基于國產高分遙感衛星全國地表水遙感監測應用

文 | 尤淑撐 劉克 杜磊 甘宇航 羅征宇

自然資源部國土衛星遙感應用中心

一、前言

地表水是人類賴以生存和社會發展中不可替代的戰略資源,全面掌握其空間分布特征，定期跟蹤其動態變化情況，對于提升水資源管理與保護水平，促進水資源合理開發利用，深化水循環和水平衡研究具有重要意義。

衛星遙感具有客觀、宏觀、快速、及時等特點，在地表水調查與監測方面具有重要優勢，國外在利用衛星遙感開展水資源調查與監測方面開展了大量的研究和應用工作，特別是利用美國陸地衛星（Landsat）,歐洲哨兵衛星（Sentinel）,美國冰、云和陸地高程衛星（ICESat-1）數據在全球或區域尺度上的湖泊、河流、水庫、濕地等水資源調查監測方面發布了很多成果，如Global Surface Water、THU Surface Water、THU FROM-GLC10、Global Lakes and Wetlands Database（GLWD）等[1-3]。國內利用衛星遙感在水資源調查監測方面開展了很多研究及部分專題性或區域性應用工作，但之前受限于國產衛星數量和能力限制，全國性、大區域的衛星遙感地表水資源調查及監測業務化應用還不多。

近年來隨著陸地遙感衛星數量不斷增多，尤其自2010年高分專項實施以來，高分衛星的陸續發射積累了海量遙感數據，隨著我國對地觀測體系不斷完善，逐步形成了立體、多維、高中低分辨率結合的全球綜合觀測能力，使得全國尺度、高頻次地表水監測成為可能。當前，我國陸地范圍2m分辨率衛星影像云量小于20%,季度覆蓋率達90%以上，秦嶺—淮河一線以北地區基本可實現月度覆蓋，秦嶺—淮河一線以南多數地區基本可實現雙月度覆蓋，西南獲取困難區域基本可實現季度覆蓋，全國年度覆蓋率約99.8%；亞米分辨率衛星影像季度覆蓋率約為30%～50%，年度覆蓋率約78.7%；16m分辨率覆蓋率約99.9%。

充分發揮高分衛星遙感客觀、宏觀、快速等優勢，構建全國地表水衛星遙感監測技術體系，可為全面掌握我國地表水資源時空分布狀況、變化特征和發展趨勢提供基礎信息。本文探索了基于國產高分衛星遙感的全國地表水衛星監測技術體系，建立了監測技術方法流程，開展了2020年度全國十大江河流域1265條三級以上河流、相關聯的2128座水庫以及2953個1km2以上湖泊豐水期、枯水期監測應用試驗示范，為掌握我國地表水資源時空分布狀況、變化特征和發展趨勢提供了技術支撐，對提升自然資源治理能力水平和促進國產高分衛星遙感廣泛深入應用具有重要意義。

二、監測體系框架

本文以水資源保護和開發利用為目標，提出全國地表水衛星遙感監測技術體系框架（圖1）。該技術框架充分發揮自然資源衛星遙感影像優勢，建立高分辨率地表水資源遙感監測本底數據庫，實現全國范圍河流、水庫、湖泊水面、水量、水位、流量變化監測，在此基礎上開展綜合監測分析，為全面掌握全國地表水時空分布狀況、變化特征、變化原因和發展趨勢提供基礎信息。

圖1 全國地表水衛星遙感監測技術體系框架

針對不同區域、不同監測對象，統籌獲取激光、光學、雷達等多源遙感影像，收集整理全國土地調查、地理國情監測、濕地調查等行業專題數據。在開展數據處理的基礎上，采用水體信息自動提取技術，水位、水量以及流量變化反演等技術手段，獲取江河湖庫塘等水資源要素的二維與三維信息，實現全國地表水高頻次、業務化監測。

全國地表水資源遙感監測的主要內容包括：

1）全國地表水變化遙感監測。以2m分辨率影像為主，對全國五級以上河流、5000m2以上湖泊、水庫以及1000m2以上坑塘進行豐水期和枯水期兩期監測，水體監測面積精度90%以上。

2）新增湖庫遙感監測。發現全國范圍5000m2以上新增湖泊、水庫，更新全國湖泊、水庫數據庫；針對新增人工湖泊開展持續追蹤監測，為“圈水造湖”督察提供信息支撐。監測頻次為每個季度1次，水體監測面積精度90%以上。

3）主要湖泊長時序監測。結合中國湖泊編目數據，對全國1km2以上湖泊進行數量和面積長時序變化監測，根據數據情況基本監測頻次為5年1次。

4）大型湖泊水量監測。采用資源三號（ZY-3）、高分七號（GF-7）等衛星立體觀測數據，生成全國10km2以上大型湖泊枯水期高精度數字地表模型（DSM）數據。結合中國湖泊編目數據，估算20世紀60年代以來水量變化情況；結合豐水期、枯水期每年兩期監測數據，估算年內豐水期、枯水期水量變化情況。

5）重要河流流量變化監測。充分發揮資源三號和高分七號立體測圖優勢，綜合利用機載激光雷達和地面水文站觀測數據，構建河道三維立體模型，建立流量與三維河道關系模型，反演重要河段豐水期與枯水期的流量變化情況。

6）河湖岸線利用情況監測。基于2m分辨率影像，構建自然和人工岸線分類體系，結合高精度地形數據、全國國土調查、地理國情監測、自然資源常態化監測數據等專題數據，開展全國湖泊岸線監測，獲取自然、人工岸線長度、灘涂占用情況及變化信息。

7）重要流域水資源綜合監測。重要流域水資源年度綜合監測以2m分辨率影像為主，開展流域內河流、湖泊、水庫、坑塘、濕地、冰川等水資源要素的范圍、面積、空間分布動態監測；開展湖泊、水庫水量變化監測；開展冰川厚度、體積和儲量變化監測。

三、監測技術方法

基于自然資源常態化遙感監測，充分利用已有地表水遙感監測資料，發揮多源多傳感器衛星遙感技術優勢，運用成熟的遙感智能解譯和反演技術，開展全國地表水衛星遙感監測。主要技術流程包括數據獲取、影像處理、專題信息提取、信息核實、數據庫建設、數據分析、產品制作和應用服務等（圖2）。

圖2 全國地表水衛星遙感監測技術路線

1.數據獲取與處理

收集整理第一季度、第三季度2m級衛星影像數據，根據每日推送的衛星影像數據（GF-1、GF-1 B/C/D、GF-2、GF-6、ZY-3 01/02、GF-7等）篩選全國一版衛星影像，進行正射糾正、融合等處理；收集整理重要流域1986年以來豐水期的Landsat、Sentinel等中分辨率衛星影像數據，篩選形成歷史影像數據集，進行正射糾正、融合等處理；收集地理國情監測數據、全國國土調查數據、濕地調查數據、水利行業數據；按照監測指標抽取水域要素中的河流、湖泊、水庫、坑塘信息，形成全國地表水衛星遙感監測對象數據 ；收集整理開源地圖（OSM）數據、DSM數據、公報數據、中國湖泊編目數據、氣象、水文等專題數據，進行空間化處理以及格式整合、屬性結構整合等處理。

2.專題信息提取

（1）水體信息自動提取

以高分系列、Landsat等衛星影像為數據源，采用基于海量遙感影像多種子點快速區域生長技術，利用現有河流、湖泊、水庫矢量信息對海量影像進行水體切片，對相應的種子面切片計算水體提取最優門限并輸出水體指數圖像，結合最優門限和指數圖像自動提取河流、湖泊、水庫邊界范圍。

（2）新增湖庫自動發現技術

全國新增湖泊、水庫自動提取利用遙感圖像模式識別、機器學習等技術實現。基于海量遙感影像數據以及全國河流、湖泊和水庫本底數據，實現在少量人工參與的情況下，自動完成全國新增湖泊、水庫的條件判斷、發現、邊界提取、水體編號、搜集統計等一系列操作步驟，且新增水體識別精度、邊界提取精度均滿足業務化生產要求。

（3）水量變化反演

利用資源三號、高分七號立體數據以及激光測高數據獲取湖庫高精度DSM數據。通過地理信息系統（GIS）空間分析，建立庫容-面積關系；讀取當前片區兩個時期的湖泊面積及其庫容-面積關系，反推出當前時間段內湖庫的庫容，計算兩個時間段的湖庫庫容的差值，作為湖庫水量相對變化量。

（4）流量變化反演

利用資源三號、高分七號立體數據以及激光測高數據獲取河道枯水期高精度DSM數據。利用水文站監測數據，基于河道橫斷面模型，利用物理和經驗模型，構建河道橫斷面、高程和流量間的關系模型，結合水面水位進行流量變化估算。

3.信息核實與精度驗證

針對地表水自動提取圖斑，利用ArcGIS系統，采用人機交互方法，疊加自動提取圖斑與當期影像，結合遙感解譯經驗，客觀對比圖斑與當期影像是否一致，剔除錯提圖斑、補充明顯遺漏圖斑、圖斑屬性標記、圖斑邊界編輯與質量檢查。

4.地表水資源監測數據分析

利用全國河流、湖泊、水庫等地表水高頻次監測數據，與行政區劃、流域等統計單元數據進行疊加分析，開展地表水現狀以及年內、年際變化統計；利用20世紀60年代以來全國湖泊水面、水量監測數據，進行時間序列變化分析，結合氣象、水文、人類活動等數據，分析變化原因；利用重點流域河流、湖泊、水庫、冰川、濕地等水資源綜合監測數據，分析多種水資源要素變化過程，挖掘變化驅動力，為水資源管理提供技術和信息支撐。

5.地表水資源監測數據庫建設

開展數據庫設計、監測數據成果收集、數據預處理、監測數據空間化與整體處理、數據入庫檢查等工作，在此基礎上，進行全國地表水監測本底數據入庫、全國地表水監測數據入庫，滿足全國地表水監測數據成果建庫與管理需求。

6.成果輸出與應用服務

在監測成果統計分析的基礎上，編制監測圖件和監測報告，為政府事業單位、行業用戶、科研用戶提供遙感影像、監測數據、成果報告、成果圖件等服務，支撐我國水資源管理利用和流域生態保護。

7.全國地表水衛星遙感監測平臺建設

收集江河湖庫塘、濕地、冰川等歷史數據，構建水資源監測本底數據庫和業務數據庫；利用衛星影像開展全國河流、湖泊、水庫、坑塘常態化監測以及重要流域水資源綜合監測，形成地表水監測成果數據庫，并實現持續更新；基于國產高分衛星影像、Landsat等多源衛星影像數據，構建一套高效的數據處理、模型構建、成果展示的地表水業務化監測系統，為地表水監測提供平臺支撐。

全國地表水衛星遙感監測業務系統架構如圖3所示。

圖3 全國地表水衛星遙感監測業務系統架構圖

四、應用試驗示范

基于本文提出的監測技術框架，采用2m級國產高分遙感衛星數據開展了2020年度全國十大江河流域1265條三級以上河流、相關聯的2128座水庫以及2953個1km2以上湖泊豐水期、枯水期監測應用試驗示范。結果如下：

1.豐水期監測結果

2020年豐水期全國河流、水庫、湖泊水域監 測 面 積 分 別 為 33671.60km2、14276.14km2、83854.52km2，共計131802.26km2。從流域分布看，水域面積主要集中在內流區域諸河、長江流域、黑龍江流域，水域面積分別為47998.89km2、36061.23km2、18144.16km2，其次為西南西北國際河流、黃河流域、淮河流域，水域面積分別為 8001.97km2、6026.34km2、5803.44 km2； 再次為珠江流域、浙閩臺諸河、海河流域、遼河流域，水域面積分別為4910.64km2、2068.84km2、1438.56km2、1348.19km2。

從省（區、市）分布看，水域面積主要集中在西藏、青海、黑龍江，水域面積分別為33906.46km2、16495.43km2、12459.05km2， 其 次 為新疆、江蘇、湖北，水域面積分別為8460.83 km2、7962.96km2、6729.83km2；再次為內蒙古、江西、安徽，水域面積分別為6340.00km2、6145.62km2、6055.46km2。

河流水域面積最大的為長江流域，面積為13665.62km2，占比40.58%；其次為黑龍江流域，面積為6399.08km2，占比為19.00%；河流水域面積最小的為遼河流域，面積為622.45km2，占比為1.85%；其次為海河流域，面積為715.87km2，占比為2.13%。

水庫水域面積最大的為長江流域，面積為4578.95km2，占比32.07%；其次為珠江流域，面積為2494.30km2，占比17.47%；最小的為內流區域諸河，面積為421.43km2，其次為海河流域，面積為573.82km2。

湖泊水域面積最大的為內流區域諸河，其次為長江流域，面積分別為45769.99km2、17816.66km2，占比分別為54.58%、21.25%；最小的為浙閩臺諸河，其次為遼河流域，面積分別為17.16km2、103.25km2。

2.豐枯期變化分析

相比枯水期，全國地表水豐水期總面積增加6.49%。不同水資源要素水域面積增減情況不同。水域面積增加最多的流域為長江流域、西南西北國際河流、黃河流域，增加面積分別為8369.73km2、685.63km2、631.18km2；水域面積增加幅度最大的流域為長江流域、黃河流域、西南西北國際河流，增幅分別為30.22%、11.70%、9.37%。

相比枯水期，水域面積增加最多的省份為江西、湖南、湖北，增加面積分別為3197.63 km2、2077.49km2、1246.30km2；水域面積增加幅度最大的省份為江西、湖南、寧夏，增幅分別為108.47%、63.15%、27.38%。水域面積減少最多的省份為新疆、吉林、內蒙古，減少面積分別為1042.63km2、483.22km2、465.69km2；水域面積減少幅度最大的省份為山西、海南、吉林，減幅分別為19.73%、18.29%、17.50%。

五、結果與討論

高分衛星遙感在開展高頻次地表水變化監測上具有顯著優勢，可快速掌握全國地表水時空分布特征，可服務支撐水資源管理與保護、水資源合理開發利用等工作。此外，結合歷史影像資料，開展江河湖庫長時序變化分析，監測河道斷流、湖泊濕地萎縮、河湖開發利用等狀況；結合濕地、冰川等其他水資源專題數據，開展水資源綜合變化監測，將深化拓展地表水遙感監測應用水平和范圍，進一步服務氣候變化和區域水循環與水平衡研究。