一種改進的基于數字高程模型的水體覆蓋范圍模擬方法

李子彧++甘文霞++蔡曉斌

摘 要：實時獲取水體空間覆蓋范圍，對于災害的防治、水資源的合理調配具有重要的意義。基于數字高程模型和實測水位數據模擬水體覆蓋范圍的方法具有簡單易實現的特點，已有研究通常采用單一水位值作為參數，該文考慮水位的空間分布，對現有方法進行改進，提出了基于實測水位空間插值的水體淹沒范圍模擬方法。通過在鄱陽湖入江水道這一水體動態特征明顯的區域進行水域范圍模擬實驗，對方法的精度進行了綜合評價。結果表明該文方法能夠有效模擬水體范圍，相比現有方法模擬精度提高，當水位空間分布差異較大時，這一優勢更為明顯。這一研究成果對水資源綜合管理相關研究與實際工作具有較為重要的實用參考價值。

關鍵詞：水體覆蓋范圍模擬 數字高程模型 空間分布 鄱陽湖

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0095-04

實時獲取水體空間覆蓋范圍，可以更好地了解對象的水文過程，為政府決策提供參考信息，對于水資源的綜合管理、水資源合理調配、洪旱災害的防治具有重要的意義。長期以來，對水文情勢的觀測與描述主要是基于傳統水文測驗手段，但水文站數量少，觀測范圍小，觀測結果僅能反映水文站所在區域的水文情況，對于整個區域的水文情勢的把握有其不足之處。基于衛星遙感觀測技術可以大尺度獲取地表信息，但受傳感器時間、空間分辨率限制以及天氣因素的影響，經常無法獲得目標時刻的水體覆蓋范圍。

對于給定水體，水域的空間分布與水位之間有其內在聯系，都是從其特定角度出發對水量和水體形態的反映，從這個思路出發，出現了采用數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）與實測水位相結合的水體覆蓋范圍模擬方法，以水位數據作為閾值，與DEM柵格對應高程值比較，確定該柵格點是否被淹沒，這種基于柵格的方法數據要求少、計算簡單、易實現且能獲得精度較高的水體覆蓋范圍模擬結果。當前研究中通常使用代表水文站點水位或者平均水位作為閾值進行模擬。然而，水位具有空間異質性，而非空間不變，現有方法中缺少對這一實際特點的考慮。

基于此，該文對現有方法進行改進，提出了顧及水位空間特征的水體淹沒范圍模擬方法。以鄱陽湖入江水道這一高動態水域作為實驗區域，通過實驗對方法的精度和與現有方法的差異進行了綜合評價。

1 方法

1.1 基于DEM和水位空間插值的水體動態范圍模擬

該文的方法通過水文站點的水位數據進行空間插值得到模擬的水位空間分布，結合水位、淹沒源和DEM地形數據，采用有源淹沒算法判斷淹沒區域。方法可以概括為以下4步。

（1）數據獲取。獲取待模擬區域的數字高程模型、待模擬時期的實測水位數據。

（2）水體淹沒源區獲取。待判斷點是否與源區連通是判斷點是否被淹沒的必須條件。因此需要提前獲取淹沒源區。

（3）實測水位空間插值。采用空間插值方法將空間上離散的點狀水位數據空間化，獲取待模擬區域的水位柵格圖。該文中選擇反距離權重法進行水位的空間插值，它以插值點到已知點之間的距離為權重進行加權平均。

（4）采用有源淹沒算法，以第（3）步獲取的水位數據作為閾值，如果柵格的高程值低于給定的水位閾值且與已淹沒點聯通，則認為該點被淹沒，反之不被淹沒。

1.2 有源淹沒算法實現

當前有源淹沒算法的計算機實現通常采用堆棧法，按照水位值初始化淹沒源堆棧，之后向鄰域8個方向搜索，該文結合柵格DEM的固有特征，提出一種高速有源淹沒算法——數字柵格外推式掃描法，算法思想為：首先將所有淹沒源區的點集放入堆棧，然后先沿著x方向掃描已經淹沒區域柵格點左右兩個方向鄰域點，將高程低于水面的柵格點加入集合；然后沿著y軸方向，掃描集合內所有點上下方向鄰域點，得到新增被淹沒點并將其加入集合；重復上述步驟對集合內所有點進行操作，當集合不再發生變化時，所有集合的點即為最終淹沒區域。相比現用的八鄰域掃描法，該文的數字柵格外推式掃描法采用x、y方向交叉掃描，算法效率可以提高近16倍。

1.3 精度驗證

大量研究表明，基于遙感手段能夠準確的提取水體，獲取水體覆蓋范圍，提取精度能達到90%以上。該文以遙感提取結果為真實值，通過模擬準確比例、模擬錯誤比例值進行統計，對模擬結果進行了綜合精度評價。

1.4 衛星遙感水體范圍提取方法

該文采用改進歸一化水體指數（Modified Normalized Water Index，MNDWI）閾值分割法從衛星遙感影像數據中提取水體覆蓋范圍[8]。水體的MNDWI值較低而植被、土壤等地表其他地物的MNDWI值較高，設置恰當的閾值即可區分水體和其他地物，提取出水體覆蓋范圍。

2 實驗與結果

2.1 研究區域

鄱陽湖地處江西省北部、長江中下游南岸，是中國第一大淡水湖，湖區長期以來飽受水旱災害的困擾[9]。鄱陽湖區以松門山島為界，可以分為東（南）部主湖區和西（北）部入江水道。湖底自東向西、由南向北傾斜，高程由最高處的12 m降至湖口1 m左右[10]。流域內水域年內變化顯著，該文選取鄱陽湖入江水道作為研究區域（圖1），有助于綜合評估方法在不同水文情況下的模擬效果。

2.2 實驗數據

（1）實測水位數據。該文中所使用的水文數據來自江西省水利規劃設計院，各站刊布水位值轉換至吳淞基準高程。

（2）湖底地形DEM數據。該文采用長江水利委員會2000年1∶2.5萬的湖底地形圖數據，通過數字化、TIN模型構建，內插成30 m空間分辨率的柵格DEM數據，采用1985年國家高程系統。

（3）衛星遙感數據，該文選用了Landsat TM/ETM+傳感器所獲取的晴空條件下的遙感影像，共12景（見表1），數據來自美國NASA的美國地球資源觀測中心（Earth Resources Observation and Science Center，EROS），幾何校正精度在一個像素以內，采用WGS 84全球投影坐標系統。

2.3 水體覆蓋范圍模擬精度評價

根據水文站點的空間分布，該文選擇了湖口、星子、都昌這3個水文站的實測水文數據，以歷年遙感影像中所提取的最小水體覆蓋范圍作為淹沒源，對表1中所列日期水體覆蓋范圍進行了模擬，以遙感影像水體提取結果作為真實值對模擬結果精度進行了評價（見表2）。

從表中可以看出，模擬結果精度均在80%以上，精度最高達98.09%。圖2直觀地表現了模擬結果以及模擬精度的空間分布狀況。

可以很明顯地看到大多數淹沒區域已被成功模擬，整體來說，豐水期的結果優于枯水期模擬結果，枯水期入江水道中間洲灘容易被遺漏，靠近湖口的區域內較易出現多提，可能是因為枯水期湖口水位加速下泄，導致插值出的水位想比實際水位偏高，進而導致已經出露的洲灘模擬時仍被判定為淹沒區域。

2.4 與現有方法的對比

此節對該文方法與現有方法（采用單一閾值進行作為參數）進行了對比實驗，表3是方法在豐水期和枯水期的模擬精度，表3直觀地表現了不同方法提取的結果空間上的對照分析。

總體來說該文方法由于現有方法，從表3可以看出方法的精度有所有提高，從圖3中可以發現，兩種方法所提取的枯水期的水體覆蓋范圍有較為明顯的差異，主要表現在入江水道中部靠近湖口的區域。該文方法可以準確捕捉到入江水道靠近湖口區域的洲灘的出露狀況，而使用單一水位作為閾值則無法模這一區域的淹沒狀況。考慮的水位變化后，漏提明顯減少，提高了模擬精度。在豐水期，兩種方法提取結果并沒有特別大的差別，其原因可能是因為豐水期水位較為平穩，水位空間插值結果差異較小且與平均水位相差較小。

綜上表明，實測水位空間插值結果能夠更準確地描述水位的分布特征，作為輸入參數進行水體淹沒范圍模擬可以有效地改善模擬精度，當水位空間差異較大時，這一優勢更為明顯。

3 結語

基于實測水位和數字高程模型進行模擬是獲取水體覆蓋范圍的重要手段之一，對于這一問題的研究對于水文、水環境、防災減災等問題具有重要的作用。該文認為在這一過程中，需要考慮水位的空間差異，提出了一種改進的基于數字高程模型和實測水位數據的水體淹沒范圍模擬方法，采用由多站點水位空間插值結果作為水域范圍模擬的閾值參數。基于歷史水位數據的水位空間分布特征分析為這一改進提供了理論支撐，在鄱陽湖入江水道這一高動態水體的實驗表明，對水位進行插值得到水位面，替代單一水位作為水體覆蓋范圍模擬的閾值，可以較大程度地提高模擬精度，尤其是當水位存在大的空間分布差異時，效果更加明顯，這一結論可以為相關研究與實踐工作提供參考。該文在相關的研究內容取得了一定的進展，但仍然有很多需要改進與提高之處。衛星測高技術作為一項測量水面高度的新技術，從20世紀70年代逐漸興起，相比傳統水文觀測，具有不受環境影響，觀測范圍大的特點，使用衛星測高數據獲取空間密度更高的水位分布狀況，將可以對水位的空間分布提供更加詳盡和準確的描述，進一步提高模擬精度。

參考文獻

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