基于Landsat8和DEM的老龙口水库库容遥感分析方法研究

张磊　朱济帅　张桂良　李飞龙

摘 要：本研究采用多期Landsat8 OLI影像数据结合数字高程模型（DEM）的方法对吉林省珲春市老龙口水库2015～2017年的库容变化进行定量分析，并利用已知的库容量对研究结果进行校验。

关键词：老龙口水库；库容；遥感分析；Landsat8；DEM

中图分类号：P237 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0120-02

Abstract： This research adopts the method of multi-period Landsat8 OLI image data and digital elevation model （DEM） to quantitatively analyze the reservoir capacity change of Laolongkou Reservoir from 2015 to 2017 in Hunchun City， Jilin Province， and uses the known reservoir capacity to verify the research results.

Keywords： Laolongkou Reservoir； reservoir capacity； remote sensing analysis； Landsat 8； DEM

1 概述

水库是用来防洪灌溉、蓄水发电的水利工程建筑物，它的建立对水资源的管理利用有重要意义。水库建成以后，由于多种原因的影响，其库容是动态变化的，快速、实时、高效获取库容信息有重要意义。

2 研究区概况和数据源

2.1 研究区概况

老龙口水库（42°55′～42°59′N，130°37′～130°45′E）位于吉林省珲春市珲春河干流（如图1、2所示），距离市区约30公里。

2.2 数据源

遥感影像数据：Landsat8卫星数据覆盖范围广，分辨率适中（分辨率为30m）且方便获取；考虑到东北地区冬季时间持续较长，水体长期处于冻结状态，本研究从地理空间数据云和美国地质勘查局（USGS）网站收集了2015-2017年间5-10月份影像质量良好的老龙口水库Landsat8 OLI数据。

3 研究方法

3.1 水体信息提取

本研究选择采用改进归一化差异水体指数（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）法，通过设置阈值来提取水体信息。MNDWI能更好增强水陆反差，揭示水体的细微特征，且容易区分阴影和水体。

式中：GREEN为绿光波段，MIR为中红外波段，分别对应Landsat8 OLI影像的3、6波段。

本研究用公式（1）对影像进行处理，增强水体信息，对处理后的影像进行目视识别，选取合适的阈值提取水体。

3.2 库容计算数学模型

目前对水库库容进行计算的方法主要有积分法和均值法，其主要数学模型如下：

（1）积分法： 基于Landsat8影像和DEM，将水库水体视为由无数个底面积相同、高度不同（水深）的长方体组成的空间多面体。该空间多面体的体积即为水库的库容，等于长方体体积累加求和。

式中：V为库容；s为单个像元的面积（30m*30m）；

第（i，j）个像元位置对应的水面高程值；Hi，j为第（i，j）个像元位置对应的库底高程值；n为水库范围内的像元个数。

（2）均值法：利用水深均值和水库面积计算水库库容，公式如下：

V=h*s*n#（3）

式中：V为库容；h为水深平均值；s为单个像元的面积（30m*30m）；n为水库范围内的像元个数。

3.3 实验流程

首先对Landsat8数据进行辐射校正和大气校正，然后利用改进归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息并结合原遥感影像获得老龙口水库水域范围；接着，利用水库影像在数字高程模型（DEM）上获得水库库底和涯线上的高程值，并利用涯线上的高程值插值获得水库水面高程，进而获得水库水深。具体流程如图3所示。

4 结果与分析

结果：

老龙口水库的实测库容量一般通过库容曲线计算获得。我们参照库容曲线计算得到的库容数据，与上述两种估算方法得到的库容进行对比分析，见表1、2和图4。

由表1可知，利用积分法进行库容估算得到的结果与水位-庫容曲线模型推求的库容数据相比，绝对误差最大为3.99百万立方米，而相对误差则不超过2.46%，具有较高精度。

由表2可知，利用均值法进行库容估算得到的结果与水位-库容曲线模型推求的库容数据相比，绝对误差最大为7.37百万立方米，而相对误差则不超过4.61%，具有较高精度。

由表1、2可知，“均值法”模型和“积分法”模型均具有较高的精度，绝对误差均在百万级别，相对误差则都在10%以内。同时，在使用相同的数据进行估算时，“积分法”比“均值法”具有更高的精度。

在实验过程中，我们发现水库容量和水库面积有较为密切的关系，经分析，构建模型为

式中：y为水库容量，单位为百万立方米；x为水库面积，单位为平方千米。

由图5和R2=0.985可知，水库容量和面积之间的相关性很强，该数学模型较为可靠。可通过该模型结合Landsat8遥感影像简单快速地获得老龙口水库的库容量。

5 结束语

本研究在实验过程中获得了水底高程模型，建立了老龙口水库面积-库容模型，能够方便、快速且较为准确地获取水库库容，为检校现行的水位-库容关系曲线模型提供了参考数据，将对水库管理、水库清淤工作等具有一定的重要意义。未来我们将从遥感数据精度、时效性、水体识别精度等方面进一步改进。

参考文献：

[1]乔平林，张继贤，李海涛，等.水库容水量遥感监测方法研究[J].测绘科学，2003，28（3）：55-56.

[2]陆家驹，李士鸿，陈呜，等.利用卫星遥感资料复核水库库容曲线[J].华东电力，1994（06）：21-22.

[3]赵新华，王沛，余华芬，等.基于航空摄影测量的新安江水库水域面积及库容变化分析[J].大坝与安全，2016（5）：46-49.