基于遙感技術(shù)的湘江長(zhǎng)株潭段水域占用監(jiān)測(cè)分析

(1.湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 3.湖南省第二測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410119)

為實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)生態(tài)平衡，水域占用問(wèn)題已成為當(dāng)前水利行業(yè)關(guān)注的一大熱點(diǎn)，構(gòu)建科學(xué)可靠的水域占補(bǔ)平衡保護(hù)機(jī)制已刻不容緩。然而，構(gòu)建科學(xué)可靠的占補(bǔ)平衡機(jī)制，必須以科學(xué)的理論、可靠的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。但是采用傳統(tǒng)技術(shù)手段獲取不同年度、不同地區(qū)的水域面積及水域占用的圖斑矢量，其工作量、經(jīng)費(fèi)成本巨大，這就要求尋找新的技術(shù)手段。

遙感是應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)目標(biāo)接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)[1]。采用遙感技術(shù)進(jìn)行水域占用監(jiān)測(cè)[2]，可根據(jù)正射糾正后的不同年度的衛(wèi)星遙感影像，采集該流域段不同時(shí)相的水系矢量數(shù)據(jù)，再通過(guò)空間疊加分析，快速獲取不同年度水域占用圖斑矢量，大大減少工作量，節(jié)約成本。因此，本文采用遙感技術(shù)手段，對(duì)湘江流域(以長(zhǎng)株潭為典型)2014～2017年的水域變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析該流域段的水域占用特征，為后期構(gòu)建水域占補(bǔ)平衡機(jī)制、制定相應(yīng)的保護(hù)對(duì)策、規(guī)范河道管理等方面提供扎實(shí)的技術(shù)支撐。

1 水域占用遙感監(jiān)測(cè)的資料與方法

1.1 遙感監(jiān)測(cè)資料

為了對(duì)湖南省長(zhǎng)株潭地區(qū)的水域占用情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，收集了2017年長(zhǎng)株潭地區(qū)基礎(chǔ)測(cè)繪DLG數(shù)據(jù)，作為水域提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；收集2017年長(zhǎng)株潭地區(qū)不動(dòng)產(chǎn)DLG行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，作為長(zhǎng)株潭區(qū)域劃分的依據(jù)；收集該省基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目的長(zhǎng)株潭地區(qū)范圍DOM成果(高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù))，影像分辨率為1 m，現(xiàn)勢(shì)性為2017年；獲取長(zhǎng)株潭地區(qū)范圍Landsat8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并生成正射影像，影像分辨率為15 m，現(xiàn)勢(shì)性為2014年。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

根據(jù)獲取的衛(wèi)星遙感影像圖，首先對(duì)其進(jìn)行正射糾正，通過(guò)遙感目視解譯采集水域矢量圖斑(只采集面狀水域、河流岸堤及河流上的橋梁設(shè)施等要素)，并結(jié)合空間疊加技術(shù)獲取水域占用圖斑，最后通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)分析水域占用特征。主要技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

(1) 影像正射糾正技術(shù)。對(duì)獲取的衛(wèi)星遙感影像，利用已有的控制點(diǎn)和DEM資料對(duì)全色影像進(jìn)行正射糾正，然后與多光譜影像進(jìn)行融合，制作具有地理坐標(biāo)信息的數(shù)字正射影像(DOM)，便于后期的信息提取與分析。衛(wèi)星影像正射糾正技術(shù)采用單片微分糾正的方式[3]，具體作業(yè)流程如圖2所示。

(2) 影像目視解譯技術(shù)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化提取技術(shù)可以快速?gòu)挠跋裰刑崛⌒畔ⅲ豢杀苊獾貢?huì)出現(xiàn)一些誤判。高分辨率影像可以清晰地目視分辨地理要素，準(zhǔn)確地提取地理空間信息，從而可以結(jié)合自動(dòng)化提取技術(shù)，采用人機(jī)交互的影像信息提取方式，快速而準(zhǔn)確地獲取矢量分類數(shù)據(jù)[4]。遙感監(jiān)測(cè)目視解譯技術(shù)，通過(guò)疊加顯示加載的分類成果矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像，目視判讀已有矢量數(shù)據(jù)的位置、范圍、類別等信息的正確性，并進(jìn)行糾正[5]。

圖2 衛(wèi)星影像單片糾正作業(yè)流程Fig.2 Chart of monolithic digital differential correction of satellite image

(3) 空間疊加分析技術(shù)。疊加分析是將有關(guān)主題層組成的數(shù)據(jù)層面進(jìn)行疊加，產(chǎn)生一個(gè)新數(shù)據(jù)層面的操作。其結(jié)果綜合了原來(lái)兩層或多層要素所具有的屬性[6]。疊加分析不僅包含空間關(guān)系的比較，還包含屬性關(guān)系的比較。本項(xiàng)目疊加分析技術(shù)基于ArcGIS平臺(tái)的空間分析模塊實(shí)現(xiàn)，主要涉及視覺(jué)信息疊加和多邊形疊加兩塊[7]。視覺(jué)信息疊加是將不同側(cè)面的信息內(nèi)容疊加顯示在結(jié)果圖件或屏幕上，以便研究者判斷其相互空間關(guān)系，獲得更為豐富的空間信息。視覺(jué)信息疊加不產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)層面，只是將多層信息復(fù)合顯示，便于分析。多邊形疊加將兩個(gè)或多個(gè)多邊形圖層進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新多邊形圖層的操作，其結(jié)果是將原來(lái)多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來(lái)兩層或多層的屬性。

(4) 空間統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)。在區(qū)域性分析評(píng)價(jià)工作中，可將多類數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用GIS軟件的空間分析模塊，對(duì)整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)狀況進(jìn)行客觀、全面地評(píng)價(jià)，以反映出區(qū)域中的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)狀況以及空間分布情況[8]。

2 結(jié)果分析

2.1 水域占補(bǔ)區(qū)域統(tǒng)計(jì)

根據(jù)不同年度的遙感影像成果，通過(guò)遙感目視解譯方法，采集2014～2017年湘江流域(長(zhǎng)株潭段)的水域矢量數(shù)據(jù)成果(只采集面狀水域、河流岸堤及河流上的橋梁設(shè)施等要素)，數(shù)據(jù)格式為SHAPEFILE數(shù)據(jù)。通過(guò)將不同年份長(zhǎng)株潭地區(qū)水域矢量圖層進(jìn)行疊加分析，提取水域變化矢量圖斑，統(tǒng)計(jì)2014～2017年長(zhǎng)株潭區(qū)域水域占補(bǔ)面積。最后，結(jié)合2017年長(zhǎng)株潭地區(qū)不動(dòng)產(chǎn)DLG行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，通過(guò)目視解譯變化圖斑，確定水域的具體占補(bǔ)特征。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，2014～2017年長(zhǎng)株潭區(qū)域水域占補(bǔ)面積共計(jì)3.79 km2。其中，以水域地表覆蓋面積10 000 m2以上的圖斑為統(tǒng)計(jì)單位，2014～2017年長(zhǎng)株潭水域的總占用面積為863 301.48 m2，總補(bǔ)增面積為22 289.04 m2。該區(qū)域占補(bǔ)失衡，占用面積遠(yuǎn)大于補(bǔ)增面積。占用類型主要以空地、房屋、道路幾種為主，其中，空地所占用的水域面積共計(jì)410 373.65 m2，約占水域總占用面積的47%，主要為房屋和道路建設(shè)所用；房屋所占用的水域面積共計(jì)332 612.84 m2，約占水域總占用面積的39%，主要分住宅、工業(yè)區(qū)、學(xué)校、娛樂(lè)場(chǎng)所等；道路所占用的水域面積共計(jì)120 314.99 m2，約占水域總占用面積的14%。具體的水域占補(bǔ)情況分布如圖3所示。

2.2 水域占用特征分析

基于遙感影像解譯的結(jié)果，結(jié)合2014～2017年長(zhǎng)株潭水域占補(bǔ)情況分布圖和2017年長(zhǎng)株潭地區(qū)不動(dòng)產(chǎn)DLG行政區(qū)劃數(shù)據(jù)可確定占補(bǔ)的具體位置。以水域地表覆蓋面積10 000 m2以上的圖斑為統(tǒng)計(jì)單位，該地區(qū)水域占用區(qū)域主要集中分布在岳麓區(qū)、天心區(qū)、長(zhǎng)沙縣、雨花區(qū)、望城縣、開(kāi)福區(qū)、岳塘區(qū)以及天元區(qū)等區(qū)域。占用類型因各地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策等因素的不同而各不相同，如長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)以道路占用為主；湘潭市岳塘區(qū)主要以工業(yè)區(qū)占用為主等。在湘江流域(長(zhǎng)株潭段)研究范圍內(nèi)，有4個(gè)區(qū)域的占用面積最為明顯，即長(zhǎng)沙縣、岳麓區(qū)、開(kāi)福區(qū)、岳塘區(qū)。

圖3 長(zhǎng)株潭區(qū)域水域占用情況分布Fig.3 Distribution diagram of water area occupancy inChangsha-Zhuzhou-TanXiangtan Area

(1) 長(zhǎng)沙縣水域占用特征分析。該區(qū)域在2014～2017年度水域占用總面積為110 925.728 m2，占用類型主要為房屋和道路。具體體現(xiàn)在星沙鎮(zhèn)中聯(lián)重科泉塘工業(yè)園工業(yè)廠房、牛角塘村老屋沖附近住宅、西湖村白毛沖附近道路、高云村毛坡附近道路、蓮華村上泅塘附近道路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)上。圖4給出了2014～2017年度長(zhǎng)沙縣水域占用分布情況。

圖4 2014～2017年長(zhǎng)沙縣水域占用情況分布Fig.4 Distribution of water area occupancy in Changsha County

(2) 岳麓區(qū)水域占用特征分析。該區(qū)域在2014～2017年度水域占用總面積為164 157.382 m2，占用類型主要為房屋、道路。具體體現(xiàn)在一些學(xué)校和游樂(lè)場(chǎng)所的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上，如長(zhǎng)沙市中南梅溪湖中學(xué)、湖南中醫(yī)藥大學(xué)含浦校區(qū)、坪塘中學(xué)及坪塘集鎮(zhèn)歡樂(lè)世界附近等。圖5給出了2014～2017年度岳麓區(qū)水域占用分布情況。

圖5 2014～2017年岳麓區(qū)水域占用情況分布Fig.5 Distribution of water area occupancy in Yuelu District

(3) 開(kāi)福區(qū)水域占用特征分析。該區(qū)域在2014～2017年度水域占用總面積為106 406.588 m2，占用類型主要為道路。具體體現(xiàn)在城鎮(zhèn)道路的建設(shè)上，如板塘村角菱塘靠中青路處、白霞村中嶺立交橋處荷葉村新港鎮(zhèn)附近等。圖6給出了2014～2017年度開(kāi)福區(qū)水域占用分布情況。

圖6 2014～2017年開(kāi)福區(qū)水域占用情況分布Fig.6 Distribution diagram of water area occupancy in Kaifu District

(4) 岳塘區(qū)水域占用特征分析。該區(qū)域在2014～2017年度水域占用總面積為614 416.818 m2，占用類型主要為住宅和廠房。具體體現(xiàn)在易家灣鎮(zhèn)株易高架橋處附近住宅、清水村石灰塘附近工業(yè)廠房設(shè)施的建設(shè)上。圖7給出了2014～2017年度岳塘區(qū)水域占用分布情況。

圖7 2014～2017年岳塘區(qū)水域占用情況分布Fig.7 Distribution diagram of water area occupancy in Yuetang District

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用遙感技術(shù)手段，針對(duì)2014～2017年湘江流域(長(zhǎng)株潭段)的水域占用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析了其水域占用特征。結(jié)果表明，住宅區(qū)、廠房、學(xué)校以及城鎮(zhèn)道路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，是造成該區(qū)域水域占用的主要原因。對(duì)于水域占用這類問(wèn)題，采用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段不但經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且可快速有效地分析出水域占用特征，為后期制定科學(xué)的水域占用補(bǔ)償機(jī)制、保護(hù)水域安全提供了可靠的技術(shù)支撐。