基于环境一号卫星的吉林省松花湖2012—2020年面积变化监测研究

摘 要：研究基于HJ-1A/1B卫星数据对松花湖2012—2020年夏季水域面积变化进行监测。利用卫星遥感专业ENVI软件对环境星数据进行预处理，再采用目视解译法识别松花湖水体，并进行不同年份松花湖水域面积的计算。最后分析松花湖2012—2020年间水域变化时空特点，松花湖在2012年和2013年间水体面积无明显变化，2014—2017年水体面积变化波动较大，该研究区2013年水体面积增大是因为发生区域性洪涝灾害，而2015年水体面积变化较大则是因为该年政府对于丰满水库的规划建设发生一定变化。2017—2020年间水体面积与范围无明显变化趋势。

关键词：环境星；松花湖；水体识别；目视解译；时空变化

中图分类号：P237 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）31-0038-04

Abstract： Based on HJ-1A/1B satellite data， the study monitored the changes in the summer water area of Songhua Lake from 2010 to 2020. The ENVI software of satellite remote sensing professional is used to preprocess the HJ-1A/1B satellite data， and then visual interpretation is used to identify the water body of Songhua Lake， and the water area of Songhua Lake in different years is calculated. Finally， the spatio-temporal characteristics of water changes in Songhua Lake from 2012 to 2020 are analyzed. The water area of Songhua Lake has no significant changes between 2012 and 2013， and the changes in water area fluctuated greatly from 2014 to 2017. The increase in water area in this research area in 13 years is due to the occurrence of regional floods， while the large change in water area in 2015 is due to certain changes in the government's planning and construction of Fengman Reservoir that year. There is no obvious change trend in water area and scope from 2017 to 2020.

Keywords： HJ-1A/1B satellite; Songhua Lake; water body identification; visual interpretation; spatio-temporal change

湖泊是重要的地表资源，不仅能够调节较大水系的径流，还能发展农业灌溉，并且也是工业和民用的重要水源，因此监测湖泊水域面积变化具有重要的意义。卫星遥感以其宏观大范围、连续周期监测地表的技术优势以及节省人力财力的经济优势广泛用于洪水灾害的监测，已有很多学者对我国的主要河流和湖泊洪涝灾害进行了遥感监测研究分析。莫伟华[1]基于EOS/MODIS的卫星遥感数据对洪涝灾害遥监测技术研究进行了详细的探索。李斌[2]基于MODIS的时间序列遥感数据对长江中游洪涝灾害情况进行了监测和全面分析。许超等[3]同样基于MODIS时序数据对我国洞庭湖区洪水淹没频率进行了研究。也有研究学者对国外水域洪灾进行了监测，潘继亚等[4]基于MODIS数据对曼谷洪水淹没区进行了水体信息提取。Kuenzer等[5]基于Envi-sat-ASAR-WSM时间序列的遥感数据，对湄公河三角洲洪水分布状况及其动态变化进行分析。李通等[6]基于MODIS、FY3A MERSI、HJ-1A/1B CCD 和Landsat TM 这4种遥感数据监测了湄公河下游地区2011年的洪灾淹没面积时序变化趋势，分析了3种不同地类的受灾面积，表明利用多源遥感卫星数据监测洪水范围变化，可以获取更多有用的信息，监测洪灾的效率得到有效提升。

我国自主研发的国产卫星环境一号也在洪水灾害监测中发挥着重要的作用。环境星的空间分辨率是30 m，非常适用区域尺度的地表信息，水体提取。李海亮等[7]基于HJ-1A/1B CCD数据，采取3种水体提取指数对我国海南岛洪涝进行了监测，从不同土地类型和不同区域分析了洪水的影响。陈琳等[8]利用HJ-1A/1B对2012年黄河上中游特大洪水进行了遥感监测，对洪水从形成到消退的全过程进行了实时有效的监测，为政府制定防洪救灾决策提供了有效可靠的汛情数据。本文将基于环境一号卫星对2012—2020年间的松花湖水域面积变化进行监测研究及分析对比。研究得出的结论将为吉林省水利部的防洪减灾决策提供重要的理论支持。

1 研究区域概况和数据

1.1 研究区概况

松花湖是吉林省的一颗璀璨明珠，位于该省的西南部，距离市中心仅15 km。这片湖泊是由拦截松花江水建设丰满水电站而形成的。水域广阔无垠，水面分叉多变。湖泊全长达到了200 km，其中最宽的地方约为10 km，最深处约75 m。这样广阔与深邃的湖区面积达到了700 km2。这片湖泊的存在，不仅为该省增添了一处壮丽的自然景观，更以其得天独厚的地理位置和四季分明的气候条件，促使吉林省环境资源更好发展（图1）。

1.2 数据源概况

研究采用的数据源来自环境一号卫星CCD传感器，其中包括了蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段，环境星数据的高空分辨率为0.03 km，可以获取全球范围内的高质量数据，为环境保护、洪涝灾害监测研究提供重要支持。在洪水泛滥，影响环境的时候，使用遥感卫星进行监测具有面积覆盖广阔，且能够及时高效地反馈受灾区域影像等优势，能够快速定位灾害发生的位置，提高突发事件应急处理能力。为了研究松花湖夏季面积变化，本文从中国资源卫星应用中心（https：//data.cresda.cn/#/home）下载了HJ-1A/1B CCD数据，由于夏季较易受到阴雨天气的影响，筛选数据时要求研究区上空云覆盖量小于5%，研究时选取了易于处理观察的合格数据，分别是2012—2015年间的数据以及2017年和2020年7月的数据，共6年的数据。

2 研究方法

2.1 研究思路

为了研究历年来松花湖水域面积的变化情况，本研究的整体：从中国资源卫星应用中心官网下载清晰、无云、分辨率高、覆盖范围合适的影像数据，遥感数据预处理，利用目视解译法提取水体，通过属性计算出水体面积，从时间序列和空间变化进行水体分析。详细操作过程如图2所示。

本研究基于环境一号卫星1A和1B遥感影像对于2012—2020年松花湖7月份水体变化情况的对比分析，从水域面积的增减和水体形态的变化对松花湖进行监测分析。

图2 提取松花湖水体面积流程

2.2 数据预处理

由于环境星影像图幅较大，首先通过裁切得到松花湖研究区的遥感影像，再利用ENVI软件将各时相遥感影像进行辐射定标，把DN值转换成为辐射亮度值，然后通过使用批量大气校正工具，将大气对于地物散射的大部分影响清除，地表特征能够被更清晰地反映出来，利用植被像元大气校正前后的光谱曲线进行对比分析，发现影像大气校正效果较好，满足要求。图3为大气校正前后影像对比图。

2.3 松花湖水体识别方法

对水体的解译运用了目视解译的方法，目视解译是一种人工解译信息的方法，通过直接观察、分析、理解图像，可以快速、准确地获取资源与环境信息，使信息以直观的方式呈现。

本研究通过目视解译的方法利用ArcGIS软件对松花湖边界进行数字化提取，将松花湖的水体外围勾画出来，最后通过属性计算得到松花湖水域面积。

3 结果分析

3.1 时间序列分析

通过目视解译提取出松花湖2012—2020年水域范围，并计算了水域面积，水域面积统计见表1，通过水域面积折线图（图4）可以发现：松花湖在2012年和2013年间水体面积无明显变化，2014—2017年水体面积变化波动较大，该研究区于2013年发生区域性洪涝灾害导致水域面积变化增大，2015年政府对关于建设吉林省丰满水库的规划进行了决策上的调整，导致该研究区水体面积与范围发生了一定的变化。2017—2020年间水体范围变化保持相对稳定。

3.2 空间变化分析

通过对2012—2022年松花湖遥感影像数据解译发现：2012—2022年松花湖7月份湖面面积变化较明显的一共分为A、B、C、D四个区域，面积变化最大的区域是D区，7月份是吉林省的雨季，根据降雨量的多少，水位可能有所提高或下降，在2015年松花湖的D区有明显的干旱迹象，经过调查分析得出2015年政府对丰满水库的规划发生了一些变化（图5）。

4 结论

本研究利用环境一号卫星1A和1B遥感影像数据，在不同的空间尺度和时间尺度上获得信息，能够提供丰富的地表信息和环境监测能力，结合目视解译的方法对松花湖水体进行面积计算和时空分析，得到如下结论。

从时间上看，2012和2013年间，松花湖的水体面积趋于稳定，在2014—2017年间水体面积出现了明显波动。在2013年间该研究区由于发生了区域性洪涝灾害导致水体面积增大，而该研究区在2015年间，由于政府对松花湖丰满水库的规划和建设发生变化，使其水体面积与范围发生改变。

从空间上看2012—2020年松花湖7月份松花湖中部和东部区域面积变化较明显，尤其是东部区，主要是受到干旱影响。

松花湖水域面积变化除了受到降水等气候变化的影响，人类活动和土地利用变化都可能对松花湖面积造成影响，因此在后续的研究中需要考虑人为因素。

参考文献：

[1] 莫伟华.基于EOS/MODIS卫星数据的洪涝灾害遥感监测应用技术研究[D].南京：南京信息工程大学，2006.

[2] 李斌.长江中游洪涝灾害的MODIS时序监测与分析[D].泰安：山东农业大学，2011.

[3] 许超，蒋卫国，万立冬，等.基于MODIS时间序列数据的洞庭湖区洪水淹没频率研究[J].灾害学，2016，31（1）：96-101.

[4] 潘继亚，王金亮.基于MODIS数据的曼谷洪水淹没区信息提取[J]，环境科学导刊，2015，34（3）：116-120.

[5] KUENZER C， GUO H， HUTH J， et al. Flood mapping and flood dy-namics of the Mekong delta： Envisat-ASAR-WSM based time se-ries analyses[J]. Remote Sensing，2013，5（2）：687-715.

[6] 李通，张丽，申茜，等.湄公河下游洪灾淹没面积多源遥感时序监测分析[J].应用科学学报，2016，34（1）：75-83.

[7] 李海亮，汪秀华，戴声佩.基于环境减灾卫星CCD数据的海南岛洪涝灾害监测[J].农业工程学报，2015，17（31）：191-198.

[8] 陈琳，王琴，刘文锴，等.黄河上中游特大洪水HJ－1卫星遥感监测研究[J].水利水电技术，2013，44（7）：116-124.