广西地表水域遥感动态监测及其应用

莫伟华1，2，3 黄永璘1，3
（1 国家卫星气象中心遥感应用试验基地 广西 南宁 530022
2 南京信息工程大学电子工程系 江苏 南京 210044
3 广西自治区气象减灾研究所）

【摘　要】　本文主要阐述利用MODIS卫星资料的多光谱、实时性强、范围广等特点，开展广西地表水域遥感动态监测，通过对多时相卫星数据遥感监测结果的分析，可以反映广西干旱灾害的分布状况和程度。重点分析了2005年的广西地表水域遥感动态监测结果以及广西贵港市2004年和2005年地表水域遥感动态监测情况与干旱灾害的关系。
【关键词】　遥感 干旱 洪涝 监测

　　1 引 言
　　美国新一代对地观测系统（EOS）主要实现以下科学目标：大气化学、大气物理和大气循环、全球水循环－水文、海洋地理及极地研究、土地覆盖、土地利用、陆地生态系统、动态地球过程、地质和自然灾害。目前该系统以上、下午双星方式运行，实现全球综合性半日周期观测。EOS的上午星TERRA和下午星AQUA卫星分别于1999年12月和2002年5月发射，MODIS（中分辨率成像光谱仪）是这两颗卫星主要探测仪器，具有覆盖范围从可见光、近红外到热红外（0.4～14μm）的36个离散光谱通道，空间分辨率分别为250、500、1000m，扫描宽度为2330米，因此，MODIS卫星资料具有多光谱、实时性强、范围广等特点，有利于开展实时的、动态的大范围自然灾害监测，便于及时掌握灾情的时空分布特征，为开展受灾程度调查提供实时的、客观的科学依据。
　　2004年12月中旬，广西自治区气象减灾研究所开始利用DVB-S卫星广播系统接收EOS/MODIS卫星数据，并从2005年4月开始，对广西主要水体进行遥感动态监测业务试运行，通过水域面积的时空对比分析，结合气象观测资料，形成旱涝监测服务产品。在2005年的业务服务应用中取得较好的效果和社会效益。
　　2 监测方法、范围和内容
　　2.1 监测方法
　　水体遥感监测关键技术在水体信息的精确识别和提取。通过光谱分析知道水体、植被、裸土等在可见光和近红外波段的反射光谱特性有着较大的差异。水体在近红外通道有很强的吸收，反射率很低，在可见光通道的反射率较近红外通道高，植被在可见光通道的反射率较近红外低，在近红外通道波长范围内，植被的反射率明显高于水体，而在可见光通道波长范围内水体的反射率高于植被。裸土的反射率在可见光通道波长范围高于植被和水体，在近红外通道高于水体，低于植被。因此，对于近红外通道和可见光通道的反射率比值，在水体部分<1，在植被部分>1，而在植被稀少的裸土区域，将处于1左右。或者通过第一、二通道的差值和比值实现水陆边界区分。
　　根据以上光谱特征分析，我们主要选用MODIS探测器250米空间分辨率的通道1、2，500米空间分辨率通道3-7的数据作为辅助数据进行水体监测分析，满足通道光谱范围在可见光和近红外波长范围内，而且空间分辨率也较好。
　　利用DVB-S系统中的EOSSHOP图像处理软件实现MODIS数据的定标、定位、投影等预处理，形成广西局地图像文件。通道数据或水体模型运算结果按红绿蓝三个通道进行彩色合成，目标是识别并突出水体信息，区分植被、裸地和云，实现图像的水体增强处理，生成多光谱彩色图像。通常按两种方法合成图像：按RGB－121（即红（R）通道对应通道1，绿（G）通道对应通道2，蓝（B）通道对应通道1，以下类似）合成，图中一般云为白色或灰白色，陆地为绿色，水体为黑色或黑褐色；按RGB－221合成，图中一般云为白色或灰白色，陆地为黄色，水体为黑色或黑褐色，识别出的水域用蓝色填充。
　　在图上叠加经纬度和行政边界信息，得到反映水体、植被、云系及城市信息的水体监测遥感影像图。同时，按行政区域范围统计水体面积，通过于同年前期或历年同期相比较分析，评估灾情的程度和时空分布情况，形成文字报告和图表，于彩色合成图像一起汇总成水体遥感监测产品。
　　2.2 监测区域
　　根据实际情况，选择对广西影响比较大的四大水库为重点监测区域。具体监测区域为：百色市的澄碧河水库、富川县的龟石水库、桂林市的青狮潭水库、合浦县的洪潮江水库四个水库（如图1黄色框所示）；另外，根据旱涝灾害发生的具体情况，灵活增加受灾区域范围内的坑塘、水库或流域的水体监测。

图1 广西水体遥感监测区示意图

　　2.3 监测内容包括监测区水体的遥感解译、面积统计及其时空分布特征分析等。通过计算水体面积的变化和分析其分布状况，结合天气实况资料和农业气象情报，利用不同时期的遥感影像信息的对比，分析判断干旱或洪涝灾害是否出现、灾害分布范围和程度，制作旱涝遥感动态监测服务产品，以图文并茂的网页方式提供监测结果，为防灾减灾提供决策服务信息。
　　3 2005年监测结果及分析
　　3.1 水库监测结果
　　（1）龟石水库
　　龟石水库位于广西东北部，萌渚岭以南，湘、粤、桂三省（区）交界处，地处广西贺州市富川县，东经110°00′～111°54′，北纬23°49′～25°30′之间，水面积38.7平方公里。遥感监测结果：龟石水库库区面积明显偏少，3月份水面积仅为18平方公里，进入夏季后，水面积逐渐增加，6月份中下旬降雨量比常年偏多，7月初达到全年最高值32平方公里，7月以后，除9月初呈现一个小峰值29.6平方公里外，受降雨量比常年偏少的影响，库区面积呈现下降趋势，12月水面积仅为15.8平方公里。2005年龟石水库的表现为春季缺水，秋冬季连旱态势。龟石水库库区面积遥感监测结果见图（略）。

图2 2005年龟石水库库区面积遥感监测统计图

　　（2）青狮潭水库
　　桂林青狮潭水库位于桂林市西北郊区33公里处，水面面积28.7平方公里，水面库容达6亿立方米，是广西以防洪、水源地为主要目的的大型水库之一，是漓江的主要水源地。遥感监测结果：青狮潭水库年平均水表面积为10.23平方公里，由图3可见：受春季干旱影响，3月和4月库区水面积处于10平方公里以下的较低值，6月中下旬，受连续暴雨影响，库区水面积达到本年最高值20平方公里，7月以后呈现水面积逐渐下降的趋势，12月库区水面积仅5.5平方公里，表现为明显的干旱状况。青狮潭水库库区面积遥感监测结果见图（略）。

图3 2005年青狮潭水库库区面积遥感监测统计图

　　（3）澄碧河水库
　　澄碧河水库位于百色市东北七公里处。澄碧河发源于凌云县青龙山麓，河水几经付流至百色城东郊之永乐盆地，蓄而为库。水库面积39平方公里，总库容11.50亿立方米。遥感监测结果：澄碧河水库平均水表面积为20.25平方公里。由图4可见：受春季干旱影响，加上农业灌溉用水，水库面积在4月处于全年最低值约12平方公里，随着汛期降雨量的增加，水库面积从6月开始明显增加，到9月中旬达到全年最高值，约23平方公里，9月下旬后降雨减少，水库面积呈下降趋势，但降幅不大。12月水库面积在22平方公里左右。澄碧河水库库区面积遥感监测结果见图5。

图4 2005年澄碧河水库库区面积遥感监测统计图

图5 2005年青狮潭水库遥感动态监测图

　　（4）洪潮江水库
　　洪潮江水库位于北海市合浦县境内，是一座以灌溉为主兼有发电、供水、旅游功能的大型水库，水库总库容为7.03亿立方米。受云覆盖的影响，洪潮江水库的晴空资料较少，给遥感监测带来不利影响。遥感监测结果：洪潮江水库年平均水表面积为16.62平方公里，由图6可见：水库面积变化幅度不大，春冬季水库面积较小，夏季水库面积较大，8月水库面积较大，约20.2平方公里，12月库区面积最低，约为12.2平方公里，洪潮江水库库区面积遥感监测结果见图（略）。

图6 2005年青狮潭水库遥感动态监测图

　　总体而言，2005年各水库的水表面积呈现春秋冬季较低、夏季较高的特点。受2004年冬季干旱影响，加上2005年春季降雨量偏低，各水库春季库容也明显偏低，随着5、6月降雨量明显增加，各水库在6、7月逐渐呈现全年最高峰值，其中青狮潭水库和澄碧河水库的变化最为明显，变化幅度最大值是均值的4至9成，龟石水库面积变化幅度次之，变化幅度最大值是均值的约3成，洪潮江水库面积变化幅度最小。
　　3.2 贵港市水域监测结果与分析
　　贵港市位于广西东南部，地处广西最大的浔郁平原，北回归线横贯中部，市区内主要水库有达开水库、平龙水库、岭蒙水库等，利用MODIS卫星遥感资料对2004年和2005年贵港市的水体信息进行提取和分析，评估干旱对当地的影响程度。下面通过对2004年和2005年贵港市平龙水库面积遥感监测结果的分析，说明水域面积遥感动态监测在干旱遥感监测中的应用效果。2004年和2005年贵港市平龙水库表面积统计见表1，遥感监测图见7-8。

表1 平龙水库面积统计表（面积单位：km2）

图7 贵港市2004年11、12月水体遥感监测图

图8 贵港市2005年11、12月水体遥感监测图

　　2004年春季，贵港干旱情况较严重，对春耕影响较大。3月平龙水库面积为1.8平方公里，4～5月间多次出现降雨天气过程，但总降水量仍偏少，各地干旱缺水情况仍较严重，水库、大田缺水现象是多年来所罕见的，早稻插秧普遍推迟，旱情此起彼伏，进入汛期后旱情有所缓和，4月平龙水库面积为4.6平方公里。7月中下旬受暴雨影响，水库面积明显增加，在7月25日遥感图中，透过云层可看到平龙水库水面积已经明显增加。8月—12月发生秋冬连旱，广西各地降水量143.3～544.5毫米，全区大部比常年同期偏少1～7成；广西全区平均降水量287毫米，比常年同期偏少4成，偏少程度居1951年历史同期的第2位（第一位是1992年，偏少5成），长时间的少雨天气，导致大部地区出现持续干旱，此时贵港的平龙水库水表面积由9月的6.6平方公里降为11月的3.1平方公里，11月虽然出现了较明显的降雨天气过程，旱情得到一定程度的缓和，12月平龙水库面积稍有增加，为3.4平方公里，但整体而言旱情依然严重。
　　2005年春季，延续了2004年冬季的旱情，由于受云覆盖严重影响，给贵港市春季的水体遥感监测带来困难。4月平龙水库的面积仅为2.5平方公里，受6月暴雨过程影响，旱情才完全解除，6、7月水库蓄水量较为充足，平龙水库面积增加明显，达年度峰值7.2平方公里。8月后降雨量与常年相比严重偏少，水库蓄水量整体呈下降的趋势，到11、12月，平龙水库面积仅为7月的12%，经过对比分析，2005年秋冬季，平龙水库的蓄水量明显低于2004年同期，2005年秋冬季的旱情比2004年更为严重。
　　4 讨论
　　（1）利用MODIS实时卫星资料对广西的水库、塘坝等水域的水表面积进行长时间序列的遥感动态监测，可以有效而客观的间接反映当地旱情的变化情况，可以很好的弥补其他干旱遥感监测方法直观性不足的缺陷，实践证明这是行之有效的方法。
　　（2）自行开发了交互式水体识别系统，通过鼠标滑块或键盘操作，实现水体判识阈值按0.1精度的步长变化，使水体判识更为灵活和精确。
　　（3）获得了2005年全年的广西典型水体遥感监测数据，为建立广西主要水体遥感动态监测背景数据库奠定了基础，并且丰富了卫星遥感业务服务内容和提高业务服务水平。

参 考 文 献
[1] 张文建等.水情监测技术和分析.卫星遥感监测大气与环境科学原理和技术[M].北京，气象出版社，2004：99-123
[2] 广西气候影响评价（广西气象台）.2004-2005年（内部资料）
[3] 刘闯、葛成辉、王正兴等.对地观测系统MODIS数据获取与应用标准研究（内部培训资料）.2004：1-20