史志方，崔耀平，熊廣成，劉小燕，閏亞迪，李夢迪，趙浩程

1.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室（河南大學(xué)），河南開封 475004

2.大別山－淮河流域河南大別山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南信陽 464000

3.河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南開封 475004

4.河南省土地整理中心，鄭州 450016

5.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（生態(tài)產(chǎn)品價值核算），鄭州 450016

關(guān)鍵字：丹江口水庫；水體邊界；Google Earth Engine；水源面積變化

引 言

丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程源頭，通水后有效地緩解了京津冀地區(qū)的用水問題，減少了地下水的開采量，改善了受水地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[1]。在南水北調(diào)通水之后，由于水庫主體大壩加高工程等，丹江口水庫水位上升，淹沒了庫周大量土地，將會導(dǎo)致庫區(qū)土地利用格局發(fā)生變化，并引起土壤質(zhì)量退化、植被覆蓋度減少等環(huán)境問題[2]。水庫通過與陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流通，可以形成局部小氣候，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候[3]。因此，對丹江口水庫的水體變化進行長時間序列的動態(tài)變化監(jiān)測，不僅在保證南水北調(diào)水量方面起到重要作用，還對于庫區(qū)植被恢復(fù)、水質(zhì)監(jiān)測和改善生態(tài)環(huán)境有著重要意義。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)提取的地表水體產(chǎn)品成為目前相關(guān)研究的重要數(shù)據(jù)來源之一。目前主要地表水體產(chǎn)品主要有：GlobeLand30_WTR (Global Land Surface Water Dataset at 30 m Resolution)[4]、GLCF-GIW(Global Land Cover Facility，GLCF；Global Inland Surface Water，GIW)[5]等。其中GlobeLand30_WTR 地表水體產(chǎn)品的時間范圍為2000、2010、2020 年，空間分辨率為30 m；GLCF-GIW 水體產(chǎn)品的時間范圍為2000 年，空間分辨率為30 m，兩者均無法實現(xiàn)對地表水體變化的動態(tài)監(jiān)測。由于使用傳統(tǒng)的遙感方法提取水體需要耗費大量的時間[6-7]，并且難以對大量影像數(shù)據(jù)進行處理，通常采用小規(guī)模的遙感數(shù)據(jù)進行研究[8-9]。Google Earth Engine 云平臺可以提供大量遙感影像集，同時兼顧快速、批量處理大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)的運算能力[10-11]。本研究基于Google Earth Engine 云平臺，采用多時相Landsat 遙感影像集，通過利用水體指數(shù)和植被指數(shù)之間的關(guān)系，以獲取長時間序列的丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)集，可作為研究南水北調(diào)中線源頭丹江口水庫水文生態(tài)變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用了2000–2020 年研究區(qū)全年所有的Landsat 影像，空間分辨率均為30 m。數(shù)據(jù)來源于Google Earth Engine 云平臺，圖1 是在對丹江口水庫邊界擴張動態(tài)變化監(jiān)測過程中逐年所采用的影像數(shù)量，共1631 景。Landsat 采集的1 級圖像已經(jīng)進行了幾何和大氣校正，以及不同傳感器之間的交叉校準(zhǔn)[12-13]。對每幅圖像都使用掩膜處理的方法去除云、云陰影和山體陰影像素。該方法效果良好，適用于監(jiān)測Landsat 數(shù)據(jù)變化[14]。利用陸地衛(wèi)星圖像中的太陽方位角和天頂角以及航天飛機雷達(dá)地形任務(wù)中的數(shù)字高程模型，考慮并消除了地形陰影。所有剩余的像素都被認(rèn)為是高質(zhì)量的陸地衛(wèi)星觀測，可用于開放地表水體測繪。最后生成年度無云和無雪水體影像集。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用水和植被指數(shù)之間的關(guān)系可以探測到開闊地表水體，之前的研究已經(jīng)基于時間序列陸地衛(wèi)星圖像和基于指數(shù)和閾值的水體測繪算法進行了水體變化分析[15-17]。本研究基于Google Earth Engine（GEE）平臺利用遙感大數(shù)據(jù)在水體制圖中使用了水和植被指數(shù)，包括修正的歸一化差異水指數(shù)（mNDWI）、增強植被指數(shù)（EVI）和歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）。這些水體和植被指數(shù)是根據(jù)以下光譜波段和方程，利用無云無雪的陸地衛(wèi)星TM、ETM+和OLI 地表反射圖像計算的：

式中ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR和ρSWIR1是Landsat TM 傳感器中藍(lán)色（0.45–0.52 m）、綠色（0.52–0.60 mm）、紅色（0.63–0.69 mm）、近紅外（NIR）（0.77–0.90 mm）和短波紅外（SWIR1）（1.55–1.75 mm）波段的表面反射率值。基于已獲取的水體和植被指數(shù)，首先通過GEE 平臺中的median 函數(shù)來獲取研究區(qū)范圍每個像素水體和植被指數(shù)的中位數(shù)，其次利用moasic 函數(shù)將研究區(qū)范圍內(nèi)的各景影像拼接起來，根據(jù)每年水體和植被指數(shù)的中位數(shù)將影像進行合成。

采用mNDWI>EVI 或mNDWI>NDVI 作為判別標(biāo)準(zhǔn)，對水信號強于植被信號的像素點進行識別。EVI <0.1 可以保證去除植被像素或水和植被混合像素。因此，只有那些符合標(biāo)準(zhǔn)（mNDWI>EVI 或mNDWI>NDVI）和（EVI <0.1）的像素被分類為水體像素，而其他像素被分類為非水體像素。在獲取影像的水體數(shù)據(jù)分布后，對于一年中的每個水體像素，本研究采用以下公式來獲取該處的水體分布頻率值，進行年水體頻率影像的計算：

式中，F(xiàn)是該像素的水頻率，y是指定年份，Ny是該像素在該年的陸地衛(wèi)星觀測總數(shù)，wy,i表示該像素的一次觀測是否為水，1 表示水，0 表示非水。

在丹江口水庫逐年空間分布數(shù)據(jù)集的制備過程中，首先，通過利用一年中所有的Landsat 數(shù)據(jù)，采用CFmask 算法在像元尺度上進行了云、云陰影及地形陰影等無效觀測的檢測與去除，保留所有的有效觀測。在此基礎(chǔ)上，分別對每一個Landsat 有效觀測進行水體和非水體的判別，從而得到每個像元在該年份的水體頻率，進而得到該年份丹江口水庫的水體頻率圖。同樣地，進而生成了2000–2020 年間逐年的丹江口水庫水體頻率圖。根據(jù)之前的研究[18-19]，為了區(qū)分水體分布的季節(jié)性和永久性，去除因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題而出現(xiàn)的噪聲，本研究分別利用0.25 和0.75 作為季節(jié)性水體和永久性水體的頻率閾值，即地表水頻率在0.25–0.75 之間的水體為季節(jié)性水體，頻域大于或等于0.75 的水體像元為永久性水體。根據(jù)此方法對水體進行處理，得到丹江口水庫2000–2020 年的水體時空動態(tài)變化特征。整體流程圖如圖2 所示。

圖2 水體提取流程圖Figure 2 Flow chart of water extraction

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

2000–2020 年丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)集一共21 期數(shù)據(jù)，每期數(shù)據(jù)以相應(yīng)年份進行命名，數(shù)據(jù)存儲為TIF 柵格數(shù)據(jù)格式，投影系統(tǒng)為WGS-1984?？倲?shù)據(jù)量為6.92 MB，所有數(shù)據(jù)保存為1 個壓縮文件（2000–2020 年丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)集.rar）。水體數(shù)據(jù)屬性值以1、2 進行表示，其中1 代表季節(jié)性水體，2 代表永久性水體。此外，其中2007、2008、2009、2013 年水體影像中存在空白，將空白區(qū)域填補后以999 作為屬性值進行表示。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

本數(shù)據(jù)集包含了2000–2020 年的丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)，主要說明了丹江口水庫水體的分布狀況及動態(tài)變化（圖3）。在2000–2020 年間丹江口水庫水域面積先是處于波動變化，后出現(xiàn)了明顯上升的趨勢。2000–2014 年間丹江口水庫面積一直處于波動變化狀態(tài)，水體邊界雖有變化，但水體面積并未出現(xiàn)明顯變化特征。2000 年的水體面積為212.62 km2，到2014 年水體面積為227.39 km2，水體面積均值為236.37 km2。2015–2020 年間丹江口水庫水域面積一直處于波動上升的過程，2015 年水體面積為309.76 km2，到2020 年水體面積波動上升為386.66 km2，水體面積均值為358.12 km2。主要原因是為了保證南水北調(diào)中線工程對京津冀等缺水區(qū)域的供水量，丹江口水庫大壩加高，使得丹江口水庫水位上升，淹沒了庫周約189.71 km2的土地，使得水體面積快速增加。

圖3 2000–2020 年丹江口水庫地表水體面積變化圖Figure 3 Changes of surface water area of Danjiangkou Reservoir from 2000 to 2020

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為了驗證丹江口水庫水體提取的精度，本研究采用了第三次全國國土調(diào)查（三調(diào)）數(shù)據(jù)及Google Earth 影像與水體影像進行比對。將提取得到的2019 年地表水體影像與三調(diào)數(shù)據(jù)以及當(dāng)年12 月的衛(wèi)星影像進行對比驗證可以發(fā)現(xiàn)，地表水體影像在圖4 中各典型地區(qū)的細(xì)節(jié)表現(xiàn)程度較好，可以精確展示丹江口水庫水體的動態(tài)變化情況。本研究同時以第三次全國國土調(diào)查的丹江口水庫水體數(shù)據(jù)為準(zhǔn)進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)2019 年提取的地表水體與三調(diào)數(shù)據(jù)的丹江口水庫水體數(shù)據(jù)的重合度達(dá)到94.61%。整體而言，本研究所采用的水體提取方法對于丹江口水庫的水體提取精度較好，可以滿足用戶對于數(shù)據(jù)集的精度要求。

在制備數(shù)據(jù)集的過程中，由于方法和數(shù)據(jù)問題會對數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生一定的影響。首先，Landsat衛(wèi)星的重訪周期為16 天，因此可能會錯過一些存在時間較短的地表水體（如洪水等）。同時由于衛(wèi)星影像的空間分辨率為30 m，一部分地表水體由于面積過小，在水體提取過程中無法被識別。因此，在數(shù)據(jù)集中，季節(jié)性水體的分布面積相較于實際情況可能會被低估。其次，質(zhì)量保證（QA）波段是Landsat 影像質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，可能會影響制圖效果。一些低質(zhì)量的觀測結(jié)果（如云、云陰影）在經(jīng)過CFmask 算法過濾后可能仍然存在，這就會導(dǎo)致在水體頻率分布圖中錯分出一部分低頻率分布的水體像元。因此在數(shù)據(jù)集中，相較于季節(jié)性水體，永久性水體的提取效果更好。在之后的研究中，可以考慮采用多源數(shù)據(jù)，通過利用其他高空間分辨率的衛(wèi)星傳感器（如Sentinel-1、Sentinel-2 等）提供更加精細(xì)的水體數(shù)據(jù)集。

4 數(shù)據(jù)價值

丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程源頭，是中國第一大人工淡水湖，其水體面積變化對于區(qū)域氣候以及庫周的生態(tài)環(huán)境變化都存在著重要影響。受到南水北調(diào)中線工程的影響，丹江口水庫主體大壩加高，水位上升，淹沒了庫周大量土地。2015 年以來，丹江口水庫水體面積增長顯著。

本數(shù)據(jù)集基于Google Earth Engine 云平臺，利用1631 景Landsat TM 影像，通過修正歸一化差分水體指數(shù)（mNDWI）、增強植被指數(shù)（EVI）、歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）等水體和植被指數(shù)進行水體信息制圖，以丹江口水庫作為研究區(qū)，制作了2000–2020 年間21 期丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)集。一方面采用了GEE 云平臺來實現(xiàn)對丹江口水庫水體變化的動態(tài)監(jiān)測，提高了水體提取精度；另一方面作為長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以為研究丹江口水庫水體時空變化提供依據(jù)，也可以作為研究該區(qū)域氣候變化、生態(tài)環(huán)境變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

2000–2020 年丹江口水庫水體邊界數(shù)據(jù)保存格式為TIF，ArcGIS、QGIS、ENVI 等常用的GIS 與遙感軟件都支持對本數(shù)據(jù)集的讀取和操作。本數(shù)據(jù)集描述了淅川縣丹江口水庫水體邊界在2000–2020年的動態(tài)變化情況，可用以分析丹江口水庫在2000–2020 年擴張過程中對周圍地區(qū)土地利用格局所造成的影響。本數(shù)據(jù)集與三調(diào)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)集精度較高，可以用于檢驗和評價2000–2020 年相同區(qū)域的水體數(shù)據(jù)精度。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

史志方（1998—），男，河南南陽市人，博士，研究方向為遙感大數(shù)據(jù)處理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理、論文撰寫。

崔耀平（1984—），男，河南周口市人，博士，教授，研究方向為遙感大數(shù)據(jù)和土地利用。主要承擔(dān)工作：總體方案設(shè)計，數(shù)據(jù)論文修改。

熊廣成（1976—），男，河南信陽市人，碩士，高級工程師，研究方向為土地管理。主要承擔(dān)工作：參與方案設(shè)計。

劉小燕（1996—），女，河南登封市人，博士，研究方向為大數(shù)據(jù)制圖綜合。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)制圖與分析。

閏亞迪（1995—），女，河南安陽市人，碩士，研究方向為遙感圖像解譯。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)預(yù)處理。

李夢迪（1995—），女，河南商丘市人，博士，研究方向為土壤環(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：輔助分析。趙浩程（1994—），男，河南開封市人，碩士，研究方向為工程制圖。主要承擔(dān)工作：輔助制圖。