基于Landsat8和DEM的老龍口水庫庫容遙感分析方法研究

張磊　朱濟帥　張桂良　李飛龍

摘 要：本研究采用多期Landsat8 OLI影像數據結合數字高程模型（DEM）的方法對吉林省琿春市老龍口水庫2015～2017年的庫容變化進行定量分析，并利用已知的庫容量對研究結果進行校驗。

關鍵詞：老龍口水庫；庫容；遙感分析；Landsat8；DEM

中圖分類號：P237 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0120-02

Abstract： This research adopts the method of multi-period Landsat8 OLI image data and digital elevation model （DEM） to quantitatively analyze the reservoir capacity change of Laolongkou Reservoir from 2015 to 2017 in Hunchun City， Jilin Province， and uses the known reservoir capacity to verify the research results.

Keywords： Laolongkou Reservoir； reservoir capacity； remote sensing analysis； Landsat 8； DEM

1 概述

水庫是用來防洪灌溉、蓄水發電的水利工程建筑物，它的建立對水資源的管理利用有重要意義。水庫建成以后，由于多種原因的影響，其庫容是動態變化的，快速、實時、高效獲取庫容信息有重要意義。

2 研究區概況和數據源

2.1 研究區概況

老龍口水庫（42°55′～42°59′N，130°37′～130°45′E）位于吉林省琿春市琿春河干流（如圖1、2所示），距離市區約30公里。

2.2 數據源

遙感影像數據：Landsat8衛星數據覆蓋范圍廣，分辨率適中（分辨率為30m）且方便獲取；考慮到東北地區冬季時間持續較長，水體長期處于凍結狀態，本研究從地理空間數據云和美國地質勘查局（USGS）網站收集了2015-2017年間5-10月份影像質量良好的老龍口水庫Landsat8 OLI數據。

3 研究方法

3.1 水體信息提取

本研究選擇采用改進歸一化差異水體指數（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）法，通過設置閾值來提取水體信息。MNDWI能更好增強水陸反差，揭示水體的細微特征，且容易區分陰影和水體。

式中：GREEN為綠光波段，MIR為中紅外波段，分別對應Landsat8 OLI影像的3、6波段。

本研究用公式（1）對影像進行處理，增強水體信息，對處理后的影像進行目視識別，選取合適的閾值提取水體。

3.2 庫容計算數學模型

目前對水庫庫容進行計算的方法主要有積分法和均值法，其主要數學模型如下：

（1）積分法： 基于Landsat8影像和DEM，將水庫水體視為由無數個底面積相同、高度不同（水深）的長方體組成的空間多面體。該空間多面體的體積即為水庫的庫容，等于長方體體積累加求和。

式中：V為庫容；s為單個像元的面積（30m*30m）；

第（i，j）個像元位置對應的水面高程值；Hi，j為第（i，j）個像元位置對應的庫底高程值；n為水庫范圍內的像元個數。

（2）均值法：利用水深均值和水庫面積計算水庫庫容，公式如下：

V=h*s*n#（3）

式中：V為庫容；h為水深平均值；s為單個像元的面積（30m*30m）；n為水庫范圍內的像元個數。

3.3 實驗流程

首先對Landsat8數據進行輻射校正和大氣校正，然后利用改進歸一化差異水體指數（MNDWI）提取水體信息并結合原遙感影像獲得老龍口水庫水域范圍；接著，利用水庫影像在數字高程模型（DEM）上獲得水庫庫底和涯線上的高程值，并利用涯線上的高程值插值獲得水庫水面高程，進而獲得水庫水深。具體流程如圖3所示。

4 結果與分析

結果：

老龍口水庫的實測庫容量一般通過庫容曲線計算獲得。我們參照庫容曲線計算得到的庫容數據，與上述兩種估算方法得到的庫容進行對比分析，見表1、2和圖4。

由表1可知，利用積分法進行庫容估算得到的結果與水位-庫容曲線模型推求的庫容數據相比，絕對誤差最大為3.99百萬立方米，而相對誤差則不超過2.46%，具有較高精度。

由表2可知，利用均值法進行庫容估算得到的結果與水位-庫容曲線模型推求的庫容數據相比，絕對誤差最大為7.37百萬立方米，而相對誤差則不超過4.61%，具有較高精度。

由表1、2可知，“均值法”模型和“積分法”模型均具有較高的精度，絕對誤差均在百萬級別，相對誤差則都在10%以內。同時，在使用相同的數據進行估算時，“積分法”比“均值法”具有更高的精度。

在實驗過程中，我們發現水庫容量和水庫面積有較為密切的關系，經分析，構建模型為

式中：y為水庫容量，單位為百萬立方米；x為水庫面積，單位為平方千米。

由圖5和R2=0.985可知，水庫容量和面積之間的相關性很強，該數學模型較為可靠。可通過該模型結合Landsat8遙感影像簡單快速地獲得老龍口水庫的庫容量。

5 結束語

本研究在實驗過程中獲得了水底高程模型，建立了老龍口水庫面積-庫容模型，能夠方便、快速且較為準確地獲取水庫庫容，為檢校現行的水位-庫容關系曲線模型提供了參考數據，將對水庫管理、水庫清淤工作等具有一定的重要意義。未來我們將從遙感數據精度、時效性、水體識別精度等方面進一步改進。

參考文獻：

[1]喬平林，張繼賢，李海濤，等.水庫容水量遙感監測方法研究[J].測繪科學，2003，28（3）：55-56.

[2]陸家駒，李士鴻，陳嗚，等.利用衛星遙感資料復核水庫庫容曲線[J].華東電力，1994（06）：21-22.

[3]趙新華，王沛，余華芬，等.基于航空攝影測量的新安江水庫水域面積及庫容變化分析[J].大壩與安全，2016（5）：46-49.