基于遥感的白洋淀长时间序列水面监测研究

步 凡 王 昊 于 航

（中国自然资源航空物探遥感中心 北京 100083）

引言

白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊，其对于华北地区的生态环境都具有重要的调节的作用。目前，国内众多学者已开展采用不同类型的遥感数据，对白洋淀地区的水资源现状和变化趋势进行分析的研究。但不同学者采用的遥感解译方法、数据源时相的选取都有所不同，对于白洋淀水资源现状和变化的结果具有一定的不确定性。随着近年来国产卫星传感器的发展，国产卫星数据源已逐渐成为水资源调查监测的一个重要数据来源，基于多源卫星遥感影像开展白洋淀湿地变化长时间序列的水面监测工作也逐渐成为该地区生态环境监管的主要手段，系统总结近年来的白洋淀水面变化趋势开展深入分析研究，成为具备现实意义的科学问题[1]。

本研究利用白洋淀地区2003-2020 年间的高分一号卫星和Landsat 卫星影像，基于NDWI（归一化水体指数）、GNDWI（高斯归一化水体指数），配合人机交互解译进行校正，对白洋淀地区的水面信息进行提取。从水体面积变化的角度分析了白洋淀地区近20 年来的变化趋势，为白洋淀地区的湿地保护和管理、雄安新区的规划与建设提供科学依据和决策支撑[2]。

1 研究区概况

白洋淀，位于河北雄安新区，总面积约为366 平方公里（包含水体、周边芦苇和浅滩等），是华北地区最大的淡水湖泊。地理范围在38°43′—39°02′N，115°38′—116°07′E[3]。

2 研究数据

本研究搜集了白洋淀地区2003-2020 年期间的Landsat-7数据（2003-2012 年）和高分一号WFV 数据（2013-2020 年）。Landsat-7 卫星是美国陆地卫星的第七颗卫星，于1999 年发射升空，其全色波段的空间分辨率为15 米，多光谱波段分辨率为30 米；高分一号卫星是我国高分专项的第一颗卫星，于2013 年发射，其搭载了PMS 和WFV 两类传感器，PMS 相机可采集2 米分辨率全色数据和8 米分辨率多光谱数据，影像幅宽为60 公里，WFV 相机由4 台相机拼合，可拍摄分辨率16 米的多光谱数据，4 台WFV 相机拼合后，影像幅宽可达到800 公里[4]。

为了增强年度间数据的可比性，规避因旱季和雨季等因素的干扰，遥感影像的拍摄时间均为6-9 月，为保证年度间对比的标准化，经过处理的遥感影像均采用CGCS2000 大地坐标系统。

表1 白洋淀地区水体遥感监测数据源

3 研究方法

3.1 遥感影像的预处理

遥感影像的预处理主要采用ENVI 软件完成，主要针对Landsat-7 和高分一号WFV 数据进行正射纠正、影像裁切与增强等。

本研究以搜集的白洋淀地区2018 年土地变更调查影像为参考影像，以SRTM DEM 作为高程参考，选取控制点，在待纠正影像选取与参考影像相对较为明显的同位置点，例如线性地物的交叉口等，坐标系统采用CGCS2000 大地坐标系统，对高分一号WFV 和Landsat-7 数据进行正射纠正。对于高分一号WFV和Landsat-7 数据进行纠正时，选取控制点数量在30 个左右，采用二次多项式、双线性内插的方法。

3.2 水体提取

考虑到要同时适用两种类型的遥感影像，同时白洋淀地区的水体相对较浅，水面、周边芦苇、浅滩等相互交错，本研究对于白洋淀地区的水体提取工作采用自动化指数提取（归一化水体指数（NDWI）、高斯归一化水体指数（GNDWI）和人工校正相结合的方法[5]，首先对Landsat-7 和高分一号WFV 影像的光谱特征进行分析，制定提取规则，并在定量提取的基础上，加以人工改正，提高提取精度[6]。

（1）归一化水指数（NDWI）

NDWI 是遥感影像的绿（Green）波段和近红外（NIR）波段的归一化比值指数。

NDWI=（p（Green）-p（NIR））/（p（Green）+p（NIR））

（2）高斯归一化水体指数（GNDWI）

高斯归一化水体指数指将原有的归一化水体指数（NDWI）进行高斯变换，进而拉伸原来的归一化水体指数（NDWI）中的临近0 值的区域的弱信息，提高水体与非水体的辨识度，GNDWI的计算公式为：

式中：GNDWIa,b为点（a,b）处的高斯归一化水体指数，NDWIa,b为点（a,b）处的归一化水体指数（NDWI），为影像全部像素的归一化水体指数（NDWI）均值，σ 为影像全部像素的归一化水体指数（NDWI）标准差。

3.3 综合分析

在提取完2003-2020 年共18 景遥感影像中的白洋淀水体面积后，基于ArcGIS10.2 软件开展长时间序列的白洋淀湿地水体的矢量信息的空间分析，主要用来计算各年度水体矢量范围内的面积，分析长时间序列的白洋淀水体面积的变化。

4 结果分析

根据2003-2020 年白洋淀地区遥感影像，结合归一化水体指数（NDWI）、高斯归一化水体指数（GNDWI）和人工改正的水体提取结果，得到每年1 期的白洋淀地区18 年来的水体范围，进而分析2003-2020 年来的每年的水面面积变化趋势。

图1 部分年度白洋淀地区水体提取结果

从图2 中可看出白洋淀地区水体面积变化的几个趋势，2003-2005 年，水面面积保持总体稳定，保持在200 平方公里左右；2006-2011 年，水面面积呈缩小趋势，由200 平方公里左右逐渐下降到150 平方公里左右，尤其是2010-2011 年，水面面积缩小的趋势较为明显；2011-2013 年，水面萎缩的情况有所扭转，水面面积回升较为明显，由150 平方公里左右回升到250 平方公里左右，2014-2019 年，水面面积稳步回升。但是从总体上来，相比2010 年以前，2010 以后的十年，白洋淀的水位总体上处于扩张趋势，近年来，总体稳定在250 平方公里左右。从客观的数据来观察，随着国家对生态环境的保护力度的加大，雄安新区规划的出台，白洋淀地区的生态状况，尤其是地表水资源的保护工作取得了积极的进展，水资源的总量在逐步恢复。

图2 白洋淀水面面积变化趋势（2003-2020）

表2 白洋淀历年水面面积（2003-2020）

结语

通过遥感等技术手段，可以直观、快速、准确的估算出白洋淀地区的水体面积，利用多期次的遥感影像叠加分析，还可以反映出白洋淀地区水体面积的变化趋势，为白洋淀地区的水资源的保护和开发利用提供科学支撑。同时，以白洋淀地区水体面积监测为样板，可以监测其他区域主要湖泊、河流等水体水资源的现状和历史变迁情况。在当前生态文明建设日益重要、生态保护力度日趋加大的背景下，遥感为以水资源为代表的生态环境保护问题的发现和监管提供了客观的科学手段。