基于遥感数据的东平湖面积变化监测

王瑶瑶,谭秀翠,董 洁,徐新华,张 凤

山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安 271018

东平湖是山东省第二大淡水湖，是南水北调东线工程的必经之路，有着及其重要的防洪、生态调蓄等功能。因此，对东平湖的环境进行实时的监测及时掌握其水面面积的变化趋势就显得尤为重要。目前，国内外多运用遥感技术对水面进行实时监测，可以勘察到人们难以实地考察的地方，提高了效率与质量同时也提高了研究成果的可靠性与准确性。McFeeters SK[1]提出的NDWI 法是提取水面面积普遍应用的方法，但在结果中多混杂着许多非水体信息，特别是提取山区水体时，会混有山区阴影，因此会导致水面面积比真值偏大；徐涵秋[2]提出的MNDWI 法能揭示水体的细微特征，容易区分阴影与水体，相较于NDWI 法更能揭示水体的细微特征，在提取城镇水体时更有优势；曹荣龙[3]提出的RNDWI 法比MNDWI 法的精度更高，能够准确提取狭窄条状水体，更好地区分水陆边界；丁志雄[4]通过遥感技术将水库水位面积曲线表示出来，进而可以通过此曲线进行插值计算求出水面面积；李景刚[5]运用归一化植被指数（NDVI）以及阈值法提取洞庭湖的水面，但是未能提取出细条河网；Feyisa GL,et al.[6]设计了一个不断提高水面提取精度的指标，引入了一种自动提取水面指数（AWEI）法，相对于MNDWI 法可以更加准确地提取水体边界；都金康[7]利用SPOT 影像为数据源，应用决策树分类的方法进行水体的提取；Yao FF,et al.[8]结合了一个新的水指数和一个建筑阴影检测，提出了一种高分辨率的水指数(HRWI)法，有效地区分了阴影建筑与水体，可以在复杂的环境条件下提取城市地表水的面积；Yang YH,et al.[9]将水体指数与改进的FCM 相结合提取水面；Jawak SD,et al.[10]利用高分辨率卫星遥感数据进行水面提取；陈云海[11]利用一种新的提取水体的指数（AWEI），同时此指数还有对湿地进行有效提取的功能；Fisher A,et al.[12]对多种水体指数进行了准确性的评估。以上作者多注重于水体与其他地物界线的提取，而本文则是利用Landsat4-5 卫星图片，提取有效的水体面积，包括细小的条状水体，有效地利用水资源，从而提出了计算简便、高精度的波段加和法，用来提取东平湖的水面面积，并与其他三种常用计算方法进行对比分析，结果显示是可行的。

1 研究区域概况及数据源

东平湖地处黄河下游，其位置处于北纬35°43′～36°7′，东经116°2′～116°20′，东平湖主要注入河流是大汶河，大汶河由东平县城西北入东平湖老湖，经过东平湖的调蓄之后流入黄河，因此大汶河和老湖区属黄河流域，新湖区微向南倾斜，属淮河流域。东平湖位于东平县境西部，北接清河口门，南达金线岭围堤，其西面则是济梁运河，东面与凤凰山、黄花园、州城、吴桃园等村镇相望。位于黄河、京杭大运河和汶河的交汇处，它不仅对黄河下游防洪安全起着非常重要的作用[13]，而且还是南水北调工程极为重要的调蓄区。东平湖位置图见图1，其中红色圈出的范围是东平湖的研究区域。

图1 东平县示意图Fig.1 Dongping County map

由相关资料得知，全国大部分地区5～9 月丰水期、12～2 月枯水期，其余平水期。一般来说湖面面积是平水期的标准。

数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)，数据对应的时间分别为1985 年10 月份、1990 年10 月份、1995 年10 月份、2005 年10 月份，均为平水期数据。但2000 年和2010 年无平水期数据，采用的是2002 年10 月份及2009 年10 月份的数据。

2 研究方法

利用波段融合图像准确的判断地物，同时结合提取的波段值，观察水体、滩涂地与植被、河漫滩波段值相差最大的波段，但同时也为使差别更加明显，于是选择地物波段值相差较大的两个波段的加和来提取和计算水面面积。数据源是由Landsat4-5TM 卫星提供，采用453 波段融合，可以明显地看出水体的分布位置[14]，同时可将水体与植被等地物的状况很好地体现在波段融合图中，从而更加有效地提取东平湖的水面面积。下面将1985、1990、1995、2002、2005、2009 年这六年波段值分布情况介绍如下。

图2 1985 年不同地物波段值分布Fig.2 Fig.2 Distribution of different feature bands in 1985

图3 1990 年不同地物波段值分布Fig.3 Fig.3 Distribution of different feature bands in 1990

图4 1995 年不同地物波段值分布Fig.4 Fig.4 Distribution of different feature bands in 1995

图5 2002 年不同地物波段值分布Fig.5 Distribution of different feature bands in 2002

图6 2005 年不同地物波段值分布Fig.6 Distribution of different feature bands in 2005

图7 2009 年不同地物波段值分布Fig.7 Distribution of different feature bands in 2009

本论文中将水体与滩涂地作为东平湖的水面面积进行研究，从图2 中可以看出，当利用波段4和5 的和作为阈值时，水体、滩涂地与河漫滩不能明显的分开，会有小部分的河漫滩被误认为水体，因此1985 年计算的东平湖水面面积偏大。

从图3 至图7 中可以看出，水体、滩涂地可以与植被明确的分开，水体与河漫滩在4、5 波段的值，明显比其他地物的小，为提高地物之间波段值的差距，将4、5 波段的和作为阈值，从而将波段加和法总结出来，其公式如下：阈值=NIR+MIR(1)

其中NIR代表近红外波段，MIR代表中红外波段，分别是Landsat4-5 影像中4 波段和5 波段。

利用ERDAS 软件的Raster 工具，通过4、5、3 波段的数据融合，得到东平湖及其附近地区图像，从而更加清晰地看到东平湖水面面积的变化情况，辅助我们判断东平湖水面。

图8 不同时期东平湖水域波段融合数据结果（T453）Fig.8 Results of wideband fusion data of Dongping Lake at different periods（T453）

图8 中红色线所包围的面积即为研究区域。在东平湖研究区域内，根据图像来确定提取东平湖面积的阈值，但在1985 年出现含水量较少的河漫滩与水体阈值相近，无法将此非水体部分提取出来，因此1985 年提取的东平湖的水面面积偏大。1990～2002 年，水面面积的减少主要是由于研究区域的东平湖的东部的细小条状水体退化，以致东平湖的水面面积呈减少趋势。2002 年到2009 年，东平湖水面面积有所增加，但水面面积总体呈缓慢减少的趋势。运用波段加和法的计算结果见表1。

表1 波段加和法提取的东平湖水面面积（km2）Table 1 Water surface area of Dongping Lake extracted by band addition method

从表1 中可知，东平湖的水面面积总体呈下降趋势，这样对东平湖的水环境相当不利，应及时找准问题根源，采取措施，避免湖泊水环境的进一步恶化。

3 几种方法的对比分析

下面利用归一化差异水体指数（NDWI）法、改进的归一化差异水体指数（MNDWI）法[2,15]、修订型水体指数（RNDWI）法[3,16]这三种方法，分别提取东平湖水面面积，并将三种方法所得出的水面面积与波段加和法进行对比，以明确波段加和法的适用性，其具体的计算结果见表2。

表2 四种方法计算得到的东平湖水面（km2）Table 2 Water surface of Dongping Lake calculated by four methods

用NDWI 法时，在2002 年东平湖水面面积最少为114.66 km2，在1985 年东平湖水面面积最大为146.84 km2；用MNDWI 法时，在2002 年东平湖水面面积最少为114.51 km2，在1985 年东平湖水面面积最大为147.19 km2；用RNDWI 法时，在2002 年东平湖水面面积最少为113.68 km2，在1985年东平湖水面面积最大为146.71 km2；用波段加和法时，在2002 年东平湖水面面积最少为115.06 km2，在1985 年东平湖水面面积最大为145.22 km2，从以上结果可以看出，四种方法所得出的面积最大值及最小值出现的年份相同，误差最大为7.27%。

下面将计算得到的东平湖水面面积绘成折线图，如图9 所示。

图9 东平湖水面面积变化趋势图Fig.9 Trends in surface area of Dongping Lake

从图9 中可知，4 种水面面积计算方法所得的东平湖水面面积总体均呈下降的趋势。同时，将NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法所得的水面面积求取平均值与波段加和法进行比较，发现误差0.68%～7.27%，从而得出波段加和法较为精确的结论。并且，波段加和法更能准确的提取含水量较少的狭窄水体区域，使水体与其他地物的区分边界更加明显直观。下面以2009 年东平湖的水面面积的提取情况为例，分析4 种提取水面面积方法的优缺点。

图10 不同方法提取东平湖水面方法比较Fig.10 Comparison of different methods of water surface extraction from Dongping Lake

从图10 可知，以2009 年提取的东平湖的水面面积为例，在a 图中，利用NDWI 法提取的水面，东平湖的北部的狭窄水体并没有提取出来，存在误差；在b 图中，运用MNDWI 法提取面积，其湖泊北部的水体有了小部分的轮廓，水体边界渐渐清晰；在c 图中，用RNDWI 法提取水面面积，可以提取出局部的小区域的水体，边界较为清晰；在d 图中，运用本论文中新提出的波段加和法，可以清晰的看出，东平湖北部的狭窄水体的轮廓已经非常明显，可以将含水量较少的水体区域与其他地物明显的区分开来。

4 结论

（1）波段加和法算法简单，可以简化计算过程，使过程快捷方便。同时，将三种方法的平均值与波段加和法得出的水面面积进行对比，误差为0.68%～7.27%，从而证明波段加和法较为精确的结论。波段加和法比NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法更能准确的提取含水量较少的狭窄水体区域，使水体与其他地物的区分边界更加明显直观。

（2）从计算结果显示，1985-2009 年的东平湖水面面积总体正在呈缓慢的下降趋势，其水面面积主要的变化区域是东平湖的北部、东南部。需要有关部门加强重视，有效控制面源的污染，对水量、水质进行实时监测，同时加强对东平湖生态湿地的管理，健全相应的水法规，实现水资源的可持续利用。