孫建蕓　袁琳　王新生　李朋澤　鄒金秋

摘要：基于GF_1衛(wèi)星16 m分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)及水文觀測數(shù)據(jù)，通過計算NDWI水體指數(shù)來提取丹江口水庫水面面積，并研究水面面積、水位與蓄水量三者之間的相關性，實現(xiàn)動態(tài)分析水庫蓄水量變化情況，以期為“南水北調(diào)”提供決策支撐。研究發(fā)現(xiàn)：（1）南水北調(diào)中線首個調(diào)度年前后丹江口水庫水面面積-水位，水位-蓄水量以及水面面積-蓄水量之間均為顯著相關關系，且三對變量依次呈現(xiàn)明顯的1次、2次、3次曲線關系，擬合曲線方程的決定系數(shù)分別達到0.976、0.999和0.980，因此可以根據(jù)其中一個已知變量預測其他兩個未知量；（2）水面面積自2014年10月5日至2016年5月5日最大變化幅度相差180 km²，是影響周邊環(huán)境變化的重要因素；（3）同時蓄水量在首個調(diào)度年內(nèi)，于2014年11月初達到最大值204.10億m³，可調(diào)水量在16.53～78.93億m³范圍內(nèi)浮動，且年內(nèi)整體變化平緩穩(wěn)定，保證了2015調(diào)度年內(nèi)南水北調(diào)中線工程的供水需求。

關鍵詞：丹江口水庫；GF_1衛(wèi)星；水面面積；水位；蓄水量

中圖分類號：P962 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0089-08

我國南澇北旱的氣候特征制約了我國社會、經(jīng)濟、生態(tài)的健康可持續(xù)發(fā)展。通過跨流域的水資源合理配置，可以大大緩解我國北方水資源嚴重短缺問題，促進南北方經(jīng)濟、社會與人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。“南水北調(diào)工程”總體布局被設計為3條調(diào)水線路，即西線工程，中線工程和東線工程，分別從長江上、中、下游調(diào)水，以適應西北，華北各地發(fā)展需要，是緩解中國北方水資源嚴重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程。丹江口水庫，作為南水北調(diào)中線引水工程的水源地，水庫庫容的三維形態(tài)并不易直接獲取，但通過水位一蓄水量一水面面積相關性研究可以估算水庫蓄水量和水面面積變化，為中線工程水資源的監(jiān)測保護和分配決策提供依據(jù)，具有重要的實用價值。

國內(nèi)外針對水庫水面面積提取、水位面積曲線測定、蓄水量、調(diào)水量以及水文情勢的研究采用了多種技術手段，解決了相關方面的問題。喬平林以實地觀測數(shù)據(jù)為基礎，建立水庫水面面積-庫容的關系曲線，決定系數(shù)達到0.96，利用TM影像提取面積，進一步求出水庫資源量；唐曉玲利用EOS/MODIS資料，采用閾值法對向海水庫水面面積進行遙感動態(tài)監(jiān)測；丁志雄將DEM和遙感相結合對水庫水位一水面面積曲線測定方法進行了研究，得出水位面積關系曲線；張杰等以國產(chǎn)HJ-1A/B的CCD多時相遙感影像為數(shù)據(jù)，采用單閾值法、NDWI法和決策樹分類方法提取丹江口庫區(qū)水域信息，研究三期水面面積動態(tài)變化；陳文倩等研究了基于國產(chǎn)GF-1遙感影像的水體提取方法，將單閾值法，NDWI法與多波段法進行對比研究，并提出新的決策樹水體信息提取方法；陳華等探討了漢江丹江口以上流域降水特征及變化趨勢，分析其降水量的變化規(guī)律，指導水庫的調(diào)度運行。陳桂亞等對丹江口水庫的棄水可調(diào)水量是否滿足南水北調(diào)（中線）供水區(qū)的要求做了分析研究；郭文獻等采用動態(tài)范圍分析法對研究了丹江口水庫對漢江中下游水文情勢的影響；靖立玲等采用兩種秩次相關檢驗法對南水北調(diào)一期工程的生態(tài)補水潛力進行了研究。Feng，L等利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測鄱陽湖洪水長期變化對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，Ding Xiaowen用微波遙感監(jiān)測手段對洞庭湖水面面積進行研究，取得較好結果，國內(nèi)外多是對水體水面面積的提取方法進行探究，對于丹江口水庫也主要集中在對水庫局部特征的研究，如降水量，調(diào)水量等，針對丹江口水庫的整體研究較少，尤其是水面面積、水位、蓄水量三者關系聯(lián)動研究幾乎查閱不到，且自GF-1衛(wèi)星發(fā)射以來，在丹江口水庫上的應用研究并不多。而三者之間存在關聯(lián)關系，聯(lián)動研究能夠更加直觀地反映水庫的調(diào)水運行情況，可以準確掌握水庫的整體信息。

因此，本文以丹江口水庫為研究對象，利用GF_1衛(wèi)星上WFV傳感器所拍攝的16 m多光譜數(shù)據(jù)，時間范圍從2014年10月5日到2016年1月2日，通過歸一化水體指數(shù)法（NDWI）提取不同時間的水面面積，將其結果與水位和蓄水量數(shù)據(jù)結合做相關性分析，并在此基礎上構建三者關系模型，為通過水位來科學估算水面面積和蓄水量提供科學依據(jù)，以期能夠宏觀尺度動態(tài)監(jiān)測和評價庫區(qū)對周邊區(qū)域影響范圍變化情況，分析調(diào)度年的水文響應情況，同時指導年度調(diào)水的相關決策。

1研究區(qū)概況

丹江口水庫（圖1），分布于湖北省丹江口市（庫區(qū)還涉及到湖北省鄖縣、十堰市張灣區(qū)、鄖西縣等）和河南省南陽市淅川縣之間，水源來自于漢江及其支流丹江。研究區(qū)地理位置介于北緯32°36′-33°48′，東經(jīng)110°59′-111°49′之間，橫跨鄂、豫兩省。由湖北境內(nèi)的漢江庫區(qū)和河南境內(nèi)的丹江庫區(qū)兩大部分組成，多年平均入庫水量為394 8億m³，水源來自于漢江及其支流丹江。水庫死水位為150m，2012年丹江口水庫大壩加高到176.6 m后，水庫設計正常蓄水位由157 m提高到170 m，庫容從174.5億m³增加到290.5億m³，并于2013年9月開始蓄水。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

GF_1衛(wèi)星是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，于2013年4月26日成功發(fā)射，同年12月30日正式投入使用。該衛(wèi)星搭載了兩臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機，四臺16 m分辨率多光譜相機，其中16 m多光譜數(shù)據(jù)含有4個波段，分別為藍光波段（0.45～0.52 um）、綠光波段（0.52～0.59 μm）、紅光波段（0.63～0.69μm）、近紅外波段（0.77～0.89 lam），是本文提取水面面積的數(shù)據(jù)來源?；谘芯績?nèi)容，下載丹江口水庫區(qū)域所有云覆蓋率為零的16 m多光譜高分數(shù)據(jù)影像共21幅，時間跨度從2014年10月5日到2016年1月2日，且為了保證后期研究質(zhì)量，盡量滿足每個月均有影像覆蓋。截取丹江口庫區(qū)在時間序列受外界環(huán)境變化明顯的主要區(qū)域進行面積提取。endprint

水位和蓄水量數(shù)據(jù)：根據(jù)研究目的，本文在全國水雨情網(wǎng)站收集到自丹江口水庫壩高達到176.6m之后每一天的水位和對應蓄水量數(shù)據(jù)作為參與研究的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)時間范圍從2014年10月5日到2016年5月5日，如表1為21幅庫區(qū)影像對應時期的水位和蓄水量數(shù)據(jù)。

GF_1衛(wèi)星數(shù)據(jù)預處理在ENVI軟件平臺上進行操作，首先在內(nèi)部自行開發(fā)的GF_1數(shù)據(jù)處理插件中選中批量處理高分數(shù)據(jù)界面，確定制定的數(shù)據(jù)位置和后續(xù)結果的保存位置，軟件將以全國地理行政區(qū)底圖為配準基礎，自動根據(jù)影像及其參數(shù)實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的幾何校正過程，然后利用ENVI軟件中的圖像鑲嵌（Mosaicking）工具對每一個時期的遙感數(shù)據(jù)進行拼接，得到能完整覆蓋丹江口水庫的影像數(shù)據(jù)，以便進一步的分析使用。

2.2研究方法

本文主要把歸一化水體指數(shù)法（NDWI）提取出的水庫水面面積與水位和蓄水量數(shù)據(jù)結合，在SPSS軟件中基于pearson相關分析方法確定三者相關性，并在此基礎上上構建三者關系模型。

2.2.1歸一化水體指數(shù)（NDWI）

對水庫周邊五種主要地物的光譜曲線進行分析，植被在第二波段綠光波段反射率雖然與水體差異不大，但在第四波段近紅外波段具有較高的反射率，和水體反射率形成較大反差；空地，建筑物和山體陰影的光譜曲線走勢與水體相似，但它們的綠光波段和近紅外波段反射率差值與水體相比均較小，歸一化差異水體指數(shù)NDWI是根據(jù)植被和水體在可見光和近紅外波段的波譜特點，利用綠與紅波段的數(shù)據(jù)構建而成。該指數(shù)可以一定程度地抑制植被信息，突出水體信息，還可以有效地將水體與植被及山體陰影等信息區(qū)分開。

為了更好提取水體信息，可以借助GF_1衛(wèi)星的多光譜影像，將NDWI指數(shù)作為提取水庫區(qū)域信息的分類依據(jù)。利用ENVI的Band Math工具輸入NDWI的計算公式：

式中：b2對應綠光波段，即高分影像的第二波段；b4對應近紅外波段，即高分影像的第四波段。計算所得NDWI影像結果，通過密度分割設定閾值將水體信息突出顯示，在ARCMAP中運用柵格轉(zhuǎn)矢量（Raster to polygon）工具將水庫水面面積提取，得到最終水體提取結果。

2.2.2相關性分析

庫區(qū)地形環(huán)境復雜，受到多方面因素的影響，但最終會直觀反映到水庫水位，水面面積和蓄水量的變化上，因此，水庫的水位、水面面積和庫容量之間存在著復雜的相關性，在一定情況下，可以通過上述三個因素的實際觀測值，在相關性分析的基礎上構建關系模型，在實際應用中較好地反映出三者之間的關系曲線。

3研究結果

3.1基于遙感數(shù)據(jù)水庫面積信息提取

根據(jù)上述研究方法和操作流程圖，本文將丹江口水庫的21幅遙感影像數(shù)據(jù)進行了水面面積提取，圖2為局部水面面積提取效果，其中藍色區(qū)域是水體，可以看到水體與非水體界限明顯。為了驗證結果的精確性，本文在ARCGIS中對每一期影像水體提取矢量結果分別隨機選取500到600個數(shù)據(jù)點，將分類正確的點屬性值設為1，錯誤點設為0，最后統(tǒng)計正確點所占比例，正確率均在97%左右，滿足研究所需。圖3列出丹江口水庫8個不同時期的水面面積提取結果，可以看出在中線工程正式供水伊始，即2014年的11月、12月，為了保證供水量，水庫水面面積保持較高水平，隨后幾個月面積逐漸減少，到2015年的10月下旬，第一個調(diào)度年即將結束之時，水面面積已明顯縮小。

3.2水面面積-水位-蓄水量相關性分析

根據(jù)庫區(qū)水面面積提取結果以及對應時期的水位以及蓄水量數(shù)據(jù)，繪制水面面積-水位，水面面積-蓄水量及水位-蓄水量三對變量在時間跨度上變化趨勢的組合折線圖，（見圖4）。從圖中可判斷出2014年的10月到2016年1月初南水北調(diào)中線工程第一個調(diào)度年前后，丹江口水庫的水位，面積以及蓄水量的變化由緩慢下降向平穩(wěn)趨勢過渡，且三者之間相關關系明顯。為了精確評價三對變量間的相關關系，將水位，水面面積，蓄水量三個變化因子兩兩輸入到SPSS軟件中進行相關性分析，研究表明：水位-蓄水量、水面面積-水位以及水面面積-蓄水量三對變量間在a=0.01水平上顯著相關，相關系數(shù)分別達到0.999，0.988，0.985（見表2）。

3.3面積-水位-蓄水量關系模型構建

為了進一步研究水面面積-水位，蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的定量關系，在相關性分析的基礎上對三對變量的關系做回歸分析，將水庫水位和蓄水量作為白變量進行曲線估計，經(jīng)過多次擬合研究驗證，發(fā)現(xiàn)水面面積-水位一次線性關系明顯，決定系數(shù)R²達到0.976；蓄水量-水位在2次曲線關系上擬合最好，決定系數(shù)為0.999；而水面面積-蓄水量則在三次曲線關系上擬合程度最高，決定系數(shù)為0.980（見圖5）。

根據(jù)曲線的擬合結果，可以得到三對變量模擬曲線的相關參數(shù)（表3），求出水庫水面面積-水位，通過擬合獲得的曲線方程式精確度較高，可以在一定誤差范圍內(nèi)模擬三個變量測量結果。本文水位數(shù)據(jù)可以直接獲得，因此擬合方程優(yōu)先將水位數(shù)據(jù)作為自變量研究，得到三個回歸方程，分別見式（2）-式（4）。

根據(jù)上述三個擬合公式，只要已知三個變化因素之中的一個變量，就可以推算出其他兩個未知變蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的擬合曲線方程，其中每個方程的未知系數(shù)均達到精度要求，因此量的近似值。其中，水位數(shù)據(jù)可以在實際中直接觀測，而蓄水量數(shù)據(jù)也可通過水位-蓄水量曲線反推出來，因此水位-水面面積關系曲線可以間接反映水面面積與蓄水量的關系，因此為了評價監(jiān)測丹江口水庫首個調(diào)度年前后庫區(qū)的水面面積和蓄水量變化，本文把收集到的庫區(qū)對應時間段內(nèi)每日的水位數(shù)據(jù)代入到擬合公式中，在一定誤差范圍內(nèi)推算研究庫區(qū)在壩高增加以后的水面面積信息，結合已有對應水位下的蓄水量數(shù)據(jù)，可以有效反映和預測庫區(qū)水面面積及蓄水量的變化范圍和趨勢。需要注意的是，水庫的壩頂高度決定著水庫的蓄水能力，因而也會牽制水位和水面面積的變化，因此，本文研究所得擬合公式只適用于在水庫壩高為176.6 m并且?guī)烊菪螒B(tài)變化一定的情況下使用，該關系并不能滿足所有水庫形態(tài)下的水面面積、水位、蓄水量變化。endprint

3.4研究結果應用分析

通過對21個不同時期的丹江口水庫的面積提取，結合對應時期的水位和蓄水量數(shù)據(jù)，構建了水面面積-水位，蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的關系模型。依據(jù)此關系模型，可以監(jiān)測丹江口水庫近期水面面積變化，從而測算出水面面積變化對水庫周邊地區(qū)的影響范圍；同時，也可通過此模型評價水庫通水一年來每天可調(diào)水量變化幅度以及是否滿足供水要求。

將2014年10月5日至2016年5月5日的蓄水量數(shù)據(jù)代入模型中（式（4））得到2014年至2016年水庫正式通水前后庫區(qū)水面面積變化。如圖6，丹江口水庫研究區(qū)域在首個調(diào)度年前后面積的變化范圍是650～830 km²，對應時間為2014年11月1日研究庫區(qū)水面面積達到最大，2015年11月5日水面面積達到最小值，直接影響范圍達到將近180km²。通過對影像結果的對比分析（可參考圖3），水面面積的變化敏感區(qū)域主要位于河南省淅川縣內(nèi)的丹江口庫區(qū)以及湖北省老河口市和谷城縣交界處的漢江下游地區(qū)，整體水面會有明顯縮減。而且從圖中也可以看到2015年內(nèi)面積的變化基本以月為間隔，依次呈現(xiàn)出增大然后減小的波動性變化，這可能受到水庫供水周期變化的影響。從整個時間跨度上丹江口水庫水面面積在2015年內(nèi)表現(xiàn)緩慢波動性減小的趨勢，到2016年開始趨于平穩(wěn)。但庫區(qū)在水量調(diào)節(jié)作用下水面面積變化整體較穩(wěn)定，不會對周邊環(huán)境造成較大沖擊。

水庫蓄水量首個調(diào)度年內(nèi)的變化范圍在141.70～204.10億m³內(nèi)波動。為了評價首個調(diào)度年內(nèi)水庫是否滿足供水條件，利用關系模型計算得到水庫在死水位線上的理論蓄水量為125億m³，由此可得每天可調(diào)水量，如圖7?？晒┧孔兓秶?6.53～78.93億m³內(nèi)。由于社會經(jīng)濟的需要，近期年均調(diào)水量95億m³，調(diào)水計劃從時間跨度可分為汛期和非汛期，受水區(qū)非汛期調(diào)度期為11月至次年4月，汛期為5月至10月。由供水量圖可看出水庫在非汛期可供水量較大，汛期供水量整體降低。說明研究時段內(nèi)水庫的蓄水量滿足向外正常供水的基本條件，保證庫區(qū)年均調(diào)水95億m³計劃的實施。但在同一時間段內(nèi)，可調(diào)水量和受水區(qū)所需水量并不是完全匹配，2016年1月份水庫可供水量明顯比2015同期可供水量有所下降，因此對于第二個調(diào)度年的調(diào)水計劃需要做出相應的調(diào)整以保證受水區(qū)用水的合理分配。

4結論與討論

在丹江口水庫向北方正式調(diào)水以來，水面面積-蓄水量-水位之間表現(xiàn)出很強的相關性和依賴性；根據(jù)構建的關系模型能夠推算出庫區(qū)正式通水前后庫區(qū)面積變化，自從2012年壩頂高度抬高以后，水庫蓄水能力不斷刷新紀錄，在2014年10月到2015年11月首個調(diào)度年內(nèi)，庫區(qū)水面面積一直保持在650～830 km²的穩(wěn)定可控范圍內(nèi)。同時，通過計算死水位線下的理論蓄水量，可以看出庫區(qū)一年來的可調(diào)水量完全滿足年度調(diào)水計劃的需求。

第一個調(diào)度年已平穩(wěn)度過，可以將本文所得擬合曲線作為目前水庫形態(tài)下實時評價庫區(qū)調(diào)水狀況是否合理的參考標準，如果蓄水量、水位、水面面積之間能夠滿足上述擬合曲線關系，也可同時說明水庫維持在一個相對平衡的水量調(diào)節(jié)狀態(tài)。同時，水庫的形態(tài)同樣影響著庫區(qū)的蓄水能力，不同的壩高以及防御堤岸的變化也會反映出水位、水面面積、蓄水量之間不同的相關性，這也是研究需要考慮的一個因素。

作為中線工程調(diào)水源地，丹江口庫區(qū)的水源補給主要受到漢江及其支流丹江的影響。其調(diào)水系統(tǒng)不僅要對北方四省市及沿線地區(qū)的供水補給提供一定的保障，漢江中下游的防洪、作物灌溉、生活用水、環(huán)境、航運以及發(fā)電等相關社會生產(chǎn)活動同樣對丹江口水庫的水量調(diào)節(jié)分配具有很強依賴性，水庫水位、面積以及蓄水量三個變量之間的關系是一定程度上受到人為制約后呈現(xiàn)的一種狀態(tài)，可以根據(jù)三者的曲線關系圖看出，它們之間并沒有呈現(xiàn)變化完全一致的態(tài)勢，因此中線工程調(diào)水并不能完全滿足北方供水區(qū)的規(guī)劃需水要求，是“以供定需的”系統(tǒng)。

對丹江口水庫的水位-面積-蓄水量三個變量之間關系研究可以幫助決策者宏觀把握庫區(qū)環(huán)境變化及供水情況。日后有望將GF_1衛(wèi)星的8 m多光譜數(shù)據(jù)和2 m全色影像數(shù)據(jù)融合提高水體分類精度，同時借助衛(wèi)星較高的時間分辨率（重訪周期4天），實現(xiàn)長期實時精確觀測庫區(qū)信息，為庫區(qū)環(huán)境變化以及水量調(diào)度提供決策保障。endprint