多源数据协同在南四湖生态应急调水中的应用分析

李凤生 马泽生 郏 建

（淮河水利委员会水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 引言

2013年10月至2014年8月，受多种气候因素的影响，南四湖地区降水持续偏少，致使南四湖出现继2002年之后最严重的干旱年。针对南四湖的旱情，2014年8月1日国家防总在北京召集淮河防总、山东省防汛抗旱总指挥部、江苏省防汛抗旱指挥部、国务院南水北调办公室等单位应急会商，讨论形成了2014年南四湖生态应急调水方案，决定启用新建成的南水北调东线工程从长江向南四湖实施生态应急调水。通过计量分析，2014年南四湖生态应急调水水量为8069万m3，有效缓解了南四湖地区的严重旱情。本文针对南四湖生态应急调水专题分析的需要，提出多源数据协同的应用与分析方法，综合利用多种来源的基础资料，以遥感影像为主，通过遥感手段精确提取关键水位时期湖区内的主要水体，并结合相关资料联合分析，比较调水前后水体的变化情况，从宏观层面直观地反映生态应急调水的效果。

2 研究区概况

南四湖位于山东省西南部济宁市，邻接江苏省徐州市，由西北向东南延伸，形如长带，湖盆浅平，北高南低，自北向南由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖串连组成，为淮河流域第二大淡水湖，湖面面积1280km2。湖腰最窄处（昭阳湖中部）修建了二级坝枢纽工程，将南四湖一分为二，坝上为上级湖，坝下为下级湖。湖区内地形复杂，微山、独山、南阳等主要岛屿以及其他零星小岛坐落其中，入湖河道在湖口段因泥沙淤积形成许多浅滩，此外湖内还综合交错、不规则地分布着航道、船沟及埝埂等。

3 多源数据协同的分析方法

针对专题分析的需要，提出基于多源数据协同应用的分析方法，其流程如图1所示。以遥感影像分析技术为主线，首先利用气象、水文资料和遥感影像存档数据，查找并筛选出调水期间关键时点可用的遥感影像数据；在此基础上开展影像研判工作，初步分析调水前后的水体变化情况；根据影像类型，通过水体提取实验，选取合适的水体提取方法，提取出调水期间湖区内水体系列数据；进一步结合调水水量、水文、水位面积关系等资料分析水体提取的合理性，客观地评价调水效果。

4 数据收集与初步分析

4.1 数据资料收集

山站水位。

图1 南四湖生态应急调水多源数据协同分析流程图

图2 调水期间RADARSAT-2系列影像图

收集南四湖地区的气象、水文、调水量、遥感影像、水位面积关系等资料。其中，遥感影像作为主要的应用数据，将收集调水期间的系列遥感影像和历史遥感影像，以雷达卫星数据为主，以中高分辨率的光学卫星数据作为补充。选择雷达卫星数据作为主要数据源，因为其采用主动微波遥感方式获取数据，具有全天候、全天时的探测能力，对水体较为敏感，有利于在云雨天气的不利天气条件下进行大范围的水体监测。

根据调水期间的天气情况，按照最低生态水位、最低水位和调水前后等关键水位控制时点的要求，经过查找和筛选，最低水位选用7月26日加拿大RADARSAT-2雷达卫星数据；并选用该卫星8月28日的影像作为调水结束后的数据；最低生态水位选用8月15日中国高分一号卫星遥感数据；历史遥感影像采用法国SPOT5卫星遥感数据。各类遥感影像数据的基本情况见表1，表中水位均为下级湖微

4.2 数据初步分析

（1）高分一号

下级湖的最低生态水位为31.05m，出现在水位下降过程中的7月13～14日，以及水位上涨过程中的8月12～14日。最低生态水位选用8月15日的高分一号WFV2光学遥感影像数据，分辨率16m，对应下级湖水位为31.09m，高出最低生态水位0.04m。

但该影像受天气影响很大，云层多且厚，对下垫面遮挡严重，透过云层仍能看到南四湖湖水面的基本情况。相对于雷达卫星数据，高分一号数据对于水体的敏感性较弱，分辨率较低，难以清晰地区分水体与非水体，湖中细窄的隔堤、埝埂等无法辨识，影像上都表现为水体，导致湖面水体面积偏大，无法与高分辨率的雷达数据叠合分析。

（2）RADARSAT-2数据

RADARSAT-2具有合成孔径雷达的特性，粗糙的陆地表面反射回波较强，影像上表现为较高的亮度，而相对光滑的水体表面反射回波较少，在影像上亮度较低，表现为暗黑色。考虑南四湖地区得地势较为平坦，因而可忽略地形因素影响。利用RADARSAT-2卫星影像可以方便地辨别水体和非水体，进而提取出水体的分布范围。

本次收集的RADARSAT-2数据采用extra-fine单极化模式，空间分辨率5m，幅宽125km×125km。7月26日影像（图2-a）对应下级湖水位为30.77m，比最低水位高0.02m，可作为最低水位时点的参照数据；8月28日影像（图2-b）对应下级湖水位31.22m，较8月25日调水结束时上涨0.01m，可作为调水结束时点的参照数据。

两景RADARSAT-2影像都成像于南四湖水位相对较低的时期，水体中孤岛较多，加之图像分辨率较高，受到一定噪声影响，黑色水体中表现出许多白色斑点。从两景数据的初步对比来看，水位相差0.45m，水体分布的边界总体上未发生显著变化。但在细节部位，由于水位上涨，下级湖湖心区高程较低的隔堤被淹没，原来独立水体连入湖区，湖心水体面积有所增大，如图3所示；湖区内的部分航道河段，则由原来低水位时近干涸断流的状态，变为清晰的连通水体。

（3）SPOT5数据

SPOT5历史影像作为几何校正和对比分析的参照，是经处理的近自然色影像，空间分辨率2.5m，成像日期为2013年10月23日，对应下级湖水位33.73m，比调水前最低水位高出近3m，水体表现较为清晰，其分布范围也比调水期间明显大出很多。

表1 遥感影像数据基本情况表

5 水体提取及分析

湖区内的特殊地形导致水体分布极为复杂。结合本次调水工作实际，主要提取湖心、湖内航道和京杭大运河等连通水体；隔堤及湖区内其他独立封闭的水体，受调水影响小，不参与提取分析计算。

目前，水体提取方法主要有水体指数法、谱间关系法、决策树法、密度分割法、图像分类法、比值法、阈值法及差值法等，其中采用水体指数法、谱间关系法与决策树法等应用较为成熟。

经多次实验，发现采用单波段阈值与构建二叉决策树的方法提取水体效果较好。首先利用遥感软件进行滤波运算，选择增强型Lee滤波器（Enhance Lee Filter）消除影像上噪音斑点，增强图像；然后参照SPOT5影像进行几何校正，使两景RADARSAT-2影像精确地配准到一起，以便叠加比对；选择水体样本训练区，统计获取水体与非水体的分界阈值，利用二叉决策树分类方法提取出水体范围；最后在软件提取结果的基础上，结合人工选取和修正，确认最终的湖心水体，其分布情况见图4。

在遥感影像提取的水体成果基础上，进一步利用GIS软件分别计算出上级湖和下级湖的水体面积，结果如表2所示。将该计算结果与2014年版《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》中南四湖水位～面积曲线的查算面积进行比对，分析遥感影像提取结果的合理性，以客观地反映调水效果。

从表2中可以看出，提取面积均比预报方案中查算面积值偏小，主要因为此次影像分析仅提取了湖心及相关河道内的连通水体，从而导致提取结果整体偏小。

图3 最低水位时期和调水结束后RADARSAT-2对比图

表2 南四湖生态应急调水水体提取成果对比分析表

上级湖7月26日水体提取面积为269km2，比查算面积少72km2，偏少21.1%；8月28日提取结果为259km2，较查算面积少73km2，偏少21.9%。前后两期数据的面积差值及偏差率都比较接近。

下级湖7月26日水体提取面积为182km2，比查算面积小30km2，偏少14.2%；8月28日提取结果为212km2，较查算面积少86km2，偏少28.9%。前后两期数据的面积差值和偏差率相对较大。对比下级湖调水前后的水体空间分布情况，如图5所示，在7月26日（图5-a）和8月28日（图5-b）两个不同水位时，下级湖内水体分布并未发生显著变化，但水位上涨0.45m后，湖心主要水体发生变化，面积从182km2增加至 212km2，扩大 30km2。

从数据对比分析的偏差情况来看，结合调水水量跟水位、面积变化之间的关系，水体提取的结果比较客观合理。但跟预报方案中查算面积相比，本次遥感影像提取结果整体偏小，主要有三方面原因：（1）本次水体提取的特殊性，未包含湖区内独立封闭水体，导致整体结果偏小。（2）遥感影像基于2014年现状成像拍摄，而预报方案中水位～库容、面积关系曲线为20世纪70年代初的水下地形测绘成果编制，其相关关系已很难反映当前下垫面的情况，尤其经济社会的快速发展，人类活动干预限制了湖心水体的范围，下级湖尤为明显，这是造成偏差的主要原因。（3）遥感影像的数据质量、提取方法和水体分界阈值等诸多因素，也对遥感影像水体的提取结果产生一定影响。

6 结论与展望

图4 湖心主要水体分布对比图

图5 南四湖下级湖调水前后湖心水体分布情况对比图

通过多源数据的协同应用，提取关键时点的水体，对调水前后、最低水位、最低生态水位等不同时间节点进行分析计算，能够客观地反映调水前后湖区水体分布的真实情况。结果表明，调水结束后南四湖下级湖水面面积比最低水位时增加30km2，通过生态应急调水，较短时间抬升了湖区水位，有效扩大了湖区水面面积。

2014年南四湖生态应急调水计量与分析工作，未能准确获取关键水位时刻点遥感影像，而采用了最近时点的存档数据，对于大范围的宏观评价可以忽略影像资料时相上的差异，但对于局部地区精细化的评估应用，将很难满足精度要求。在今后类似的工作中应尽早部署，及时获取准确时点的系列数据，以便更好地开展动态跟踪监测和精确评估分析。另外，本次分析工作主要采用了雷达卫星数据，随着国产高分数据的广泛应用，未来工作中基于国产高分的光学遥感影像，结合面向对象的信息提取方法将值得探索和尝试。

基于多源数据的协同应用与分析，在南四湖生态应急调水计量工作中取得良好成效。综合利用多种类型的基础数据，通过水体系列资料的对比分析，不仅适用于类似应急管理与响应工作，也可进行大范围全过程的动态跟踪监测、事中预评估和事后精细评估，其数据协作与分析机制可为应急或常态化应用提供客观真实的依据■