遙感技術在水文水資源勘測中的創新應用

馬明坤

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 咸陽 712199）

遙感技術是一種以電磁波原理為依據并利用傳感器進行檢測的技術,采集并處理各類遠程目標反射、發射的電磁波,以此為基本結構,實現對地表場景的高效檢測與辨識。另外在現實探測中,遙感技術具有很強的綜合特性,該技術可以在多個方面得到很好的應用,并且可以使每一個工作步驟都得到簡化,降低勞動量,進而提升總體工作效率,以較低的成本實現高精度的數據探測,在此過程中,有關工作人員也能獲得更為準確、可靠的探測數據。

1 遙感技術使用的優勢

1.1 全天候24 小時監控

遙感信息一般包含了很多信息,如可見光、紅外線、紫外線等,這些信息是肉眼看不到的,因此這些信息能夠在水情監測時,對水情監測資料進行有效擴充,并將提升水情監測精度。同時工作人員在應用這項技術時,不會受到氣候、天氣等諸多因素的影響,從而擴大了水文水資源勘測量的范圍,工作人員也可以不斷總結水文變化規律。

1.2 對場地的約束較少

相關的調查結果顯示,在過去,我們在進行水文水資源勘查時,一般都是采用手工作業的方法,但是,在勘查和采集水文水資源信息的過程中,工作人員很容易受到天氣、地形等因素的干擾,從而造成了相關工作的失敗。在荒無人煙、環境惡劣的地方,會有一定的風險,因此,在手工操作的時候,會有很大的限制,而且,還會有惡劣的天氣,整個工作的效率和品質就會下降,資料搜集的情況也會與期望有很大的落差。在使用遙感技術時不會發生這種情況。將遙感技術應用于水文水資源勘探工作,可以全方位地收集各種數據信息,從而提升數據資料的完整性和有效性。

1.3 探測效率高、獲取數據范圍大

過去,在進行水文勘探工作時,采用人工勘探的方法,不僅耗時很長,還會受到外部因素的影響,導致各項工作不能正常進行。但由于遙感技術和常規技術有很大區別,地面衛星使用非常廣泛,通常一枚衛星僅需16 天就能完成對整個地球的掃描,利用多個衛星協同工作,可以極大縮短搜索時間,從而提高搜索的效率與質量。由于遙感技術測距范圍廣,作業人員能在作業中獲得更多的資料,并且能夠快速處理這些資料,為以后的工作打下了堅實的基礎。

2 數據選擇與預處理

2.1 遙感影響數據的選擇

本項目擬選取鄱陽湖為研究區,在2012 年～2022 年期間,通過1～7 個波段（500 m）獲取非云層覆蓋的40 幅圖像,獲取的1～7 波段的影像數據。為檢驗MODIS 資料在水中的準確性,我們還采用了比較高的TM 圖像和CBERS 圖像[1]。隨后收取2017 年TM 影像1 景和2019 年的CBERS02B 的數據2 景。

2.2 TM 與CBERS 影像預處理

在對這兩幅圖像進行預處理的過程中,本文的主要目標是對鄱陽湖的面積進行估算。由于不需要對其它區域進行重疊分析,所以不需要對高精度圖像進行幾何修正,但要保證區域不出現扭曲等問題,就需要進行投影變換,要把其轉化成阿爾伯斯正軸線上的等積分錐體投影。

3 水體提取方法研究

3.1 研究方法

水體的光譜特性特殊,在紅光區反射率僅為4%～5%,0.6μm以下的近中紅外區反射率僅為2%～3%,0.75μm 以上的近中紅外區基本被完全吸收。水體信息提取的核心技術是水體信息的增強與非水體的混雜信息的剔除。

①單波段法是利用水體的反射率比植被更低、容易與其他地物相區分的特點,選取單個波長作為閾值進行水質檢測,具有簡單、快捷等特點。但在小型水域中,很難從其中提取出信息[2]。

②多波段法是將不同地物在不同頻帶上的光譜特征融合在一起,通過光譜之間的聯系構建光譜模型,并與閾值法相結合,可有效地提高水體的識別準確度,但光譜選擇及閾值的確定較為復雜,而且也不能排除各種不同的信息,如裸地。

③水體指數模型的構造方法有很多,根據不同地區的地形條件,構造相應的指標,構造的思想是：根據多波段的水域光譜特點,找到研究地類的最強、最弱反射波段,利用比值操作,來凸顯目標。

本文主要研究的是這三種方法中的5 個模型,各種模型計算公式,見表1。

表1 不同水體提取模型的計算公式統計

3.2 不同提取水體的方法比較分析

本文為了研究上述研究方法的優勢和適用性,特選擇2016 年2 月11 日和2017 年9 月29 日的枯水與豐水期影響進行對比,結果見圖1、圖2。

圖1 枯水期不同水體提取方法對比

圖2 豐水期不同水體提取方法對比

在抽取水體過程中,其水域與陸地之間的界限是一個重要的環節,這就需要對其進行一個臨界點的設定。并對這兩個地區進行頻譜分析,見圖3。

圖3 水陸混合區域與純凈水體亮度頻率直方圖

由圖3 可知,該直方圖有兩個非常顯著的峰,其中,最大的是水體,最小的是植被,在該疊加過程中,不斷調整閾值,超過此閾值則為凈化水提取。所以這個實驗閾值范圍是0.2～0.35[3]。

隨后本文以2016 年2 月11 日和2017 年9 月29 日的數據為例來提取其面積,其中2016 年2 月11 日鄱陽湖面積使用歷史資料進行驗證,而2017 年9 月29 日則采取高精度的TM 影像所提取的面積作為基準實施驗證,見表2。

表2 不同指數提取的面積比較數據 單位：km2

根據上述分析和效果圖對比結果可以得出以下結論：

①在對水體的總體影響方面,框區中的MNDWI 對水體的影響最大,其它指標對水體的影響不大。其中,MNDWI、NDVI 兩種方法對周邊地物的壓制效果最佳,能有效地突出被測對象,同時也能有效地壓制其它地物。

②小區域水體對比,特別是在枯水期,由于有較細的河床湖泊處有較細的分枝,MDNWI 對這類小區域水體的混合像元提取效果最好,其它指標也差不多,但對邊緣區域的混合像元有混分、漏分等問題。在此基礎上,提出一種改進的歸一化水體指數（MNDWI）的水樣提取方法。

3.3 鄱陽湖的面積計算與統計

鑒于鄱陽湖具有“高水湖相,低水河相”的獨特地貌特征,其核心問題是如何界定其湖域,根據前人對湖域的了解和調查,湖域界定的基本原理是：鄱陽湖通江湖體及其所轄湖灣（包括康山、軍山湖、珠湖）；五河尾閭（包括青嵐湖、禾斛嶺、南湖、蚌湖和大湖池）,最終在ArcGIS 中可以完成區域提取的統計計算[4]。

4 精度評價

4.1 精度評價結果分析

基于上述分析和研究,通過比較高精度圖像所測的區域和同期的MODIS 遙感影響提取的水域區域,通過相對誤差的計算,如表3 所示,得出其相對誤差均在10%之內,這表明了本次所選擇的遙感圖像技術是正確的[5]。然而要指出的是,一般情況下,遙感圖像本身的提取區域都比較小,這表明了它會出現某種程度的信息缺失,這也是在遙感提取的過程中所出現的缺陷。

表3 遙感影像提取水體的精度評價

4.2 遙感技術用于徑流量的預測與預報

根據上述精度評價和面積計算過程可以了解到遙感技術的應用優勢,而其應用還可用于鄱陽湖的徑流量預測和預報等方面。水文水資源勘測人員能夠通過衛星遙感系統獲得相應的監測數據信息,并將這些數據信息與水文氣象站的相關信息進行整合,將其輸入到水文模型中,從而能夠對相應的數據信息進行科學的計算,為流域徑流的預測和預報工作奠定了堅實的基礎。

一般來講,遙感技術并不能對河流的徑流進行直接的評估和估算,但是這項技術能夠對地貌、水系和土壤等方面進行深入的研究,同時工作人員也可以將區域降水量和土壤含水量等信息進行綜合,從而實現對其的預測和估算。工作人員可以通過遙感技術,在前期的徑流量測量預測中獲得相關的信息,再通過衛星云圖和水文模型,來對土壤和植被進行合理的分析[6]。在此基礎上,利用雷達站觀測到的降水資料,以達到預報的目的。在此階段,遙感技術得到較大的發展,并且取得了顯著的應用成果,工作人員能夠實現多個覆蓋面的蒸發量的計算,該方法既能滿足流域徑流預報的需要,又能保證流域徑流預報的正常進行。

5 結語

在水文水資源勘測中,遙感技術占有十分重要的位置,它可以改變傳統研究方法中的限制,從而得到更為精確和真實的數據,提高水文模型和預算的精度?？蔀槲覈W和水力學的發展提供有益的借鑒。另外還應加強對遙感技術的研究,加強對水情調查工作的研究,以更好地認識水情調查工作的重要性,只有將此技術應用于工作中,才能最大限度地發揮此技術的功能,從而提升各方面的工作效率與質量。