国产卫星数据在小浪底水库监测中的应用

许志辉 刘道芳 卢欣

摘 要：及时掌握小浪底水库在不同水位运用时的水域范围和面积变化及水库消落区地表附着物等情况，对于水库调度和水库管理具有重要意义。研究我国高分专项卫星数据在小浪底水库水域变化监测中的应用，并开展2017年小浪底水库水域变化遥感监测应用，结果显示：小浪底水库水域面积2017年11月30日为230.61 km2，2017年7月13日为151.69 km2，水域面积增大78.92 km2，增大比例为52%;水库消落区存在耕地等土地利用类型;库区存在网箱养鱼等渔业活动。应用表明，利用我国高分专项卫星数据能够动态监测小浪底水库水域范围和面积变化，详查水库消落区地表附着物状况，观察库区网箱养鱼等情况，结合数字地面高程数据可计算水库蓄水量，为水库调度和水库管理提供信息支撑，提升水库调度和水库管理能力。

关键词：水库管理;水库调度;遥感监测;水浪底水库

中图分类号：TV698.1;TP79   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.030

Abstract：The water coverage will change when Xiaolangdi Reservoir is operated at different water levels. It is significant for reservoir scheduling and reservoir management to timely collect data of water coverage and surface attachments of hydro-fluctuation zone. The technology and method of remote sensing monitoring in Xiaolangdi Reservoir was studied and the application of remote sensing monitoring was carried out in 2017. The water coverage area of Xiaolangdi Reservoir was 230.61 km2 on November 30， 2017， and 151.69 km2 on July 13， 2017， increasing 78.92 km2， with a ratio of 52%. And the surface attachments of hydro-fluctuation zone， as well as cage fish in the reservoir were monitored. The research and application prove that satellite remote sensing technology can dynamically monitor water coverage， surface attachments of hydro-fluctuation zone and the object of water administration such as cage fish， which provide technical support for reservoir scheduling and reservoir management.

Key words： reservoir management; reservoir scheduling; remote sensing monitoring; Xiaolangdi Reservoir

小浪底水库是黄河干流三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性工程，以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电。水库在不同水位运用时，水域范围和面积会发生变化，由此产生不同程度的自然影响和社会影响。及时掌握水域范围和面积变化及水库消落区地表附着物等情况，对于水库调度和水库管理具有十分重要的意义。当前卫星遥感技术快速发展，特别是随着我国高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）的实施，国产卫星数据空间分辨率和时间分辨率不断提高，促进了卫星遥感技术在水利行业的应用。高分一号（GF-1）卫星是高分专项系列卫星的首发星，搭载2台全色多光谱相机（PMS）、4台宽幅多光谱相机（WFV），具有空间分辨率高、成像幅宽大和重访周期短等特点。高分二号（GF-2）卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1 m的民用光学遥感卫星，搭载2台全色多光谱相机，具有亚米级空间分辨率和高定位精度等特点。笔者研究了小浪底水库遥感监测内容和方法，并采用高分一号（GF-1）卫星和高分二号（GF-2）卫星数据对2017年小浪底水库水域变化、消落区地表附着物、渔业活动等开展遥感监测应用，为水库调度和水库管理提供信息支撑。

1 研究区域与数据源

1.1 研究区域

小浪底水庫位于河南省洛阳市以北40 km的黄河干流上，控制流域面积69.4 万km2，占黄河流域面积的92.3%。坝址所在地南岸为孟津县小浪底村，北岸为济源市蓼坞村，是黄河中游最后一段峡谷的出口。小浪底水库大坝坝顶高程为281 m，正常高水位为275 m，库容为126.5 亿m3，淤沙库容为75.5 亿m3，长期有效库容为51.0 亿m3，死水位为230 m，设计汛限水位为254 m。

研究区域从三门峡水库大坝到小浪底水库大坝，河长130 km，覆盖小浪底水库。

1.2 数据源

（1）水域变化监测卫星数据。采集2017年11月30日和2017年7月13日的高分一号（GF-1）卫星数据分别作为高水位期和低水位期监测数据。

（2）消落区本底卫星数据。采集2017年7月19日的高分二号（GF-2）卫星数据和2017年6月2日的高分一号（GF-1）卫星数据作为消落区本底监测数据。

卫星数据及相应时间的水情数据见表1。

2 监测方法研究

2.1 监测内容

（1）水域范围和变化。利用中高分辨率卫星数据，动态监测不同水位水域范围和面积，形成水域变化监测时序成果。将水域变化监测时序成果与库区淹没桩、等高线等水利专题及基础地理空间数据集成应用，直观地展现水域范围和变化情况。

（2）消落区地表附着物。水库消落区是一个特殊地带。利用米级或亚米级高分辨率卫星数据，详查消落区地表附着物状况，获取耕地分布、面积和种植作物等情况。

（3）水政关注对象。库区网箱养鱼、弃渣以及违建活动等是水政监察需要及时发现和处置的对象。利用米级或亚米级高分辨率卫星数据观测库区重点部位，获取库区网箱养鱼、弃渣以及新增建筑物、构筑物等水政关注对象的具体情况。

（4）蓄水量。水位和蓄水量是水库调度运用的重要决策依据。在水库处于低水位期，利用卫星遥感立体成像技术采集库区立体影像，生成库区三维地面模型（DEM），与水域变化监测时序成果集成，采用空间计算技术计算不同水位之间水库蓄水量，建立基于遥感技术的水库水位—面积—蓄水量关系曲线。

2.2 卫星数据预处理

本研究主要涉及正射校正、影像融合等卫星数据预处理。

（1）正射校正。获取不同时间、不同类型的卫星数据必须具有一致的地理坐标和准确的地理位置，这是形成可靠的水域变化监测时序成果的基础。对获取的各类卫星数据进行图像配准和正射校正等处理，保证卫星数据地理位置精准。

（2）影像融合。高分一号（GF-1）和高分二号（GF-2）等卫星上均搭载全色多光谱相机（PMS），可同时获取较高分辨率的全色卫星数据和较低分辨率的多光谱卫星数据，采用适合的影像融合方法将全色卫星数据与多光谱卫星数据进行融合处理，生成高分辨率多光谱卫星数据，以利于遥感解译工作。研究中采用NNDiffuse Pan Sharpening方法进行影像融合。

2.3 信息提取与解译

2.3.1 水域范围提取

水边线是水域变化遥感监测的关键性成果，水边线的准确程度决定着水域变化遥感监测精度和应用效果。通常水边线提取有人工目视解译和计算机自动提取两种方式。小浪底水库库湾、库汊较多，水陆边界蜿蜒曲折，靠人工目视解译耗时费力，无法做到水边线快速提取。由于水库水体泥沙含量少，水体对近红外波段产生强烈吸收，在近红外波段卫星数据上水陆边界清晰，因此采用计算机自动提取技术快速准确地提取水边线成为可行的选择。计算机自动提取水边线关键技术包括水体二值图像生成和栅格图像转换成矢量水边线。水体二值图像生成采用近红外单波段阈值法或归一化水体指数法（NDWI）[1]。栅格图像转换成矢量水边线需要利用栅矢转换和曲线平滑等图形图像处理技术。

2.3.2 消落区地表附着物详查

小浪底库区土地利用调查将土地利用分为耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿占地、交通占地、水域和未利用土地等8个一级类型[2]，按照这一划分标准，消落区主要分布着耕地、林地、牧草地、水域和未利用地等，其中耕地种植受水涨水落影响较大。根据小浪底库区的自然地理条件和种植习惯，每年6月下旬至9月末种植玉米等秋收作物，10月初至翌年6月初种植小麦等夏收作物[3-4]。

小浪底水库汛期水位低，非汛期水位高，即夏秋季水位低、冬春季水位高。按照防汛要求，小浪底水库水位将在汛前降至汛限水位以下，整个汛期严格控制水位运用，前汛期（7月1日—8月31日）汛限水位为230 m，后汛期（9月1日—10月31日）汛限水位为248 m[5]。综合水库运用规律、作物种植特点以及水库调度情况，采集7月底和10月底米级或亚米级高分辨率卫星数据，采用人工目视解译方式，室内作业与野外验证相结合，解译耕地分布、面积和种植作物等信息。

2.3.3 水政关注对象观测

综合利用当前各类高分辨率卫星数据，对库区开展动态观测，及时发现各类违禁违规活动和现象。采用人工目视解译方式，室内作业与野外验证相结合，解译网箱养鱼、弃渣及新增建筑物、构筑物等水政关注对象信息。

2.3.4 蓄水量计算

利用水边线与库区三维地面模型（DEM）融合生成库区水面高程模型（waterDEM），生成水库水深分布图、计算不同水位之间水库蓄水量。主要技术思路是根据水域变化监测时序成果（水边线），提取其所在位置的高程信息，采用克里金（Kriging）等内插方法生成库区水面高程模型，然后由库区水面高程模型和三维地面模型计算蓄水量等[6]。

Depthi=waterDEMi-DEMi（1）

式中：Depthi为第i个格网的水深，Depthi≥0表示淹没区及边界，Depthi<0表示网格处于未淹没区;waterDEMi为第i个格网的水面高程;DEMi為第i个格网的地面高程。

VQ=Spix∑ni=1Depthi（2）

式中：VQ为蓄水量;Depthi为第i个格网的水深，若Depthi<0，则赋予Depthi=0;Spix为格网的面积。

2.4 套绘分析

在GIS支持下，利用空间分析技术，将水域变化监测时序成果、遥感解译成果、行政区划等数据进行套绘分析，获取不同水位之间水域范围和面积变化信息，不同水位之间、不同行政区域内的消落区地表附着物信息，以及不同行政区域内水政关注对象等信息。

2.5 成果展现

2.5.1 专题制图

各类专题图是遥感监测成果最直观的表达形式。小浪底水库遥感监测可形成水域变化监测时序成果、消落区地表附着物详查成果、网箱养鱼等水政关注对象观测成果等多种专题图。在GIS支持下，利用制图表达技术，可制作主题鲜明、主要监测目标突出的各类专题图件。

2.5.2 报表统计

按照水位、行政区划等，统计不同水位之间水域面积及变化信息，不同水位之间、不同行政区域内的消落区地表附着物信息，以及不同行政区域内水政关注对象等信息，制作层次分明、信息突出的各类监测成果统计报表。

2.5.3 系统应用

开发小浪底水库遥感监测应用系统，以智能手机为主要载体，将各类遥感监测成果与“黄河一张图”聚合发布，推送到智能手机应用端，同时集成智能手机的移动定位功能，在智能手机端实现各类遥感监测成果专题图可看、监测目标属性可查、现场可定位等便捷化查询查看和定位应用。

小浪底水库遥感监测技术路线见图1。

3 监测应用

3.1 应用情况

（1）水域变化。2017年7月27日8时，小浪底水库出现2017年最低水位（237.77 m）、最小蓄水量（18.99 亿m3）。2017年8月下旬以后，上游来水充足，小浪底水库水位一直处于上涨过程，至2017年12月1日8时，小浪底水库出现2017年最高水位（267.59 m）、最大蓄水量（76.47 亿m3），这也是2015年3月12日以来出现的最高水位和最大蓄水量。

监测结果显示，小浪底水库水域面积2017年11月30日为230.61 km2，2017年7月13日为151.69 km2，水域面积增大78.92 km2，增大比例为52%，其中库区北岸毫清河、允西河、西阳河、逢石河和南岸畛河等支流河口水域面积增加较大。图2为小浪底水库水域变化遥感监测专题图。

（2）消落区地表附着物。2017年6月2日和2017年7月19日高分辨率卫星数据显示，在消落区存在耕地等土地利用类型。耕地有两个明显分布区域：一是在坡度较缓区域存在梯田，二是在库区北岸允西河、毫清河和南岸畛河等支流河口河漫滩区域存在川地。这些耕地在水库高水位时处于淹没状态，低水位时出露。

（3）渔业活动。小浪底水库渔业活动的主要方式有捕捞、网箱养鱼、增殖放流、围栏养鱼等，现在库区已有数目较为庞大的捕捞队伍[7]。根据养殖需要，所设置的养鱼网箱包括6 m×6 m、6 m×7 m、7 m×7 m、7 m×10 m、10 m×10 m、10 m×15 m、15 m×20 m、20 m×20 m等多种规格[8]。在库区靠岸水域存在较多抬网捕鱼情况;在北岸某支流河口存在两处养鱼网箱，分别由10 m×10 m、10 m×15 m规格的网箱组合而成。上述情况在2017年7月19日的高分辨率卫星数据上显示明显。

3.2 精度验证

遥感监测成果精度采用两种方式验证：①与实地情况比对。2017年11月下旬小浪底水库处于高水位运行时，有关部门进行现场查勘，在库区北岸古城镇和南岸支流畛河河口畛河新村等地观察到的水边线位置与从2017年11月30日卫星数据上提取的水边线位置一致。②不同时间卫星数据监测结果比对。比较2017年11月30日和2017年7月13日两期卫星数据提取的水边线可知，在进水塔位置两期水边线能够准确重合，而在堆石坝位置2017年11月30日的水边线更加接近坝顶。究其原因，进水塔是垂直建筑物，水库水位上升时水体在进水塔位置只会在垂直方向上升高，而堆石坝迎水面具有一定坡度，水库水位上升时水体在堆石坝位置除了在垂直方向上升高外，还会向水平方向上扩展，遥感监测结果准确反映了这一客观特点。上述情况都验证了遥感监测成果的可靠性。

4 结 语

（1）利用国产卫星数据能够快速、准确地动态监测小浪底水库水域范围和面积变化，详查水库消落区地表附着物状況，观测库区网箱养鱼、弃渣等水政关注对象，为水库调度和水库管理提供技术支撑。

（2）遥感与数字地面高程数据集成应用，能够计算不同水位对应的水库蓄水量。

（3）建立小浪底水库遥感监测应用系统，开展小浪底水库常态化遥感监测作业，能够提升水库调度和水库管理能力。

（4）利用光学卫星遥感技术监测库区生态环境变化和水质情况，利用雷达卫星干涉测量技术监测大坝沉降和变形，是今后值得研究和应用的方向。

参考文献：

[1] 谢文君，岳翠莹，张文.洞庭湖1996—2016年时空特征变化研究[J].水利信息化，2017，10（5）：32-38.

[2] 李松慈，杨建设，阎高辉.遥感技术与水库移民[J].人民黄河，1995，17（5）：52-54.

[3] 邱锡成.小浪底水库消落区土地利用研究[J].河海科技进展，1993，13（3）：63-67.

[4] 曹海涛，翟贵德，李世印.小浪底水库消落区土地利用研究[J].河南水利，2005（12）：20-21.

[5] 黄河防汛抗旱总指挥部办公室.2017年黄河中下游洪水调度方案[R].郑州：黄河防汛抗旱总指挥部办公室，2017：7-8.

[6] 许志辉，李祥，马浩录，等.黄河滩区漫滩水深计算方法研究[J].人民黄河，2009，31（8）：115-116.

[7] 孙建富，胡亚东，张剑波.小浪底水库基于调水调沙的渔业措施研究[J].中国水产，2014（11）：17-21.

[8] 姜钧.洛阳市小浪底水库网箱养殖草鱼现状及关键技术[J].河南水产，2016（4）：12-13.

【责任编辑 张华岩】