樂通潮,潘輝,聶森,江振藍(lán)

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2.閩江學(xué)院，福建 福州 350108)

基于Google Earth影像的福州八一水庫(kù)水域變化監(jiān)測(cè)

樂通潮1,潘輝2,聶森1,江振藍(lán)2

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2.閩江學(xué)院，福建 福州 350108)

為了監(jiān)測(cè)福州八一水庫(kù)枯水期水域面積變化狀況，從Google Earth數(shù)據(jù)庫(kù)下載2013—2015年共3期冬季(1—2月)的高分辨率衛(wèi)星影像，通過目視解譯方法提取水域邊界。研究表明，水域面積逐年減小，其中2013年面積最大達(dá)23.54 hm2，接近最大庫(kù)容面積，2015年面積最小，只有7.89 hm2；水域面積與降水顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.983。

八一水庫(kù)；Google Earth影像；目視解譯；水域面積

城市水庫(kù)是重要的淡水資源，在城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、調(diào)蓄洪水、防澇泄洪、工業(yè)用水、調(diào)節(jié)河道生態(tài)用水、景觀旅游等方面發(fā)揮巨大作用[1]。水域面積是水庫(kù)貯存量的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，準(zhǔn)確獲取面積是水資源監(jiān)測(cè)、調(diào)查、評(píng)估、保護(hù)的重要依據(jù)[2]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，大范圍、快速精確地監(jiān)測(cè)湖泊水庫(kù)動(dòng)態(tài)變化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，利用遙感影像獲取水體信息已是學(xué)者們進(jìn)行水體研究的常規(guī)方法[3，4]。Google Earth數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器擁有海量高分辨率遙感影像并且更新頻繁，其影像數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于影像制圖、資產(chǎn)評(píng)估、規(guī)劃設(shè)計(jì)、地表監(jiān)測(cè)等方面。本文利用Google earth的歷史影像庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)研究福州八一水庫(kù)枯水期水域面積的變化情況，同時(shí)結(jié)合氣象資料分析變化原因。

1 研究區(qū)概況

八一水庫(kù)位于福州市城區(qū)北郊，距城區(qū)約5 km，集水面積15 km2，區(qū)內(nèi)水系源于北峰和葉洋村的赤橋溪。研究區(qū)地處亞熱帶，溫暖濕潤(rùn)，雨水充足，年平均氣溫19.7 ℃，年降水1 000～1 600 mm，春季降雨分春雨期和梅雨期，夏秋季為臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié)，降雨頻繁，強(qiáng)度大，常出現(xiàn)大雨到暴雨，易造成洪澇災(zāi)害。水庫(kù)總庫(kù)容310萬(wàn)m3，屬于小(一)型水庫(kù)。大壩為黏土土壩，長(zhǎng)500 m，高20.6 m，頂寬2.6 m，壩頂高程為51 m。水庫(kù)內(nèi)日常水位48.5 m，汛期水位47.5 m。輸水涵洞和溢洪道都設(shè)在壩東，輸水涵洞長(zhǎng)120 m，最大流量1.5 m3·s-1；溢洪道長(zhǎng)444 m。寬頂堰設(shè)4孔大閘，閘門由手動(dòng)和電動(dòng)兩用機(jī)械控制，最大泄洪量442 m3·s-1。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

遙感數(shù)據(jù)來(lái)自Google Earth歷史影像庫(kù)的高分辨率遙感影像和高程數(shù)據(jù)，其中影像的空間分辨率為0.5～0.6 m/像素，高程的空間分辨率為9m/像素。研究區(qū)為福州八一水庫(kù)庫(kù)區(qū)，選擇影像成像時(shí)間較為接近(1—2月)的2013—2015年的晴空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共3景，衛(wèi)星影像參數(shù)如表1所示。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的福州烏山氣象標(biāo)準(zhǔn)站2013—2015年的逐日氣溫、降水量、蒸散量數(shù)據(jù)。

表1 選取的Google Earth衛(wèi)星資料參數(shù)

2.2 研究方法

利用91衛(wèi)圖助手軟件查找并下載研究區(qū)的Google earth衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中將影像數(shù)據(jù)由地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(WGS 1984)為投影坐標(biāo)系(WGS1984 UTM 50N)，并以2015-01-18影像為基準(zhǔn)，利用地理配準(zhǔn)模塊將其他年份的影像進(jìn)行幾何校正。因水域與陸地在影像的色彩及紋理特征差異明顯，故直接利用目視解譯進(jìn)行陸地與水域的識(shí)別，勾繪水庫(kù)水域邊界，獲得水域面積。八一水庫(kù)屬城市水庫(kù)，調(diào)蓄洪水屬其主要功能之一，臺(tái)風(fēng)暴雨前，因防洪抗?jié)车男枰?，水?kù)管理處會(huì)提前排放水量，增大蓄洪庫(kù)容量。每年10月過后，臺(tái)風(fēng)較少，且進(jìn)入枯水期，除了正常排放水量到下游河道以外，人為原因調(diào)節(jié)水庫(kù)水位的可能性較小，水庫(kù)的水位主要受降水量和蒸發(fā)量的影響。本文3期影像對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為冬季枯水期，為了研究水庫(kù)水域面積與降水、蒸發(fā)的影響，取影像成像時(shí)間點(diǎn)之前3個(gè)月的降水量和蒸發(fā)量，分析水域面積與降水量和蒸發(fā)量的關(guān)系。

本文利用Arcgis軟件制圖和分析，應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 八一水庫(kù)水域面積衛(wèi)星影像提取結(jié)果

由下載的并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的DEM可知，福州八一水庫(kù)庫(kù)區(qū)三面環(huán)山南面大壩攔截，水庫(kù)高程39～50 m。在經(jīng)幾何精校正的高分辨率衛(wèi)星影像上沿水庫(kù)大壩及岸線邊緣，勾繪水庫(kù)最大庫(kù)容水域邊界，如圖1、圖2所示，經(jīng)計(jì)算最大庫(kù)容水域面積為25.36 hm2。

由于三期影像分辨率達(dá)亞米級(jí)，影像中地物色彩及紋理特征明顯，由影像可知，最大庫(kù)容線內(nèi)呈暗藍(lán)色為水域，棕黃色、暗綠色、淺黃色為裸露地、草地等非水域。水域有兩塊，西側(cè)一小塊為私人承包供人釣魚的魚塘，有田埂隔離，常年有水，面積不變，東側(cè)水域不同年份面積不一樣，這三景影像水域面積分別為23.54 hm2、12.91 hm2和7.89 hm2，如表2和圖3～5所示。

圖1 八一水庫(kù)DEM圖

圖2 八一水庫(kù)最大庫(kù)容邊界

表2 影像解譯的八一水庫(kù)水域面積一覽表 hm2

圖3 2013-01-16八一水庫(kù)水位線

圖4 2014-02-02 八一水庫(kù)水位線

圖5 2015-01-18 八一水庫(kù)水位線

3.2 水庫(kù)水域面積年變化及其與降水量、蒸發(fā)量的關(guān)系

由表3可知，2013—2015年，八一水庫(kù)的水域面積呈逐年下降，平均下降速率為7.83 hm2·a-1；影像成像之前3個(gè)月降水量呈下降趨勢(shì)，平均下降速率為68.1 mm·a-1，前2個(gè)月降水量下降趨勢(shì)與前3個(gè)月基本一致，平均下降速率為67.8 mm·a-1，前1個(gè)月降水量呈快速下降又快速上升的趨勢(shì)；蒸發(fā)量均呈略微變動(dòng)，前3個(gè)月的蒸發(fā)量先略微下降再升高，前2個(gè)月和前1個(gè)月的蒸發(fā)量均呈略微升高。除了2013年的蒸發(fā)量略小于降水量之外，2014和2015年的蒸發(fā)量均大于降水量。將2013—2015年八一水庫(kù)水域面積與影像成像之前3個(gè)月、前2個(gè)月、前1個(gè)月的降水量進(jìn)行皮爾森相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果顯示，前3個(gè)月的降水量與水域面積的相關(guān)系數(shù)為0.995，相關(guān)性極顯著(P<0.01)，前2個(gè)月的降水量與水域面積的相關(guān)系數(shù)為0.983，相關(guān)性顯著(P<0.05)，前一個(gè)月的降水量與水域面積的相關(guān)系數(shù)為-0.229，相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

表3 八一水庫(kù)水域面積與降水量、蒸發(fā)量

注：時(shí)間指衛(wèi)星影像成像之前的3個(gè)月、2個(gè)月和1個(gè)月。

4 結(jié)論與討論

福州八一水庫(kù)2013—2015年冬季(1—2月)水域面積呈逐年下降，年均下降速率為7.83 hm2·y-1，蒸發(fā)量變化幅度較小，水域面積變化與影像成像之前3個(gè)月降水量、前2個(gè)月降水量相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)超過0.983。水庫(kù)水域面積逐年下降的主要原因是降水量顯著減少導(dǎo)致。除了氣象原因，人為活動(dòng)等其他因素也可能導(dǎo)致水庫(kù)水域面積變化，筆者將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步闡述。

Google Earth數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)全球各地高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，在城市及人類重要活動(dòng)區(qū)存儲(chǔ)亞米級(jí)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)并經(jīng)常更新，為水庫(kù)水域面積的影像解譯提供了更高的精度。對(duì)福州八一水庫(kù)水域面積進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，能夠更直觀地了解八一水庫(kù)水域面積的動(dòng)態(tài)變化，本文的研究方法可為其他水庫(kù)水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考。

[1] 盧碧林，嚴(yán)平川，田小海，等．湖北省主要大中型水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況及特征分析[J]．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2012，21(5)：634-640

[2] 徐德增.基于高分辨率遙感影像的大伙房水庫(kù)水域面積變化監(jiān)測(cè)[J].水利發(fā)展研究,2016(7):50-52

[3] 苗立新，唐守正，李霞，等.利用掩膜主動(dòng)輪廓模型提取水庫(kù)水面面積[J].水土保持研究，2010，17(5) :7-11

[4] 曹榮龍，李存軍，劉良云，等.基于水體指數(shù)的密云水庫(kù)面積提取及變化監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪科學(xué)，2008，33(2) : 158-160

[5] 林韻.基于HEC-HMS模型的洪水重現(xiàn)期研究——以福州市八一水庫(kù)流域?yàn)槔齕D].福州：福州大學(xué),2009

Dynamic Monitoring of Water Area of Bayi Reservoir in Fuzhou based on Google Earth Images

Le Tongchao1,Pan Hui2,Nie Sen1,Jiang Zhenlan2

(1.Fujian Forestry of Science,Fuzhou 350012,China; 2.Minjiang University,Fuzhou 350108,China)

In order to monitor water area of Bayi Reservoir in Fuzhou in low water seasons,three phase high-resolution-satellite images in winter (from January to February) were downloaded from Google Earth database Server,and extracted the water border by visual interpretation of remote sensing images.Research shows that the water area was reduced year by year.It is 23.54 hm2at 2013,closing to the maximum water area of reservoir; the water area is the smallest,being 7.89 hm2.It is significant correlation between water area and rainfall and the related coefficient exceed 0.983.

Bayi reservoir; images of Google Earth ; visual interpretation ;water area

1005-5215(2017)03-0036-03

2017-01-18

福建省社會(huì)發(fā)展引導(dǎo)性項(xiàng)目(2015Y0074)；福建省屬公益類科研院所專項(xiàng)(2016R1010-8)

樂通潮(1980-)，男，福建大田人，博士，高級(jí)工程師，從事林業(yè)3S技術(shù)、濕地生態(tài)等研究.

潘輝(1968-)，男，福建福州人，博士，教授，從事森林經(jīng)理、生態(tài)學(xué)等研究.

TP79；P208

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.015