、统计，结果如表1和图1所示。

表1 2012年江苏全省水域面积

图1 2012年江苏省各类水域面积排序Fig.1 Order of water area in Jiangsu province in 2012

由图1可见，全省8大类水域总面积为22 433.2 km2，各类型水域面积由大到小依次为：湖泊>鱼塘>河流>沟渠>洪泽湖滞涝圩>省管湖泊圈圩>里下河圩区>水库>塘坝。其中湖泊、鱼塘和河流总面积较大，占全省水域总面积的74.2%；而水库和塘坝所占面积相对较小，但对当地人们的生产生活意义重大。

图2 江苏全省主要水系分布Fig.2 Distribution of main drainage system in Jiangsu province

图2为江苏全省主要水系分布图。图2显示，湖泊在江苏长江北部和南部2个地区总面积基本相等，其中长江以北地区湖泊总面积约3 096.5 km2，数量相对较少，主要大型湖泊集中于西部地区和里下河湖区，江苏沿海地区湖泊较少；长江以南地区湖泊数量众多，有139个，湖泊总面积为3 174.5 km2，主要集中在太湖地区，尤其是苏州地区湖泊众多。全省河流数量众多，其中以太湖地区和里下河地区河网密布最大。全省水库和塘坝主要分布在丘陵山区，包括宁镇丘陵山区、溧阳宜兴南部山区、洪泽湖南部和西部地区、连云港北部山区和徐州地区。

5 精度分析

为了研究水域面积遥感提取的精度，从以下几方面来评价。

(1) 本次水域面积提取是基于2012年0.3 m空间分辨率的成果，提取的河道宽度最窄为1.5 m，鱼塘范围最小为70 m2。2000年左右基于ETM数据提取的全省水面率,由于卫片空间分辩率只有15 m，因此15 m以上的河道水域面积按卫片上判读，15 m以下的河道按卫片上统计的河道长度，采取典型调查取河道宽度平均值的办法计算水域面积；面状水域最小面积是225 m2。由此可见，从采用的遥感数据源对比来看，本次监测采用的0.3 m空间分辨率遥感影像对地物识别能力大大高于2000年左右的ETM 15 m空间分辨率卫片，提取的水边线更加准确，尤其是针对水网沟渠，由此计算的水域面积精度和数据的详尽程度大大高于以往成果。

(2) 参考了江苏省第一次全国水利普查成果和历史水域面积统计结果。

通过水利普查[3]，摸清了河流湖泊、水利工程等基本情况，该历史水域面积统计结果包括河流11 919条、湖泊161个、水库1 080座(含未在册水库、抽水蓄能电站上下库、沿海蓄水水库等)等，并有汇总的属性数据可供参考，为全省主要水面的提取提供翔实的参考依据。

2000年左右基于ETM 15 m分辨率的航片提取了全省水域面积，包含江、河、湖泊、水库、沟渠、塘坝等在设计洪水位以下的水体及滩地，不包括海域和耕地上开挖的鱼塘，由此计算得到的全省水域总面积为17 223 km2[2]。该统计方式与本次提取的水域(包含河流、湖泊、水库、塘坝、省管湖泊圈圩、滞涝圩、沟渠)的统计方式比较接近,按照这7大类统计，本次对应的水域总面积为17 111 km2，两者非常接近，反映了本次提取的成果是可信的。

6 结论与讨论

本研究考虑到水利部门水域管理和防洪的实际需求和江苏省水域类型的复杂性，将全省水域类型划分为湖泊(不含省管湖泊圈圩)、省管湖泊圈圩、河流、水库、塘坝、滞涝圩、鱼塘和沟渠共计8大类别；结合江苏省水利普查数据、1∶10 000水系数据，利用2012年全省0.3 m空间分辨率航片，提取了江苏省8大类别水域面积。分析结论如下：

(1) 2012年江苏水域面积为22 433.2 km2，包含湖泊(不含省管湖泊圈圩)6 271.0 km2、省管湖泊圈圩637.5 km2、河流5 042.9 km2、水库480.4 km2、塘坝39.8 km2、洪泽湖滞涝圩1 590.0 km2、里下河滞涝圩595.4 km2、鱼塘5 322.5 km2和沟渠2 453.8 km2。

(2) 基于高分遥感数据获取的高精度水域基础本底数据，为省级和地方政府水域岸线动态监管、全省水面变化定期监测、涉水违法占用的监管和水利基本现代化进程考核提供了参照基础数据，有利于加强河湖岸线和水资源的管理与保护。

(3) 利用高分辨率遥感数据开展省域范围水域面积的监测，成果真实、准确，大规模减少了外业调查成本，节省了大量人力物力和时间。

(4) 研究结果为下一步研制全省水域面积管理行政执法协同监管系统提供了监测数据资源，以运用信息化手段开展规划、审批、监测、执法管理等业务工作，实现河湖现状、规划、建设与管理等全过程审批要素的信息化管理。

本研究的不足之处主要表现在：

(1) 受遥感数据源的局限，本研究获取的江苏水域面积为遥感瞬时水域面积，未考虑到年内和年际水位变化对水域面积的影响。

(2) 本研究成果未经过地面调查验证，部分类型水域可能与实际存在一定偏差。比如塘坝，由于缺少相关资料，单纯依据影像判读的只是规模较大的塘坝，更多的塘坝可能包含在鱼塘中。

鉴于以上不足，下一步研究将针对多期高分影像对水域面积的动态监测分析，探讨水位变化对水域面积的影响。收集各地区详尽资料，结合地面调查，将水域面积监测的精度进一步提高，为水资源的管理和保护工作提供更加准确的基础数据支撑。

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[2] 华 萍，杨树滩，赵立梅. 江苏省现状水面率调查及分析[J]. 江苏水利，2011,(11):36-37.

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[4] 徐 燕. 基于RS/GIS技术的水域面积提取分析[J]. 华北水利水电学院学报(自然科学版)，2006，27(2)：20-22.

[5] 王 伟，周延萍，王 睿. 基于SPOT卫星影像的水域特征提取[J]. 测绘与空间地理信息，2010，33(2)：99-100.

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[7] 周 霞，赵英时，冯 磊. 基于知识的湿地信息决策树分类[J]. 兰州大学学报(自然科学版),2007,43(专辑)：37-43.[8] 张 哲，刘云鹤. 基于TM影像的水域提取方法研究[J]. 地下水，2011，33(5)：166-167.

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(编辑：黄 玲)

Application of Remote Sensing Technology tothe Monitoring of Water Area in Jiangsu Province

GAO Shi-pei1，LIANG Wen-guang2,WANG Dong-mei2,WANG Chun-mei2,YANG Yin2,QIAN Cheng2

(1.Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017,China；2.Lake Research Department，Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017,China)

To investigate the water area in Jiangsu province, we extracted eight categories of water area in Jiangsu province in 2012 by using aerial remote sensing images with spatial resolution of 0.3 meters according to water conservancy census data and 1∶10 000 stream data. The result shows that the total water area of Jiangsu Province in 2012 was 22 433.2 km2, including lake area 6 271.0 km2, fish pond area within the scope of provincial lakes 637.5 km2, river area 5 042.9 km2,reservoir area 480.4 km2,small reservoir area 39.8 km2,waterlogging area around Hongze Lake 1 590.0 km2, waterlogging area around Lixia river 595.4 km2, fish pond area 5 322.5 km2, and ditch

area 2 453.8 km2. The results are of high precision, and provide support of basic data for dynamic supervision of provincial and local government waters, the monitoring of water surface change, and for the basic modernization index of water conservancy. Moreover, it also provides monitoring data for the provincial administrative enforcement and administrative law enforcement system.

water area in Jiangsu Province; remote sensing monitoring; aerial image; water classification; water conservancy census

2016-12-26；

2017-02-10

江苏省水利科技项目(2013001)

高士佩(1968-)，男，江苏淮安人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程研究，(电话)025-86338568(电子信箱)54400744@qq.com。

梁文广(1981-)，男，河北辛集人，高级工程师，博士，主要从事水利遥感应用研究，(电话)025-86338554(电子信箱)82335673@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161351

2017,34(7):132-135,143

TV211.1

A

1001-5485(2017)07-0132-04