基于Landsat8和DEM的老龍口水庫庫容遙感分析方法研究

張磊　朱濟帥　張桂良　李飛龍

摘 要：本研究采用多期Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）的方法對吉林省琿春市老龍口水庫2015～2017年的庫容變化進行定量分析，并利用已知的庫容量對研究結(jié)果進行校驗。

關(guān)鍵詞：老龍口水庫；庫容；遙感分析；Landsat8；DEM

中圖分類號：P237 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0120-02

Abstract： This research adopts the method of multi-period Landsat8 OLI image data and digital elevation model （DEM） to quantitatively analyze the reservoir capacity change of Laolongkou Reservoir from 2015 to 2017 in Hunchun City， Jilin Province， and uses the known reservoir capacity to verify the research results.

Keywords： Laolongkou Reservoir； reservoir capacity； remote sensing analysis； Landsat 8； DEM

1 概述

水庫是用來防洪灌溉、蓄水發(fā)電的水利工程建筑物，它的建立對水資源的管理利用有重要意義。水庫建成以后，由于多種原因的影響，其庫容是動態(tài)變化的，快速、實時、高效獲取庫容信息有重要意義。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

老龍口水庫（42°55′～42°59′N，130°37′～130°45′E）位于吉林省琿春市琿春河干流（如圖1、2所示），距離市區(qū)約30公里。

2.2 數(shù)據(jù)源

遙感影像數(shù)據(jù)：Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，分辨率適中（分辨率為30m）且方便獲取；考慮到東北地區(qū)冬季時間持續(xù)較長，水體長期處于凍結(jié)狀態(tài)，本研究從地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質(zhì)勘查局（USGS）網(wǎng)站收集了2015-2017年間5-10月份影像質(zhì)量良好的老龍口水庫Landsat8 OLI數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 水體信息提取

本研究選擇采用改進歸一化差異水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）法，通過設(shè)置閾值來提取水體信息。MNDWI能更好增強水陸反差，揭示水體的細微特征，且容易區(qū)分陰影和水體。

式中：GREEN為綠光波段，MIR為中紅外波段，分別對應(yīng)Landsat8 OLI影像的3、6波段。

本研究用公式（1）對影像進行處理，增強水體信息，對處理后的影像進行目視識別，選取合適的閾值提取水體。

3.2 庫容計算數(shù)學模型

目前對水庫庫容進行計算的方法主要有積分法和均值法，其主要數(shù)學模型如下：

（1）積分法： 基于Landsat8影像和DEM，將水庫水體視為由無數(shù)個底面積相同、高度不同（水深）的長方體組成的空間多面體。該空間多面體的體積即為水庫的庫容，等于長方體體積累加求和。

式中：V為庫容；s為單個像元的面積（30m*30m）；

第（i，j）個像元位置對應(yīng)的水面高程值；Hi，j為第（i，j）個像元位置對應(yīng)的庫底高程值；n為水庫范圍內(nèi)的像元個數(shù)。

（2）均值法：利用水深均值和水庫面積計算水庫庫容，公式如下：

V=h*s*n#（3）

式中：V為庫容；h為水深平均值；s為單個像元的面積（30m*30m）；n為水庫范圍內(nèi)的像元個數(shù)。

3.3 實驗流程

首先對Landsat8數(shù)據(jù)進行輻射校正和大氣校正，然后利用改進歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取水體信息并結(jié)合原遙感影像獲得老龍口水庫水域范圍；接著，利用水庫影像在數(shù)字高程模型（DEM）上獲得水庫庫底和涯線上的高程值，并利用涯線上的高程值插值獲得水庫水面高程，進而獲得水庫水深。具體流程如圖3所示。

4 結(jié)果與分析

結(jié)果：

老龍口水庫的實測庫容量一般通過庫容曲線計算獲得。我們參照庫容曲線計算得到的庫容數(shù)據(jù)，與上述兩種估算方法得到的庫容進行對比分析，見表1、2和圖4。

由表1可知，利用積分法進行庫容估算得到的結(jié)果與水位-庫容曲線模型推求的庫容數(shù)據(jù)相比，絕對誤差最大為3.99百萬立方米，而相對誤差則不超過2.46%，具有較高精度。

由表2可知，利用均值法進行庫容估算得到的結(jié)果與水位-庫容曲線模型推求的庫容數(shù)據(jù)相比，絕對誤差最大為7.37百萬立方米，而相對誤差則不超過4.61%，具有較高精度。

由表1、2可知，“均值法”模型和“積分法”模型均具有較高的精度，絕對誤差均在百萬級別，相對誤差則都在10%以內(nèi)。同時，在使用相同的數(shù)據(jù)進行估算時，“積分法”比“均值法”具有更高的精度。

在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)水庫容量和水庫面積有較為密切的關(guān)系，經(jīng)分析，構(gòu)建模型為

式中：y為水庫容量，單位為百萬立方米；x為水庫面積，單位為平方千米。

由圖5和R2=0.985可知，水庫容量和面積之間的相關(guān)性很強，該數(shù)學模型較為可靠。可通過該模型結(jié)合Landsat8遙感影像簡單快速地獲得老龍口水庫的庫容量。

5 結(jié)束語

本研究在實驗過程中獲得了水底高程模型，建立了老龍口水庫面積-庫容模型，能夠方便、快速且較為準確地獲取水庫庫容，為檢校現(xiàn)行的水位-庫容關(guān)系曲線模型提供了參考數(shù)據(jù)，將對水庫管理、水庫清淤工作等具有一定的重要意義。未來我們將從遙感數(shù)據(jù)精度、時效性、水體識別精度等方面進一步改進。

參考文獻：

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