日照市水體動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)探索

張艷秋，張 雷，楊宗坤

（日照市水文中心，山東 日照 276826）

動(dòng)態(tài)掌握區(qū)域地表水資源的貯存情況并分析其與自然和人為管理措施的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而制定和調(diào)整水利管理措施，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)管理和持續(xù)利用意義重大。以往的水資源調(diào)查以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研為主，消耗的人力和物力資源巨大，所需時(shí)間周期也較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約大范圍水體分布狀況的動(dòng)態(tài)更新。遙感技術(shù)具有覆蓋范圍大、周期短和獲取性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍水體時(shí)空分布的自動(dòng)快速測(cè)繪。因此，將遙感技術(shù)引入到水利監(jiān)測(cè)體系中，與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成相互補(bǔ)充，可以更好的完善水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 研究區(qū)概況

日照市位于山東省的東部沿海，總面積約為5 358.79 km2，海域總面積約為6 000 km2。地形以丘陵為主，總體地勢(shì)呈現(xiàn)起伏波動(dòng)狀況。該市的氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥。全市河流分屬沭河、濰河和東南沿海水系，擁有13 座大中型水庫(kù)。

水資源關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及飲水安全，是生態(tài)環(huán)境的重要調(diào)控者，與人們的生活水平有著直接聯(lián)系[1]。傳統(tǒng)方法的監(jiān)測(cè)和分析過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，需要大量的人力物力，還會(huì)受到氣候、地理位置等自然條件的限制[2]。本研究以日照市為研究區(qū)，初步探索遙感技術(shù)在該市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)陸域范圍內(nèi)水體變化的可能，并分析水體面積的變化與實(shí)測(cè)降水和水庫(kù)蓄水量間的關(guān)系，探明日照市水資源管理的成效。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的數(shù)據(jù)年限跨度為2020—2022 年，獲取方式為站點(diǎn)實(shí)測(cè)和遙感觀測(cè)兩種。站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)包括日照市全市范圍季度平均降水量和13 座大中型水庫(kù)季末蓄水量。遙感觀測(cè)所使用的數(shù)據(jù)源為哨兵二號(hào)衛(wèi)星。本研究選用2020—2022 年覆蓋日照市的2274 景L2A 級(jí)別影像，并根據(jù)其質(zhì)量波段去除云和雪等干擾像素。

2.2 研究方法

本研究計(jì)算2020—2022 年每年中4 個(gè)季度的平均降水量和各季度末的水庫(kù)蓄水量，并對(duì)預(yù)處理后的各景影響分別通過(guò)閾值法提取地表水體，該方法由Zou 等（2019）[3]提出，Deng 等（2019）[4]改進(jìn)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先，分別對(duì)各景影像計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）、增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）、改進(jìn)歸一化水體指數(shù)（mNDWI）和自動(dòng)水體提取指數(shù)（AWEInsh和AWEIsh），計(jì)算公式如下：

其中，blue、green、red、nir、swir1、swir2 分別對(duì)應(yīng)藍(lán)、綠、紅、近紅外、第一和第二個(gè)短波紅外波段。

其次，按照設(shè)置的閾值分割規(guī)則獲取各景影像上的水體像素，具體規(guī)則如下：

最后，分析計(jì)算每個(gè)季度內(nèi)各景影像中水體出現(xiàn)的概率，當(dāng)單像素水體出現(xiàn)概率大于0.75 時(shí)則判定該像素在該季度為永久性水體，當(dāng)概率為0.25～0.75 時(shí)則判定該像素為季節(jié)性水體。在獲得年度各季度永久性和季節(jié)性水體后，本研究分別統(tǒng)計(jì)兩種不同水體的面積，分析日照市2020—2022 年3 年間各季度地表水體的時(shí)空演變趨勢(shì)及與降水量和水庫(kù)蓄水量間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 2020—2022 年日照市季度降水變化

圖1 所示為2020—2022 年內(nèi)4 個(gè)季度平均降水量的變化情況。總體來(lái)看，日照市在過(guò)去的3年，降水主要集中于第三季度（7～9 月），第一季度（1～3 月）的降水較少。日照市3 年平均降水量為90.41 mm，其中2020 年平均降水量為105.08 mm，2021 年平均降水量為83.89 mm，2022 年平均降水量為82.26 mm，3 年的平均降水量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。3 年間第一季度的平均降水量為21.28 mm，第二季度的平均降水量為88.36 mm，第三季度的平均降水量為221.11 mm，第四季度的平均降水量為30.90 mm。與年均降水量相似，2020—2022年間，各個(gè)季度的季均降水量也呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，其中2022 年第一季度季均降水量?jī)H為9.03 mm，全市出現(xiàn)干旱狀況。由此可見(jiàn)，受制于區(qū)域季節(jié)性降水影響，日照市春季降水遞減，干旱出現(xiàn)的概率增加。

3.2 2020—2022 年日照市季度水庫(kù)蓄水量變化

圖2 所示為2020—2022 年日照市季末13座大中型水庫(kù)蓄水量變化情況。與季均降水量不同，水庫(kù)蓄水量在近3 年呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。2020—2022 年日照市4 個(gè)季度季末水庫(kù)平均蓄水量為51 233.08 萬(wàn)m3，其中2020 年為47 340.50 萬(wàn)m3，2021 年為51 771.75 萬(wàn)m3，2022 年為54 587.00 萬(wàn)m3。就全年范圍4 個(gè)季度來(lái)看，第二季度的水庫(kù)蓄水量最低，3 年的平均值為41 039.67 萬(wàn)m3，第三季度的水庫(kù)蓄水量最高，3 年的平均值為59 810.33 萬(wàn)m3，第一季度和第四季度則處于中間水平，分別為47 512.67 萬(wàn)m3和56 569.67 萬(wàn)m3。大中型水庫(kù)蓄水量的遞增說(shuō)明日照市水利工程管理措施具有顯著成效，通過(guò)防洪調(diào)度、河流引水、流量控制等措施，有效解決降水減少可能引發(fā)的干旱問(wèn)題，能夠保證全市范圍內(nèi)工農(nóng)業(yè)和生活用水的需求。

3.3 日照市地表水體時(shí)空演變分析

日照市永久性水體主要分布在該市的北部和中部地區(qū)，多為流經(jīng)該市的河流和人工修建的水庫(kù)。季節(jié)性水體則零星分布在各個(gè)河流水系的周邊并在一年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化。圖3 為2020—2022年日照市永久性水體面積變化情況。3 年間，日照市永久性水體面積的均值為1 192.50 km2，其中2020 年為1 203.94 km2，2021 年為1 218.02 km2，2022 年為1 155.55 km2。季節(jié)性分布來(lái)看，永久性水體在第四季度面積最大，3 年平均值為1 301.26 km2，第二季度面積最小，3 年平均值為1 044.08 km2。圖4 為2020—2022 年日照市季節(jié)性水體面積變化情況。3 年間，日照市季節(jié)性水體面積的均值為1 192.50 km2，其中2020 年為642.63 km2，2021 年為540.41 km2，2022 年為453.30 km2。從季節(jié)性分布來(lái)看，永久性水體在第一季度面積最大，3 年平均值為809.06 km2，第二季度面積最小，3 年平均值為516.09 km2。

3.4 地表水體時(shí)空演變與降水和水庫(kù)蓄水量的相關(guān)關(guān)系

圖5 為2020—2023 年季平均降水量與永久性和季節(jié)性水體面積相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，日照市永久性水體和季節(jié)性水體與季平均降水量沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。這主要是由于降水長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定水平，不足以影響到陸域水體季度間的劇烈變化。此外，該市無(wú)大型天然湖泊和濕地等，主要陸域水體為人工水庫(kù)和河流，受制于蓄水、排水等管理措施，該部分水體常出現(xiàn)異與自然變化過(guò)程的狀態(tài)。季末13 座大中型水庫(kù)蓄水量與永久性和季節(jié)性水體面積對(duì)比圖（圖6）也證實(shí)這一觀點(diǎn)，多為水庫(kù)和河道的永久性水體與水庫(kù)蓄水量間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，而季節(jié)性水體則與水庫(kù)蓄水量間無(wú)相關(guān)關(guān)系。

圖5 季平均降水量與永久性和季節(jié)性水體面積對(duì)比散點(diǎn)圖

圖6 季末13 座大中型水庫(kù)蓄水量與永久性和季節(jié)性水體面積對(duì)比散點(diǎn)圖

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一是遙感技術(shù)可以快速有效地進(jìn)行陸域開(kāi)放性水體的監(jiān)測(cè)并顯現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新；二是日照市近年來(lái)降水呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì)，對(duì)大中型水庫(kù)蓄水不利，但水行政部門(mén)的管理措施有效保證區(qū)域水資源安全利用和可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)水行政主管部門(mén)應(yīng)將遙感技術(shù)納入到水資源監(jiān)測(cè)體系中，實(shí)現(xiàn)季度甚至月度尺度區(qū)域永久性和季節(jié)性水體范圍的動(dòng)態(tài)更新和預(yù)警，為水資源保護(hù)利用政策的制定、實(shí)施和調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。