多源數據協同在南四湖生態應急調水中的應用分析

李鳳生 馬澤生 郟 建

（淮河水利委員會水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 引言

2013年10月至2014年8月，受多種氣候因素的影響，南四湖地區降水持續偏少，致使南四湖出現繼2002年之后最嚴重的干旱年。針對南四湖的旱情，2014年8月1日國家防總在北京召集淮河防總、山東省防汛抗旱總指揮部、江蘇省防汛抗旱指揮部、國務院南水北調辦公室等單位應急會商，討論形成了2014年南四湖生態應急調水方案，決定啟用新建成的南水北調東線工程從長江向南四湖實施生態應急調水。通過計量分析，2014年南四湖生態應急調水水量為8069萬m3，有效緩解了南四湖地區的嚴重旱情。本文針對南四湖生態應急調水專題分析的需要，提出多源數據協同的應用與分析方法，綜合利用多種來源的基礎資料，以遙感影像為主，通過遙感手段精確提取關鍵水位時期湖區內的主要水體，并結合相關資料聯合分析，比較調水前后水體的變化情況，從宏觀層面直觀地反映生態應急調水的效果。

2 研究區概況

南四湖位于山東省西南部濟寧市，鄰接江蘇省徐州市，由西北向東南延伸，形如長帶，湖盆淺平，北高南低，自北向南由南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖串連組成，為淮河流域第二大淡水湖，湖面面積1280km2。湖腰最窄處（昭陽湖中部）修建了二級壩樞紐工程，將南四湖一分為二，壩上為上級湖，壩下為下級湖。湖區內地形復雜，微山、獨山、南陽等主要島嶼以及其他零星小島坐落其中，入湖河道在湖口段因泥沙淤積形成許多淺灘，此外湖內還綜合交錯、不規則地分布著航道、船溝及埝埂等。

3 多源數據協同的分析方法

針對專題分析的需要，提出基于多源數據協同應用的分析方法，其流程如圖1所示。以遙感影像分析技術為主線，首先利用氣象、水文資料和遙感影像存檔數據，查找并篩選出調水期間關鍵時點可用的遙感影像數據；在此基礎上開展影像研判工作，初步分析調水前后的水體變化情況；根據影像類型，通過水體提取實驗，選取合適的水體提取方法，提取出調水期間湖區內水體系列數據；進一步結合調水水量、水文、水位面積關系等資料分析水體提取的合理性，客觀地評價調水效果。

4 數據收集與初步分析

4.1 數據資料收集

山站水位。

圖1 南四湖生態應急調水多源數據協同分析流程圖

圖2 調水期間RADARSAT-2系列影像圖

收集南四湖地區的氣象、水文、調水量、遙感影像、水位面積關系等資料。其中，遙感影像作為主要的應用數據，將收集調水期間的系列遙感影像和歷史遙感影像，以雷達衛星數據為主，以中高分辨率的光學衛星數據作為補充。選擇雷達衛星數據作為主要數據源，因為其采用主動微波遙感方式獲取數據，具有全天候、全天時的探測能力，對水體較為敏感，有利于在云雨天氣的不利天氣條件下進行大范圍的水體監測。

根據調水期間的天氣情況，按照最低生態水位、最低水位和調水前后等關鍵水位控制時點的要求，經過查找和篩選，最低水位選用7月26日加拿大RADARSAT-2雷達衛星數據；并選用該衛星8月28日的影像作為調水結束后的數據；最低生態水位選用8月15日中國高分一號衛星遙感數據；歷史遙感影像采用法國SPOT5衛星遙感數據。各類遙感影像數據的基本情況見表1，表中水位均為下級湖微

4.2 數據初步分析

（1）高分一號

下級湖的最低生態水位為31.05m，出現在水位下降過程中的7月13～14日，以及水位上漲過程中的8月12～14日。最低生態水位選用8月15日的高分一號WFV2光學遙感影像數據，分辨率16m，對應下級湖水位為31.09m，高出最低生態水位0.04m。

但該影像受天氣影響很大，云層多且厚，對下墊面遮擋嚴重，透過云層仍能看到南四湖湖水面的基本情況。相對于雷達衛星數據，高分一號數據對于水體的敏感性較弱，分辨率較低，難以清晰地區分水體與非水體，湖中細窄的隔堤、埝埂等無法辨識，影像上都表現為水體，導致湖面水體面積偏大，無法與高分辨率的雷達數據疊合分析。

（2）RADARSAT-2數據

RADARSAT-2具有合成孔徑雷達的特性，粗糙的陸地表面反射回波較強，影像上表現為較高的亮度，而相對光滑的水體表面反射回波較少，在影像上亮度較低，表現為暗黑色?？紤]南四湖地區得地勢較為平坦，因而可忽略地形因素影響。利用RADARSAT-2衛星影像可以方便地辨別水體和非水體，進而提取出水體的分布范圍。

本次收集的RADARSAT-2數據采用extra-fine單極化模式，空間分辨率5m，幅寬125km×125km。7月26日影像（圖2-a）對應下級湖水位為30.77m，比最低水位高0.02m，可作為最低水位時點的參照數據；8月28日影像（圖2-b）對應下級湖水位31.22m，較8月25日調水結束時上漲0.01m，可作為調水結束時點的參照數據。

兩景RADARSAT-2影像都成像于南四湖水位相對較低的時期，水體中孤島較多，加之圖像分辨率較高，受到一定噪聲影響，黑色水體中表現出許多白色斑點。從兩景數據的初步對比來看，水位相差0.45m，水體分布的邊界總體上未發生顯著變化。但在細節部位，由于水位上漲，下級湖湖心區高程較低的隔堤被淹沒，原來獨立水體連入湖區，湖心水體面積有所增大，如圖3所示；湖區內的部分航道河段，則由原來低水位時近干涸斷流的狀態，變為清晰的連通水體。

（3）SPOT5數據

SPOT5歷史影像作為幾何校正和對比分析的參照，是經處理的近自然色影像，空間分辨率2.5m，成像日期為2013年10月23日，對應下級湖水位33.73m，比調水前最低水位高出近3m，水體表現較為清晰，其分布范圍也比調水期間明顯大出很多。

表1 遙感影像數據基本情況表

5 水體提取及分析

湖區內的特殊地形導致水體分布極為復雜。結合本次調水工作實際，主要提取湖心、湖內航道和京杭大運河等連通水體；隔堤及湖區內其他獨立封閉的水體，受調水影響小，不參與提取分析計算。

目前，水體提取方法主要有水體指數法、譜間關系法、決策樹法、密度分割法、圖像分類法、比值法、閾值法及差值法等，其中采用水體指數法、譜間關系法與決策樹法等應用較為成熟。

經多次實驗，發現采用單波段閾值與構建二叉決策樹的方法提取水體效果較好。首先利用遙感軟件進行濾波運算，選擇增強型Lee濾波器（Enhance Lee Filter）消除影像上噪音斑點，增強圖像；然后參照SPOT5影像進行幾何校正，使兩景RADARSAT-2影像精確地配準到一起，以便疊加比對；選擇水體樣本訓練區，統計獲取水體與非水體的分界閾值，利用二叉決策樹分類方法提取出水體范圍；最后在軟件提取結果的基礎上，結合人工選取和修正，確認最終的湖心水體，其分布情況見圖4。

在遙感影像提取的水體成果基礎上，進一步利用GIS軟件分別計算出上級湖和下級湖的水體面積，結果如表2所示。將該計算結果與2014年版《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》中南四湖水位～面積曲線的查算面積進行比對，分析遙感影像提取結果的合理性，以客觀地反映調水效果。

從表2中可以看出，提取面積均比預報方案中查算面積值偏小，主要因為此次影像分析僅提取了湖心及相關河道內的連通水體，從而導致提取結果整體偏小。

圖3 最低水位時期和調水結束后RADARSAT-2對比圖

表2 南四湖生態應急調水水體提取成果對比分析表

上級湖7月26日水體提取面積為269km2，比查算面積少72km2，偏少21.1%；8月28日提取結果為259km2，較查算面積少73km2，偏少21.9%。前后兩期數據的面積差值及偏差率都比較接近。

下級湖7月26日水體提取面積為182km2，比查算面積小30km2，偏少14.2%；8月28日提取結果為212km2，較查算面積少86km2，偏少28.9%。前后兩期數據的面積差值和偏差率相對較大。對比下級湖調水前后的水體空間分布情況，如圖5所示，在7月26日（圖5-a）和8月28日（圖5-b）兩個不同水位時，下級湖內水體分布并未發生顯著變化，但水位上漲0.45m后，湖心主要水體發生變化，面積從182km2增加至 212km2，擴大 30km2。

從數據對比分析的偏差情況來看，結合調水水量跟水位、面積變化之間的關系，水體提取的結果比較客觀合理。但跟預報方案中查算面積相比，本次遙感影像提取結果整體偏小，主要有三方面原因：（1）本次水體提取的特殊性，未包含湖區內獨立封閉水體，導致整體結果偏小。（2）遙感影像基于2014年現狀成像拍攝，而預報方案中水位～庫容、面積關系曲線為20世紀70年代初的水下地形測繪成果編制，其相關關系已很難反映當前下墊面的情況，尤其經濟社會的快速發展，人類活動干預限制了湖心水體的范圍，下級湖尤為明顯，這是造成偏差的主要原因。（3）遙感影像的數據質量、提取方法和水體分界閾值等諸多因素，也對遙感影像水體的提取結果產生一定影響。

6 結論與展望

圖4 湖心主要水體分布對比圖

圖5 南四湖下級湖調水前后湖心水體分布情況對比圖

通過多源數據的協同應用，提取關鍵時點的水體，對調水前后、最低水位、最低生態水位等不同時間節點進行分析計算，能夠客觀地反映調水前后湖區水體分布的真實情況。結果表明，調水結束后南四湖下級湖水面面積比最低水位時增加30km2，通過生態應急調水，較短時間抬升了湖區水位，有效擴大了湖區水面面積。

2014年南四湖生態應急調水計量與分析工作，未能準確獲取關鍵水位時刻點遙感影像，而采用了最近時點的存檔數據，對于大范圍的宏觀評價可以忽略影像資料時相上的差異，但對于局部地區精細化的評估應用，將很難滿足精度要求。在今后類似的工作中應盡早部署，及時獲取準確時點的系列數據，以便更好地開展動態跟蹤監測和精確評估分析。另外，本次分析工作主要采用了雷達衛星數據，隨著國產高分數據的廣泛應用，未來工作中基于國產高分的光學遙感影像，結合面向對象的信息提取方法將值得探索和嘗試。

基于多源數據的協同應用與分析，在南四湖生態應急調水計量工作中取得良好成效。綜合利用多種類型的基礎數據，通過水體系列資料的對比分析，不僅適用于類似應急管理與響應工作，也可進行大范圍全過程的動態跟蹤監測、事中預評估和事后精細評估，其數據協作與分析機制可為應急或常態化應用提供客觀真實的依據■