龔文峰,周 瑩,李 恒,曹凱華,王思聰

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江國防科學(xué)技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040;3.哈爾濱市磨盤山水庫管理處，黑龍江 哈爾濱 150001)

水庫是在河道、山谷、低洼地和地下透水層修建擋水壩或堤堰、隔水墻，形成集水的人工湖[1]，其不僅是人們改造河流和綜合利用水資源的重要方式[2]，更是人類社會生產(chǎn)和生活所需要的重要淡水來源，在城市供水、工業(yè)用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防汛抗旱、景觀旅游，以及跨流域調(diào)水等方面發(fā)揮著巨大作用[3]，同時又是陸地水循環(huán)的重要組成部分[4]。2006年以前哈爾濱市水源地主要是松花江的朱順屯-四方臺江段，在水質(zhì)和水量上都比較緊張[5]，尤其是2005年11月發(fā)生的松花江水污染事件，經(jīng)過松花江化工廠污染后其水質(zhì)更不能得到保障。因此，哈爾濱市急需找到安全的飲用水源地。磨盤山水庫是拉林河干流最上一級水庫，2006年后成為哈爾濱、五常等市居民生活用水的重要水源地，然而哈爾濱市在全國屬于人均占有可支配水量較少的城市[5]，470多萬市區(qū)人口的生活用水基本上都來源于磨盤山水庫，此外再加上工業(yè)和其他方面用水，在一定程度上加劇區(qū)域飲用水的供需矛盾?；诖?，借助于不同方法探究磨盤山水庫水域面積，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域水資源的管理，即通過對該水庫水域面積的監(jiān)測，對水資源的合理開發(fā)、利用和保護(hù)有著極其重要的作用，而且對保護(hù)及保障哈爾濱市民飲用水水源地的飲水安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

遙感技術(shù)具有宏觀、實(shí)時、動態(tài)監(jiān)測及成本低等諸多特點(diǎn)，能夠?yàn)榇蠓秶虮O(jiān)測和相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的反演研究創(chuàng)造條件[6]，廣泛應(yīng)用于水體監(jiān)測、水環(huán)境評估、水資源管理、水庫水情和水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測等諸多方面[7-10]。本文以2015年7月的Landsat 8 OLI 影像為主要數(shù)據(jù)，利用歸一化差異水體指數(shù) (NDWI)、修正型歸一化水體差異指數(shù)法(MNDWI)和結(jié)合RS和GIS邊界矢量化等不同方法獲取磨盤山水庫的水域面積，實(shí)現(xiàn)對水庫水域面積的定量提取，以期為研究區(qū)域的水資源保護(hù)、水利規(guī)劃和水資源合理利用提供依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為磨盤山水庫水文監(jiān)測和水資源管理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況

磨盤山水庫壩址位于黑龍江省五常市拉林河干流上游沙河子鎮(zhèn)沈家營村上游1.8 km附近，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候地區(qū)，天氣較為寒冷，年平均氣溫在3 ℃左右，極端最低氣溫-40.9 ℃，極端最高氣溫35.6 ℃，多年平均降雨量500～800 mm；無霜期110～140 d。自然資源豐富，名貴樹種主要為紅松、云杉、冷杉和樟子松等，水庫區(qū)域的土壤類型主要有暗棕色森林土、白漿土和黑土等。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)處理

本文中Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)是從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)下載的，影像的時間為2015年7月，選取的數(shù)據(jù)成像質(zhì)量良好且云量相對較少。影像軌道的列號為117，行號為029，其空間分辨率為30 m。在ENVI5.3軟件的支持下，完成遙感數(shù)據(jù)的波段組合和輻射定標(biāo)等處理，基于FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正處理，借助于ArcGIS完成水庫的邊界矢量化處理，并進(jìn)行500 m的緩沖區(qū)分析，基于緩沖區(qū)邊界完成遙感影像的裁剪。

2.2 水體指數(shù)提取

McFeeters利用TM 影像近紅外波段與綠波段水體信息具有較強(qiáng)的吸收和反射特性差異[11]，提出了歸一化差異水體指數(shù)NDWI(Normalized Difference Water Index, NDWI)，徐涵秋在McFeeters構(gòu)建的歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)的基礎(chǔ)上改進(jìn)修訂，創(chuàng)建了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index, MNDWI)[12]，計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Green、NIR(nearinfrared)、MIR(middleinfrared)分別為綠波段、近紅外波段、短波紅外波段，在Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)中，對應(yīng)的波段數(shù)分別為第3、5和6波段像元的灰度值。

2.3 水體矢量化提取

在ENVI5.3遙感軟件的支持下，采用Gram-Schmidt方法完成圖像融合處理，生成15 m的融合遙感圖像，然后將融合后的遙感影像調(diào)入ArcGIS10.3 中去，基于矢量編輯工具，對Landsat8 OLI中的水體邊界進(jìn)行跟蹤矢量化處理，在矢量化處理過程中，把圖像放大，并保證準(zhǔn)確到2個像元，矢量化處理完畢后，建立多邊形的拓?fù)潢P(guān)系，然后計(jì)算面積。

3 結(jié)果分析

3.1 提取精度分析

根據(jù)以上方法獲取的水體信息如圖1所示，同時根據(jù)Landsat OLI成像的準(zhǔn)確時間，借助于磨盤山水庫同一時間的水文觀測資料、水庫水位和流量等水文數(shù)據(jù)，基于庫容曲線計(jì)算出當(dāng)時的庫區(qū)水面面積值為22.012 km2，并將不同方法所獲取的水庫面積與實(shí)測值進(jìn)行對比，如表1所示。

圖1 水庫水體信息提取方法

提取方法水庫面積/km2絕對誤差/km2相對誤差/%遙感水體指數(shù)法NDWI21.12210.88994.210MNDWI21.72510.28691.320矢量化法RS+GIS21.99610.01590.072水庫觀測水文數(shù)據(jù)22.01200

結(jié)果表明：基于RS+GIS的矢量化法所提取庫區(qū)水體面積的相對誤差最小，僅為0.072%，其絕對誤差為0.0159 km2，說明該方法所得到的計(jì)算結(jié)果與水庫面積的實(shí)際結(jié)果最為接近，提取的效果非常理想；其次是采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)，其絕對誤差為0.2869 km2，使用該方法不僅提取出了大面積區(qū)域的水體信息，而且也提取出了小面積水體信息，且該方法所提取的水庫面積也和實(shí)際觀測的面積很接近；基于歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)所提取的水體面積相對誤差最大，為4.21%，且絕對誤差也是最大，為0.8899 km2，源于該方法在提取水庫水體信息時，受地物光譜影響，存在著一定的漏分情況，但該方法提取的精度也達(dá)到了預(yù)期要求，提取結(jié)果也比較接近于實(shí)測結(jié)果?？傊?，基于RS+GIS的矢量化方法提取精度最高，其次是MNDWI法，最次為NDWI法。

3.2 提取結(jié)果細(xì)節(jié)分析

分析圖2可知，NDWI法雖然可以快速且相對完整的完成水庫水體信息提取，但由于受光譜的影響，出現(xiàn)部分水體漏提的現(xiàn)象，且存在著誤提現(xiàn)象[13]，該方法所提取的水庫水域邊界平滑程度不強(qiáng)，呈現(xiàn)了一定鋸齒現(xiàn)象，且部分細(xì)小的河流也沒有完全提取出來，出現(xiàn)河流斷線現(xiàn)象；MNDWI 法是在NDWI法研究基礎(chǔ)上改進(jìn)而新生成的，該方法對水庫水體信息提取的精度要高于NDWI法，且水庫水體信息邊界的完整化程度較高，水庫邊界的平滑程度較高，雖然也呈現(xiàn)出較小的鋸齒現(xiàn)象，但水體信息基本上符合實(shí)際地理分布。此外一些細(xì)小河流的水體信息被提取，但在一定程度上也存在著水庫水體信息誤提現(xiàn)象。基于RS+GIS的矢量化方法提取的水庫完整化程度最高，邊界的平滑程度也最好。但是同傳統(tǒng)的測量方法相比，雖然矢量化方法獲取的結(jié)果與真實(shí)值最為接近，且邊界形狀最符合水庫的水體信息狀況，但是水體在矢量化過程中會花費(fèi)大量的時間，且手工跟蹤水體邊界信息時，會出現(xiàn)一定誤差；遙感水體指數(shù)法受地物光譜影響，存在著誤提和漏提現(xiàn)象，且所獲得水體信息與實(shí)際結(jié)果存在著一定的誤差，水體的邊界平滑程度相對差一些，但該方法所提取的水體信息具有較高的精度，且方法簡單快捷，對水體信息的提取速度相對較快，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)法和矢量化法，同時水體的遙感指數(shù)法可操作性強(qiáng)，能夠應(yīng)用于精度要求相對不是太高水體的監(jiān)測與應(yīng)急監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)水體的自動化提取。

圖2 水庫水體信息提取細(xì)節(jié)對比

4 結(jié) 語

本文以磨盤山水庫為研究對象，以Landsat OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，基于遙感水體指數(shù)法和矢量化法獲取研究區(qū)的水體信息，該結(jié)果可為庫區(qū)水資源管理、應(yīng)急監(jiān)測和防洪減災(zāi)提供一定科學(xué)依據(jù)。通過對比發(fā)現(xiàn)，遙感水體指數(shù)法不僅能夠快捷迅速的獲取水庫的水體信息數(shù)據(jù)，且更能體現(xiàn)出遙感技術(shù)在水庫面積監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測和水資源管理等方面的優(yōu)勢性。此外，該方法與GIS技術(shù)相結(jié)合，可為今后準(zhǔn)確提取水庫水域面積拓展新的技術(shù)空間，更能夠提高水庫的水資源監(jiān)測和現(xiàn)代化的管理水平，為數(shù)字水庫建設(shè)提供技術(shù)支持。