張磊　朱濟(jì)帥　張桂良　李飛龍

摘 要：本研究采用多期Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）的方法對(duì)吉林省琿春市老龍口水庫(kù)2015～2017年的庫(kù)容變化進(jìn)行定量分析，并利用已知的庫(kù)容量對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：老龍口水庫(kù)；庫(kù)容；遙感分析；Landsat8；DEM

中圖分類(lèi)號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0120-02

Abstract： This research adopts the method of multi-period Landsat8 OLI image data and digital elevation model （DEM） to quantitatively analyze the reservoir capacity change of Laolongkou Reservoir from 2015 to 2017 in Hunchun City， Jilin Province， and uses the known reservoir capacity to verify the research results.

Keywords： Laolongkou Reservoir； reservoir capacity； remote sensing analysis； Landsat 8； DEM

1 概述

水庫(kù)是用來(lái)防洪灌溉、蓄水發(fā)電的水利工程建筑物，它的建立對(duì)水資源的管理利用有重要意義。水庫(kù)建成以后，由于多種原因的影響，其庫(kù)容是動(dòng)態(tài)變化的，快速、實(shí)時(shí)、高效獲取庫(kù)容信息有重要意義。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

老龍口水庫(kù)（42°55′～42°59′N(xiāo)，130°37′～130°45′E）位于吉林省琿春市琿春河干流（如圖1、2所示），距離市區(qū)約30公里。

2.2 數(shù)據(jù)源

遙感影像數(shù)據(jù)：Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，分辨率適中（分辨率為30m）且方便獲?。豢紤]到東北地區(qū)冬季時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，水體長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)，本研究從地理空間數(shù)據(jù)云和美國(guó)地質(zhì)勘查局（USGS）網(wǎng)站收集了2015-2017年間5-10月份影像質(zhì)量良好的老龍口水庫(kù)Landsat8 OLI數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 水體信息提取

本研究選擇采用改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）法，通過(guò)設(shè)置閾值來(lái)提取水體信息。MNDWI能更好增強(qiáng)水陸反差，揭示水體的細(xì)微特征，且容易區(qū)分陰影和水體。

式中：GREEN為綠光波段，MIR為中紅外波段，分別對(duì)應(yīng)Landsat8 OLI影像的3、6波段。

本研究用公式（1）對(duì)影像進(jìn)行處理，增強(qiáng)水體信息，對(duì)處理后的影像進(jìn)行目視識(shí)別，選取合適的閾值提取水體。

3.2 庫(kù)容計(jì)算數(shù)學(xué)模型

目前對(duì)水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算的方法主要有積分法和均值法，其主要數(shù)學(xué)模型如下：

（1）積分法： 基于Landsat8影像和DEM，將水庫(kù)水體視為由無(wú)數(shù)個(gè)底面積相同、高度不同（水深）的長(zhǎng)方體組成的空間多面體。該空間多面體的體積即為水庫(kù)的庫(kù)容，等于長(zhǎng)方體體積累加求和。

式中：V為庫(kù)容；s為單個(gè)像元的面積（30m*30m）；

第（i，j）個(gè)像元位置對(duì)應(yīng)的水面高程值；Hi，j為第（i，j）個(gè)像元位置對(duì)應(yīng)的庫(kù)底高程值；n為水庫(kù)范圍內(nèi)的像元個(gè)數(shù)。

（2）均值法：利用水深均值和水庫(kù)面積計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容，公式如下：

V=h*s*n#（3）

式中：V為庫(kù)容；h為水深平均值；s為單個(gè)像元的面積（30m*30m）；n為水庫(kù)范圍內(nèi)的像元個(gè)數(shù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

首先對(duì)Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和大氣校正，然后利用改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取水體信息并結(jié)合原遙感影像獲得老龍口水庫(kù)水域范圍；接著，利用水庫(kù)影像在數(shù)字高程模型（DEM）上獲得水庫(kù)庫(kù)底和涯線(xiàn)上的高程值，并利用涯線(xiàn)上的高程值插值獲得水庫(kù)水面高程，進(jìn)而獲得水庫(kù)水深。具體流程如圖3所示。

4 結(jié)果與分析

結(jié)果：

老龍口水庫(kù)的實(shí)測(cè)庫(kù)容量一般通過(guò)庫(kù)容曲線(xiàn)計(jì)算獲得。我們參照庫(kù)容曲線(xiàn)計(jì)算得到的庫(kù)容數(shù)據(jù)，與上述兩種估算方法得到的庫(kù)容進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1、2和圖4。

由表1可知，利用積分法進(jìn)行庫(kù)容估算得到的結(jié)果與水位-庫(kù)容曲線(xiàn)模型推求的庫(kù)容數(shù)據(jù)相比，絕對(duì)誤差最大為3.99百萬(wàn)立方米，而相對(duì)誤差則不超過(guò)2.46%，具有較高精度。

由表2可知，利用均值法進(jìn)行庫(kù)容估算得到的結(jié)果與水位-庫(kù)容曲線(xiàn)模型推求的庫(kù)容數(shù)據(jù)相比，絕對(duì)誤差最大為7.37百萬(wàn)立方米，而相對(duì)誤差則不超過(guò)4.61%，具有較高精度。

由表1、2可知，“均值法”模型和“積分法”模型均具有較高的精度，絕對(duì)誤差均在百萬(wàn)級(jí)別，相對(duì)誤差則都在10%以?xún)?nèi)。同時(shí)，在使用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算時(shí)，“積分法”比“均值法”具有更高的精度。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)水庫(kù)容量和水庫(kù)面積有較為密切的關(guān)系，經(jīng)分析，構(gòu)建模型為

式中：y為水庫(kù)容量，單位為百萬(wàn)立方米；x為水庫(kù)面積，單位為平方千米。

由圖5和R2=0.985可知，水庫(kù)容量和面積之間的相關(guān)性很強(qiáng)，該數(shù)學(xué)模型較為可靠。可通過(guò)該模型結(jié)合Landsat8遙感影像簡(jiǎn)單快速地獲得老龍口水庫(kù)的庫(kù)容量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得了水底高程模型，建立了老龍口水庫(kù)面積-庫(kù)容模型，能夠方便、快速且較為準(zhǔn)確地獲取水庫(kù)庫(kù)容，為檢校現(xiàn)行的水位-庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn)模型提供了參考數(shù)據(jù)，將對(duì)水庫(kù)管理、水庫(kù)清淤工作等具有一定的重要意義。未來(lái)我們將從遙感數(shù)據(jù)精度、時(shí)效性、水體識(shí)別精度等方面進(jìn)一步改進(jìn)。

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