基于MNDWI的丹江口水库面积提取及其动态变化监测

岳　辉　刘　辉

(西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安　710054)



基于MNDWI的丹江口水库面积提取及其动态变化监测

岳辉刘辉

(西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安710054)

丹江口水库因其优良的水质，相对稳定的输水量，以及地势上可以使水自流到北方地区等一些得天独厚的优势被选为南水北调中线工程的水源地。本文选取2002-2015年的42期Landsat TM/ETM+遥感影像，利用修正型归一化差异指数(MNDWI)提取14a的水库水域的面积变化的动态信息。结果表明，2005年9月丹江口水库大坝开始加高以后的水库面积开始增大；丹江口水库面积的四季变化研究中，秋季丹江口水库水域的面积变化幅度较大，冬季水库水域的面积变化幅度较小，春季和夏季的面积变化幅度相对稳定；丰水期(9-12月)的水库面积的变化幅度较大，枯水期(1-4月)与平水期(5-8月)的水库面积变化幅度较小，丰水期的水库面积总体上大于枯水期与平水期水库水域面积。加强对丹江口水库的水域面积与生态环境保护对我国水资源的空间调度有着十分重要的意义。

丹江口水库；MNDWI；面积；动态监测

1　引　言

丹江口水库位于汉江中上游，库区分布于湖北省丹江口市和河南省南阳市，水域横跨鄂豫两省。丹江口水库由汉江库区和丹江库区组成，水源来自于汉江及其支流丹江。丹江口水库的水质一直保持优良，现为南水北调中线工程的起点和调水水源地，南水北条中线工程为沿线地区的北京、天津、河南、河北4个省市的20多座城市提供生活和生产用水。同时，丹江口水库也是亚洲第一大人工淡水湖、国家一级水源保护区、中国重要的湿地保护区和国家级生态文明示范区[1]。由此可见，掌握丹江口水库面积及其动态变化对我国淡水资源的保护以及生态文明建设有着十分重要的意义。

卫星遥感技术现在各个国家发展的非常迅速，因其有成本低、宏观高效等特点以及能够克服时间和地域地形的限制且能进行实时、长期的动态监测而被运用到各个领域。Mcfeeters[2]提出的归一化差异水体指数(NDWI)利用遥感影像的特定波段进行归一化差值处理，基于绿波段与近红外波段的归一化比值指数，以凸显影像中的水体信息。徐涵秋[3]提出的修正型归一化差异水体指数(MNDWI)是在对归一化差异水体指数(NDWI)分析的基础上，对构成归一化差异水体指数(NDWI)的波长组合进行了修改。修正型归一化差异水体指数(MNDWI)相比归一化差异水体指数(NDWI)在实际应用中的优势在于MNDWI可以用来提取有较多建筑物背影的水体，且可以很容易地区分出水体和阴影，从而解决了水体提取中难以消除阴影的这一难题。众多学者以丹江口水库为研究对象，利用不同的水体指数法对水库面积进行提取，例如董亚东等[4]利用1991-2006年Landsat数据采用NDWI、MNDWI和监督分类三种模型提取丹江口水库地区的水域面积，结果表明MNDWI模型更适合该地区水体信息定量提取研究。吴川等[5]收集了2002-2011年47幅Landsat TM/ETM和HJ-1A/B影像，采用基于阈值分割的归一化水体指数法(NDWI)提取了10a间水库水域动态信息，结果表明春夏季节水库水域面积相对稳定，秋冬季节水库水域面积波动较大。

本文以14a年来的Landsat TM/ETM+影像为数据源，利用修正型归一化水体差异指数法(MNDWI)提取水体边界并计算水域面积，得到近年来丹江口水库的面积变化的动态变化趋势，以期为南水北调中线工程提供水源地基础数据并为丹江口水库水文监测和管理提供科学参考。

2　研究区概况

丹江口水库位于我国的110°59′～111′49′ E，32°36′～33°48′N。丹江口水库位于汉江中上游，水域横跨鄂豫两省。库区由汉江干流和丹江支流交汇而成，于是也将丹江口水库区分为丹江库区与汉江库区这两大库区，库区在形态结构上总体呈现“V”字形。库区所处的气候为北半球的亚热带向暖温带过渡的过渡带，是典型的大陆季风型半湿润气候。库区所处的地形、地理位置决定了这里四季分明，雨量充沛的特点。据统计，丹江口水库以上流域多年平均降雨总量为900.4mm。降水时间非常集中，在主汛期5-10月，占年降水量的80.5%，而1-4月和11-12月仅占年降水量的19.5%。7、8月份为全年降水量最多的月份，平均降水量为169.8和140.5mm，占年降雨量的18.9%和15.6%。9、10月份仅次于7、8月份，平均降雨量为131.6和77.2mm[6-7]。

3　研究方法

本文从美国的USGS网站上(http：//glovis.usgs.gov/)输入丹江口水库地区的条代号为125，行编号为37，选择下载了2002-2015年间的Landsat-5的TM影像19幅，Landsat-7的ETM+影像23幅。本文采用的是修正型归一化差异指数(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)。其公式为：

MNDWI= (Green-MIR)/ (Green+MIR)

式中，Green为TM/ETM+遥感数据中绿光波段遥感数据；MIR为TM/ETM+遥感数据中的中红外波段遥感数据。在ENVI5.1中对所下载的原始数据进行辐射定标与大气校正，然后，对影像进行波段计算、影像裁剪、栅格转矢量等，最后，将矢量化的数据导入ArcGIS中，对影像数据进行面积提取。

4　结果与分析

4.1水库面积年际变化

将所下载数据的时间，搭载传感器的卫星以及提取出来的丹江口水库水域面积整理为表1。由表1可知，2002年至2004年3月水库面积变化幅度不大，处于缓慢增长的趋势。从2004年7月至2015年12月水库面积变化幅度明显变大，水库面积总体上处于增大趋势，这不仅仅与丹江口水库上游的降雨量有关，也与从2005年9月开始实施的丹江口大坝加高工程有关，丹江口大坝加高，水位上涨，水域面积增加。水库面积最小值出现在2013年5月，此时水库中上游有着较为严重的旱情；最大值出现在2010年10月，此时正处于丹江口水库的蓄水时期，加上水库中上游的强降雨使得水库面积出现了峰值。

表1　2002-2015年数据采集时间、传感器和面积表

4.2水库月际变化

丹江口水库月际变化图如图1所示，丹江口水库的面积在1月至4月份之间变化幅度较小，此时水库正处于平水期，水库水域面积既无显著的增加也无显著的减少；5月至8月份之间水库面积总体上处于较低的水平，此时水库正处于枯水期，水库中上游的降雨量较少；9月至12月份水库面积较大，此时水库正处于丰水期，水库的中上游的降雨量较多且为保证发电、航运及输水，水库从每年10月份开始蓄水。通过计算，得出平水期的最大水域面积为694.01km2，最小水域面积为336.42km2，平均水域面积为482.94km2；枯水期的最大水域面积为648.48km2，最小水域面积为322.55km2，平均水域面积为436.91km2；丰水期的最大水域面积为758.336km2，最小水域面积为380.99km2，平均水域面积为576.30km2。

图1　江口水库月际面积变化图

4.3水库面积季节变化分析

根据丹江口水库所处地理位置的气候特征，将四季

从3月到次年2月，分别划分为春季、夏季、秋季和冬季，如图2-5所示。春季水库面积的最大值为2015年3月21日的585.98km2，最小值为2013年5月2日的322.55km2，其中最大值和最小值得面积差为263.43km2。夏季水库面积的最大值为2015年6月9日的648.48km2，最小值为2004年7月4日的357.17km2，最大值和最小值的面积差为291.31km2。秋季水库面积的最大值为2010年10月9日的758.34km2，最小值为2002年11月4日的380.99km2，最大值和最小值的面积差为377.35km2。冬季水库面积的最大值为2015年12月2日的685.65km2，最小值为2003年1月7日的436.55km2，最大最小值的面积差为249.10km2。秋季丹江口水库水域的面积变化幅度较大，冬季水库水域的面积变化幅度较小，春季和夏季的面积变化幅度相对稳定。

图2　春季水库面积示意图 (1)最大 (2)最小

图3　夏季水库面积示意图(3)最大 (4)最小

5　讨　论

为了缓解华北地区水资源短缺的紧张局面，促进我国北方地区经济社会可持续发展和生态环境的改善，同时为南水北调中线二期工程调水奠定基础，加高大坝将进一步提高水库的防洪能力和下游的防洪标准，工程的建设还可改善枢纽的发电和汉江干流的通航条件。丹江口大坝加高工程于2005年1月5日开始进行前期准备工作，9月26日举行了大坝加高工程开工仪式，2013年8月29日加高工程顺利通过蓄水验收。丹江口大坝的加高使水库水位上升，水库面积增加。为了保障水库调水、发电及航运等，水库每年的10月份开始蓄水，2、3月份开始放水，这在一定程度上也影响了水库面积的变化。

目前，在影响丹江口水库面积变化的众多影响因素中，水库上游的降雨以及人为对水库大坝的加高、蓄水、放水等成为了影响丹江口水库面积变化的主要影响因素[8-9]。上游的降雨多、降雨量大就会使水库水位上升，水库面积增加。反之，水库水位下降，水库面积减少。人们对丹江口大坝进行整体加高、进行水库蓄水时，水库的水位与面积都会有所增大。在水库选择放水时，水库的水位与面积会有所减小。受上游水库调蓄和支流涨水的影响，水库的水位不断增加。截至目前，水库蓄水量达290亿立方米[10]。丹江口水库按现在的发展趋势发展，水库的面积会越来越大。作为南水北调中线水源地的丹江口水库，其水资源的保护与管理尤为重要，退耕还林，提高森林覆盖率，建立自然生态保护区等措施都可以提高水资源的安全，保障水源地的水量和水质。

图4　秋季水库面积示意图(5)最大 (6)最小

图5　冬季水库面积示意图(7)最大 (8)最小

[1]李伟萍，曾源，张磊，等.丹江口水库消落区土地覆被空间格局分析[J].国土资源遥感，2011，04：108-114.

[2]McFeeters S K.The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features，Int.J.Remote Sens.，1996，17(7)，1425-1432.

[3]Xu.H.Q.Modification of normalized difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery，Int.J.Remote Sens.，2006，27(14)，3025-3033.

[4]董亚东，杨勤.丹江口水库水域面积动态变化研究[J].南水北调与水利科技，2009，7(6)：255-257.

[5]吴川，张玉龙，许秀贞，等.基于Landsat TM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水库水域变化监测研究[J].长江流域资源与环境，2013，22(9)：1207-1213.

[6]李仁东，李劲峰，黄进良.南水北调对湖北丹江口水库区土地资源的影响[J].长江流域资源与环境，1998，7(2)：109-114.

[7]金炎平，赵文焕.丹江口水库秋汛期水文气象要素变化规律的变化分析[J].水利水电快报，2004，25(10)：22-24.

[8]张利平，胡志芳，秦琳琳，等.2050 年前南水北调中线工程水源区地表径流的变化趋势[J].气候变化研究进展，2010，6：391-397.

[9]殷淑燕，黄春长.汉江上游近50a 来降水变化与暴雨洪水发生规律[J].水土保持通报，2012，32(1)：19-25.

[10]董亚东，杨文宇，秦赫.丹江口库区水域面积动态变化分析———基于长时间序列Landsat 数据[J].安徽农业科学，2016，44(1)：321-324.

Water Area Extraction and Dynamic Monitoring of the Danjiangkou Reservoir using MNDWI

YUE HuiLIU Hui

(College of Geomatics，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，Shaanxi 710054)

Danjiangkou Reservoir because of its good water quality，relatively stable carrying capacity，and on the ground to artesian water to some unique advantages such as the northern area was selected as the water source of south-to-north water transfer project. This article selects 2002-2015 period of 42 Landsat TM/ETM + remote sensing image，using the fixed type normalized difference index (MNDWI) extract 14a changes in the area of the reservoir water dynamic information. The results show that the September 2005 after the Danjiangkou Reservoir dam heightening reservoir area began to increase；The four seasons of Danjiangkou Reservoir area of study，large variations in the area of Danjiangkou Reservoir water，autumn winter variations in the area of reservoir water area is lesser，variations in the size of the spring and summer is relatively stable；Altogether (Sep to Dec) in the reservoir area of the change of the amplitude is larger，the mutagenicity in April (Jan -Apr) and level period (May to Aug)，small variations in the reservoir area of the plentiful reservoir area on the whole is greater than the mutagenicity and level period reservoir water area. Strengthen the Danjiangkou Reservoir water.

Danjiangkou Re Reservoir；MDNWI；water area；dynamic monitoring

岳辉，讲师，博士，主要从事矿区生态修复和环境遥感研究

X21

A

1673-288X(2016)05-0201-04

项目资助：国家自然科学基金项目(NO.41401496)；陕西省教育厅2014年科学研究计划(NO.14JK1471)；陕西省科技统筹创新工程项目(2011KTZB01-02-04)

引用文献格式：岳辉等.基于MNDWI的丹江口水库面积提取及其动态变化监测[J].环境与可持续发展，2016，41(5)：202-204.