段遠斌

（新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000）

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基于遙感技術的塔里木河流域業(yè)務應用及展望

段遠斌

（新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000）

通過遙感技術在塔里木河（以下簡稱塔河）流域水調水管業(yè)務中的具體應用，詳細介紹系統(tǒng)構架和基于遙感技術在輸水水頭跟蹤、河道跑漫水監(jiān)測、湖面面積變化監(jiān)測等實際工作中的應用情況，技術方法及發(fā)揮的效益，初步展示利用遙感技術開展塔河流域生態(tài)調度輸水遙感監(jiān)測的重要性和必要性，并對開展此項工作的長效機制提出展望。

塔里木河流域；遙感技術；監(jiān)測；系統(tǒng)；影像圖

0 項目背景

塔河流域是我國第一大內陸河流域，流域由塔里木盆地周圍向心聚流的阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都－孔雀河、迪那河、渭干－庫車河、克里雅河和車爾臣河等九大水系的 144 條河流組成，總面積 102 萬km2。從其源流葉爾羌河的源頭算起，至塔里木河干流尾閭臺特瑪湖，全長2 437 km，塔河干流自源流匯合口肖夾克至尾閭臺特馬湖全長 1 321 km。目前與塔里木河干流有地表水聯(lián)系的只有葉爾羌河、和田河、阿克蘇河和孔雀河（通過博湖揚水站經(jīng)庫-塔干渠向塔里木河下游輸水），形成“四源一干”的格局。

近年來，塔河流域的水資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護，引起了黨和國家的高度重視。國家在實施西部大開發(fā)和建設山川秀美工程中，將塔河治理放在了十分重要的位置，塔河生態(tài)輸水及流域綜合管理是實現(xiàn)這一宏偉目標的重要保障[1]。在塔河生態(tài)輸水過程中，卻經(jīng)常遇到輸水水頭演進情況不知、沿途跑漫水情況不明、生態(tài)閘放水受益情況不清等問題，作為塔河生態(tài)輸水成效評價指標的臺特瑪湖水面變化情況尚無有效及時的監(jiān)測措施。上述種種問題由于存在著監(jiān)測范圍大、環(huán)境條件惡劣等難以克服的困難，常規(guī)監(jiān)測手段難以獲得有效信息。

為了解決上述問題，塔里木河流域管局（以下簡稱塔管局）基于遙感技術手段，利用遙感影像數(shù)據(jù)，開展了下游輸水水頭、源干流跑漫水、生態(tài)閘放水范圍、臺特瑪湖水面面積旬變化等監(jiān)測，向塔河流域各部門實時提供各類監(jiān)測成果，為輸水期間實施決策及流域綜合治理提供有力的信息支持，因此，利用衛(wèi)星遙感開展塔河生態(tài)調度輸水遙感監(jiān)測是非常必要的。

1 建設目標

借鑒遙感技術在國內主要流域應用的經(jīng)驗[2]，結合塔里木河流域業(yè)務工作的實際情況，初步提出了調水、洪水和生態(tài)等的遙感監(jiān)測及支撐系統(tǒng)開發(fā)作為塔里木河流域基于遙感技術的業(yè)務應用需求。通過改建塔河已建遙感影像庫，開發(fā)了遙感應用支撐系統(tǒng)，初步實現(xiàn)遙感監(jiān)測信息網(wǎng)絡化服務，為流域綜合管理提供信息支持。建設內容包括以下幾個方面：

1）調水遙感監(jiān)測。輸水期水頭及跑水監(jiān)測、輸水期生態(tài)閘放水范圍監(jiān)測、輸水前河道野外查勘。

2）洪水遙感監(jiān)測。洪水期的河道及溢水監(jiān)測、河道野外查勘。

3）生態(tài)遙感監(jiān)測。臺特瑪湖水面面積和中下游植被覆蓋度年際變化等的監(jiān)測。

4）支撐系統(tǒng)開發(fā)。原遙感影像庫改建、塔河生態(tài)調水遙感監(jiān)測業(yè)務信息系統(tǒng)。

2 總體布局

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)從邏輯結構上設計為 3 層結構，即數(shù)據(jù)層、中間層和服務層。其中，數(shù)據(jù)層包括基礎地理、水利專題等數(shù)據(jù)的存儲與管理體系，中間層為中間件服務平臺，服務層為地理信息應用服務體系。外加系統(tǒng)安全、技術標準與組織保障體系，構成系統(tǒng) 3 層結構、4 大體系，如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)框架圖

2.1.1 地理數(shù)據(jù)存儲與管理體系

地理數(shù)據(jù)存儲與管理體系負責數(shù)字線劃地圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）等地理空間數(shù)據(jù)的存儲和管理，提供數(shù)據(jù)備份和服務等功能。

2.1.2 中間件服務平臺

中間件服務平臺是遙感和地理信息系統(tǒng)的核心技術層，通過中間件技術為應用系統(tǒng)提供工具化接口。

2.1.3 地理信息應用服務體系

地理信息應用服務體系是系統(tǒng)的應用界面層，是系統(tǒng)面向用戶的窗口，包括基礎地理信息查詢、專題制圖、業(yè)務應用等子系統(tǒng)。

2.1.4 系統(tǒng)安全、技術標準與組織保障體系

除了以上幾個部分以外，系統(tǒng)由于其龐大性、復雜性，需要地理信息安全、地理信息標準與規(guī)范及系統(tǒng)建設與運行管理保障等體系的支持。

2.2 軟件結構設計

根據(jù) RS/GIS 軟件自身的特點，設計方案將軟件體系定為 3 層體系結構，便于系統(tǒng)的擴充和無縫升級，用戶在進行系統(tǒng)提升時，無需考慮數(shù)據(jù)庫端和客戶端的改造，只需在應用服務器端追加功能模塊即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的升級。

2.3 網(wǎng)絡架構

系統(tǒng)建立在計算機網(wǎng)絡環(huán)境下，采用 B/S，C/S 這 2 種模式。數(shù)據(jù)庫在服務器端集中管理和維護，在各個管理和應用單位，通過局域網(wǎng)對系統(tǒng)進行訪問。

2.4 功能劃分

2.4.1 生態(tài)輸水遙感監(jiān)測

主要實現(xiàn)在生態(tài)輸水期間水頭、干流生態(tài)閘放水漫溢范圍及跑水跟蹤監(jiān)測，及時提供干流大西海子至臺特瑪湖河道輸水水頭行進、生態(tài)閘放水漫溢范圍及河道跑水口跑水范圍解譯信息與遙感影像圖。從影像圖即可看出輸水水頭各時間段行進距離、跑水口位置、跑水水面面積等信息。通過這些信息輸水管理單位可以實時掌握輸水情況，準確定位跑水口位置如圖 2 所示。

圖 2 塔里木河干流第 12 次下游生態(tài)輸水水頭衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖

通過該影像圖，水管單位可以清晰地看到水頭到達的位置及對應的時間，能夠及時了解河道阻塞或漫溢的情況，為保障輸水工作的順利開展提供了直觀、可靠的基礎數(shù)據(jù)。

2.4.2 洪水遙感監(jiān)測

主要實現(xiàn)汛期河道水頭行進情況和河道跑水口（人工扒口、堵壩取水）跟蹤監(jiān)測，提供和田河、葉爾羌河、塔河干流河道洪水漫溢位置及范圍解譯信息與遙感影像圖。通過系統(tǒng)可以了解河道跑水漫溢情況，定位跑水位置，了解漫溢面積。2010 年汛期，和田河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測如圖 3 所示。2013 年汛期，葉爾羌河 48 團渡口至艾里克塔木段河道洪水漫溢嚴重，遙感跟蹤監(jiān)測情況如圖 4 所示。

圖 3 和田河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測

通過對同一區(qū)域不同時刻的多個影像的水體信息進行提取，并采用疊加、卷簾、平鋪等方式對比分析，可以及時掌握汛期跑水口的起始時間、面積變化及災害情況等，為水管、防洪部門提供了決策依據(jù)。

2.4.3 臺特瑪湖水面面積監(jiān)測

主要實現(xiàn)臺特瑪湖水面面積動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源情況每旬提供臺特瑪湖水面面積解譯信息與遙感影像圖。臺特瑪湖是塔河干流的尾閭，在塔河綜合治理開始前，臺特瑪湖幾近干涸。塔河綜合治理工作開展以后，塔管局組織的生態(tài)輸水曾多次將水輸送至臺特瑪湖，但由于水面分布不規(guī)則，水面面積變化迅速，難以有效掌握水域面積變化規(guī)律，通過不同日期影像數(shù)據(jù)的對比，可以了解不同時間湖面面積和水面變化情況，如圖 5，6 所示。

通過趨勢圖可以看出，在 2012 年 6 月和 2013 年7 月，臺特瑪湖的面積處于較小值，與傳統(tǒng)認為臺特瑪湖面積在汛期或夏季為最大值有較大的偏差。

以上技術手段是通過決策樹模型地表水體的自動分類實現(xiàn)，該方法選取歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化建筑指數(shù)（NDBI）和修正歸一化水體指數(shù)（MNDwI）作為遙感特征指數(shù)集，并根據(jù)這些指數(shù)構建了遙感特征指數(shù)曲線[3]。通過分析，發(fā)現(xiàn)地表水體在特征曲線中單調上升，植被在特征曲線中單調下降，而其它地物并無此特征。因此，根據(jù)這一規(guī)律，利用 ENVI 軟件建立了自動化提取模型，并以 ArcGis Server 為平臺進行專題數(shù)據(jù)信息的 Web 發(fā)布。通過與其他方法對比，表明所建立的模型在精度和自動化方面都明顯優(yōu)于其他方法，可用于海量數(shù)據(jù)地表水體的自動提取。

圖 4 葉爾羌河汛期跑水口遙感跟蹤監(jiān)測

圖 5 臺特瑪湖湖面動態(tài)遙感監(jiān)測系統(tǒng)

3 結語

圖 6 臺特瑪湖面積變化趨勢圖

基于遙感技術中決策樹水體提取成功應用于塔里木河流域生態(tài)輸水、洪水、臺特瑪湖面積等監(jiān)測，實現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)獲取當日輸水信息準實時提取，為塔河生態(tài)輸水信息準確獲取提供了有效技術手段。監(jiān)測成果在塔河水資源管理與流域綜合治理中發(fā)揮了重要作用，直接為水量調度、防洪、工程規(guī)劃提供信息，減少了野外人工作業(yè)、洪水災害損失、跑水造成的水資源浪費，具有明顯的經(jīng)濟效益；洪水期監(jiān)測成果可以及時提供河道兩側洪水受災情況，為防洪決策提供依據(jù)，減小因洪水災害造成的人民生命財產(chǎn)損失，維護了社會穩(wěn)定，產(chǎn)生了顯著的社會效益；提供了臺特瑪湖水面面積變化等生態(tài)環(huán)境治理成效評價指標，為生態(tài)環(huán)境治理成效評估提供支撐，指導流域生態(tài)環(huán)境治理管理與決策。

通過該系統(tǒng)建設，已初步建立了塔里木河流域遙感應用實例，本著以需求為引領、應用為核心的原則，建立一套符合塔里木河流域日常業(yè)務應用需求的遙感應用系統(tǒng)，形成以經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定的遙感影像數(shù)據(jù)來源為基礎，以遙感專業(yè)和水業(yè)務知識復合型技術團隊服務作為技術保障，以緊密結合塔河流域綜合管理實際日常業(yè)務應用需求為出發(fā)點和落腳點，不斷建立健全塔河流域遙感技術應用的長效機制。

[1] 托乎提 ? 艾合買提，覃新聞，王新平，等. 塔里木河流域近期綜合治理工程施工與管理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2014: 13.

[2] 路京選. 水利遙感應用技術研究進展回顧與展望[J]. 中國水利水電科學研究院學報，2008, 6 (3): 224-230.

[3] 于德浩，龍凡，鄧正棟，等. 基于遙感特征指數(shù)的地表水體—動提取技術研究[J]. 2009, 24 (2): 707-713.

Business Application and Prospect of Tarim River Basin based on Remote Sensing Technology

DUAN Yuanbin

(Information Center of Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China)

By application of remote sensing technology in diversion and management business in Tarim River Basin water, the article introduces detailedly the system architecture, application situation of tracking in water head based on remote sensing technology，monitoring the river running water and the change of diffuse Lake area，technology and benefit. It shows the necessity and importance of carrying out ecological operation of Tahe river water remote sensing monitoring using remote sensing technology. And it puts forward the outlook for long-term mechanism of carring out this work to hope.

Tarim River Basin; remote sensing; monitoring; system; image

TP7

A

1674-9405(2015)03-0010-05

2015-03-23

段遠斌（1981－），男，四川邛崍人，大學本科，從事水利信息化建設及應用工作。