基于時(shí)序遙感影像的駱馬湖水資源調(diào)查與分析

摘 要：自然資源不僅是發(fā)展之基、生態(tài)之源、民生之本，更是推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè)和深化生態(tài)文明體制改革的核心載體，同時(shí)也是重要的資源性資產(chǎn)。本文旨在探討宿遷市湖濱新區(qū)駱馬湖水資源的調(diào)查監(jiān)測(cè)，并以自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)為背景，采用遙感技術(shù)作為主要手段進(jìn)行水資源調(diào)查。研究通過(guò)獲取駱馬湖范圍內(nèi)的Sentinel-2 遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)駱馬湖水體的空間分布、變化趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析。同時(shí)，本文還探討了遙感技術(shù)在水資源調(diào)查中的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明，駱馬湖的水資源狀況有著一定變化和挑戰(zhàn)。本研究的意義在于通過(guò)遙感手段探討了積水頻率識(shí)別和積水范圍提取，為水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)提供了一種快速、高效的手段。此外，針對(duì)駱馬湖水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的研究成果也為其他類似區(qū)域的水資源管理和保護(hù)提供了借鑒和參考。這對(duì)于推動(dòng)水資源的可持續(xù)利用和提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：自然資源；調(diào)查監(jiān)測(cè)；水資源調(diào)查；遙感技術(shù)；影像分析

中圖分類號(hào)：P237; TV211.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2024）02-0151-06

自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)在可持續(xù)發(fā)展及管理中發(fā)揮著極其重要的作用。水資源作為人類生存與發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)資源，其調(diào)查與監(jiān)測(cè)對(duì)于保障水資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要[1]。全球人口數(shù)量的飛速增加與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展進(jìn)一步加劇了水資源可能面臨的挑戰(zhàn)，如供需之間的矛盾、水環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)惡化等問(wèn)題。因此，加強(qiáng)水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)工作，全面了解水資源狀況、特征和變化趨勢(shì)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。水資源調(diào)查利用系統(tǒng)觀察和定量方法來(lái)收集關(guān)于水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布和利用情況等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)作為一種快速、高效的調(diào)查監(jiān)測(cè)手段，其借助搭載的傳感器大面積獲取地表信息，能及時(shí)得到大尺度、高時(shí)空分辨率的地表水體信息[2]。通過(guò)分析遙感影像來(lái)識(shí)別水體的特征，例如面積、水質(zhì)和時(shí)空變化等情況，有助于詳細(xì)了解駱馬湖水資源的時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)變化。此過(guò)程不僅為科學(xué)決策提供支持，也彰顯了遙感技術(shù)在水資源評(píng)估中的價(jià)值和潛力。

本文通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)駱馬湖的水資源狀況進(jìn)行調(diào)查，旨在分析其變化趨勢(shì)及影響因素，并以宿遷市湖濱新區(qū)的駱馬湖為研究區(qū)域展開(kāi)具體分析。借助遙感技術(shù)對(duì)駱馬湖的水資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以便全面、深入了解湖泊的面積、分布及其變化狀態(tài)。此外，本研究也將進(jìn)一步討論遙感技術(shù)在水資源調(diào)查中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和潛在優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)水資源調(diào)查結(jié)果的分析與總結(jié)，旨在為駱馬湖水資源的合理利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的需求及存在的問(wèn)題

1.1 水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)需求

近年來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)與人口的持續(xù)擴(kuò)張使得自然資源的保護(hù)與持續(xù)利用引起了廣泛關(guān)注[3]。作為自然資源管理和保護(hù)的重要手段，自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。尤其在監(jiān)測(cè)湖泊和河流等水體方面，水資源調(diào)查在評(píng)估和監(jiān)控中扮演著關(guān)鍵角色。水資源不僅是人類活動(dòng)中必不可少的關(guān)鍵自然資源，亦是促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)資源[4]。中央政府與國(guó)務(wù)院對(duì)水資源問(wèn)題予以高度重視，把水資源與糧食安全、能源安全并列為國(guó)家的三大戰(zhàn)略資源，并強(qiáng)調(diào)水資源的可持續(xù)利用對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展具有關(guān)鍵作用。中央政府與國(guó)務(wù)院對(duì)水資源問(wèn)題予以高度重視，把水資源與糧食安全、能源安全并列為國(guó)家的三大戰(zhàn)略資源，并強(qiáng)調(diào)水資源的可持續(xù)利用對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展具有關(guān)鍵作用，從而對(duì)進(jìn)一步完善土地管理制度起到了關(guān)鍵作用，同時(shí)也為水資源的可持續(xù)管理、環(huán)境保護(hù)和政策制定提供了重要的科學(xué)依據(jù)和決策支持。在國(guó)土空間規(guī)劃和“三區(qū)三線”劃定中，水資源調(diào)查的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)分析歷史問(wèn)題及預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)提供了關(guān)鍵支持。自然資源部正在加強(qiáng)調(diào)查結(jié)果的共享服務(wù)，并推動(dòng)國(guó)家及地方水平的三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展，以提高自然資源管理的效率。

1.2 水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題

一直以來(lái)，水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)獲得的地表水資源分布、范圍、面積、權(quán)屬以及開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)情況中存在著數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高等問(wèn)題[5]。在駱馬湖水資源調(diào)查過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍和頻率有限，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的不完備性和不準(zhǔn)確性，這給后續(xù)的水資源分析和決策提供了不可靠的基礎(chǔ)，限制了水資源管理的科學(xué)性和有效性。此外，在水資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法方面存在一定的滯后性。盡管如遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用已在水資源調(diào)查中普及，但技術(shù)運(yùn)用不足和數(shù)據(jù)處理不準(zhǔn)確仍然是現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。如何從分布與范圍的視角，設(shè)定有效的地表水資源基礎(chǔ)調(diào)查及常規(guī)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步探索[6]。這使得水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和精確度受到了一定的影響，制約了對(duì)駱馬湖水資源狀況的準(zhǔn)確把握和科學(xué)分析。此外，水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中還存在著數(shù)據(jù)共享與協(xié)同合作的不足問(wèn)題，例如地表水資源的分布和范圍存在多條界線，如國(guó)土資源調(diào)查的水域范圍界線、水利部門的河湖和水利工程管理及保護(hù)范圍界線、以及死水位、枯水位、常水位、豐水位、設(shè)計(jì)洪水位和最高洪水位線，不同水平年和季節(jié)水位線等。由于數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性和數(shù)據(jù)管理的碎片化，不同部門和機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同合作存在一定的難度。這造成了數(shù)據(jù)孤島的問(wèn)題，阻礙了全面了解駱馬湖水資源狀況和制定統(tǒng)一的管理策略。

1.3 遙感技術(shù)在水資源調(diào)查中的應(yīng)用及其挑戰(zhàn)

在全球范圍內(nèi)，水資源的有效監(jiān)測(cè)和管理對(duì)于保證水安全和支持可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。遙感技術(shù)，特別是時(shí)間序列影像的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代水資源管理的關(guān)鍵工具。遙感技術(shù)提供了一種從宏觀角度快速、連續(xù)監(jiān)測(cè)地表水資源的方法。時(shí)序影像數(shù)據(jù)的分析使研究人員能夠更科學(xué)地追蹤水體的空間和時(shí)間變化，有效評(píng)估水資源變動(dòng)趨勢(shì)及預(yù)測(cè)干旱或洪水的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。Google Earth Engine （GEE） 作為一個(gè)廣泛使用的地球分析平臺(tái)，提供了海量的衛(wèi)星影像和地理數(shù)據(jù)，并能夠高效地處理地理空間數(shù)據(jù)。通過(guò)其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，為研究者提供了快速分析和處理大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)的能力，極大地提高了水資源監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性[8]。

盡管遙感技術(shù)在水資源監(jiān)測(cè)中具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些技術(shù)和方法上的挑戰(zhàn)。例如在多云和雨季頻繁的地區(qū)，云層遮擋是影響遙感影像質(zhì)量和可用性的主要問(wèn)題[9]。盡管目前已有多種云檢測(cè)和云掩膜算法，但這些方法仍然不能完全消除云層對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)的影響。其次，遙感數(shù)據(jù)雖然可以提供水體表面信息，但對(duì)于水質(zhì)和水下特征的深入分析仍存在一定限制。此外，遙感數(shù)據(jù)的處理及解譯需要豐富的專業(yè)背景知識(shí)，因數(shù)據(jù)的復(fù)雜性常需要復(fù)雜的算法和模型，這些都可能成為技術(shù)應(yīng)用的障礙。未來(lái)的研究需要開(kāi)發(fā)更為高效的數(shù)據(jù)處理算法，提高云遮擋影響的處理能力，并增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下水體監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以進(jìn)一步提升水資源監(jiān)測(cè)的綜合性和準(zhǔn)確性。未來(lái)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用，特別是深度學(xué)習(xí)在遙感影像分析中的使用，將為水資源監(jiān)測(cè)提供一個(gè)新的視角和機(jī)遇。

2 研究區(qū)概況

駱馬湖作為江蘇省四大淡水湖之一，位于江蘇省北部，橫跨宿遷市與徐州市，湖泊面積約為296 km2（在水位為21.81 m 時(shí)），總蓄水量約2.7 億m3。駱馬湖的湖底高程大約為18～21 m，最大水深為5.5 m，最寬處湖泊達(dá)20 km，且湖面中散布著60 余個(gè)大小不一的島嶼。在駱馬湖的管理區(qū)域內(nèi)，湖泊總面積為20 239.61 hm2，河流總面積為516.46 hm2，坑塘水面面積為974.73 hm2，溝渠面積為91.97 hm2。內(nèi)部及其相鄰大型河流有4 條，分別為：廢黃河（楊莊以上段）、總六塘河、邳洪河、黃墩小河。