基于Google Earth影像的福州八一水庫水域變化監測

樂通潮,潘輝,聶森,江振藍

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.閩江學院，福建 福州 350108)

基于Google Earth影像的福州八一水庫水域變化監測

樂通潮1,潘輝2,聶森1,江振藍2

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.閩江學院，福建 福州 350108)

為了監測福州八一水庫枯水期水域面積變化狀況，從Google Earth數據庫下載2013—2015年共3期冬季(1—2月)的高分辨率衛星影像，通過目視解譯方法提取水域邊界。研究表明，水域面積逐年減小，其中2013年面積最大達23.54 hm2，接近最大庫容面積，2015年面積最小，只有7.89 hm2；水域面積與降水顯著相關，相關系數超過0.983。

八一水庫；Google Earth影像；目視解譯；水域面積

城市水庫是重要的淡水資源，在城市供水、農業灌溉、調蓄洪水、防澇泄洪、工業用水、調節河道生態用水、景觀旅游等方面發揮巨大作用[1]。水域面積是水庫貯存量的一個重要衡量指標，準確獲取面積是水資源監測、調查、評估、保護的重要依據[2]。隨著遙感技術的發展，大范圍、快速精確地監測湖泊水庫動態變化已經成為現實，利用遙感影像獲取水體信息已是學者們進行水體研究的常規方法[3，4]。Google Earth數據庫服務器擁有海量高分辨率遙感影像并且更新頻繁，其影像數據已經被廣泛應用于影像制圖、資產評估、規劃設計、地表監測等方面。本文利用Google earth的歷史影像庫的數據來研究福州八一水庫枯水期水域面積的變化情況，同時結合氣象資料分析變化原因。

1 研究區概況

八一水庫位于福州市城區北郊，距城區約5 km，集水面積15 km2，區內水系源于北峰和葉洋村的赤橋溪。研究區地處亞熱帶，溫暖濕潤，雨水充足，年平均氣溫19.7 ℃，年降水1 000～1 600 mm，春季降雨分春雨期和梅雨期，夏秋季為臺風多發季節，降雨頻繁，強度大，常出現大雨到暴雨，易造成洪澇災害。水庫總庫容310萬m3，屬于小(一)型水庫。大壩為黏土土壩，長500 m，高20.6 m，頂寬2.6 m，壩頂高程為51 m。水庫內日常水位48.5 m，汛期水位47.5 m。輸水涵洞和溢洪道都設在壩東，輸水涵洞長120 m，最大流量1.5 m3·s-1；溢洪道長444 m。寬頂堰設4孔大閘，閘門由手動和電動兩用機械控制，最大泄洪量442 m3·s-1。

2 材料與方法

2.1 數據來源

遙感數據來自Google Earth歷史影像庫的高分辨率遙感影像和高程數據，其中影像的空間分辨率為0.5～0.6 m/像素，高程的空間分辨率為9m/像素。研究區為福州八一水庫庫區，選擇影像成像時間較為接近(1—2月)的2013—2015年的晴空衛星遙感數據共3景，衛星影像參數如表1所示。氣象數據來自中國氣象數據網提供的福州烏山氣象標準站2013—2015年的逐日氣溫、降水量、蒸散量數據。

表1 選取的Google Earth衛星資料參數

2.2 研究方法

利用91衛圖助手軟件查找并下載研究區的Google earth衛星影像和高程數據，在ArcGIS軟件中將影像數據由地理坐標系轉換(WGS 1984)為投影坐標系(WGS1984 UTM 50N)，并以2015-01-18影像為基準，利用地理配準模塊將其他年份的影像進行幾何校正。因水域與陸地在影像的色彩及紋理特征差異明顯，故直接利用目視解譯進行陸地與水域的識別，勾繪水庫水域邊界，獲得水域面積。八一水庫屬城市水庫，調蓄洪水屬其主要功能之一，臺風暴雨前，因防洪抗澇的需要，水庫管理處會提前排放水量，增大蓄洪庫容量。每年10月過后，臺風較少，且進入枯水期，除了正常排放水量到下游河道以外，人為原因調節水庫水位的可能性較小，水庫的水位主要受降水量和蒸發量的影響。本文3期影像對應的時間點為冬季枯水期，為了研究水庫水域面積與降水、蒸發的影響，取影像成像時間點之前3個月的降水量和蒸發量，分析水域面積與降水量和蒸發量的關系。

本文利用Arcgis軟件制圖和分析，應用Excel 2010進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 八一水庫水域面積衛星影像提取結果

由下載的并經坐標轉換的DEM可知，福州八一水庫庫區三面環山南面大壩攔截，水庫高程39～50 m。在經幾何精校正的高分辨率衛星影像上沿水庫大壩及岸線邊緣，勾繪水庫最大庫容水域邊界，如圖1、圖2所示，經計算最大庫容水域面積為25.36 hm2。

由于三期影像分辨率達亞米級，影像中地物色彩及紋理特征明顯，由影像可知，最大庫容線內呈暗藍色為水域，棕黃色、暗綠色、淺黃色為裸露地、草地等非水域。水域有兩塊，西側一小塊為私人承包供人釣魚的魚塘，有田埂隔離，常年有水，面積不變，東側水域不同年份面積不一樣，這三景影像水域面積分別為23.54 hm2、12.91 hm2和7.89 hm2，如表2和圖3～5所示。

圖1 八一水庫DEM圖

圖2 八一水庫最大庫容邊界

表2 影像解譯的八一水庫水域面積一覽表 hm2

圖3 2013-01-16八一水庫水位線

圖4 2014-02-02 八一水庫水位線

圖5 2015-01-18 八一水庫水位線

3.2 水庫水域面積年變化及其與降水量、蒸發量的關系

由表3可知，2013—2015年，八一水庫的水域面積呈逐年下降，平均下降速率為7.83 hm2·a-1；影像成像之前3個月降水量呈下降趨勢，平均下降速率為68.1 mm·a-1，前2個月降水量下降趨勢與前3個月基本一致，平均下降速率為67.8 mm·a-1，前1個月降水量呈快速下降又快速上升的趨勢；蒸發量均呈略微變動，前3個月的蒸發量先略微下降再升高，前2個月和前1個月的蒸發量均呈略微升高。除了2013年的蒸發量略小于降水量之外，2014和2015年的蒸發量均大于降水量。將2013—2015年八一水庫水域面積與影像成像之前3個月、前2個月、前1個月的降水量進行皮爾森相關系數分析，結果顯示，前3個月的降水量與水域面積的相關系數為0.995，相關性極顯著(P<0.01)，前2個月的降水量與水域面積的相關系數為0.983，相關性顯著(P<0.05)，前一個月的降水量與水域面積的相關系數為-0.229，相關性不顯著(P>0.05)。

表3 八一水庫水域面積與降水量、蒸發量

注：時間指衛星影像成像之前的3個月、2個月和1個月。

4 結論與討論

福州八一水庫2013—2015年冬季(1—2月)水域面積呈逐年下降，年均下降速率為7.83 hm2·y-1，蒸發量變化幅度較小，水域面積變化與影像成像之前3個月降水量、前2個月降水量相關顯著，相關系數超過0.983。水庫水域面積逐年下降的主要原因是降水量顯著減少導致。除了氣象原因，人為活動等其他因素也可能導致水庫水域面積變化，筆者將在后續的研究中進一步闡述。

Google Earth數據庫存儲全球各地高分辨率遙感影像數據，在城市及人類重要活動區存儲亞米級的衛星影像數據并經常更新，為水庫水域面積的影像解譯提供了更高的精度。對福州八一水庫水域面積進行遙感監測，能夠更直觀地了解八一水庫水域面積的動態變化，本文的研究方法可為其他水庫水域動態監測提供參考。

[1] 盧碧林，嚴平川，田小海，等．湖北省主要大中型水庫富營養化狀況及特征分析[J]．長江流域資源與環境，2012，21(5)：634-640

[2] 徐德增.基于高分辨率遙感影像的大伙房水庫水域面積變化監測[J].水利發展研究,2016(7):50-52

[3] 苗立新，唐守正，李霞，等.利用掩膜主動輪廓模型提取水庫水面面積[J].水土保持研究，2010，17(5) :7-11

[4] 曹榮龍，李存軍，劉良云，等.基于水體指數的密云水庫面積提取及變化監測[J].測繪科學，2008，33(2) : 158-160

[5] 林韻.基于HEC-HMS模型的洪水重現期研究——以福州市八一水庫流域為例[D].福州：福州大學,2009

Dynamic Monitoring of Water Area of Bayi Reservoir in Fuzhou based on Google Earth Images

Le Tongchao1,Pan Hui2,Nie Sen1,Jiang Zhenlan2

(1.Fujian Forestry of Science,Fuzhou 350012,China; 2.Minjiang University,Fuzhou 350108,China)

In order to monitor water area of Bayi Reservoir in Fuzhou in low water seasons,three phase high-resolution-satellite images in winter (from January to February) were downloaded from Google Earth database Server,and extracted the water border by visual interpretation of remote sensing images.Research shows that the water area was reduced year by year.It is 23.54 hm2at 2013,closing to the maximum water area of reservoir; the water area is the smallest,being 7.89 hm2.It is significant correlation between water area and rainfall and the related coefficient exceed 0.983.

Bayi reservoir; images of Google Earth ; visual interpretation ;water area

1005-5215(2017)03-0036-03

2017-01-18

福建省社會發展引導性項目(2015Y0074)；福建省屬公益類科研院所專項(2016R1010-8)

樂通潮(1980-)，男，福建大田人，博士，高級工程師，從事林業3S技術、濕地生態等研究.

潘輝(1968-)，男，福建福州人，博士，教授，從事森林經理、生態學等研究.

TP79；P208

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.015