近30年黄河流域水体面积变化与影响因素分析.pdf
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1、水文水资源水利规划与设计 年第 期:/近 年黄河流域水体面积变化与影响因素分析朱凝嫣 肖作林 夏鸿萱(重庆师范大学地理信息系统应用研究重庆高校市级重点实验室 重庆)摘要:黄河水资源状况是社会关注的重点和热点 文章基于 云平台、/数据与 数据 利用 指数与基于阈值的多波段谱间关系法提取了 年黄河流域丰水期与枯水期的地表水体并分析其时空分布特征 利用累积量斜率变化分析法量化出自然和人类活动因素对地表水体面积变化的贡献率 结果表明:黄河流域内枯水期与丰水期的水体面积差异主要体现在自然水体 尤以中游干流最为明显 在枯水期内人类活动因素对地表水体面积变化的贡献率较丰水期大 人类活动对水体面积的贡献率在中
2、游最大(丰水期 枯水期 )关键词:()水体提取 年内变化 人类活动 黄河流域中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:重庆市教委科学技术研究计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:朱凝嫣(年)女 硕士研究生:通讯作者:肖作林(年)男 副教授 博士:引言作为中国的母亲河 黄河的水量水质变化一直都是社会关注的重点和热点 整个黄河流域水文特征复杂且多变 上游源头部分虽储水量丰富但依旧有时令河的存在 中游流经的黄土高原是黄河泥沙和污染物的主要来源区 这就导致了下游淤泥堆积河床抬高形成悬河 河势游荡多变 防洪形势严峻 黄河地表水的变化及其与洪水事件 与人类活动以及长期气候变化的联系
3、十分紧密 而这恰恰最能体现在地表水体面积的变化上 近年来 遥感技术在研究长时间段黄河地表水的变化趋势上发挥着越来越重要的作用水体提取方法的历史可以追溯至上个世纪 年代 几十年来各国学者致力于提高水体提取精度和效率 不断更新优化水体提取方法 早在 年 等人就提出 波段提取出的水体效果最好 年 等人开始使用 波 段 通 过 阈 值 方 法 提 取 水 体 等人在 年曾使用单波段(近红外波段)阈值方法提取水体 在 年提出了归一化差分水体指数()这一水体指数曾在长时间内在世界范围内得到广泛使用 而后徐涵秋基于 提出来改良的归一化差异水体指数()能够用于更好地揭示水体的一些细小特征 这些细微之处就包括水
4、中悬浮物和沉积物的分布以及水质发生的一些小变化等 另外 还可以有效识别阴影信息对水体的影响 一定程度上解决了水体提取中阴影难以消除这一难题目前对黄河流域长时序水体变化的研究有一定的开展 但多集中于某一流域或某一地区如黄土高原地区 黄河滩区等 且未能揭示黄河流域丰水期和枯水期的水体面积差异特征 鉴于此 本文以黄河流域为研究区域 基于 平台 针对不同河段、不同季节遴选最优水体识别方法 分析黄河流域 年间黄河流域不同河段、不同典型流域、不同季节的水体变化特征 采用累积量斜率变化率分析法探究人类活动和降水对水体面积变化的贡献率 研究结论可以准确把控黄河流域水体在时间及空间上的分布和变化趋势 对黄河流域
5、复杂状况的综合管理、水利建设、河流规划、水旱监测、农业发展以及水土保持都具有重要意义 年第 期水利规划与设计水文水资源 研究区概况和数据来源 研究区概况黄河全长大约 水面最高处和最低处相差可达约 流域总面积约 万 其中内流区约 万 黄河流域跨度广 地势差异大 河口镇分界了黄河上游与中游 桃花峪分界了黄河中游与下游 黄河流域水资源分布大致是由南向北逐渐减少的态势 黄河支流众多 但一级支流在黄河左岸和右岸的分布并不平均 右岸支流的数量明显多于左岸支流的数量 黄河源头地区水资源丰富 密布支流和湖泊 湿地种类多样 年降水量充沛 来自高原永久冰川融化的水资源充足 黄河 的降水量集中在 月 年内分配不均且
6、年际变化大 在上世纪由于生态环境恶化 城乡生产生活用水 各种自然原因与人文因素影响 黄河开始出现频繁的季节性断流 以 年最为严重图 研究区概况图 数据来源本文采用 影像、和 数据提取 年间黄河地表水体 采用()水体数据集优化水体提取结果数据集包含年地表水的位置和时间分布图 并提供了有关这些水面范围和变化的统计数据 为了检验水体提取结果精度 本文选用 遥感数据 在 平台上进行去云掩膜处理以获得高质量的影像 卫星的重访周期为 成像时间更短 其遥感数据的空间分辨率为 图像空间精度更高 年中国 分辨率逐月降水量和气温数据集源于国家科技基础条件平台国家地球系统科学数据中心(:/)见表 研究方法 基于大津
7、算法的改进后归一化差异水体指数的计算为了提取黄河流域丰水期(月)的水体采用改进的归一化差异水体指数()提取水体 传统归一化差异水体指数()主要利用绿光波段和近红外波段进行计算 水体对近红外波段的吸收强、植被对其反射率强 通过突出水体抑制植被来提取影像中水体信息 但 提取的地物信息经常与建筑和土壤混合 导致水体面积值偏高 利用短波红外波段替代近红外波段 该指数显著改善了开阔水域特征 快速、准确地区分水体和非水体特征 在很大程度上降低或者消除建筑物的影响 是划分开阔水域特征最广泛、最有效的方法之一 其计算公式如下:()()()式中 绿光波段 短波红外波段大津算法()常用于计算机视觉和图像处理中通过
8、返回单个强度的阈值将像素分为前景和背景两类 本研究使用大津算法自动提取水体和非水体的分割 阈值当值大于分割阈值时将像素表 数据来源数据分类数据名称数据来源时间/年分辨率遥感影像 影像/影像/数据/遥感数据/数据/气象数据逐月降水数据国家地球系统科学数据中心(:/)月均气温数据国家地球系统科学数据中心(:/)水文水资源水利规划与设计 年第 期点划分为有效水体 当水体频率小于分割阈值时将像素点划分为非水体 基于阈值的多波段谱间关系法对于黄河流域枯水期(月次年 月)内的水体 采用 指数法提取水体会出现大范围的山体阴影误判的现象 因此 为了降低阴影误判提升整体精度 本文在枯水期则采用基于阈值的多波段谱
9、间关系法来进行水体提取 该方法可以增大水体和阴影灰度值的差异 从而将两者很好地区分开来 水体的提取模型如下所示:()()(水体)()式中 阈值 阈值的选取可以通过直方图来大致确定 然后通过反复实验 直至得到最佳阈值由于本文研究时间跨度长 涉及不同的数据来源因此基于不同数据源与不同河段选择的最佳阈值也不同(见表)表 多波段谱间关系法阈值选择上游中游下游 影像 影像 数据 混淆矩阵计算基于 遥感数据 选择了 年 月至 年 月黄河下游影像数据与 年 月黄河中游的影像数据 对所提取的水体结果进行精度验证 通过生产者精度()、用户精度()、总体精度()和 系数()计算混淆矩阵进行精度评价 累积量斜率变化
10、率比较法 累积距平法累积距平法是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统计方法:对于自变量 其在某一时刻 的累计距平表示为:()()式中 该方法的核心是判断离散数据对其均值的离散幅度 若累积距平值增大 表明离散数据大于其平均值 反之则小于其平均值 如果曲线由上述两个部分组成 则可确定变化趋势的拐点 累积量斜率变化率比较法计算贡献率水体面积累积距平曲线斜率在拐点前后两个时期分别为 和 降水量累积距平曲线的斜率在拐点前后两个时期分别为 和 则累积水体面积斜率变化率(单位:)为:(/)()累积降水量斜率变化率(单位:)为:(/)()降水量变化对水体面积变化的贡献率(单位:)可以表示为:/()则
11、人类活动对水体面积变化的贡献率(单位:)可以表示为:()结果与分析 水体提取精度验证与/影像数据相比 影像具有更高的时间与空间分辨率 本文将 与 影像所得结果进行对比 为了确保影像质量 本文选择了 年 月至 年 月黄河下游影像数据与 年 月黄河中游的影像数据(均为已通过大气校正的地表反射率影像)随机选取水体样本点数据与非水体样本点数据 采用混淆矩阵的方式来验证水体提取精度 基于大津算法的改进后归一化差异水体指数的提取结果系数为 基于阈值的多波段谱间关系法提取结果 系数为 一致性检验结果较好 可以用作后续研究 黄河流域水体面积变化规律 黄河流域水体面积随时间变化规律 年 黄河流域水体面积变化如图
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