基于遙感的白洋淀長時間序列水面監測研究

步 凡 王 昊 于 航

（中國自然資源航空物探遙感中心 北京 100083）

引言

白洋淀是華北地區最大的淡水湖泊，其對于華北地區的生態環境都具有重要的調節的作用。目前，國內眾多學者已開展采用不同類型的遙感數據，對白洋淀地區的水資源現狀和變化趨勢進行分析的研究。但不同學者采用的遙感解譯方法、數據源時相的選取都有所不同，對于白洋淀水資源現狀和變化的結果具有一定的不確定性。隨著近年來國產衛星傳感器的發展，國產衛星數據源已逐漸成為水資源調查監測的一個重要數據來源，基于多源衛星遙感影像開展白洋淀濕地變化長時間序列的水面監測工作也逐漸成為該地區生態環境監管的主要手段，系統總結近年來的白洋淀水面變化趨勢開展深入分析研究，成為具備現實意義的科學問題[1]。

本研究利用白洋淀地區2003-2020 年間的高分一號衛星和Landsat 衛星影像，基于NDWI（歸一化水體指數）、GNDWI（高斯歸一化水體指數），配合人機交互解譯進行校正，對白洋淀地區的水面信息進行提取。從水體面積變化的角度分析了白洋淀地區近20 年來的變化趨勢，為白洋淀地區的濕地保護和管理、雄安新區的規劃與建設提供科學依據和決策支撐[2]。

1 研究區概況

白洋淀，位于河北雄安新區，總面積約為366 平方公里（包含水體、周邊蘆葦和淺灘等），是華北地區最大的淡水湖泊。地理范圍在38°43′—39°02′N，115°38′—116°07′E[3]。

2 研究數據

本研究搜集了白洋淀地區2003-2020 年期間的Landsat-7數據（2003-2012 年）和高分一號WFV 數據（2013-2020 年）。Landsat-7 衛星是美國陸地衛星的第七顆衛星，于1999 年發射升空，其全色波段的空間分辨率為15 米，多光譜波段分辨率為30 米；高分一號衛星是我國高分專項的第一顆衛星，于2013 年發射，其搭載了PMS 和WFV 兩類傳感器，PMS 相機可采集2 米分辨率全色數據和8 米分辨率多光譜數據，影像幅寬為60 公里，WFV 相機由4 臺相機拼合，可拍攝分辨率16 米的多光譜數據，4 臺WFV 相機拼合后，影像幅寬可達到800 公里[4]。

為了增強年度間數據的可比性，規避因旱季和雨季等因素的干擾，遙感影像的拍攝時間均為6-9 月，為保證年度間對比的標準化，經過處理的遙感影像均采用CGCS2000 大地坐標系統。

表1 白洋淀地區水體遙感監測數據源

3 研究方法

3.1 遙感影像的預處理

遙感影像的預處理主要采用ENVI 軟件完成，主要針對Landsat-7 和高分一號WFV 數據進行正射糾正、影像裁切與增強等。

本研究以搜集的白洋淀地區2018 年土地變更調查影像為參考影像，以SRTM DEM 作為高程參考，選取控制點，在待糾正影像選取與參考影像相對較為明顯的同位置點，例如線性地物的交叉口等，坐標系統采用CGCS2000 大地坐標系統，對高分一號WFV 和Landsat-7 數據進行正射糾正。對于高分一號WFV和Landsat-7 數據進行糾正時，選取控制點數量在30 個左右，采用二次多項式、雙線性內插的方法。

3.2 水體提取

考慮到要同時適用兩種類型的遙感影像，同時白洋淀地區的水體相對較淺，水面、周邊蘆葦、淺灘等相互交錯，本研究對于白洋淀地區的水體提取工作采用自動化指數提取（歸一化水體指數（NDWI）、高斯歸一化水體指數（GNDWI）和人工校正相結合的方法[5]，首先對Landsat-7 和高分一號WFV 影像的光譜特征進行分析，制定提取規則，并在定量提取的基礎上，加以人工改正，提高提取精度[6]。

（1）歸一化水指數（NDWI）

NDWI 是遙感影像的綠（Green）波段和近紅外（NIR）波段的歸一化比值指數。

NDWI=（p（Green）-p（NIR））/（p（Green）+p（NIR））

（2）高斯歸一化水體指數（GNDWI）

高斯歸一化水體指數指將原有的歸一化水體指數（NDWI）進行高斯變換，進而拉伸原來的歸一化水體指數（NDWI）中的臨近0 值的區域的弱信息，提高水體與非水體的辨識度，GNDWI的計算公式為：

式中：GNDWIa,b為點（a,b）處的高斯歸一化水體指數，NDWIa,b為點（a,b）處的歸一化水體指數（NDWI），為影像全部像素的歸一化水體指數（NDWI）均值，σ 為影像全部像素的歸一化水體指數（NDWI）標準差。

3.3 綜合分析

在提取完2003-2020 年共18 景遙感影像中的白洋淀水體面積后，基于ArcGIS10.2 軟件開展長時間序列的白洋淀濕地水體的矢量信息的空間分析，主要用來計算各年度水體矢量范圍內的面積，分析長時間序列的白洋淀水體面積的變化。

4 結果分析

根據2003-2020 年白洋淀地區遙感影像，結合歸一化水體指數（NDWI）、高斯歸一化水體指數（GNDWI）和人工改正的水體提取結果，得到每年1 期的白洋淀地區18 年來的水體范圍，進而分析2003-2020 年來的每年的水面面積變化趨勢。

圖1 部分年度白洋淀地區水體提取結果

從圖2 中可看出白洋淀地區水體面積變化的幾個趨勢，2003-2005 年，水面面積保持總體穩定，保持在200 平方公里左右；2006-2011 年，水面面積呈縮小趨勢，由200 平方公里左右逐漸下降到150 平方公里左右，尤其是2010-2011 年，水面面積縮小的趨勢較為明顯；2011-2013 年，水面萎縮的情況有所扭轉，水面面積回升較為明顯，由150 平方公里左右回升到250 平方公里左右，2014-2019 年，水面面積穩步回升。但是從總體上來，相比2010 年以前，2010 以后的十年，白洋淀的水位總體上處于擴張趨勢，近年來，總體穩定在250 平方公里左右。從客觀的數據來觀察，隨著國家對生態環境的保護力度的加大，雄安新區規劃的出臺，白洋淀地區的生態狀況，尤其是地表水資源的保護工作取得了積極的進展，水資源的總量在逐步恢復。

圖2 白洋淀水面面積變化趨勢（2003-2020）

表2 白洋淀歷年水面面積（2003-2020）

結語

通過遙感等技術手段，可以直觀、快速、準確的估算出白洋淀地區的水體面積，利用多期次的遙感影像疊加分析，還可以反映出白洋淀地區水體面積的變化趨勢，為白洋淀地區的水資源的保護和開發利用提供科學支撐。同時，以白洋淀地區水體面積監測為樣板，可以監測其他區域主要湖泊、河流等水體水資源的現狀和歷史變遷情況。在當前生態文明建設日益重要、生態保護力度日趨加大的背景下，遙感為以水資源為代表的生態環境保護問題的發現和監管提供了客觀的科學手段。