基于遥感影像的乌梁素海水面面积及水量变化研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-07-20作者简介：李帅（1998），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要研究方向为水资源遥感应用通信作者：张婷婷（1978），女，黑龙江佳木斯人，讲师，博士，从事水信息与水环境研究工作E-mail：基于遥感影像的乌梁素海水面面积及水量变化研究李帅1，曲伟2，3，张婷婷1，姚远2，3（1.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.水利部防洪抗旱建造工程技术研究中心，北京 100038）摘要：基于高分系列卫星遥感数据，通过归一化差异水体指数（NDWI）提取水体，对乌梁素海20142021年水面面积变化情况进行研究分析，并结合DEM湖泊水面面积库容统计数据推算乌梁素海水面库容量。结果表明：乌梁素海2021年水面面积比2014年减少0.85%，面积变化保持相对稳定，但研究期内面积变化波动较大，最大减小量为2015年的346.8 km2到2020年的317.24 km2，减小幅度为8.52%。相邻年间减小幅度最大为5.41%。水面面积最大增长量为2014年的334.86 km2到2015年的346.8 km2，且为相邻年间最大的增长幅度（3.57%）。在20152020年期间，乌梁素海库容除20162017年和20182019年出现小幅度反弹外，整体呈现下降趋势。20142015年库容增长最大（0.22亿m3），增长幅度为7%。关键词：遥感；水面面积；水面库容曲线；乌梁素海中图分类号：TV213.4文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.012湖泊是地表水体重要的组成部分，对河川径流调节、农田灌溉、工业用水、生态环境调节等发挥重要作用。在人类活动和气候变化的影响下，湖泊生态系统安全经受前所未有的挑战，水面萎缩、富营养化等是湖泊保护所面临的主要问题。呼伦湖、乌梁素海、岱海是内蒙古重要的三大淡水湖，但近些年出现不同程度的湖面减小、水质变差等问题，其生态保护工作受到社会的广泛关注1。近几年来，有关方面积极开展引黄河水向乌梁素海应急生态补水工作，助力乌梁素海水生态综合治理，2018年、2020年分别向乌梁素海生态补水5.94亿、5.52亿m3，提高湖泊蓄水量和水体流动性，加大水环境容量及自净能力，增强水环境改善效果，使乌梁素海水面面积稳定在320 km2，对乌梁素海的生态改善发挥了重要作用。乌梁素海的生态环境问题也受到学界关注，有学者2-3对乌梁素海水体中TN、TP等元素的含量及水体富营养化程度进行了研究；汪敬忠等4对内蒙古主要湖泊水面面积变化进行了研究。为了研究乌梁素海水面及水量变化情况，本文利用乌梁素海高分一号（GF-1）遥感影像进行信息提取。首先，基于归一化差异水体指数5进行水体提取，得到水体范围及面积信息，进而分析20142021年水面面积变化情况；其次，基于提取的乌梁素海水面库容曲线6，利用水面面积数据推算乌梁素海的对应水量，揭示乌梁素海近年来的水面面积与库容变化情况。1研究区基本现状乌梁素海位于内蒙古巴彦淖尔市境内，是黄河改道形成的河迹湖，也是全球荒漠半荒漠地区极为少见的大型草原湖泊3。气候类型为半干旱季风气候，气温和降水量季节性变化特征显著，多年平均降水量为224 mm，水面蒸发量为1 502 mm，全年无霜期为152 d。2数据来源与研究方法2.1数据来源选取乌梁素海高分一号遥感影像数据，分辨率为16 m，具体参数见表1。高分一号卫星的高分辨率多光谱相机能够拍摄红、黄、蓝、绿4个谱段的彩色图像，为提取水体时运用的归一化差异水体指数（NDWI）方法提供了波段基础，影像的高精度足以满足研究需求。春季湖泊营养状态级别相对比较稳定，并且没有明显的水质恶化趋势，故选取4月的乌梁素海遥感影像图进行分析研究。为使获取的数据更具代表性，选取20142021年的遥感影像。2.2基于归一化差异水体指数提取水体（1）首先，为防止获取的数据产生偏差，需要对乌梁素海的影像做辐射正标、大气校正、研究区域裁剪等预处理来提高影像精度。（2）对预处理后的影像进行乌梁素海区域水体的提取。归一化差异水体指数计算公式为NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）（1）式中：Green为绿色波段；NIR为近红外波段。（3）将水体范围导出矢量，在ArcGIS中对影像进行细碎斑块处理得到水体范围，并运用ArcGIS空间统计分析工具计算乌梁素海的水面面积。2.3水面面积库容曲线湖周及水下地形资料主要利用高精度地形图和水下地形数据。在几何配准、图像拼接的基础上，得到乌梁素海水上水下一体的数字地形图。基于数字高程模型（DEM）计算水库库容，通过不规则的三角形面（TIN）与水库底下的地形曲面进行结合，建立水下地形曲面模型，使构建的模型与被测水库中的某一个高程平面进行交互，构建水库库容计算模型，并绘制水面面积库容曲线（见图1）。表1卫星GF-1的影像技术指标影像日期2014-04-032015-04-282016-04-232017-04-232018-04-272019-04-022020-04-302021-04-29载荷WFV1WFV2WFV2WFV2WFV2WFV2WFV3WFV1景序列号27615501147339233373535855304953504626595776763318935354图1湖泊水面面积库容曲线湖面容积/亿m31002003001086420湖面面积/km2400500600 22人 民 黄 河2023年S13结果分析基于对各时相乌梁素海遥感影像水体范围的提取，获取水面面积影像。利用GIS中空间统计分析工具获取20142021年乌梁素海水体范围影像的水面面积，将乌梁素海水面面积代入湖泊水面面积库容曲线得到乌梁素海相应时段的库容，见表2。（1）20142021 年，乌梁素海水面面积为 317.24334.86km2，变化相对稳定。水面面积最大减小量为2015年的346.8km2到 2020 年 的 317.24 km2，减 小 29.56 km2，减 小 幅 度 为8.52。相邻年间水面面积最大减小量发生在20152016年，减小 18.75 km2，减小幅度为 5.41。20142015 年、20162017年、20182019年和20202021年乌梁素海水面面积都有不同程度的增长，增长量分别为11.94、6.54、3.83、6.78 km2，增长率分别为3.57、1.99、1.19和2.14，其中相邻年间水面面积最大增长量发生在20142015年。20142021年水面面积变化较小，研究期仅减小10.84 km2，减小幅度为3.24。（2）20152020年，乌梁素海库库容除了20162017年和20182019年出现小幅度反弹外，整体呈下降趋势；库容由2015年的3.36亿m3到2020年的2.84亿m3，共减小0.52亿m3，减小幅度为15.48；20142015年库容增长幅度最大，从2014年的3.14亿m3增长到2015年的3.36亿m3，增长0.22亿m3，增长幅度为7.00。整个研究期内，乌梁素海库容从2014年的3.14亿m3减小到2021年的2.95亿m3，减小0.19亿m3，减小幅度为6.05。4结论基于高分一号卫星遥感数据，利用归一化差异水体指数（NDWI）提取水体，对乌梁素海20142021年水面面积变化情况进行研究分析，并结合DEM湖泊水位容积统计数据推测乌梁素海水面库容量。结果表明：乌梁素海水面面积从2015年的346.8 km2减小到 2020 年的 317.24 km2，最大减小量为 29.56km2，减小幅度为8.52；相邻年间水面面积最大减小量发生在20152016年，减小量为18.75 km2，减小幅度为5.41；水面面积最大增长量发生在20142015年，且为相邻年间增长量最大，由 334.86 km2增长到 346.8 km2，增长了 11.94 km2，增幅为3.57。乌梁素海库容从2014年的3.14亿m3减小到2021年的2.95亿m3，减小0.19亿m3，减小幅度为6.05；库容最大增长量发生在20142015年，增长0.22亿m3，增长幅度为7；20152020年期间，乌梁素海库容除了20162017年和20182019年出现小幅度反弹外，整体呈现下降趋势。参考文献：1 李志鹏.基于多源遥感的乌梁素海水生植被决策树分类研究 D.呼和浩特：内蒙古大学，2021：1-188.2 史锐，岳荣，王美萍.乌梁素海湿地生态修复总体框架研究 J.环境科学与管理，2016，41（2）：128-133.3 杜丹丹，李畅游，史小红，等.乌梁素海水体营养状态季节性变化特征研究 J.干旱区资源与环境，2019，33（12）：186-192.4 汪敬忠，吴敬禄，曾海鳌，等.内蒙古主要湖泊水资源及其变化分析 J.干旱区研究，2015，32（1）：7-14.5 陈思源，陆丹丹，吴水亭.喀斯特地区的高分一号与Landsat8遥感影像归一化水体指数定量比较 J.大气与环境光学学报，2020，15（2）：125-133.6 戚晓明，杨兰，白夏，等.基于遥感数据的洪泽湖库容曲线推求 J.水利水电科技进展，2017，37（3）：77-83.【责任编辑张华兴】表220142021年乌梁素海水面面积和库容年份20142015201620172018201920202021水面面积/km2334.86346.80328.05334.59320.57324.40317.24324.02库容/亿m33.143.363.023.132.892.952.842.954安全保证措施各级指挥员现场带班，组织班前安全教育，作业中定时进行安全检查和安全巡视；明确专职安全员负责现场安全管理，坚决杜绝发生安全事故。现场所有人员要穿戴救生衣，着抢险救援服，夜间人员要穿戴反光背心。指挥员、安全员密切配合，特别是狭窄路段车辆通行、回转平台车辆掉头注意观察，避免进入盲区。高度重视夜间作业安全，配齐配全照明灯具，加强夜间安全巡视；昼间作业时要做好防暑降温工作，做好轮班休班，避免过度疲劳引发安全事故。5结语抢险实施过程中，通过针对性技术方案进行道路抢通，加强指挥调度和现场安全管理达到道路保通效果，为溃口封堵赢得了宝贵时间，累计填筑块石料5 000余m3，修筑拓宽会车平台25个，通过全体救援人员的艰苦鏖战，最终圆满完成道路抢通保通和溃口封堵任务。这些好的做法可以为东北地区类似堤防溃口道路抢通保通提供借鉴。【责任编辑吕艳梅】（上接第21页）23