CN106354992B - 基于多时相遥感影像和dem的湖泊水量蓄变量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法，其包括以下步骤，A、计算当前片区两个时间段内的湖泊面积；B、计算当前片区两个时间段内湖泊所在处洼地的库容‑面积关系曲线；C、读取当前片区两个时间段内的湖泊面积和与其对应的湖泊的库容‑面积关系曲线，得到当前时间段湖泊的蓄水量；D、计算两个时间段的湖泊的库容的差值作为湖泊水量蓄变量。本方案通过计算得到的水量蓄变量可以定量化描述湖泊的萎缩或扩张的程度，对研究气候变化以及区域水资源演变趋势具有重要意义，同时湖泊蓄水量的变化对流域各水循环要素的研究也具有一定的支撑作用，有利于社会可持续发展。

Description

基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法

技术领域

本发明涉及两个时间段内湖泊水量蓄变量评估方法，具体涉及一种基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法。

背景技术

湖泊参与自然界的水分循环，对气候的变化极为敏感，湖泊的面积及水分变化将改变地表下垫面的条件，进而影响大气环流，因此湖泊在一定程度上可以作为区域气候变化的指示牌；同时湖泊还具有调节径流、提供用水、改善区域生态环境等多种功能；因此对于湖泊的演变研究具有重要意义。

目前，关于湖泊的演变研究主要集中于湖泊水面面积变化，其实现方法是通过卫星遥感技术对不同年代湖泊影像进行提取，分析计算其面积以确定湖泊扩张或萎缩程度；而湖泊水量变化的研究略有缺乏，目前一般采用人工实地测绘即采用水量平衡和模型模拟的方法来推算湖泊水量，这两种方法中，除湖泊水之外的其他水分要素的计算均存在不同程度的不确定性，而难以为区域气候变化和水循环演变的研究提供支撑。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法能够准确地计算湖泊两个时间段内的水量蓄变量。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法，其包括以下步骤：

A、计算当前片区两个时间段内的湖泊面积：

获取当前片区两个时间段内卫星遥感影像多光谱数据；

选取每个时间段内的卫星遥感影像多光谱数据中绿波段G和近红外波段NIR的灰度值影像；

计算每个时间段内的归一化水体指数影像NDWI：

读取每个时间段内的水体指数影像NDWI的NDWI阀值，并将所述NDWI阈值所在范围内的水体指数影像转换为矢量图；

根据每个时间段内的所述矢量图中湖泊分布范围和尺寸比例，计算得到当前片区两个时间段内的湖泊面积；

B、计算当前片区两个时间段内湖泊库容-面积关系曲线：

获取两个时间段的DEM数据；

读取湖泊面积计算过程中两个时间段的矢量图，并将其向外扩充设定值形成缓冲区；

根据两个时间段对应的湖泊DEM数据，采用GIS技术得到不同时期湖泊的库容-面积关系曲线；

C、读取当前片区两个时间段内的湖泊面积和与其对应的湖泊的库容-面积关系曲线，依据此曲线，得到当前时间段内湖泊的库容；其中，曲线方程为：

y＝0.000064x²-0.047x+0.085

y为湖泊的库容，x为湖泊面积；

D、计算两个时间段的湖泊的库容的差值，即为湖泊水量蓄变量。

本发明的有益效果为：本发明通过分析计算获取的两个不同时期的卫星遥感影像多光谱数据和DEM数据能够得到其相对于的湖泊面积和库容，通过两个不同时期的湖泊库容得到湖泊的水量蓄变量，通过计算得到的水量蓄变量可以定量化描述湖泊的萎缩或扩张的程度，对研究气候变化以及区域水资源演变趋势具有重要意义，同时湖泊水量的变化对流域各水循环要素的研究也具有一定的支撑作用，有利于社会可持续发展。

附图说明

图1为基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法的流程图；

图2为本发明估算湖泊水量蓄变量的原理示意图；

图3为本发明实例中求得的纳木错湖泊的“库容—面积”关系曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法的流程图；如图1和图2所示，该基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法包括以下步骤：

A、计算当前片区两个时间段内的湖泊面积：

获取当前片区两个时间段内卫星遥感影像多光谱数据；其中的卫星遥感影像多光谱数据可以为每个时间段的丰水期或枯水期的卫星遥感影像多光谱数据。

选取每个时间段内的卫星遥感影像多光谱数据中绿波段G和近红外波段NIR的灰度值影像；其中的卫星遥感影像多光谱数据中绿波段G灰度值影像代表植被，近红外波段NIR的灰度值影像代表植被中的水体。

计算每个时间段内的归一化水体指数影像NDWI：

其中的水体指数影像NDWI的取值范围为-1≤NDWI≤1。

读取每个时间段内的水体指数影像NDWI的NDWI阀值，并将所述NDWI阈值所在范围内的水体指数影像转换为矢量图。

在本发明的一个实施例中，水体指数影像NDWI的NDWI阀值的获取方法为：

将水体指数影像NDWI作为横坐标，同一水体指数影像NDWI所对应的卫星遥感影像像素的数量作为纵坐标生成水体指数直方图；在实施时，确定直方图的横坐标和纵坐标后，通过ArcGIS软件栅格属性中“Symbology”选项卡下“Classified”功能里可以自动生成水体指数直方图。

读取水体指数直方图中大于零的波峰值范围内的最小水体指数影像NDWI作为NDWI阈值。具体为，观察水体指数直方图，其存在两个波峰，其中值大于0的波峰是水体像素集中区域，选取其中值大于0的波峰范围内的最小值即为NDWI阈值。

根据每个时间段内的所述矢量图中湖泊分布范围和尺寸比例，计算得到当前片区两个时间段内的湖泊面积；具体地为，湖泊面积可以通过ArcGIS软件的矢量图属性表里“Calculate Geometry”功能计算而得。

其中，每个时间段内的矢量图中湖泊分布范围为采用解译方法对矢量图中湖泊分布范围调整而得，解译方法可以为目视解译或者人为监督解译、计算机微调解译中的一种。

B、计算当前片区两个时间段内湖泊的库容-面积关系曲线：

获取两个时间段的DEM数据；

在本发明的一个实施例中，获取两个时间段的DEM数据进一步包括：

获取遥感反演DEM数据、航拍DEM数据和测绘DEM数据；

基于DEM空间分辨率最高和湖泊岸线处高程差最小原则，选取每个时间段遥感反演DEM数据、航拍DEM数据和测绘DEM数据中精度和准确度最高的作为DEM数据。

读取湖泊面积计算过程中两个时间段的矢量图，并将其向外扩充设定值(本方案的设定值可以选择1km，不过也可以根据需要进行适当的增减)形成缓冲区；此处的缓冲区的建立优选根据计算的每个时段中湖泊面积最大的矢量图往外扩充设定值而得到。

根据两个时间段对应的湖泊DEM数据，采用GIS技术得到不同时期湖泊的库容-面积关系曲线。

实施时，洼地的库容-面积关系曲线的具体实现方式为：

运用ArcGis软件“Extract by Mask”工具，结合该缓冲区提取步骤B中选取的较高精度DEM数据，得到湖泊的DEM数据，通过GIS技术建立湖泊“库容—面积”关系曲线；该关系曲线通过高程建立联系，运用ArcGIS软件“Surface Volume”工具可以在给定的湖面高程下计算得到该湖面面积和库容，因此设定高程从DEM的最低值到最高值每增加水面高程1m，计算一次湖面面积和库容，这样就可以得到湖泊“库容-面积”关系曲线。

C、读取当前片区两个时间段内的湖泊面积及其库容-面积关系曲线，反推出当前时间段内湖泊的库容；其中，曲线方程为：

y＝0.000064x²-0.047x+0.085

y为湖泊的库容，x为湖泊面积；修正系数为0.97；

D、计算两个时间段的湖泊库容的差值，作为湖泊水量蓄变量。

实施例

下面结合图2和图3选取我国青藏高原的纳木错湖为例对本发明提供的湖泊水量蓄变量评估方法进行说明：

在评估过程中，选取的两个时间段为90s和00s年代，对90s年代至00s年代的水量蓄变量进行评估；本实例选取的是1996年10月13日的Landsat-5TM影像和2000年11月1日的Landsat-7ETM影像；之后采用采用本湖泊水量蓄变量评估方法90s和00s年代纳木错湖的面积，90s和00s年代纳木错湖所在处洼地的库容-面积关系曲线，并通过90s和00s年代纳木错湖的面积及其库容-面积关系曲线得到90s和00s年代纳木错湖的库容；最后得到90s至00s年代之间纳木错湖的水量蓄变量。

表1为纳木错湖水量蓄变量估算结果。

上述结论说明利用本发明提出的思路建立基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法能够较准确地分析各种类型湖泊的演变情况，较符合实际，可为下一步的区域水资源评价及水循环变化研究提供辅助支撑，可应用于实际的项目分析中。

Claims (1)

1.基于多时相遥感影像和DEM的湖泊水量蓄变量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、计算当前片区两个时间段内的湖泊面积：

获取当前片区两个时间段内卫星遥感影像多光谱数据；

选取每个时间段内的卫星遥感影像多光谱数据中绿波段G和近红外波段NIR的灰度值影像；

计算每个时间段内的归一化水体指数影像NDWI：

<mrow> <mi>N</mi> <mi>D</mi> <mi>W</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>G</mi> <mo>-</mo> <mi>N</mi> <mi>I</mi> <mi>R</mi> </mrow> <mrow> <mi>G</mi> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mi>I</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

读取每个时间段内的水体指数影像NDWI的NDWI阈值，并将所述NDWI阈值所在范围内的水体指数影像转换为矢量图；

根据每个时间段内的所述矢量图中湖泊分布范围和尺寸比例，计算得到当前片区两个时间段内的湖泊面积；

所述步骤A中每个时间段内的矢量图中湖泊分布范围采用遥感解译方法修整和调整矢量图中湖泊分布范围而获得；

所述水体指数影像NDWI的取值范围为-1≤NDWI≤1；

所述水体指数影像NDWI的NDWI阈值的获取方法为：

将水体指数影像NDWI作为横坐标，同一水体指数影像NDWI所对应的卫星遥感影像像素的数量作为纵坐标生成水体指数直方图；

读取水体指数直方图中大于零的波峰值范围内的最小水体指数影像NDWI作为NDWI阈值；

B、计算当前片区两个时间段内湖泊库容-面积关系曲线：

获取两个时间段的DEM数据；

读取湖泊面积计算过程中两个时间段的矢量图，并将其向外扩充设定值形成缓冲区；

根据两个时间段对应的湖泊DEM数据，采用GIS技术得到不同时期湖泊的库容-面积关系曲线；

所述获取两个时间段的DEM数据进一步包括：

获取遥感反演DEM数据、航拍DEM数据和测绘DEM数据；

基于DEM空间分辨率最高和湖泊岸线处高程差最小原则，选取每个时间段遥感反演DEM数据、航拍DEM数据和测绘DEM数据中精度和准确度最高的作为DEM数据；

所述步骤A中的卫星遥感影像多光谱数据为每个时间段的丰水期或枯水期的卫星遥感影像多光谱数据；

洼地的库容-面积关系曲线的具体实现方式为：

运用ArcGis软件“Extract by Mask”工具，结合缓冲区提取步骤B中选取的较高精度DEM数据，得到湖泊的DEM数据，通过GIS技术建立湖泊“库容—面积”关系曲线；该关系曲线通过高程建立联系，运用ArcGis软件“Surface Volume”工具在给定的湖面高程下计算得到该湖面面积和库容，设定高程从DEM的最低值到最高值每增加水面高程1m，计算一次湖面面积和库容，得到湖泊“库容-面积”关系曲线；

C、读取当前片区两个时间段内的湖泊面积和与其对应的湖泊的库容-面积关系曲线，依据此曲线，得到当前时间段内湖泊的库容；

D、计算两个时间段的湖泊的库容的差值，即为湖泊水量蓄变量。