基于MODIS遙感影像數據的洞庭湖蓄水量估算

摘 要：以洞庭湖為研究對象，應用MODIS遙感影像、水位以及湖底DEM數據估算洞庭湖蓄水量.根據水體在近紅外和紅外波段的吸收特性，通過對MODIS數據NDVI指數和NIR波段分別設置閾值的方法來實現對洞庭湖水面的動態提取.根據洞庭湖流域各水文/水位站的水位數據，進行空間插值，得到洞庭湖多個時段的水位空間分布.結合洞庭湖水面提取數據、水位插值數據和湖底DEM，估算洞庭湖蓄水量，并以此初步分析三峽截流前后洞庭湖流域的水文響應.結果顯示，該方法能有效實現對洞庭湖蓄水量的估算，計算得出的水面面積、蓄水量有明顯的相關性；洞庭湖蓄水量與城陵磯水位呈現明顯的3次曲線關系，截流前后3年擬合方程決定系數分別達到了0.915和0.928；截流后三峽工程調蓄功能初顯，連續3年洞庭湖汛期累積水量占全年水量比重減小；與此同時夏末秋初三峽水庫蓄水，下泄水量減少加劇了2006年洞庭湖流域夏秋連旱的影響.



關鍵詞：遙感；水面面積；蓄水量；洞庭湖；三峽工程

中圖分類號：X52文獻標識碼：A

Estimation of the Water Volume of the Dongting Lake with TERRA/MODIS Data



CAI Qing1，2，HUANG Lu1，2，LIANG Jie1，2，LI Xiaodong1，2，LONG Yong1，2， XIAO Yi3，LIU Kabo4，XIE Gengxin1，2，ZENG Guangming1，2

(1. College of Environmental Science and Engineering， Hunan Univ， Changsha，Hunan 410082，China; 2. Key Laboratory 

of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan Univ)， Ministry of Education， Changsha，Hunan 410082，China;

3. Dept of Water Resources of Hunan Province， Changsha，Hunan 410007，China;

4. Dongting Lake Hydraulic Engineering Administration Bureau， Changsha，Hunan 410007，China)

Abstract:This paper studied the water volume of the Dongting Lake by using Terra/MODIS satellite data， water level and lake bottom DEM (Digital Elevation Model). As water has a high absorption rate in the near infrared and infrared band， the water area of the Dongting Lake was extracted by setting thresholds on NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and NIR (Near InfraRed). A water level distribution map was obtained by interpolating the water level data from hydrological stations. The volume of the Dongting Lake was estimated by using the water area map， the water level distribution map and the lake bottom DEM. The hydrological response of the Dongting Lake on the Three Gorges was studied by using the water level， area， and volume data. The result has shown that the method mentioned above can be used for water volume estimation of the Dongting Lake. The water area， water volume and water level have a high correlation. The water level of Chenglingji and water volume of the Dongting Lake was fitted by cubic curve， and the coefficients of the determination of the fitting curves were 0.915 and 0.928， respectively. The Three Gorges Project has shown the ability of flood storage after interception， and the cumulative water volume ratio of flood season decreased year by year from 2004 to 2006. At the same time， during late summer and early autumn， the impoundment of the Three Gorges Project causes the decrease of water discharged， which increases the drought of the Dongting Lake.



Key words:satellite; water area; water volume; the Dongting Lake; Three Gorges



洞庭湖是長江中下游重要的調蓄型湖泊，對長江中下游地區調蓄洪水、維持水沙平衡等具有重要作用，同時也最容易受長江水勢的影響.近年來長江中游一系列工程措施，如調弦口堵口、荊江截彎、葛洲壩樞紐工程等，在改變長江水文特征的同時，不可避免地對洞庭湖造成一定影響.研究長江中下游河段水利設施對洞庭湖的影響具有理論和現實意義.目前，在洞庭湖水面水量研究方面，李景剛等研究了MODIS數據在洞庭湖水面面積變化中的應用［1-2］，龜山哲等利用水位和湖區數字高程模型分析了洞庭湖水量年內變化［3］.由于三峽工程投入運行時間不長，三峽工程對洞庭湖水文情勢的影響研究尤其是涉及洞庭湖蓄水量變化的研究還少見報導.同時目前對湖泊水量的研究中多數忽略了水位梯度，使用某個水文站測得的水位數據代替大面積湖區的水位，并以此估算蓄水量；對洞庭湖這類大型過水型湖泊來說忽略水位梯度往往會給水量測算帶來較大的計算誤差.本文以洞庭湖為研究對象，在考慮洞庭湖水位梯度的前提下，利用MODIS遙感影像數據以及湖底高程數據，研究洞庭湖水位-水域面積-水量三者之間的相互關系和變化趨勢，旨在分析洞庭湖對三峽工程運行初期的水文響應，為長江中游后三峽時代水文調度提供依據.

湖南大學學報(自然科學版)2012年

第4期蔡 青等：基于MODIS遙感影像數據的洞庭湖蓄水量估算

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

以洞庭湖為研究對象.湖區位于荊江南岸，跨湘、鄂兩省，介于北緯28°30′~30°20′，東經110°40′~113°10′之間.豐水期湖面海拔平均33.5 m，其中西洞庭35~36 m，南洞庭34~35 m，東洞庭33~34 m，平均水深6~7 m，最深處30.8 m；主要入湖河流有湘江、資江、沅江、澧水、長江三口、汨羅江、藕池東支、華容河等.

1.2 數據來源

1）水位數據：研究收集了洞庭湖及周邊各水文站和水位站的水位數據，包括城陵磯、岳陽、鹿角、營田、楊柳潭、沅江、小河咀、南咀、石龜山、安鄉、北景港11個水文/水位站點（圖1）.三峽工程在2003年開始蓄水，因此本文選擇蓄水前后3年的數據進行比對分析.

圖1 研究區域概況圖

Fig.1 Sketch map of study area

2）SRTM數字高程數據：來源于美國對地觀測數據庫(Global Land Cover Facility，GLCF)的3弧秒(約90 m)分辨率的全球高程數據，數據采集時間為2000年2月中旬，此時洞庭湖正處在枯水期，城陵磯水位20 m左右，湖底高程數據質量較高.利用ArcGIS的空間分析(重采樣、重投影、地理配準等)功能，將洞庭湖湖底高程數據空間分辨率和空間投影方式處理成與Terra/MODIS MOD13Q1數據保持一致.

3）遙感影像數據：使用MODIS影像數據來實現對洞庭湖水面動態提取.數據從美國國家航空航天局(NASA)旗下的WIST網站（https://wist.echo.nasa.gov/api）申請.MODIS數據集包含多個數據產品，本文研究中選用TERRA衛星的植被指數數據產品集(MOD13Q1)，該數據集空間分辨率為250 m，時間分辨率16 d(為了保證植被指數的準確性，數據集對16 d影像進行了最大值合成).數據集包含歸一化植被指數數據(NDVI)、增強植被指數數據(EVI)、4個波段的反射率值和一系列質量描述文件等.

2 材料與方法

2.1 MODIS影像數據預處理

MOD13Q1數據產品已經采用最大值合成算法（MVC）進行了預處理，合成過程中優先選擇近星下點無云的像元，盡可能減小云、陰影、大氣中氣溶膠的影響，并應用二向反射率(BRDF)模型對觀測角度進行了訂正.因此數據集已經在一定程度上去除了云層等的影響和干擾，但是對長時間序列數據的研究發現，數據集仍存在一定程度的噪聲影響.在本文的研究中，為了增加洞庭湖水面提取的精度，使用TIMESAT軟件包對MODIS數據進行進一步的處理［4-5］，采用SG濾波去除NDVI等時間序列數據中突變的部分［6-7］，影像處理效果見圖2，由圖可知，該方法處理效果較好，能有效地去除MODIS時間序列的噪聲.

圖2 歸一化植被指數去噪效果

Fig.2 Denoise of NDVI timeseries

2.2 水面提取

參照李景剛等人的研究，利用MODIS影像數據提取水域，采取對MODIS13Q1數據的NDVI指數和NIR波段(近紅外波段反射率)分別設定閾值的方法提取水面［1-2］.在研究中NDVI指數與NIR波段閾值均設定為1 000，即認為NDVI和NIR波段值小于1 000的均為水面(MODIS數據集將NDVI和NIR數據分別乘以10 000，轉換成16位整數形式保存，以節省存儲空間).研究發現該方法對洞庭湖水面提取結果較好，能滿足本文研究的需要.

2.3 蓄水量估算

利用DEM數據、水位和提取的水域面積計算洞庭湖蓄水量（圖3）.計算過程如下：①利用MODIS數據提取洞庭湖水面范圍；②對提取出來的水面上每一個像素點，計算其水位與DEM高程之間的差值，得出該像素點的水柱高度；③水柱高度與像素面積相乘，得出該像素點水柱的體積；④將洞庭湖水面上所有像素點水柱體積積分，即得出洞庭湖該時間點的蓄水量.由于洞庭湖不同區域同一時刻水



圖3 MODIS數據不同規則的洞庭湖水面提取

Fig.3 Comparison of the extracted water area 

results from NDVI and NIR位差別較大，因此不能使用一個水位值進行計算.本

文使用洞庭湖區域10個水文站(暫無沅江水文站2004—2006年數據)的水位數據進行空間插值得到洞庭湖水位分布.根據MODIS影像數據的獲取時間，選擇與影像同期的水位數據；利用ArcGIS的空間分析功能，對10個水文站的水位數據進行反距離空間插值(Inverse Distance Weighting，IDW)，得到洞庭湖水位的空間分布(圖4).

圖4 湖底DEM與水位插值分布圖

Fig.4 DEM and inverse distance weighting interpolation 

for water level of Dongting Lake

考慮到洞庭湖湖底高程數據獲取時間為2000年2月，此時洞庭湖仍有一定的蓄水量，獲取的高程數據并非真正的湖底高程(此時水面被作為湖底)，因此最后蓄水量數據需要加上DEM數據采集時洞庭湖的蓄水量.參照相關文獻，確定洞庭湖該時段蓄水量為11.05×108m3［3，8］.

3 結果與分析

3.1 水面面積與蓄水量計算結果

根據2.3小節的方法，計算洞庭湖流域水面面積和蓄水量，繪制洞庭湖水位水面面積蓄水量變化曲線圖(圖5，蓄水量單位為108m3，下同).由圖可知，洞庭湖水位(城陵磯)面積蓄水量三者之間

圖5 水位面積，水位蓄水量，面積蓄水量關系曲線

Fig.5 The water levelarea， water levelvolume， water 

areavolume rating curve of Dongting Lake



存在明顯的相關關系.根據相關分析的結果，水位-面積，水位-蓄水量，面積-蓄水量三對變量之間相關系數分別為0.760，0.919和0.868，且均通過了α=0.01的顯著性檢驗.洞庭湖2000—2006年7年之間水面面積變化范圍是［241.76，2004.80］，蓄水量變化范圍是［11.13，156.37］.MODIS13Q1數據集在時間上存在16 d間隔，本研究水面面積和蓄水量均與MODIS數據在時間上保持同步，即按照16 d間隔計算.由于洪水季節的極端高水位和枯水季節極端低水位持續時間一般不長，因此本文的計算結果并不代表洞庭湖水面和蓄水量的最大值與最小值，而是反應洞庭湖水面與蓄水量在全年的變化趨勢.

對比分析各年度水位變化趨勢可以發現(圖6)，洞庭湖2000—2003年，洞庭湖汛期（6月—9月）水量與其他時段（10月—明年5月）水量占全年水量變化沒有明顯規律，2003年以后，汛期累積水量逐漸減少，2004—2006年分別為65.08%，60.09%和48.29%.尤其是2006年，汛期累積水量首次低于全年累積水量的一半.三峽工程對洞庭湖洪水調蓄功能初顯.

圖6 洞庭湖水量年內分配變化

Fig.6 Annual distribution of water volume根據李景保等人的研究，2006年度為長江流域枯水年.洞庭湖2006年入湖流量與往年相比(表1)，長江三口入湖流量減少最多，從2005年的643億m3驟降至183億m3，洞庭湖流域內小支流也有一定減少，四水入湖流量則有小幅增加.但從長時間累積比例上看，近30年四水為洞庭湖入湖水量的主要來源，占總入湖水量的63%左右，而三口入湖流量只占洞庭湖入湖總流量的25%左右.據此，研究認為流域秋季降水量減少是洞庭湖出現退水過早的主要原因，同時三峽工程在此時段蓄水，下泄流量減少加重了湖區夏秋連旱的影響.

3.2 水位面積，水位蓄水量，面積蓄水量擬合

由于三峽工程2003年開始蓄水，將研究數據分成2000—2002年、2004—2006年兩部分，分別進行擬合.根據擬合效果的對比，綜合考慮擬合曲線的意義，對水位面積關系和面積蓄水量關系，實行2次曲線擬合，對水位蓄水量關系，實行3次曲線擬合.擬合曲線和擬合參數分別見圖7和表2.

表1 洞庭湖均徑流量變化

Tab.1 Variations of annual runoff amount in Dongting Lake

時段

年降水量/mm

入湖水量/(108m3)

三口

四水

區間

合計

1951—1958年

—

1 457

1 755

299

3 511

1959—1966年

—

1 335

1 536

226

3 097

1967—1972年

—

1 022

1 727

231

2 980

1973—1980年

—

834

1 698

256

2 788

1981—1998年

—

699

1 704

316

2 719

1999—2002年

1 496.56

625

1 815

373

2 813

2003年

1 252.74

568

1 754

362

2 684

2004年

1 399.32

524

1 499

306

2 329

2005年

1 207.59

643

1 511

261

2 415

2006年

1 318.24

183

1 597

207

1 987

2003—2006年

1 294.47

479.5

1 590.25

284

2 353.75注：表中入湖水量引自文獻［2］，降水量數據引自文獻［9］.





根據擬合結果，2次曲線能較好地描述洞庭湖水位水面面積以及水面面積水量的相關關系.3次曲線能較好地描述洞庭湖水位水量相關關系.其中兩階段水位水量擬合曲線的擬合程度最高，決定系數分別達到了0.915和0.928.兩階段擬合方程見式（1）、式（2）.利用該擬合方程式，可以使用洞庭湖城陵磯水文站水位推算洞庭湖蓄水量：

Y=0.009x3－9.918x+127.460，(1)

Y=0.010x3－12.646x+425.132.(2)

對比三峽工程截流前后3年數據發現，洞庭湖在三峽工程截流前水位、面積、水量的最大值均有所降低，與此同時，其最小值也出現了一定程度的減小.說明一方面三峽工程的蓄水調度，對洞庭湖防汛工作有一定的利好；與此同時，由于夏末秋初季節三峽水庫蓄水，加上三峽截流后庫區清水下泄，荊江江段河道沖刷下切，導致三口來水減少，造成洞庭湖湖面萎縮，水位降低，在一定程度上加深了區域秋旱對洞庭湖的影響，對區域濕地生態系統不利.同時由于四水與洞庭湖在水文上的聯系，洞庭湖水位降低造成四水下泄速度加快，水位降低，對四水沿岸城市尤其是長株潭城市群供水系統的運轉和湘江水質、航運安全帶來一定的風險.

圖7 水位面積，水位蓄水量，面積蓄水量擬合曲線

Fig.7 The water levelarea， water levelvolume， water areavolume fitting curve of Dongting Lake

表2 水位面積，水位蓄水量，面積蓄水量擬合參數

Tab.2 The fitting parameters of water levelarea， water levelvolume， water areavolume

時段

擬合關系

擬合曲線次數

R2

F

b0

b1

b2

b3

截流前

水位面積

2

0.840

164.845

2 496.614

-251.035

7.298

-

水位水量

3

0.979

1 435.548

208.541

-14.246

*

0.012

面積水量

2

0.897

275.295

3.727

0.024

1.920E-5-

截流后

水位面積

2

0.777

119.624

6 005.284

-528.840

12.601

-

水位水量

3

0.972

1 128.361

103.171

*

-0.6350.021

面積水量

2

0.897

286.547

15.504

-0.012

4.006E-5-

4 結 論

利用MODIS遙感影像數據，結合洞庭湖流域水文站水位監測數據和洞庭湖湖底DEM數據，可以有效地實現對洞庭湖蓄水量的估算.計算結果顯示洞庭湖2000—2006年7年間水面面積變化范圍為［241.76，2004.80］(km2)，蓄水量變化范圍為：［11.13，156.37］(108m3).

洞庭湖蓄水量與城陵磯水位呈現明顯的3次曲線關系，擬合效果良好，擬合方程決定系數達到了0.915和0.928.

對比三峽工程截流前后3年洞庭湖水文數據，發現截流后三峽工程調蓄功能初顯，連續3年洞庭湖汛期累積水量占全年水量比重減小；但同時洞庭湖夏末秋初出現退水時間較截流前提前的現象.夏末秋初季節三峽水庫蓄水，在一定程度上加深了洞庭湖2006年夏秋連旱的影響.

MODIS對地觀測系列衛星提供了長時間序列空間影像，結合水文站的地面觀測數據，使得對洞庭湖等大型湖泊的水域面積、需水量的連續觀測分析成為可能.同時MODIS數據對植被覆蓋等生態因素也具備一定的辨識能力，這為三峽工程對洞庭湖以及整個長江中下游水文、生態效應等方面的研究提供了新的手段與方法.參考文獻

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