基于遙感數據的東平湖面積變化監測

王瑤瑤,譚秀翠,董 潔,徐新華,張 鳳

山東農業大學 水利土木工程學院,山東 泰安 271018

東平湖是山東省第二大淡水湖，是南水北調東線工程的必經之路，有著及其重要的防洪、生態調蓄等功能。因此，對東平湖的環境進行實時的監測及時掌握其水面面積的變化趨勢就顯得尤為重要。目前，國內外多運用遙感技術對水面進行實時監測，可以勘察到人們難以實地考察的地方，提高了效率與質量同時也提高了研究成果的可靠性與準確性。McFeeters SK[1]提出的NDWI 法是提取水面面積普遍應用的方法，但在結果中多混雜著許多非水體信息，特別是提取山區水體時，會混有山區陰影，因此會導致水面面積比真值偏大；徐涵秋[2]提出的MNDWI 法能揭示水體的細微特征，容易區分陰影與水體，相較于NDWI 法更能揭示水體的細微特征，在提取城鎮水體時更有優勢；曹榮龍[3]提出的RNDWI 法比MNDWI 法的精度更高，能夠準確提取狹窄條狀水體，更好地區分水陸邊界；丁志雄[4]通過遙感技術將水庫水位面積曲線表示出來，進而可以通過此曲線進行插值計算求出水面面積；李景剛[5]運用歸一化植被指數（NDVI）以及閾值法提取洞庭湖的水面，但是未能提取出細條河網；Feyisa GL,et al.[6]設計了一個不斷提高水面提取精度的指標，引入了一種自動提取水面指數（AWEI）法，相對于MNDWI 法可以更加準確地提取水體邊界；都金康[7]利用SPOT 影像為數據源，應用決策樹分類的方法進行水體的提取；Yao FF,et al.[8]結合了一個新的水指數和一個建筑陰影檢測，提出了一種高分辨率的水指數(HRWI)法，有效地區分了陰影建筑與水體，可以在復雜的環境條件下提取城市地表水的面積；Yang YH,et al.[9]將水體指數與改進的FCM 相結合提取水面；Jawak SD,et al.[10]利用高分辨率衛星遙感數據進行水面提取；陳云海[11]利用一種新的提取水體的指數（AWEI），同時此指數還有對濕地進行有效提取的功能；Fisher A,et al.[12]對多種水體指數進行了準確性的評估。以上作者多注重于水體與其他地物界線的提取，而本文則是利用Landsat4-5 衛星圖片，提取有效的水體面積，包括細小的條狀水體，有效地利用水資源，從而提出了計算簡便、高精度的波段加和法，用來提取東平湖的水面面積，并與其他三種常用計算方法進行對比分析，結果顯示是可行的。

1 研究區域概況及數據源

東平湖地處黃河下游，其位置處于北緯35°43′～36°7′，東經116°2′～116°20′，東平湖主要注入河流是大汶河，大汶河由東平縣城西北入東平湖老湖，經過東平湖的調蓄之后流入黃河，因此大汶河和老湖區屬黃河流域，新湖區微向南傾斜，屬淮河流域。東平湖位于東平縣境西部，北接清河口門，南達金線嶺圍堤，其西面則是濟梁運河，東面與鳳凰山、黃花園、州城、吳桃園等村鎮相望。位于黃河、京杭大運河和汶河的交匯處，它不僅對黃河下游防洪安全起著非常重要的作用[13]，而且還是南水北調工程極為重要的調蓄區。東平湖位置圖見圖1，其中紅色圈出的范圍是東平湖的研究區域。

圖1 東平縣示意圖Fig.1 Dongping County map

由相關資料得知，全國大部分地區5～9 月豐水期、12～2 月枯水期，其余平水期。一般來說湖面面積是平水期的標準。

數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)，數據對應的時間分別為1985 年10 月份、1990 年10 月份、1995 年10 月份、2005 年10 月份，均為平水期數據。但2000 年和2010 年無平水期數據，采用的是2002 年10 月份及2009 年10 月份的數據。

2 研究方法

利用波段融合圖像準確的判斷地物，同時結合提取的波段值，觀察水體、灘涂地與植被、河漫灘波段值相差最大的波段，但同時也為使差別更加明顯，于是選擇地物波段值相差較大的兩個波段的加和來提取和計算水面面積。數據源是由Landsat4-5TM 衛星提供，采用453 波段融合，可以明顯地看出水體的分布位置[14]，同時可將水體與植被等地物的狀況很好地體現在波段融合圖中，從而更加有效地提取東平湖的水面面積。下面將1985、1990、1995、2002、2005、2009 年這六年波段值分布情況介紹如下。

圖2 1985 年不同地物波段值分布Fig.2 Fig.2 Distribution of different feature bands in 1985

圖3 1990 年不同地物波段值分布Fig.3 Fig.3 Distribution of different feature bands in 1990

圖4 1995 年不同地物波段值分布Fig.4 Fig.4 Distribution of different feature bands in 1995

圖5 2002 年不同地物波段值分布Fig.5 Distribution of different feature bands in 2002

圖6 2005 年不同地物波段值分布Fig.6 Distribution of different feature bands in 2005

圖7 2009 年不同地物波段值分布Fig.7 Distribution of different feature bands in 2009

本論文中將水體與灘涂地作為東平湖的水面面積進行研究，從圖2 中可以看出，當利用波段4和5 的和作為閾值時，水體、灘涂地與河漫灘不能明顯的分開，會有小部分的河漫灘被誤認為水體，因此1985 年計算的東平湖水面面積偏大。

從圖3 至圖7 中可以看出，水體、灘涂地可以與植被明確的分開，水體與河漫灘在4、5 波段的值，明顯比其他地物的小，為提高地物之間波段值的差距，將4、5 波段的和作為閾值，從而將波段加和法總結出來，其公式如下：閾值=NIR+MIR(1)

其中NIR代表近紅外波段，MIR代表中紅外波段，分別是Landsat4-5 影像中4 波段和5 波段。

利用ERDAS 軟件的Raster 工具，通過4、5、3 波段的數據融合，得到東平湖及其附近地區圖像，從而更加清晰地看到東平湖水面面積的變化情況，輔助我們判斷東平湖水面。

圖8 不同時期東平湖水域波段融合數據結果（T453）Fig.8 Results of wideband fusion data of Dongping Lake at different periods（T453）

圖8 中紅色線所包圍的面積即為研究區域。在東平湖研究區域內，根據圖像來確定提取東平湖面積的閾值，但在1985 年出現含水量較少的河漫灘與水體閾值相近，無法將此非水體部分提取出來，因此1985 年提取的東平湖的水面面積偏大。1990～2002 年，水面面積的減少主要是由于研究區域的東平湖的東部的細小條狀水體退化，以致東平湖的水面面積呈減少趨勢。2002 年到2009 年，東平湖水面面積有所增加，但水面面積總體呈緩慢減少的趨勢。運用波段加和法的計算結果見表1。

表1 波段加和法提取的東平湖水面面積（km2）Table 1 Water surface area of Dongping Lake extracted by band addition method

從表1 中可知，東平湖的水面面積總體呈下降趨勢，這樣對東平湖的水環境相當不利，應及時找準問題根源，采取措施，避免湖泊水環境的進一步惡化。

3 幾種方法的對比分析

下面利用歸一化差異水體指數（NDWI）法、改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）法[2,15]、修訂型水體指數（RNDWI）法[3,16]這三種方法，分別提取東平湖水面面積，并將三種方法所得出的水面面積與波段加和法進行對比，以明確波段加和法的適用性，其具體的計算結果見表2。

表2 四種方法計算得到的東平湖水面（km2）Table 2 Water surface of Dongping Lake calculated by four methods

用NDWI 法時，在2002 年東平湖水面面積最少為114.66 km2，在1985 年東平湖水面面積最大為146.84 km2；用MNDWI 法時，在2002 年東平湖水面面積最少為114.51 km2，在1985 年東平湖水面面積最大為147.19 km2；用RNDWI 法時，在2002 年東平湖水面面積最少為113.68 km2，在1985年東平湖水面面積最大為146.71 km2；用波段加和法時，在2002 年東平湖水面面積最少為115.06 km2，在1985 年東平湖水面面積最大為145.22 km2，從以上結果可以看出，四種方法所得出的面積最大值及最小值出現的年份相同，誤差最大為7.27%。

下面將計算得到的東平湖水面面積繪成折線圖，如圖9 所示。

圖9 東平湖水面面積變化趨勢圖Fig.9 Trends in surface area of Dongping Lake

從圖9 中可知，4 種水面面積計算方法所得的東平湖水面面積總體均呈下降的趨勢。同時，將NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法所得的水面面積求取平均值與波段加和法進行比較，發現誤差0.68%～7.27%，從而得出波段加和法較為精確的結論。并且，波段加和法更能準確的提取含水量較少的狹窄水體區域，使水體與其他地物的區分邊界更加明顯直觀。下面以2009 年東平湖的水面面積的提取情況為例，分析4 種提取水面面積方法的優缺點。

圖10 不同方法提取東平湖水面方法比較Fig.10 Comparison of different methods of water surface extraction from Dongping Lake

從圖10 可知，以2009 年提取的東平湖的水面面積為例，在a 圖中，利用NDWI 法提取的水面，東平湖的北部的狹窄水體并沒有提取出來，存在誤差；在b 圖中，運用MNDWI 法提取面積，其湖泊北部的水體有了小部分的輪廓，水體邊界漸漸清晰；在c 圖中，用RNDWI 法提取水面面積，可以提取出局部的小區域的水體，邊界較為清晰；在d 圖中，運用本論文中新提出的波段加和法，可以清晰的看出，東平湖北部的狹窄水體的輪廓已經非常明顯，可以將含水量較少的水體區域與其他地物明顯的區分開來。

4 結論

（1）波段加和法算法簡單，可以簡化計算過程，使過程快捷方便。同時，將三種方法的平均值與波段加和法得出的水面面積進行對比，誤差為0.68%～7.27%，從而證明波段加和法較為精確的結論。波段加和法比NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法更能準確的提取含水量較少的狹窄水體區域，使水體與其他地物的區分邊界更加明顯直觀。

（2）從計算結果顯示，1985-2009 年的東平湖水面面積總體正在呈緩慢的下降趨勢，其水面面積主要的變化區域是東平湖的北部、東南部。需要有關部門加強重視，有效控制面源的污染，對水量、水質進行實時監測，同時加強對東平湖生態濕地的管理，健全相應的水法規，實現水資源的可持續利用。