遙感技術(shù)在水文水資源勘測中的創(chuàng)新應(yīng)用

馬明坤

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 咸陽 712199）

遙感技術(shù)是一種以電磁波原理為依據(jù)并利用傳感器進(jìn)行檢測的技術(shù),采集并處理各類遠(yuǎn)程目標(biāo)反射、發(fā)射的電磁波,以此為基本結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對地表場景的高效檢測與辨識。另外在現(xiàn)實探測中,遙感技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合特性,該技術(shù)可以在多個方面得到很好的應(yīng)用,并且可以使每一個工作步驟都得到簡化,降低勞動量,進(jìn)而提升總體工作效率,以較低的成本實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)探測,在此過程中,有關(guān)工作人員也能獲得更為準(zhǔn)確、可靠的探測數(shù)據(jù)。

1 遙感技術(shù)使用的優(yōu)勢

1.1 全天候24 小時監(jiān)控

遙感信息一般包含了很多信息,如可見光、紅外線、紫外線等,這些信息是肉眼看不到的,因此這些信息能夠在水情監(jiān)測時,對水情監(jiān)測資料進(jìn)行有效擴(kuò)充,并將提升水情監(jiān)測精度。同時工作人員在應(yīng)用這項技術(shù)時,不會受到氣候、天氣等諸多因素的影響,從而擴(kuò)大了水文水資源勘測量的范圍,工作人員也可以不斷總結(jié)水文變化規(guī)律。

1.2 對場地的約束較少

相關(guān)的調(diào)查結(jié)果顯示,在過去,我們在進(jìn)行水文水資源勘查時,一般都是采用手工作業(yè)的方法,但是,在勘查和采集水文水資源信息的過程中,工作人員很容易受到天氣、地形等因素的干擾,從而造成了相關(guān)工作的失敗。在荒無人煙、環(huán)境惡劣的地方,會有一定的風(fēng)險,因此,在手工操作的時候,會有很大的限制,而且,還會有惡劣的天氣,整個工作的效率和品質(zhì)就會下降,資料搜集的情況也會與期望有很大的落差。在使用遙感技術(shù)時不會發(fā)生這種情況。將遙感技術(shù)應(yīng)用于水文水資源勘探工作,可以全方位地收集各種數(shù)據(jù)信息,從而提升數(shù)據(jù)資料的完整性和有效性。

1.3 探測效率高、獲取數(shù)據(jù)范圍大

過去,在進(jìn)行水文勘探工作時,采用人工勘探的方法,不僅耗時很長,還會受到外部因素的影響,導(dǎo)致各項工作不能正常進(jìn)行。但由于遙感技術(shù)和常規(guī)技術(shù)有很大區(qū)別,地面衛(wèi)星使用非常廣泛,通常一枚衛(wèi)星僅需16 天就能完成對整個地球的掃描,利用多個衛(wèi)星協(xié)同工作,可以極大縮短搜索時間,從而提高搜索的效率與質(zhì)量。由于遙感技術(shù)測距范圍廣,作業(yè)人員能在作業(yè)中獲得更多的資料,并且能夠快速處理這些資料,為以后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理

2.1 遙感影響數(shù)據(jù)的選擇

本項目擬選取鄱陽湖為研究區(qū),在2012 年～2022 年期間,通過1～7 個波段（500 m）獲取非云層覆蓋的40 幅圖像,獲取的1～7 波段的影像數(shù)據(jù)。為檢驗MODIS 資料在水中的準(zhǔn)確性,我們還采用了比較高的TM 圖像和CBERS 圖像[1]。隨后收取2017 年TM 影像1 景和2019 年的CBERS02B 的數(shù)據(jù)2 景。

2.2 TM 與CBERS 影像預(yù)處理

在對這兩幅圖像進(jìn)行預(yù)處理的過程中,本文的主要目標(biāo)是對鄱陽湖的面積進(jìn)行估算。由于不需要對其它區(qū)域進(jìn)行重疊分析,所以不需要對高精度圖像進(jìn)行幾何修正,但要保證區(qū)域不出現(xiàn)扭曲等問題,就需要進(jìn)行投影變換,要把其轉(zhuǎn)化成阿爾伯斯正軸線上的等積分錐體投影。

3 水體提取方法研究

3.1 研究方法

水體的光譜特性特殊,在紅光區(qū)反射率僅為4%～5%,0.6μm以下的近中紅外區(qū)反射率僅為2%～3%,0.75μm 以上的近中紅外區(qū)基本被完全吸收。水體信息提取的核心技術(shù)是水體信息的增強(qiáng)與非水體的混雜信息的剔除。

①單波段法是利用水體的反射率比植被更低、容易與其他地物相區(qū)分的特點,選取單個波長作為閾值進(jìn)行水質(zhì)檢測,具有簡單、快捷等特點。但在小型水域中,很難從其中提取出信息[2]。

②多波段法是將不同地物在不同頻帶上的光譜特征融合在一起,通過光譜之間的聯(lián)系構(gòu)建光譜模型,并與閾值法相結(jié)合,可有效地提高水體的識別準(zhǔn)確度,但光譜選擇及閾值的確定較為復(fù)雜,而且也不能排除各種不同的信息,如裸地。

③水體指數(shù)模型的構(gòu)造方法有很多,根據(jù)不同地區(qū)的地形條件,構(gòu)造相應(yīng)的指標(biāo),構(gòu)造的思想是：根據(jù)多波段的水域光譜特點,找到研究地類的最強(qiáng)、最弱反射波段,利用比值操作,來凸顯目標(biāo)。

本文主要研究的是這三種方法中的5 個模型,各種模型計算公式,見表1。

表1 不同水體提取模型的計算公式統(tǒng)計

3.2 不同提取水體的方法比較分析

本文為了研究上述研究方法的優(yōu)勢和適用性,特選擇2016 年2 月11 日和2017 年9 月29 日的枯水與豐水期影響進(jìn)行對比,結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 枯水期不同水體提取方法對比

圖2 豐水期不同水體提取方法對比

在抽取水體過程中,其水域與陸地之間的界限是一個重要的環(huán)節(jié),這就需要對其進(jìn)行一個臨界點的設(shè)定。并對這兩個地區(qū)進(jìn)行頻譜分析,見圖3。

圖3 水陸混合區(qū)域與純凈水體亮度頻率直方圖

由圖3 可知,該直方圖有兩個非常顯著的峰,其中,最大的是水體,最小的是植被,在該疊加過程中,不斷調(diào)整閾值,超過此閾值則為凈化水提取。所以這個實驗閾值范圍是0.2～0.35[3]。

隨后本文以2016 年2 月11 日和2017 年9 月29 日的數(shù)據(jù)為例來提取其面積,其中2016 年2 月11 日鄱陽湖面積使用歷史資料進(jìn)行驗證,而2017 年9 月29 日則采取高精度的TM 影像所提取的面積作為基準(zhǔn)實施驗證,見表2。

表2 不同指數(shù)提取的面積比較數(shù)據(jù) 單位：km2

根據(jù)上述分析和效果圖對比結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

①在對水體的總體影響方面,框區(qū)中的MNDWI 對水體的影響最大,其它指標(biāo)對水體的影響不大。其中,MNDWI、NDVI 兩種方法對周邊地物的壓制效果最佳,能有效地突出被測對象,同時也能有效地壓制其它地物。

②小區(qū)域水體對比,特別是在枯水期,由于有較細(xì)的河床湖泊處有較細(xì)的分枝,MDNWI 對這類小區(qū)域水體的混合像元提取效果最好,其它指標(biāo)也差不多,但對邊緣區(qū)域的混合像元有混分、漏分等問題。在此基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）的水樣提取方法。

3.3 鄱陽湖的面積計算與統(tǒng)計

鑒于鄱陽湖具有“高水湖相,低水河相”的獨(dú)特地貌特征,其核心問題是如何界定其湖域,根據(jù)前人對湖域的了解和調(diào)查,湖域界定的基本原理是：鄱陽湖通江湖體及其所轄湖灣（包括康山、軍山湖、珠湖）；五河尾閭（包括青嵐湖、禾斛嶺、南湖、蚌湖和大湖池）,最終在ArcGIS 中可以完成區(qū)域提取的統(tǒng)計計算[4]。

4 精度評價

4.1 精度評價結(jié)果分析

基于上述分析和研究,通過比較高精度圖像所測的區(qū)域和同期的MODIS 遙感影響提取的水域區(qū)域,通過相對誤差的計算,如表3 所示,得出其相對誤差均在10%之內(nèi),這表明了本次所選擇的遙感圖像技術(shù)是正確的[5]。然而要指出的是,一般情況下,遙感圖像本身的提取區(qū)域都比較小,這表明了它會出現(xiàn)某種程度的信息缺失,這也是在遙感提取的過程中所出現(xiàn)的缺陷。

表3 遙感影像提取水體的精度評價

4.2 遙感技術(shù)用于徑流量的預(yù)測與預(yù)報

根據(jù)上述精度評價和面積計算過程可以了解到遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,而其應(yīng)用還可用于鄱陽湖的徑流量預(yù)測和預(yù)報等方面。水文水資源勘測人員能夠通過衛(wèi)星遙感系統(tǒng)獲得相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,并將這些數(shù)據(jù)信息與水文氣象站的相關(guān)信息進(jìn)行整合,將其輸入到水文模型中,從而能夠?qū)ο鄳?yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)的計算,為流域徑流的預(yù)測和預(yù)報工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

一般來講,遙感技術(shù)并不能對河流的徑流進(jìn)行直接的評估和估算,但是這項技術(shù)能夠?qū)Φ孛病⑺岛屯寥赖确矫孢M(jìn)行深入的研究,同時工作人員也可以將區(qū)域降水量和土壤含水量等信息進(jìn)行綜合,從而實現(xiàn)對其的預(yù)測和估算。工作人員可以通過遙感技術(shù),在前期的徑流量測量預(yù)測中獲得相關(guān)的信息,再通過衛(wèi)星云圖和水文模型,來對土壤和植被進(jìn)行合理的分析[6]。在此基礎(chǔ)上,利用雷達(dá)站觀測到的降水資料,以達(dá)到預(yù)報的目的。在此階段,遙感技術(shù)得到較大的發(fā)展,并且取得了顯著的應(yīng)用成果,工作人員能夠?qū)崿F(xiàn)多個覆蓋面的蒸發(fā)量的計算,該方法既能滿足流域徑流預(yù)報的需要,又能保證流域徑流預(yù)報的正常進(jìn)行。

5 結(jié)語

在水文水資源勘測中,遙感技術(shù)占有十分重要的位置,它可以改變傳統(tǒng)研究方法中的限制,從而得到更為精確和真實的數(shù)據(jù),提高水文模型和預(yù)算的精度。可為我國水力學(xué)和水力學(xué)的發(fā)展提供有益的借鑒。另外還應(yīng)加強(qiáng)對遙感技術(shù)的研究,加強(qiáng)對水情調(diào)查工作的研究,以更好地認(rèn)識水情調(diào)查工作的重要性,只有將此技術(shù)應(yīng)用于工作中,才能最大限度地發(fā)揮此技術(shù)的功能,從而提升各方面的工作效率與質(zhì)量。