丹江口庫區水域面積動態變化分析——基于長時間序列Landsat數據

董亞東，楊文宇，秦 赫

(1.湖北漢江水利水電(集團)有限責任公司，湖北武漢 430048；2.湖北丹江口水力發電廠，湖北丹江口 442700)

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丹江口庫區水域面積動態變化分析
——基于長時間序列Landsat數據

董亞東1，楊文宇1，秦 赫2

(1.湖北漢江水利水電(集團)有限責任公司，湖北武漢 430048；2.湖北丹江口水力發電廠，湖北丹江口 442700)

地表水是人類發展重要的戰略資源和生態環境的重要組成部分之一。儲存在河流湖泊和水庫等中的地表淡水在農業灌溉、水產養殖、水力發電、防災減災、生活及工業用水等方面發揮著巨大作用[1]。我國水資源總量占世界總量的5.8%左右，人均水資源僅為世界平均水平的25%[2]。更重要的是，我國淡水資源時空分布非常不平衡，南方地區水資源量占全國的80%左右，而北方地區只擁有18%左右的水資源，尤其是黃淮海地區，人口占全國的35%，耕地面積占39%，而水資源僅占7%，是全國水資源最為緊缺的地區[3]。為解決華北和西北地區水資源短缺問題，我國從2002年開始實施包括東線、中線、西線3條調水線的南水北調工程。其中，中線工程是從長江流域最大支流的漢江流域上游的丹江口水庫向河南、河北、北京和天津調水。

為了實施南水北調中線工程，丹江口大壩從2005年9月開始進行加高；加高工程實施后，會影響丹江口水庫庫區水域面積的變化。而且丹江口水庫庫區水域面積變化分析在水資源管理、土地利用變化、庫區生態監測等方面具有重要指導意義。因此，需要對丹江口庫區水域面積動態變化進行長時間序列監測分析。遙感數據具有覆蓋區域大、來源穩定和成本低等特點，為大范圍水域面積定量估算提供了可能[4]。

目前，TM(Thematic Mapper)、ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)、OLI(Operational Land Imager)、MODIS(MOderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、HJ-A/B(Environment-Disaster Monitoring-Forecasting A/B)等多源遙感數據被成功應用到地表水域面積提取或變化監測中[1，4-10]。雖然高時間分辨率的遙感數據(如MODIS)可用來監測水域面積的連續變化[10-12]，對應丹江口庫區而言，最窄的水面寬300 m左右，該類數據的空間分辨率(250～1 000 m)很低，水域面積估算精度差[1]。為了研究丹江口水庫庫區水域面積動態變化，筆者利用1993～2013年的陸地資源系列衛星(Landsat-5，Landsat-7和Landsat-8)的TM、ETM+和OLI多源遙感數據，定量分析丹江口水庫水域面積近20年的動態變化情況，為丹江口水庫庫情監測和南水北調管理提供科學依據。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況丹江口水庫(110° 59′～111° 49′ E、32° 36′～33° 48′ N)是南水北調中線工程的水源地，也是亞洲最大的人工湖。丹江口水庫位于漢江干流與其支流丹江的交匯地，丹江口庫區成“V”字形(圖1)，分為丹江庫區和漢江庫區。庫區總面積846 km2，庫區水面東西寬為超過20 km。丹江口水庫控制流域面積約為9.52萬km2，占漢江流域集水面積的60%[13]。庫區多年平均流量409億m3，丹江口水庫來水量主要包括漢江流域上游和其支流丹江。為了實施南水北調中線工程，丹江口大壩從2005年9月開始進行加高，在2013年5月完成加高工程；大壩加高后，丹江口水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m，庫容從174.5億m增加到290.5億m3。

丹江口庫區地處北亞熱帶向暖溫帶過渡帶，屬于北亞熱帶季風型大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫15～16 ℃，雨量比較充沛，年平均降水量800～1 000 mm，降水主要集中在4～10月[1]。丹江口水庫庫區是一個相對獨立的自然地理單元，地形復雜，地貌多姿，庫區以中小起伏山地為主。庫區地勢呈西北高，東南低。西部、北部被伏牛山所環繞，東部自北向南依次為山地、丘陵、壟崗、平原，南部與江漢平原相連。庫區高山丘陵面積占全部面積的97%，平原只占3%[13-14]。庫區植被以常綠針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林和農業植被為主；主要土壤類型有黃棕壤、山地黃棕壤、水稻土、潮土和黃褐土[1]。

1.2數據來源為了定量分析丹江口水庫庫區水域面積的動態變化，該研究從美國地質調查中心(USGS)(http://earthexplorer.usgs.gov/ )收集了1993～2013年丹江口庫區共72景Landsat衛星遙感數據(表1)。

圖1　丹江口庫區Fig.1　Danjiangkou Reservoir

時間Date衛星/傳感器Satellite/sensor時間Date衛星/傳感器Satellite/sensor時間Date衛星/傳感器Satellite/sensor1993-09-24Landsat-5/TM2001-08-21Landsat-7/ETM+2004-03-14Landsat-5/TM1995-11-17Landsat-5/TM2001-11-09Landsat-7/ETM+2004-05-17Landsat-5/TM1996-01-04Landsat-5/TM2001-11-17Landsat-5/TM2004-07-04Landsat-5/TM1996-02-05Landsat-5/TM2001-12-27Landsat-7/ETM+2004-10-08Landsat-5/TM1996-04-25Landsat-5/TM2002-01-04Landsat-5/TM2005-04-02Landsat-5/TM1996-05-27Landsat-5/TM2002-01-12Landsat-7/ETM+2005-10-11Landsat-5/TM1996-08-31Landsat-5/TM2002-01-28Landsat-7/ETM+2006-03-04Landsat-5/TM1996-10-18Landsat-5/TM2002-02-21Landsat-5/TM2006-05-23Landsat-5/TM1999-09-01Landsat-7/ETM+2002-03-09Landsat-5/TM2006-06-24Landsat-5/TM1999-12-22Landsat-7/ETM+2002-04-02Landsat-7/ETM+2006-07-10Landsat-5/TM2000-03-19Landsat-5/TM2002-04-18Landsat-7/ETM+2006-09-12Landsat-5/TM2000-03-27Landsat-7/ETM+2002-07-07Landsat-7/ETM+2006-10-14Landsat-5/TM2000-04-04Landsat-5/TM2002-08-24Landsat-7/ETM+2007-06-11Landsat-5/TM2000-04-12Landsat-7/ETM+2002-09-01Landsat-5/TM2007-08-14Landsat-5/TM2000-04-28Landsat-7/ETM+2002-09-25Landsat-7/ETM+2007-09-15Landsat-5/TM2000-06-15Landsat-7/ETM+2002-10-27Landsat-7/ETM+2009-07-18Landsat-5/TM2000-07-17Landsat-7/ETM+2002-11-04Landsat-5/TM2009-11-23Landsat-5/TM2000-08-10Landsat-5/TM2002-11-28Landsat-7/ETM+2010-05-02Landsat-5/TM2000-12-24Landsat-7/ETM+2002-12-30Landsat-7/ETM+2011-08-09Landsat-5/TM2001-02-18Landsat-5/TM2003-01-07Landsat-5/TM2011-08-25Landsat-5/TM2001-05-01Landsat-7/ETM+2003-03-20Landsat-7/ETM+2013-06-11Landsat-8/OLI2001-06-18Landsat-7/ETM+2003-04-05Landsat-7/ETM+2013-08-14Landsat-8/OLI2001-07-04Landsat-7/ETM+2003-05-07Landsat-7/ETM+2013-09-15Landsat-8/OLI2001-08-05Landsat-7/ETM+2003-06-16Landsat-5/TM2013-11-18Landsat-8/OLI

如表1所示，該研究選用的Landsat-5的TM數據共40景，Landsat-7的ETM+數據28景，Landsat-8的OLI數據4景。TM、ETM+和OLI多光譜遙感數據的空間分辨率為30 m，重復周期為16 d。為了定量分析南水北調實施前后丹江口庫區水域面積的動態變化，其中大壩加高工程前的Landsat衛星數據共53景，加高過程中的遙感數據15景，加高后4景。

1.3研究方法目前，包括監督分類、非監督分類、單波段閾值、植被指數、歸一化水體指數(Normalized Difference Water Index，NDWI)、MNDWI(Modified NDWI)和ONDWI(Override NDWI)等模型都被成功應用到地表水體識別與提取[1，5-9，15]。與監督或非監督分類比較，NDWI或MNDWI能更簡單快速提取地表水域面積信息。研究結果表明，MNDWI模型比NDWI模型更適合Landsat系列衛星遙感的地表水域信息提取[6，8]。MNDWI的計算公式為：

(1)

式中，ρGreen和ρSWIR分別為綠光波段和短波近紅外波段圖像的反射率。

對于TM、ETM+和OLI3種傳感器來講，ρGreen為TM傳感器第二波段(Band2：0.52～0.60μm)對應的數據；也為ETM+傳感器第二波段數據(Band2：0.525～0.605μm)，為OLI傳感器第三波段數據(Band3：0.53～0.59μm)。由于TM、ETM+和OLI多光譜遙感數據都包括兩個通道的短波近紅外數據，如TM的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.08～2.35μm)，ETM+的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.09～2.35μm)，OLI的通道6(Band6：1.57～1.65μm)和通道7(Band7：2.11～2.29μm)。選擇哪個通道的短波近紅外數據，是利用Landsat系列衛星遙感數據和MNDWI模型進行丹江口水庫庫區水域面積動態監測首先需要解決的問題。研究結果表明，波譜范圍處于1.2～1.8μm的短波近紅外數據更適合TM、ETM+和OLI構建MNDWI[6-8]。

對于Landsat-5的TM數據，MNDWI模型轉化為：

(2)

式中，ρTMB2和ρTMB5分別TM傳感器對應的Band2和Band5數據的反射率。

對于Landsat-7的ETM+數據，MNDWI模型轉化為：

(3)

式中，ρETM+B2和ρETM+B5分別ETM+傳感器對應的Band2和Band5數據的反射率。

對于Landsat-8的OLI數據，MNDWI模型轉化為：

(4)

式中，ρOLIB3和ρOLIB6分別OLI傳感器對應的Band3和Band6數據的反射率。

公式(2)～(5)利用TM、ETM+和OLI多光譜數據中綠波和短波近紅外2個通道數據的反射率數據獲得MNDWI圖像，必須將USGS提供的TM、ETM+和OLI原始遙感數據通過大氣校正獲得所需的反射率數據。

2結果與分析

該研究在ENVI5.0平臺上，首先利用FLAASH(FastLine-of-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes) 模塊對所選用Landsat系列衛星的多光譜遙感數據進行預處理，獲得MNDWI模型所需要的TM、ETM+和OLI綠波和短波近紅外通道數據的反射率數。然后利用公式(2)～(5)獲得丹江口庫區1993～2013年不同時相的MNDWI圖像。在獲得MNDWI圖像的基礎上，利用Otsu模型獲得不同時相MNDWI圖像分割閾值，并利用獲得閾值對丹江口庫區的水域面積進行分割和制圖；最后通過空間統計獲得丹江口庫區不同時相水域面積。1993～2013年丹江口水庫庫區水域面積變化見圖2。由圖2可知，1993～2013年丹江口庫區水域面積變化較大。統計結果表明，1993～2013年丹江口庫區最小面積為292.34 km2(1999年12月22日)，最大面積為506.64 km2(2005年10月11日)，面積比為1.73。庫區最小水域面積處于枯水期；而最大面積出現在10月，而不是漢江中上游流域降水最大的7月，主要原因是2005年10月漢江流域中上游地區發生了100年一遇的華西秋雨[16]。在所選的72景Landsat數據中，有6個面積小于300 km2，有46個面積處于300～400 km2，有19個面積處于400～500 km2，面積超過500 km2的只有1個，平均水域面積為367.56 km2。

丹江口大壩加高前，庫區平均水域面積為355.44 km2；加高過程中庫區平均水域面積為406.08 km2；大壩加高后，庫區平均水域面積為383.79 km2。加高工程前，庫區水域平均面積接近1993～2013年的平均水域面積；加高過程中的8年(2005～2012年)，平均水域面積大于多年平均面積和加高后的庫區水域平均面積。其原因主要為：加高過程選擇的15景Landsat數據多集中在漢江上游流域降雨充沛的4～10月，只有2景(2006年3月4日和2009年11月23日)處于枯水期。大壩加高后，丹江口庫區水域面積明顯大于多年平均值，如2013年8月14日水域面積為415.23 km2，2013年9月15日水域面積為387.63 km2，而處于枯水期的水域面積也高達375.28 km2(2013年11月18日)。

3結論與討論

該研究收集了1993～2013年丹江口庫區的TM、ETM+和OLI多時相多源Landsat系列遙感數據，利用水體指數模型提取了丹江口庫區72個不同時相的水域面積，實現了對丹江口庫區水域面積的動態監測。結果表明，在過去的近20年中，庫區最小面積為292.34 km2，最大面積為506.64 km2，多年水域面積為367.56 km2。1993～2013年丹江口庫區水域面積變化比較大，庫區水域面積變化主要由漢江流域中上游地區降雨等因素引起。為了更加深入地分析丹江口庫區水域面積動態變化原因，需要進一步分析庫區水域面積變化與漢江中上游的降水量的關系。

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摘要丹江口水庫是南水北調中線工程水源地，庫區水域面積的變化監測對庫區生態環境建設和南水北調工程都具有重要的意義。該研究以1993～2013年的Landsat多源多時相遙感數據為基礎，利用修正的歸一化水體指數(MNDWI)模型對丹江口庫區過去20年的水域面積進行動態監測。結果表明：庫區最小面積為292.34 km2，最大面積為506.64 km2，多年平均面積為367.56 km2。研究成果能為丹江口水庫庫情監測、水資源調度和南水北調管理提供科學的決策依據。

關鍵詞水體提取;動態變化;Landsat; MNDWI;丹江口水庫

Dynamic Analysis of Water Area in Danjiangkou Reservoir—Based on Long-time Series Landsat data

DONG Ya-dong，YANG Wen-yu，QIN He(1.Hubei Han River Water Conservancy and Hydropower (Group) Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430048; 2.The Danjiangkou Hydropower Plant，Danjiangkou，Hubei 442700)

AbstractDanjiangkou Reservoir is the freshwater source of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project (MRSNWDP) in China.Monitoring the surface water area change of Danjiangkou Reservoir is of great significance to ecological environment construction and MRSNWDP.Based on Landsat remote sensing images from 1993 to 2013，dynamic monitoring on water area of Danjiangkou Reservoir in the past 20 years was carried out by using the MNDWI model.Research results showed that the minimum and maximum areas of Danjiangkou Reservoir were 292.34 and 506.64 km2，respectively; and the perennial average area was 367.56 km2.This research provides scientific base for the decision making of reservoir situation monitoring，water resources scheduling and SNWDP project in Danjiangkou Reservoir.

Key wordsWater extraction; Dynamic change; Landsat; MNDWI; Danjiangkou Reservoir

收稿日期2015-12-10

作者簡介董亞東(1981- )，男，湖北黃岡人，工程師，從事水力發供電和發展規劃編制研究。

中圖分類號S 129

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-321-04