基于环境减灾卫星CCD数据的三峡湖岸消落带信息提取

倪波顺

（1.重庆市铜梁区规划和自然资源局，重庆 452060；2.三峡生态环境遥感研究所，重庆 401331）

消落带是指因水库运行形成的季节性水位涨落而使库区周边被淹土地周期性地露出水面的一段特殊区域[1,2]。三峡库区消落带是一种具有多种功能、较高缓冲容量和环境净化及保护功能的宝贵资源[3,4]，也是三峡库区上游重要的生态屏障。库区内生物资源丰富，自然生态景观优美，具有十分重要的生态环境保护价值[5]，又因其不稳定性使得消落带属于一种生态环境脆弱地带，研究其分布范围和演变趋势对于合理利用和保护区域内的自然资源具有重大意义[2]。三峡水库采取“蓄清排浑”的运行方式，即10月汛期结束后开始蓄水，水库水位上升至最高水位175m，并保持至11～12月；1～4月为供水期，水库水位逐步降至156 m，5月底降至145m，这样在1年内就会形成垂直落差达30m 的库岸消落带[6]。消落带是一种周期性的土地资源[7]，而在复杂地形区域利用遥感技术提取消落带信息有着巨大技术优势[8]。提取原理主要基于水位高度落差信息，周成虎、杜云艳等提出了基于水体光谱知识水体自动提取识别的模型；陆家驹等采用色度判别法、比率测算法以及阈值法对TM图像中的水体分布范围进行提取[9]；Baton I.J.等利用AVHRR影像数据12通道的比值图像对水体进行识别[9]；Moller Jensen通过对TM4、TM5设定经验阈值识别水体，单波段阈值法可以提取水体信息，缺点是水体与非水体之间的过渡区被忽略，无法提取细小水体信息[10]；徐涵秋利用改进后的NDWI指数来提取水体信息[11]；吴文渊提出先利用谱间关系和缨帽变换湿度分量建立提取水体的最优空间掩膜，有效提高水体提取的相对精度[12]；秦其明等通过像素的重组，在区域分割和边界跟踪的基础上，对卫星图像进行水体形状特征的抽取与描述，实现水体的识别[13]。本文着重研究基于环境减灾卫星CCD数据、三峡库区实时水位数据，利用人机交互式方法提取三峡库区（重庆段）湖岸消落带信息，研究消落带面积及其在各个区县的空间分布规律，为行政主管部门合理利用和保护消落带提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

三峡库区（重庆段）位于长江上游，包括涪陵、丰都、忠县、石柱、万州、云阳、奉节、巫山，区域总面积21907.46km2[14]。研究区域属亚热带季风性湿润气候区，水资源比较丰富，雨量充沛但空间分布不均匀[15]。三峡库区消落带是我国水库消落区中常年面积最大、人类活动最频繁、可能导致生态环境问题最为突出的消落带区域[16,17]。三峡水库蓄水后，由于库岸两侧岩石周期性地浸泡在水中，库岸山体吃水比重加大，使两岸坡地稳定性减弱，从而诱发滑坡、崩塌和泥石流，严重威胁库岸人民的生命财产和库区的安全[18]。消落带是人类活动与自然环境结合的一种生态环境脆弱带，在季节性的开发利用过程中，由于缺乏完善法律法规的约束，部分资源的开发未能从长期、全局、可持续的角度进行规划和管理，不可避免地出现开发与环境保护的矛盾冲突，对生态环境造成破坏[19]，因此研究三峡库区的消落带具有重大的经济生态价值。

1.2 研究方法

资源环境卫星CCD遥感数据具有较高的空间分辨率、光谱分辨率，广泛地应用于对地观测，已经成为研究地表覆盖与环境的重要遥感数据源[20]，研究选用2011年7月和2011年11月的CCD环境资源卫星影像，空间分辨率为30 m、对地刈幅宽度为700km进行水体提取，数据全波段为8个波段[14]。

1.2.1 长江遥感影像数据

长江遥感影像数据来源于中国资源卫星应用中心，为三期数据的基本参数，影像数据信息如表1。

表1 遥感影像数据信息表

145m水位的影像时间为七月份，此时水库正处于低水位期，又是夏季，云层对遥感影像的影响最低，而175m水位的影像时间为11月份，此时水库处于高水位期，又逢冬季，重庆地区的云层较厚，一幅影像难以完全清晰地显示三峡库区重庆段的全部区域，故选用三幅不同时间但水位相差不多的影像进行合并，拼接成一幅175m水位的影像。

1.2.2 长江水位数据

水位数据来源于三峡集团总公司的实时水位信息，水位信息为2011年5月至2012年1月，具体时间为从每月1日开始，每5天选取当日11时水位取平均值得到实时水位信息，如表2。以实时数据结合环境卫星数据来研究三峡库区消落带。

表2 三峡库区实时水位信息表

利用资源环境卫星CCD数据提取水体信息，主要是依据水体在各波段上的反射值与其它地物存在区别，通过分析水体与背景地物的光谱值，利用多个波段构建水体信息提取模型，从而实现水体信息的提取[21]。研究借助ENVI和Arcgis软件，利用ENVI软件基于标准的影像数据为底图（如图1），对下载的遥感数据进行处理，具体步骤包括原始遥感图像的预处理、数字高程模型（DEM）的构建匹配、正射影像的生成、进行几何校正等预处理[22]。该基准影像为2004年和2005年landset TM全球正射影像镶嵌数据，该数据均方根（RMS）精度优于50m，几何校正方法采用二次多项式拟合法，RMS误差不超过0.5个像元（15m）。

图1 基准校正底图

几何校正完成后研究选用432波段进行假彩色遥感数据融合[23]，最后进行拼接，根据矢量数据叠加裁剪，得到符合解译要求的三峡库区重庆段的145m和175m长江水位影像图，如图2、图3。

图2 145m水位长江影像图

图3 175m水位部分长江影像图

2 结果与分析

数据预处理完后就可以对145m和175m的长江水位影像进行解译，解译采用Arcgis软件目视解译，得到三峡库区重庆段长江水位145m时的江面面积和175m时的江面面积分布图，如图4、图5；消落带面积即为两个水位面积之差，如图6；最后对影像生成的数据进行分析得出长江三峡重庆段消落带在各个区县的面积以及它的分布特点。

图4 145m的长江三峡重庆段江面面积

图5 175m的长江三峡重庆段江面面积

图6 涪陵区145m和175m水位的长江江面面积图

根据解译结果得出三峡库区重庆段在145m和175m水位时各区县水域面积及总面积分布，如表3。

表3 长江三峡重庆段长江江面面积以及消落带面积

由表3可知，长江水位在175m时三峡重庆段长江江面面积为447.22km2，在145m 时为369.61 km2，由此可以得出长江三峡消落带重庆段的总面积为77.61km2，各区县的消落带面积依次为涪陵8.38 km2、丰都 8.79 km2、忠县 15.73 km2、石柱 1.08 km2、万州 16.54km2、云阳 8.78km2、奉节 12.52km2、巫山5.79km2，各区县消落带面积占145m水位长江江面面积的比重分别为涪陵2.26%、丰都2.38%、忠县4.26%、石柱0.29%，万州4.47%、云阳2.37%、奉节3.39%、巫山1.57%。

由表3可知消落带在各区县的分布比例从高到低依次为：万州22%、忠县21%、奉节16%、涪陵、丰都和云阳均为11%、巫山7%、石柱1%。

3 结论

通过研究得出了三峡库区重庆段湖岸消落带在145～175m间的总面积，对消落带在各区县的大致分布情况做出了比较精确的统计和描述，计算出了各区县的消落带面积及各区县消落带面积在三峡库区重庆段消落带总面积的比例。研究表明，长江三峡重庆段消落带总面积的59%集中在万州（22%）、忠县（21%）、奉节（16%）3个区县，另外5个区县的消落带面积只占整个重庆段消落带的41%。这为相关单位管理、保护、利用消落带资源提供了可靠的数据，为因消落带可能导致的生态环境问题提供有借鉴的科学依据。三峡库区重庆段消落带信息的提取，对研究消落带土地资源的合理开发利用有着重要意义，同时为政府及相关部门科学利用消落带土地提供依据。随着RS与GIS技术的发展，利用RS和GIS技术分析三峡库区消落带资源，将会使数据更准确，过程更快捷，结果更科学。