一种改进的基于数字高程模型的水体覆盖范围模拟方法

李子彧++甘文霞++蔡晓斌

摘 要：实时获取水体空间覆盖范围，对于灾害的防治、水资源的合理调配具有重要的意义。基于数字高程模型和实测水位数据模拟水体覆盖范围的方法具有简单易实现的特点，已有研究通常采用单一水位值作为参数，该文考虑水位的空间分布，对现有方法进行改进，提出了基于实测水位空间插值的水体淹没范围模拟方法。通过在鄱阳湖入江水道这一水体动态特征明显的区域进行水域范围模拟实验，对方法的精度进行了综合评价。结果表明该文方法能够有效模拟水体范围，相比现有方法模拟精度提高，当水位空间分布差异较大时，这一优势更为明显。这一研究成果对水资源综合管理相关研究与实际工作具有较为重要的实用参考价值。

关键词：水体覆盖范围模拟 数字高程模型 空间分布 鄱阳湖

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0095-04

实时获取水体空间覆盖范围，可以更好地了解对象的水文过程，为政府决策提供参考信息，对于水资源的综合管理、水资源合理调配、洪旱灾害的防治具有重要的意义。长期以来，对水文情势的观测与描述主要是基于传统水文测验手段，但水文站数量少，观测范围小，观测结果仅能反映水文站所在区域的水文情况，对于整个区域的水文情势的把握有其不足之处。基于卫星遥感观测技术可以大尺度获取地表信息，但受传感器时间、空间分辨率限制以及天气因素的影响，经常无法获得目标时刻的水体覆盖范围。

对于给定水体，水域的空间分布与水位之间有其内在联系，都是从其特定角度出发对水量和水体形态的反映，从这个思路出发，出现了采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）与实测水位相结合的水体覆盖范围模拟方法，以水位數据作为阈值，与DEM栅格对应高程值比较，确定该栅格点是否被淹没，这种基于栅格的方法数据要求少、计算简单、易实现且能获得精度较高的水体覆盖范围模拟结果。当前研究中通常使用代表水文站点水位或者平均水位作为阈值进行模拟。然而，水位具有空间异质性，而非空间不变，现有方法中缺少对这一实际特点的考虑。

基于此，该文对现有方法进行改进，提出了顾及水位空间特征的水体淹没范围模拟方法。以鄱阳湖入江水道这一高动态水域作为实验区域，通过实验对方法的精度和与现有方法的差异进行了综合评价。

1 方法

1.1 基于DEM和水位空间插值的水体动态范围模拟

该文的方法通过水文站点的水位数据进行空间插值得到模拟的水位空间分布，结合水位、淹没源和DEM地形数据，采用有源淹没算法判断淹没区域。方法可以概括为以下4步。

（1）数据获取。获取待模拟区域的数字高程模型、待模拟时期的实测水位数据。

（2）水体淹没源区获取。待判断点是否与源区连通是判断点是否被淹没的必须条件。因此需要提前获取淹没源区。

（3）实测水位空间插值。采用空间插值方法将空间上离散的点状水位数据空间化，获取待模拟区域的水位栅格图。该文中选择反距离权重法进行水位的空间插值，它以插值点到已知点之间的距离为权重进行加权平均。

（4）采用有源淹没算法，以第（3）步获取的水位数据作为阈值，如果栅格的高程值低于给定的水位阈值且与已淹没点联通，则认为该点被淹没，反之不被淹没。

1.2 有源淹没算法实现

当前有源淹没算法的计算机实现通常采用堆栈法，按照水位值初始化淹没源堆栈，之后向邻域8个方向搜索，该文结合栅格DEM的固有特征，提出一种高速有源淹没算法——数字栅格外推式扫描法，算法思想为：首先将所有淹没源区的点集放入堆栈，然后先沿着x方向扫描已经淹没区域栅格点左右两个方向邻域点，将高程低于水面的栅格点加入集合；然后沿着y轴方向，扫描集合内所有点上下方向邻域点，得到新增被淹没点并将其加入集合；重复上述步骤对集合内所有点进行操作，当集合不再发生变化时，所有集合的点即为最终淹没区域。相比现用的八邻域扫描法，该文的数字栅格外推式扫描法采用x、y方向交叉扫描，算法效率可以提高近16倍。

1.3 精度验证

大量研究表明，基于遥感手段能够准确的提取水体，获取水体覆盖范围，提取精度能达到90%以上。该文以遥感提取结果为真实值，通过模拟准确比例、模拟错误比例值进行统计，对模拟结果进行了综合精度评价。

1.4 卫星遥感水体范围提取方法

该文采用改进归一化水体指数（Modified Normalized Water Index，MNDWI）阈值分割法从卫星遥感影像数据中提取水体覆盖范围[8]。水体的MNDWI值较低而植被、土壤等地表其他地物的MNDWI值较高，设置恰当的阈值即可区分水体和其他地物，提取出水体覆盖范围。

2 实验与结果

2.1 研究区域

鄱阳湖地处江西省北部、长江中下游南岸，是中国第一大淡水湖，湖区长期以来饱受水旱灾害的困扰[9]。鄱阳湖区以松门山岛为界，可以分为东（南）部主湖区和西（北）部入江水道。湖底自东向西、由南向北倾斜，高程由最高处的12 m降至湖口1 m左右[10]。流域内水域年内变化显著，该文选取鄱阳湖入江水道作为研究区域（图1），有助于综合评估方法在不同水文情况下的模拟效果。

2.2 实验数据

（1）实测水位数据。该文中所使用的水文数据来自江西省水利规划设计院，各站刊布水位值转换至吴淞基准高程。

（2）湖底地形DEM数据。该文采用长江水利委员会2000年1∶2.5万的湖底地形图数据，通过数字化、TIN模型构建，内插成30 m空间分辨率的栅格DEM数据，采用1985年国家高程系统。

（3）卫星遥感数据，该文选用了Landsat TM/ETM+传感器所获取的晴空条件下的遥感影像，共12景（见表1），数据来自美国NASA的美国地球资源观测中心（Earth Resources Observation and Science Center，EROS），几何校正精度在一个像素以内，采用WGS 84全球投影坐标系统。

2.3 水体覆盖范围模拟精度评价

根据水文站点的空间分布，该文选择了湖口、星子、都昌这3个水文站的实测水文数据，以历年遥感影像中所提取的最小水体覆盖范围作为淹没源，对表1中所列日期水体覆盖范围进行了模拟，以遥感影像水体提取结果作为真实值对模拟结果精度进行了评价（见表2）。

从表中可以看出，模拟结果精度均在80%以上，精度最高达98.09%。图2直观地表现了模拟结果以及模擬精度的空间分布状况。

可以很明显地看到大多数淹没区域已被成功模拟，整体来说，丰水期的结果优于枯水期模拟结果，枯水期入江水道中间洲滩容易被遗漏，靠近湖口的区域内较易出现多提，可能是因为枯水期湖口水位加速下泄，导致插值出的水位想比实际水位偏高，进而导致已经出露的洲滩模拟时仍被判定为淹没区域。

2.4 与现有方法的对比

此节对该文方法与现有方法（采用单一阈值进行作为参数）进行了对比实验，表3是方法在丰水期和枯水期的模拟精度，表3直观地表现了不同方法提取的结果空间上的对照分析。

总体来说该文方法由于现有方法，从表3可以看出方法的精度有所有提高，从图3中可以发现，两种方法所提取的枯水期的水体覆盖范围有较为明显的差异，主要表现在入江水道中部靠近湖口的区域。该文方法可以准确捕捉到入江水道靠近湖口区域的洲滩的出露状况，而使用单一水位作为阈值则无法模这一区域的淹没状况。考虑的水位变化后，漏提明显减少，提高了模拟精度。在丰水期，两种方法提取结果并没有特别大的差别，其原因可能是因为丰水期水位较为平稳，水位空间插值结果差异较小且与平均水位相差较小。

综上表明，实测水位空间插值结果能够更准确地描述水位的分布特征，作为输入参数进行水体淹没范围模拟可以有效地改善模拟精度，当水位空间差异较大时，这一优势更为明显。

3 结语

基于实测水位和数字高程模型进行模拟是获取水体覆盖范围的重要手段之一，对于这一问题的研究对于水文、水环境、防灾减灾等问题具有重要的作用。该文认为在这一过程中，需要考虑水位的空间差异，提出了一种改进的基于数字高程模型和实测水位数据的水体淹没范围模拟方法，采用由多站点水位空间插值结果作为水域范围模拟的阈值参数。基于历史水位数据的水位空间分布特征分析为这一改进提供了理论支撑，在鄱阳湖入江水道这一高动态水体的实验表明，对水位进行插值得到水位面，替代单一水位作为水体覆盖范围模拟的阈值，可以较大程度地提高模拟精度，尤其是当水位存在大的空间分布差异时，效果更加明显，这一结论可以为相关研究与实践工作提供参考。该文在相关的研究内容取得了一定的进展，但仍然有很多需要改进与提高之处。卫星测高技术作为一项测量水面高度的新技术，从20世纪70年代逐渐兴起，相比传统水文观测，具有不受环境影响，观测范围大的特点，使用卫星测高数据获取空间密度更高的水位分布状况，将可以对水位的空间分布提供更加详尽和准确的描述，进一步提高模拟精度。

参考文献

[1] 黄淑娥，钟茂生.基于遥感和流域降水的鄱阳湖水体覆盖模型的研究[A].2003遥感科技论坛暨中国遥感应用协会2003年年会[C].2003.

[2] 黄淑娥，王保生.江西98特大洪涝卫星遥感监测及鄱阳湖水体覆盖模型的研究[J].江西农业大学学报， 1999，21（2）：245-248.

[3] 李香颜，陈怀亮，李有.洪水灾害卫星遥感监测与评估研究综述[J].中国农业气象[J].2009，30（1）：102，108.

[4] 邓雪清，张永生，李波，等.湖泊水下数字高程模型建模方法及应用模型[J].华东地质学院学报，2003，26（2）：192-196.

[5] 李春红，任立良，左振鲁，等.基于DEM的三峡区间洪水淹没范围模拟[J].水文，2005，25（1）：1-4.