丹江口水库水域变化遥感监测研究

段晋江，姜永涛，丁磊香，翟 亮，艾 波

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590;2.南阳师范学院 自然灾害遥感监测河南省高校重点实验室，河南 南阳 473061;3.河南城建学院 测绘与城市空间信息学院，河南 平顶山 467036)

地表淡水既是生态环境的重要组成成分，又是人类赖以生存的必要条件，掌握淡水水域时空变化具有重要的意义。遥感技术为地表水体研究提供了高可靠性、高时空分辨率的数据，目前基于遥感的水体提取方法有两类，第一类是基于雷达遥感数据的灰度阈值分割法、滤波法和机器学习法等，第二类是基于光学遥感数据的多波段谱间关系法和水体指数法等。基于雷达遥感数据的方法大多用于洪涝监测、海岸带监测等，在湖泊、水库等水域面积的提取方面颇有不足。基于光学遥感数据的水体研究中，遥感指数法有着广泛的应用，常用的水体指数法主要有归一化水体指数(NDWI)[1]、改进的归一化水体指数(mNDWI)[2]、增强水体指数(EWI)[3]、新型水体指数(NWI)[4]等。

段号然等分别采用了1986、1996、2006、2016年7月的Landsat数据，利用归一化水体指数(NDWI)和改进的归一化水体指数(mNDWI)研究了山东省微山湖的水域变化，发现从1986年到2016年微山湖水域面积呈递减趋势[5]；褚敏等使用2005年和2009年的Landsat TM图像以及2013年和2017年的Landsat8 OLI图像，基于改进的归一化水体指数(mNDWI)提取和分析了淮南市水域面积变化，结果表明2005年、2009年、2013年和2017年淮南市水面积逐渐增加[6]；朱浩朋等采用MODIS数据，利用归一化水体指数(NDWI)的方法对洞庭湖水域进行提取，发现洞庭湖水域面积呈下降趋势[7]；岳辉等采用2002—2015年42期Landsat TM/ETM+遥感数据，利用改进的归一化水体指数(mNDWI)研究了丹江口水库水域面积变化，结果显示2005年大坝扩建后，丹江口水库水域面积开始增加，其中秋季水域面积变化较大，冬季水域面积变化较小[8]；董亚冬等采用1993—2013年共72景遥感影像，利用改进的归一化水指数对丹江口水库水域进行提取和变化分析，结果表明汉江上游降水和水库月运行目标的变化是库区月水域面积变化的主要原因[9]。

2014年12月，南水北调中线工程正式通水，研究通水前后丹江口水库的水域变化对中线工程调水具有重要意义。本文基于PIE-ENGINE遥感大数据处理平台，采用2013—2020年的Landsat8遥感影像，从月度、季度和年度时间尺度上对丹江口库区的水域变化进行研究和分析，为丹江口库区生态环境的保护和南水北调中线工程调水提供科学的依据和参考。

1 研究区域概况

丹江口水库(110°59′E～110°49′E，32°36′N～33°48′N)位于湖北省汉江流域与河南省南阳盆地，横跨鄂豫两省，处于北亚热带和温带地区之间的过渡地带，具有典型的亚热带季风气候。库区年均气温为14.4～15.7°C，年均降水量800～1 000 mm，气候适宜，四季分明，是亚洲最大的人工淡水湖，也是南水北调中线工程的水源地。丹江口水库的库区地形如图1所示。

图1 丹江口水库库区地形图

2 数据与方法

2.1 研究数据

2.1.1 Landsat8

Landsat8是美国陆地卫星计划的第8颗卫星，由美国宇航局和美国地质调查局联合制造，于2013年在加利福尼亚发射成功，搭载有陆地成像仪(Operational Land Imager,OLI)和热红外传感器(Thermal Infrared Sensor,TIRS)，空间分辨率为30 m，成像宽幅为185*185 km2，重复周期16 d，具有全球覆盖长期连续等特点。Landsat 8多光谱波段数据见表1。

表1 Landsat8多光谱波段数据

2.1.2 ALOS数据

ALOS(Advanced Land Observing Satellite)是日本的对地观测卫星，于2006年发射。ALOS卫星载有3个传感器：全色遥感立体测绘仪(PRISM)，主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计-2(AVNIR-2)，用于精确陆地观测；相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR)，用于全天时全天候陆地观测。本文用到的ALOS-12.5 m DEM数据来自ALOS卫星相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR)，水平及垂直精度可达12.5 m。

2.2 PIE-Engine平台

PIE-Engine是一套基于容器云技术构建的面向地球科学领域的遥感大数据处理平台，内部包含自动管理和弹性大数据环境，集成了多元遥感数据处理、分布式资源调动、实时计算、批量计算和深度学习框架等技术，在此基础上构建了遥感测绘专业处理平台、人工智能解译平台等，为大众用户进行大规模地理数据分析和科学研究提供了一体化的服务平台(https://engine.piesat.cn/engine/home)。作为构建在云计算之上的地理空间数据分析和计算平台，PIE-Engine结合了海量卫星遥感影像以及地理要素数据，用户可以在任意尺度上研究算法模型并采取交互式编程验证，实现快速探索地表特征，发现变化和趋势，为大规模的地理数据分析和科学研究提供了免费、灵活和弹性的计算服务。

2.3 研究方法

2.3.1 技术路线

本文基于PIE-Engine遥感大数据平台研究丹江口水库水域面积变化。首先对Landsat8数据进行镶嵌、裁剪和去云等处理，并进行月度数据合成；然后通过月度合成Landsat8影像求算归一化水体指数(mNDWI)与植被指数(NDVI)，结合ALOS DEM和地形坡度信息，采用决策树方法获取库区水域范围月度数据集；最后，从月度、季度和年度尺度上分析丹江口水库水域面积的时间变化特征，并研究库区消落带的空间范围变化情况。

2.3.2 地物遥感指数

光学遥感影像反映了地物的电磁波反射以及其本身热辐射信息，不同地物组成成分及结构性质不同，对电磁波的反射以及热辐射信息有较大差异。几种常见的地物反射率波谱如图2所示。

图2 常见地物反射率波谱曲线

根据地物电磁波反射特征，可以构建地物指数来区分不同地物，常见的地物指数主要有水体指数、植被指数和建筑指数等。归一化植被指数(NDVI)可以很好地消除部分辐射误差、太阳高度角和大气所带来的噪声误差，对地表绿色植被具有很好地指示作用。改进的归一化水体指数(mNDWI)可以最大程度的抑制居民地和土壤等噪声，相比其他水体指数更能够揭示出水体的细微特征，并且能够区分阴影和水体[2]。本文用到的地物指数包括改进的归一化水体指数(mNDWI)和植被指数(NDVI)，计算方法分别为：

(1)

(2)

式中：G是绿色波段，MIR是中红外波段，NIR是近红外波段，R是红色波段。

2.3.3 月度水体面积提取方法

决策树法是根据地物指数关系，建立分类指标和决策树分类规则的信息提取方法。由于丹江口水库周边地形大多为山区，为消除山体阴影对水体提取的影响，本文在水体提取时加入DEM和地形坡度信息，采用的决策树分类规则为：

(3)

式(3)表明，丹江口水库水域的判断规则是遥感图像像元mNDWI大于NDVI，同时满足高程小于大坝高度(考虑到DEM误差和丹江口水库大坝高度，本文选择180 m)，地形坡度小于10°。

丹江口水库Landsat 8假彩色图像和基于决策树方法得到的水体结果分别见图3、图4，表明本文的水体提取策略具有较高的可信度。

图3 丹江口水库假彩色图像

图4 丹江口水库水体提取结果

3 结果与讨论

由于Landsat 8 卫星16 d的重访周期、云以及山体阴影等因素的影响，某些月份的合成影像仍含有大量云，导致水域面积提取失败，造成某些月份水体数据缺失。云覆盖导致的丹江口水库水体提取失败示例见图5。

图5 云导致的完整水体提取失败

3.1 丹江口水库水域面积变化

3.1.1 库区水域面积月度变化

2013—2020年丹江口水库的水域面积变化如图6所示。由图6可知：2013—2020年，丹江口水库的水域面积总体呈上升趋势，水域面积变化范围在294.93～ 751.36 km2；在月尺度上，丹江口水库的水域面积变化较大，最大面积为751.36 km2(2017年10月)，最小面积为294.93 km2(2014年4月)，两者差值为456.43 km2，面积比为2.55。

图6 丹江口水库水域面积年度与月度变化

南水北调中线一期工程于2014年12月通水，通水前水库水域的最大面积为431.89km2(2013年8月)，最小面积为294.93 km2(2014年4月)，最大面积与最小面积差为136.96 km2，面积比为 1.46。2014年12月，随着大坝的加高，丹江口水库蓄水，使得水域面积达到670.08 km2(2014年12月)。通水后最大面积为751.36 km2(2017年10月)，最小面积为480.47 km2(2016年4月)，最大面积与最小面积差为270.89 km2，面积比为1.56。可见，南水北调中线一期工程通水后，丹江口水库的水域面积常年维持在较大水平，且水库最大最小水域面积比较小。

3.1.2 库区水域面积季度变化

将丹江口水库水域面积月度数据进行季节划分，从每年3月到次年2月分别划分为春夏秋冬4季进行统计，结果如图7所示。

图7 丹江口水库水域面积季节变化

由图7可知：2013—2020年丹江口水库水域面积具有明显的季节性变化特征，无论是通水前，还是通水后，丹江口水库秋冬季水域面积较大，春季水域面积最小；南水北调中线一期工程开通后，为保证工程持续调水，提升蓄水量，通水后的各季节水域面积均大于通水前。

气象数据表明，丹江口水库流域降水主要集中在每年的6月到9月，占全年总降水量的60%以上[10]，在季节尺度上，夏秋两季为丹江口水库的蓄水期，水域面积持续增长，导致丹江口水库秋冬季的水域面积较大。每年10月到次年5月，丹江口水库水源区降水较少，同时进行南水北调中线工程持续调水，因此丹江口水库的春季水域面积最小。

3.2 库区消落带时空演化特征

水库由于蓄水或泄洪而使土地周期性的被水淹没或露出水面的特殊区域称为消落带[11]。对水库每年的水域面积进行运算，可以得到丹江口水库消落带年度空间分布图，见图8。

由图8可知：2013—2020年丹江口水库的消落带主要集中在丹江库区中部和北部地区，以及汉江库区中部；2014年和2017年的库区消落带面积较大，其中，2014年的年度消落带面积最大，原因是为保证2014年12月南水北调中线一期工程通水，丹江口水库蓄水水位增加，导致水域面积增大；2017年汉江流域丰水期，丹江口水位首次蓄至167 m，水域面积年内变化幅度加大，消落带空间范围增加。结合库区 DEM 数据(图1)可知，丹江口水库岸边高程较低且地形坡度平缓的区域，是消落带形成和分布的主要区域。

图8 丹江口水库消落带年度空间分布图

2013—2018年间，南水北调中线工程通水前，丹江口水库的消落带主要集中在丹江库区中北部，其余库区分布较少；通水后，由于丹江口水库最低水位抬升，消落带面积较通水前增加，且主要分布在丹江库区中部和北部地区。

4 结论

(1)2013—2020年丹江口水库的水域面积总体呈上升趋势，2014年12月丹江口水库通水后，水域面积大致维持在480～750 km2；丹江口水库的水域面积主要受到水源区降水和工程调水调节有关。

(2)受降水影响，夏秋季为水库蓄水期，夏秋季节水域面积呈增加趋势，使得冬季丹江口水库水域面积最大；冬季和春季的降水减少，同时南水北调中线工程的持续调水，导致春季水域面积最小。

(3)2013—2020年，在南水北调中线一期工程通水后，由于丹江口水库最低水位抬升，消落带面积较通水前增加，且主要分布在丹江库区中部和北部地区。