白 駒

(國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

遙感影像具有大范圍、高頻率覆蓋的優(yōu)勢(shì)，能夠反映自然資源的真實(shí)狀況，水面在遙感影像中的光譜、紋理特征顯著，能夠利用遙感影像反演水面信息。因此，利用遙感、GIS等地理信息技術(shù)和手段，基于遙感影像提取水面信息[3-7]，是監(jiān)測(cè)水面范圍較為快速和科學(xué)的方法。因此，為了更好支撐相關(guān)應(yīng)用需求，有必要開展探索性方法實(shí)驗(yàn)，為開展業(yè)務(wù)化的水面范圍季節(jié)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)水面信息提取的成果較多，但對(duì)于全國(guó)或大區(qū)域范圍、某一時(shí)點(diǎn)水面范圍提取的技術(shù)和成果較少，更不易反映季節(jié)性變化。針對(duì)這一現(xiàn)狀，文中在分析梳理各技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)不同需求采用不同監(jiān)測(cè)模式的方法，探索可靠、有效的水面信息變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)流程與方法。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)模式分析

根據(jù)目前技術(shù)水平以及遙感影像數(shù)據(jù)的獲取能力，針對(duì)地表覆蓋水面范圍監(jiān)測(cè)，可采取以下4個(gè)層次的監(jiān)測(cè)模式：

1)水面信息常規(guī)監(jiān)測(cè)。針對(duì)全國(guó)范圍，獲取滿足監(jiān)測(cè)時(shí)相、分辨率要求的遙感影像(空間分辨率高)開展水面信息提取，形成滿足時(shí)點(diǎn)要求、基于高空間分辨率遙感影像的水面信息監(jiān)測(cè)成果。

2)長(zhǎng)時(shí)間序列遙感監(jiān)測(cè)。針對(duì)特定監(jiān)測(cè)區(qū)域，獲取長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像(空間分辨率相對(duì)較低)，進(jìn)行水面范圍信息的逐時(shí)相提取，實(shí)現(xiàn)水面范圍的長(zhǎng)時(shí)間序列遙感監(jiān)測(cè)，形成長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)成果；基于此成果，能夠提取水面范圍變化的空間范圍、面積、演化特征等指標(biāo)。

3)水面范圍數(shù)據(jù)成果的時(shí)空一致性優(yōu)化。在有高空間分辨率遙感影像或精細(xì)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)的區(qū)域，針對(duì)采用空間分辨率相對(duì)較低的遙感影像提取的水面范圍信息，基于精細(xì)格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，利用區(qū)域生長(zhǎng)算法，獲取精細(xì)化的水面范圍成果[8-12]，對(duì)初始成果進(jìn)行地理空間修正，從而實(shí)現(xiàn)水面范圍數(shù)據(jù)結(jié)果的時(shí)空一致性優(yōu)化。

1.3 常規(guī)復(fù)習(xí)和基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)理論的復(fù)習(xí)之間的差異 兩者對(duì)比，在常規(guī)復(fù)習(xí)中教師是中心，學(xué)生只是被動(dòng)接受知識(shí)者，結(jié)果是知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)，學(xué)生的機(jī)械操練，尤其是在“二考”復(fù)習(xí)時(shí)會(huì)使學(xué)生新鮮感喪失、倦怠感陡增、學(xué)習(xí)效率下降，“二考”復(fù)習(xí)變成食之無(wú)味棄之可惜的“雞肋”?；陧?xiàng)目學(xué)習(xí)理論的復(fù)習(xí)以學(xué)生為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)自主探究、合作學(xué)習(xí)，以發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目的，著眼于學(xué)生對(duì)于知識(shí)的內(nèi)化和學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的提升，真正體現(xiàn)了課程改革的理念。這種復(fù)習(xí)方式克服了以往理綜復(fù)習(xí)和“一考”復(fù)習(xí)中教師對(duì)學(xué)生、對(duì)知識(shí)的絕對(duì)控制帶來(lái)的弊端，學(xué)生收獲的不僅僅是選考成績(jī)的進(jìn)步，更是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

4)水面水位遙感監(jiān)測(cè)。針對(duì)特定監(jiān)測(cè)區(qū)域，獲取高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，可以按季度、按月、按旬、按日等不同的時(shí)間尺度。依據(jù)衛(wèi)星測(cè)高原理，開展衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)處理，得到各時(shí)相水面水位成果。

通過(guò)這種高、中、低空間分辨率遙感影像的互補(bǔ)監(jiān)測(cè)，保證水面范圍提取成果既可滿足時(shí)點(diǎn)要求，又可滿足監(jiān)測(cè)精度要求，使得在全國(guó)或大區(qū)域范圍尺度上統(tǒng)計(jì)的水面范圍數(shù)據(jù)可以反映同一季節(jié)或可接受時(shí)段內(nèi)的狀況，盡可能避免或縮小由于影像數(shù)據(jù)源的差異造成的時(shí)空不一致帶來(lái)的誤差。

1.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

4個(gè)層次監(jiān)測(cè)模式技術(shù)流程如下：

1)基于中低空間分辨率、高時(shí)間分辨率遙感影像的全國(guó)水面信息提取?？傮w技術(shù)路線為：①在全國(guó)范圍獲取滿足時(shí)點(diǎn)要求的、質(zhì)量可行的中低空間分辨率遙感影像。②基于中低空間分辨率遙感影像，開展全國(guó)水面信息提取，形成滿足時(shí)點(diǎn)要求的全國(guó)水面成果，掌握時(shí)點(diǎn)時(shí)刻全國(guó)水面范圍的總體情況。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于中低空間分辨率、高時(shí)間分辨率遙感影像的全國(guó)水面信息提取流程

在監(jiān)測(cè)方法上，基于中低空間分辨率、高時(shí)間分辨率遙感影像的全國(guó)水面信息提取，可以通過(guò)人工解譯的方法進(jìn)行采集，或通過(guò)創(chuàng)建水體指數(shù)、紋理特征等指標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類將水面信息提取出來(lái)。

2)基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像的水面空間分布監(jiān)測(cè)?？傮w技術(shù)路線為：①針對(duì)特定地區(qū)的水面，獲取高時(shí)間分辨率遙感影像，可以按季度、按月、按旬、按日等不同的時(shí)間尺度。②開展水面信息的逐時(shí)相提取，實(shí)現(xiàn)水面分布的長(zhǎng)時(shí)間序列遙感監(jiān)測(cè)，形成長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)成果。③基于此成果，提取水面變化的空間范圍、面積，掌握水面分布演化特征等指標(biāo)。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像的水面空間分布監(jiān)測(cè)流程

在監(jiān)測(cè)方法上，首先，要獲取長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像；然后，針對(duì)每一個(gè)時(shí)相的遙感影像，采用監(jiān)測(cè)模式1相同的方法，開展水面信息提取；最后，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析，提取變化信息，包括水面變化的空間范圍、面積、演化特征等指標(biāo)。

3)基于高精度遙感數(shù)據(jù)的水面信息空間精化。總體技術(shù)路線為：①獲取水面信息所在空間范圍的、滿足時(shí)點(diǎn)要求的高空間分辨率遙感影像，開展水面信息提取，獲取精細(xì)化的水面成果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基于中低空間分辨率遙感影像提取的水面成果的空間精化。②在滿足要求的高空間分辨率遙感影像不易獲取的情況下，采用已有的DEM資料，基于DEM區(qū)域生長(zhǎng)方法，開展水面信息提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水面成果的空間精化，滿足相關(guān)調(diào)查監(jiān)測(cè)對(duì)成果精度的要求。技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 基于高精度遙感數(shù)據(jù)的水面信息空間精化流程

通過(guò)這種中低、高空間分辨率遙感影像的互補(bǔ)監(jiān)測(cè)，保證水面提取成果既可滿足時(shí)點(diǎn)要求，又可滿足精度要求，使得在全國(guó)尺度上統(tǒng)計(jì)的水面數(shù)據(jù)可以反映同一季節(jié)或可接受時(shí)段內(nèi)的狀況，盡可能避免或縮小由于影像數(shù)據(jù)源的差異造成的時(shí)間和空間上的不一致性帶來(lái)的誤差。

4)基于長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的水面水位監(jiān)測(cè)。總體技術(shù)路線為：①針對(duì)特定地區(qū)的水面，獲取高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，可以按季度、按月、按旬、按日等不同的時(shí)間尺度。或者通過(guò)野外實(shí)測(cè)等方法，開展水面水位高程測(cè)量，有條件的地區(qū)可開展出露水面的地表高程測(cè)量。②依據(jù)衛(wèi)星測(cè)高原理，開展衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)處理，得到各時(shí)相水面水位成果。③基于此成果，提取水面水位變化信息，掌握水面水位隨時(shí)間演化特征。并盡可能地掌握該地區(qū)的水面與水下地形特征。技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 基于長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的水面水位監(jiān)測(cè)流程

基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像的水面空間分布監(jiān)測(cè)、基于長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的水面水位監(jiān)測(cè)，掌握水面分布演化特征，以及水面水位演化特征，從而進(jìn)一步研究估算該水面在不同時(shí)相的儲(chǔ)水量等信息。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)方法

1)水面信息提取方法?；谔卣鞯乃嫘畔⑻崛》椒ɑ痉譃槿斯そ庾g和計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類兩種。無(wú)論是人工解譯還是計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類，關(guān)鍵都在于水面特征分析與挖掘，以及水面特征規(guī)則構(gòu)建，建立對(duì)水面基本特征的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)水面的光譜特征，可以構(gòu)建水體指數(shù)指標(biāo)，作為水面提取的規(guī)則之一，歸一化的水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)公式為：NDWI=(G-NIR1)/(G+NIR1)[13]。同時(shí)，水面在藍(lán)波段也表現(xiàn)出與其他地表覆蓋的差異性，可以將藍(lán)波段的比率值和標(biāo)準(zhǔn)差作為水面提取的規(guī)則之一。NDWI算法在基于中低空間分辨率遙感影像的水面信息提取中具有非常好的適用性。

2)基于DEM區(qū)域生長(zhǎng)的水面信息提取方法。區(qū)域生長(zhǎng)算法是依據(jù)區(qū)域聯(lián)通原理，將有相似性質(zhì)的像素點(diǎn)合并到一起形成一個(gè)區(qū)域。該算法首先要確定若干種子點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)[14]，然后將種子點(diǎn)與周圍鄰域的像素點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，將具有相似性質(zhì)的點(diǎn)合并起來(lái)繼續(xù)向外迭代生長(zhǎng)，直到?jīng)]有滿足條件的像素點(diǎn)被包含進(jìn)來(lái)為止，便完成一個(gè)區(qū)域的生長(zhǎng)。

將區(qū)域生長(zhǎng)算法應(yīng)用于水面信息提取，充分利用水面特性，對(duì)DEM精度要求也較高，需結(jié)合地表覆蓋水面數(shù)據(jù)、精細(xì)化DEM數(shù)據(jù)的特點(diǎn)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，形成適用的區(qū)域生長(zhǎng)方法特征值和閾值，保障成果精度滿足要求。

2 數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)區(qū)

以基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像的水面空間分布監(jiān)測(cè)為例，選取鄱陽(yáng)湖及周邊地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，通過(guò)中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布的地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)，參考影像云覆蓋比例，免費(fèi)下載獲取了實(shí)驗(yàn)區(qū)2013—2018年共計(jì)15個(gè)時(shí)相的Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)，面積為3.7萬(wàn)km2，具體時(shí)相如表1所示。

表1 Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)序列

各時(shí)相空間分辨率為30 m的RGB影像如圖5所示。

圖5 各時(shí)相RGB影像

3 結(jié)果與分析

1)利用每個(gè)時(shí)相影像，求取每景影像的水體指數(shù)，利用該算法，提取到的水面空間分布如圖6所示。

圖6 水面空間分布

2)水面面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 水面面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3)水面面積隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7 水面面積隨時(shí)間變化曲線

從圖6、圖7以及表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，2013年07月01日至2018年04月10日期間，實(shí)驗(yàn)區(qū)水面范圍是動(dòng)態(tài)變化的，2017年07月12日水面范圍最大，達(dá)到5 131.6 km2，2018年04月10日水面范圍最小，為2 773.8 km2。

4 結(jié) 論

1)文中根據(jù)目前遙感技術(shù)發(fā)展水平以及遙感影像數(shù)據(jù)的獲取能力，針對(duì)地表覆蓋水面范圍監(jiān)測(cè)，提出4個(gè)層次的監(jiān)測(cè)模式，各模式能夠滿足水面信息提取的不同需要，并能夠?qū)崿F(xiàn)水面信息的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。

2)文中的目標(biāo)旨在基于中低空間分辨率遙感影像解決全國(guó)范圍水面信息提取成果的統(tǒng)一時(shí)點(diǎn)問(wèn)題及基于高空間分辨率遙感影像，解決成果的精度問(wèn)題，以及解決水面水位、甚至是儲(chǔ)水量隨時(shí)間演化特征提取問(wèn)題，總體上從不同層面提出監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)流程，為水面信息相關(guān)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)參考。

3)以基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像的水面空間分布監(jiān)測(cè)為例，選取實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)提出的技術(shù)方法和流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提取長(zhǎng)時(shí)間序列的水面信息結(jié)果，驗(yàn)證方法的可行性。

4)文中提出的技術(shù)流程方法適用于全國(guó)范圍，但由于中、低空間分辨率遙感影像無(wú)法解譯小面積水面，存在漏采小面積水面的可能，因此，更加適用于大面積的水面。

對(duì)于提出的方法的應(yīng)用，需要具備一定的遙感影像數(shù)據(jù)處理技能，具備水面判讀基本知識(shí)技能；基于DEM區(qū)域生長(zhǎng)的水面信息空間精化方法，對(duì)DEM精度要求較高，尤其是對(duì)DEM水面置平處理的要求較高；方法應(yīng)用中，長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的獲取途徑、數(shù)據(jù)覆蓋頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量存在不確定性，需要做一定的前期檢索、分析工作，滿足方法應(yīng)用的基本條件。