基于高分遙感和DEM的洪澤湖開發(fā)利用監(jiān)測與管理

王冬梅，劉勁松，梁文廣

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，210017，南京；2.江蘇省水利廳，210029，南京）

基于高分遙感和DEM的洪澤湖開發(fā)利用監(jiān)測與管理

王冬梅1，劉勁松2，梁文廣1

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，210017，南京；2.江蘇省水利廳，210029，南京）

針對洪澤湖開發(fā)利用分布廣、數(shù)量多、類型復(fù)雜、單個面積小等主要特點，采用高分遙感作為監(jiān)測方法，利用DEM提取正常蓄水位與堤防結(jié)合確定湖泊邊界，解決了不同時期影像中洪澤湖范圍不同的問題；對比分析了ALOS、航片及高分2號等3種高分辨率數(shù)據(jù)在洪澤湖開發(fā)利用監(jiān)測中的效果及各自特點，總結(jié)洪澤湖開發(fā)利用變化趨勢及管理對策，為相關(guān)工作開展提供借鑒。

高分遙感；洪澤湖；開發(fā)利用；監(jiān)測；管理

一、背景介紹

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫，是我國五大淡水湖之一，南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊和蘇北地區(qū)主要的水源地，具有調(diào)蓄洪水、提供水資源、提供生物棲息地、提供物質(zhì)生產(chǎn)、調(diào)節(jié)氣候、養(yǎng)殖、航運、休閑旅游等功能，在周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。

但是，近年隨著江蘇社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，周邊開發(fā)利用急劇增多，洪澤湖面臨的最嚴(yán)峻問題就是水域圈圩養(yǎng)殖面積擴(kuò)大致使湖面萎縮嚴(yán)重、湖區(qū)非法采砂增多、沿湖開發(fā)無序，造成水質(zhì)、水生態(tài)及水環(huán)境不斷惡化。傳統(tǒng)管理主要依靠人員進(jìn)行陸域和水域的定期巡查，沿岸周邊地形復(fù)雜，有濕地、魚塘、灘地、圍網(wǎng)等，且雜草、蘆葦叢生，人員很難到達(dá)，經(jīng)費有限，存在諸多限制。

與傳統(tǒng)人工管理手段相比，遙感具有多項優(yōu)勢：一是監(jiān)測范圍大，二是受地面條件限制少，三是成果直觀、科學(xué)。湖泊開發(fā)利用的遙感監(jiān)測主要進(jìn)行湖區(qū)利用類型的準(zhǔn)確分類和兩期影像變化的提取。從遙感影像上提取水體的方法主要有兩類：一是基于高分辨率影像數(shù)據(jù)的水體信息直接提??；二是基于中低分辨率影像數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)算法提取。目前湖泊遙感領(lǐng)域研究主要集中在中低分辨率影像數(shù)據(jù)信息提取，高分辨率相關(guān)研究與應(yīng)用較少。

洪澤湖現(xiàn)狀開發(fā)利用主要類型為沿岸的圈圩、房屋、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等，其中圈圩養(yǎng)殖的魚塘圩埂高出水面，且與湖面互不連通，減小了湖泊面積，是被禁止的；而洪澤湖因為水位落差較大，湖區(qū)的圍網(wǎng)是低埂養(yǎng)殖，圩埂只是為了穩(wěn)定圍網(wǎng)低于正常蓄水位，與湖區(qū)聯(lián)通，不占用湖泊面積，是允許的。因此，需要對兩者進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分和管理。房屋類別主要是養(yǎng)殖看護(hù)房或者養(yǎng)殖大棚等，一般在10 m2左

右，面積較小。針對其開發(fā)利用分布廣、數(shù)量多、類型復(fù)雜、單個面積小等特點，為準(zhǔn)確監(jiān)測到開發(fā)利用并提取準(zhǔn)確位置信息，采用高分辨率影像進(jìn)行信息的直接提取方式，以滿足湖泊管理的需求。最初選用空間分辨率為2.5 m的衛(wèi)星影像如ALOS、P5等作為數(shù)據(jù)源，隨著近兩年國產(chǎn)衛(wèi)星的分辨率提高，逐漸采用亞米級的影像如高分2號作為數(shù)據(jù)源。在基礎(chǔ)測繪獲取全省航片的年度，也可采用0.5 m的航片作為數(shù)據(jù)源。

二、監(jiān)測方法

1.湖泊邊界的確定

利用高分辨率影像進(jìn)行大型湖泊監(jiān)測存在著湖泊邊界難以準(zhǔn)確界定的問題。一方面，湖泊邊界在豐水期和枯水期變動很大，尤其是洪澤湖同時還發(fā)揮著水庫的功能，蓄水期水位與枯水期水位相差更大；另一方面，高分影像時間分辨率較低，每年度僅能夠覆蓋一次，時間跨度較大，很難保證本年度與上一年度影像日期相同或相近，這就導(dǎo)致兩個年度的影像在同一地區(qū)可能時間、水位不同，湖泊范圍變化也較大。所以完全以影像為基礎(chǔ)進(jìn)行水體提取和監(jiān)測缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

利用1∶10 000的DEM在ArcGis環(huán)境下進(jìn)行插值，根據(jù)管理需要以洪澤湖正常蓄水位13.31 m（1985國家高程基準(zhǔn)，廢黃河13.5 m）基準(zhǔn)提取高程線，洪澤湖周邊滯洪區(qū)筑有迎湖擋洪堤的以擋洪堤為界，擋洪堤基本沿高程12.33 m左右填筑，頂高程約15.81 m，東部邊界由洪澤湖大堤等主堤防確定。

2.數(shù)據(jù)分析與處理

首先收集2010年ALOS影像、2012年基礎(chǔ)測繪航片、2015年高分2號影像等3個年度的洪澤湖影像，以2012年基礎(chǔ)測繪DOM成果為參考，進(jìn)行影像配準(zhǔn)，統(tǒng)一到2000國家大地坐標(biāo)系，保證所有數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的空間參考系。

然后采用目視解譯法，分別對比2010年與2012年影像、2012年與2015年影像，標(biāo)注變化區(qū)域，得到洪澤湖開發(fā)利用兩期監(jiān)測成果。為排除影像紋理影響和水位變化導(dǎo)致的誤判，對每處變化進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，確認(rèn)變化的原因和性質(zhì)。

最后對確認(rèn)的變化點按照開發(fā)利用類型如圈圩、圍網(wǎng)房屋、旅游景觀等進(jìn)行分類統(tǒng)計，匯總到湖泊管理單位作為違法查處的參考依據(jù)。

三、監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析統(tǒng)計，2010—2012年洪澤湖確認(rèn)變化點93處，面積約32 km2，基本上為新增圈圩或原有圈圩的加高加寬 （如圖1），即洪澤湖湖區(qū)萎縮面積。在基于目視解譯的洪澤湖開發(fā)利用監(jiān)測過程中，ALOS影像等2 m左右分辨率的影像基本能夠分辨圈圩的魚塘、灘地等類型，對于魚塘旁邊的房屋因為面積較小基本無法分辨，對于占用性質(zhì)不同的魚塘養(yǎng)殖和圍網(wǎng)養(yǎng)殖無法區(qū)分開。而0.5 m航片可以清晰地監(jiān)測出新增房屋，并區(qū)分出圈圩和圍網(wǎng)，解決了洪澤湖管理的難題。

圖12010 年ALOS與2012年航片監(jiān)測的灘地上的新增圈圩

2012—2015年期間確定變化點353處，面積約38 km2，圈圩變化仍然是主要類型（圖2），其他還有光伏、風(fēng)電等項目（如圖3）。從圖2中高分2號的影像上可以清楚地分辨出湖泊灘

地被圈圩，但是對該處及周邊的利用類型是圈圩和圍網(wǎng)的區(qū)分不是很清晰，只有依據(jù)與周邊現(xiàn)狀圈圩的關(guān)系進(jìn)行分析。加之圩埂上都種植樹木，圍網(wǎng)附近也有水草生長，為類別區(qū)分增加了一定難度。對于風(fēng)電、光伏等項目可以清晰監(jiān)測。

圖3 2015年高分2號監(jiān)測到的洪澤湖沿岸的風(fēng)電、光伏項目

四、管理措施

洪澤湖水位落差較大，在干旱年份和季節(jié)，圈圩迅速向湖區(qū)中心發(fā)展，湖泊萎縮趨勢明顯，如不及時清退，不僅會降低洪澤湖的蓄洪能力，還會減少水資源供給能力，永久性地破壞湖泊天然的水環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示，1930—1961年，洪澤湖面積減少了130.3 km2；1961—1971年，洪澤湖面積減少了31.99 km2；1971—2001年，洪澤湖面積減少了154.93 km2。如不加以監(jiān)管，洪澤湖最終會像里下河腹部地區(qū)的一些湖泊一樣，由大型湖泊慢慢萎縮直至消亡。

依據(jù)遙感監(jiān)測成果，2012年以來，江蘇省水利廳嚴(yán)厲打擊洪澤湖非法圈圩，保護(hù)湖泊現(xiàn)存水面，目前已經(jīng)完成了三期清障52.6 km2，恢復(fù)湖泊原狀地形，確保洪澤湖的水域面積不減少。不僅如此，省水利廳聯(lián)合涉湖相關(guān)部門通過建立洪澤湖管理與保護(hù)聯(lián)席會議制度，統(tǒng)一認(rèn)識，協(xié)同合作，嚴(yán)格執(zhí)法。同時，以保護(hù)洪澤湖水環(huán)境為前提，對風(fēng)電和光伏項目的審批嚴(yán)格把關(guān)，開展風(fēng)電和光伏等項目對湖泊水環(huán)境影響研究和評價。

五、對策思考

目前，高分遙感技術(shù)進(jìn)行湖泊開發(fā)利用變化監(jiān)測最大的限制來自于高分辨率數(shù)據(jù)源的問題。監(jiān)測結(jié)果表明，航片分辨率高，細(xì)微變化監(jiān)測效果顯著，但費用高，每2～3年需安排基礎(chǔ)測繪一次。而低于1 m分辨率的影像對于洪澤湖水域變化辨別和監(jiān)測能力較差。高分2號等衛(wèi)星影像費用較低，但幅寬較小、重訪周期較長，加之受江蘇7—9月的梅雨季節(jié)影響，在此期間很難獲取地表信息，要獲取完整的江蘇主要湖泊影像，則時間跨度較長，基本上每年才能完整覆蓋江蘇一次。針對這一問題，隨著近幾年無人機技術(shù)發(fā)展，其靈活機動、云層下飛行等特點，與之結(jié)合可以彌補遙感技術(shù)的不足，解決局部數(shù)據(jù)的完整性和實效性的問題。

洪澤湖開發(fā)利用的趨勢及對策有以下幾點：

①新增圈圩形成迅速。新增圈圩大都分布在灘地和魚塘之間，采用大型機械夜間施工極其隱蔽，且人工巡查不易到達(dá)，在遙感年度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的時候，已經(jīng)形成了一段時間并開始養(yǎng)殖，給執(zhí)法增加了一定難度。洪澤湖管理委員會正在試點網(wǎng)格化管理制度，把湖區(qū)范圍劃分成10 km2大小的網(wǎng)格，定責(zé)定人進(jìn)行監(jiān)管。②光伏和風(fēng)電項目增多。由于國家政策鼓勵和節(jié)能補貼，光伏和風(fēng)電等清潔能源不斷增多，而在江蘇地區(qū)土地資源緊缺的情況下，這些項目就向水域轉(zhuǎn)移。雖然這些項目對湖泊面積影響較小，但是遮擋了光照或產(chǎn)生噪音，對水生動植物的正常生長有一定影響。③湖泊開發(fā)粗放、無序。沿湖開發(fā)主要以圈圩這種粗放式利用為主，景觀旅游等項目基本以政府為主導(dǎo)，類型多樣，但沒有形成統(tǒng)一的規(guī)劃，比較散亂。目前洪澤湖周邊市縣已經(jīng)開始意識到這一點，并大力推進(jìn)退圩還湖規(guī)劃編制工作。退圩還湖實施后，一方面可清退歷史圩區(qū)、擴(kuò)大湖泊面積，另一方面可統(tǒng)一規(guī)劃環(huán)湖路、沿岸景觀和岸線功能區(qū)，重塑湖泊湖濱帶，提升岸線和投資環(huán)境，形成規(guī)模效應(yīng)，促進(jìn)沿湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也杜絕了圈圩等粗放的湖泊利用模式。 ■

［1］張晗，等.基于混合像元分解的武漢市湖泊面積變化監(jiān)測［J］.長江科學(xué)院院報，2011（5）.

［2］范亞民，等.淮河中下游洪澤湖水域動態(tài)變化研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2010（12）.

［3］徐萌，等.蘇北大型湖泊水域的EOS/MODIS遙感監(jiān)測［J］.氣象科技，2007（4）.

［4］頡耀文，王君婷.基于TM影像和DEM的白堿湖湖面變化模擬［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2006（4）.

［5］齊述華，等.基于數(shù)字高程模型的鄱陽湖淹水范圍制圖研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2010（7）.

［6］王海波，馬明國.基于遙感的湖泊水域動態(tài)變化監(jiān)測研究進(jìn)展［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009（5）.

責(zé)任編輯 安天杭

Monitoring of development and utilization status of Hongze Lake based on high resolution remote sensing//

Wang Dongmei，Liu Jinsong，Liang Wenguang

High resolution remote sensing has been adopted for monitoring of main features of development and utilizationofHongzeLake，suchasintensivedevelopmentaroundthelakeandwidelydistributedsites，complexity of types and small in size.Boundary of the lake is defined based on normal storage level defined by Digital Elevation Model（DEM）together with embankment.It may help to answer the questions of different scopes of Hongze Lake reflected by image in varied period of time.Management measures for dealing with change tendency of Hongze Lake are summarized through comparative analysis of monitoring results of Advanced Land Observing Satellite（ALOS），images and No.2 and No.3 high resolution data and their respective features.

high resolution remote sensing；Hongze Lake；development and utilization；monitoring；management

TV882.9+X83

B

1000-1123（2016）10-0050-03

2016-03-25

王冬梅，所長，高級工程師。