CN110009213A - 一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法，属于生态环境保护领域，针对现有监测评价方法的局限和不足创建，包括：航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程；基于水体信息提取的在不同研究尺度分别评价冲淤、岸线、水域形态变化的分析方法；基于航道工程识别、分别开展工程建设内容跟踪监测、工程影响范围一致性比较、工程实施效果评价的分析方法。其水体信息提取不依赖对实测资料的掌握与反演，其航道工程识别选择目视可辨目标，从而为航道工程生态影响的长期跟踪监测，工程实施的生态环境效果评估，工程设计的有效性和生态合理性评价提供一种适宜、简便、易行、经济的卫星遥感跟踪监测评价技术方法支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法，属于生态环境保护及评价技术领域。
背景技术
航道工程涉及的空间范围大，施工和运行维护的时间跨度长，相应引起水流和岸线等生境状况随时间和空间发生变化。面对这种大范围、长时间的航道工程生态影响，采用长时间序列卫星遥感数据来跟踪监测，不失为一种预期可行的经济高效技术途径，其实现亟需适用的跟踪监测评价方法予以支持。
对相关研究现状的跟踪显示，卫星遥感信息的利用仍依赖于建立专用的遥感数据识别方法和以准确的地物信息调查为基础。例如：
王伟、凌焕然公开了一种基于遥感解译的土地利用识别方法，其采用模式识别中的13特征法，进行多样本栅格数据的模板取样和匹配检测，实现了在掌握研究区域部分准确的土地利用测绘分类的基础上，对全研究区域的土地利用状况的识别，为获取有效完整的数据带来很大方便(CN104268560A，2015)。
许静运用遥感技术，结合实测水下地形资料，以美国Landsat遥感数据为例，建立了闽江河道水深遥感反演模型，并引入适合于二类水体的泥沙遥感参数，建立了闽江下游干流水深模型(福建师范大学硕士学位论文《闽江下游干流水深遥感与河道形态演变分析》，2009年4月)。
褚忠信运用遥感技术，以黄河三角洲1976-2000年Landsat遥感数据，并结合实测的2m等深线数据和黄河入海水沙资料，研究了黄河三角洲的冲淤变化规律，进而实现对高浑浊度水域的多光谱遥感水深反演(中国海洋大学硕士学位论文《现代黄河三角洲冲淤演变规律与遥感应用研究》，2003年6月)。
孙超针综合了长时间序列多源遥感影像数据集，开展了南海油气开发活动监测研究，提出了海洋油气开发活动分析方法(南京大学博士学位论文《长时间序列多源遥感影像支持下南海油气开发活动监测研究》，2018年5月)。
综上所述，现有的卫星遥感监测相关研究存在以下方面的局限和不足：
(1)需要建立专用的关于土地利用、水深、海洋油气开发活动状况的遥感数据识别方法，且依赖于已经掌握上述状况的实测资料，识别方法缺乏普适性；
(2)主要用于获取土地利用状况和水深信息，以及海洋油气开发的人类活动状况信息，这些信息并不能直接用于评价航道工程的生态影响及相关人类活动状况，数据获取的类型存在相应的空白；
(3)配套研发了土地利用匹配检测方法、多源遥感影像油气开发活动分析方法、特定及高浑浊度水域水深遥感反演方法，其尽管提升了数据获取的可达性及效率，但并不能直接用于评价航道工程水域生态状况及相关人类活动影响，遥感监测评价方法存在相应的技术空白。
发明内容
(1)发明目的
针对现有的生态环境卫星遥感监测研究存在的局限和不足，本发明提供一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法。其包括：航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程；基于水体信息提取的在不同研究尺度分别评价冲淤、岸线、水域形态变化的分析方法；基于航道工程识别分别开展工程建设内容跟踪监测、工程影响范围一致性比较、工程实施效果评价的分析方法。其水体信息提取不依赖于对实测资料的掌握与反演，其航道工程识别选择了目视可辨的目标，从而为航道工程的生态影响长期跟踪监测，工程实施的生态环境效果评估，工程设计的有效性和生态合理性评价提供了适宜、简便、易行、经济的卫星遥感跟踪监测评价技术方法支持。
(2)技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法，该方法由航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程、基于水体信息提取的不同研究尺度航道工程生态影响评价方法、基于航道工程识别的建设内容与实施效果跟踪监测评价方法三个部分组成。
所述航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程，其特征在于，包括4个层次自上而下逐层推进的分析流程，具体为：第1层次为2项具有高度关联性的独立分析内容，即：确定分析区域和选取遥感数据源，第2层次为遥感数据预处理，第3、4层次横向为2组具有一定关联性的独立分析内容，每组内容上下层之间具有高度关联性，分别为，第1组：水体信息提取以及据此推进的不同研究尺度影响评价，第2组：航道工程识别以及据此推进的工程建设及影响跟踪，上述流程的具体步骤如下：
1)所述确定分析区域的步骤为：分施工标段和工程类型确定工程所在区域，选择护岸、切滩及丁坝、潜堤工程范围作为分析区域；
2)所述选取遥感数据源的步骤为：选择能覆盖分析区域且具有长时间序列的遥感数据源，选择长时间序列同一时段(枯水期)数据；
3)所述遥感数据预处理的步骤为：大气校正，几何校正；
4)所述水体信息提取的步骤为：3.1.1采用归一化水体指数法(NDWI)提取水体信息；
5)所述不同研究尺度影响评价的步骤为：基于不同年代水体面积变化的对比进行冲淤变化分析，基于不同年代岸线信息的叠加进行岸线变化分析，基于大范围水体形态变化的描述进行水域形态变化分析；
6)所述航道工程识别的步骤为：结合护岸、切滩及丁坝、潜堤工程内容，目视识别并标注；
7)所述工程建设及影响跟踪的步骤为：基于对工程影响源项的时空变化全过程跟踪监测来开展工程建设内容跟踪监测，在对监测结果与环境影响的评价结果进行比较的基础上来开展工程影响类型和范围一致性的比较分析，结合对冲淤、岸线稳定性、水域形态的变化分析来开展工程实施效果评价。
用于描述上述4个层次逐层推进分析流程及步骤的航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程示意图详见图1。
所述基于水体信息提取的不同研究尺度航道工程生态影响评价方法包括水体信息提取法、冲淤变化分析法、岸线变化分析法和水域形态变化分析法，具体特征如下：
1)所述水体信息提取法采用归一化水体指数(NDWI)提取水体面积和空间分布信息，计算公式为NDWI＝(Bgreen-BNear IR)/(Bgreen+BNear IR)，其中Bgreen为卫星遥感影像中的绿光波段，BNear IR为卫星遥感影像中的近红外波段；
2)所述冲淤变化析法包括冲淤状况判断准则和冲淤面积计算公式，具体方法为采用GIS叠加分析工具，对不同施工标段所在水域的长时间序列水体面积的变化进行对比，采用淤积状况判定准则，分析不同施工标段在不同时期的冲淤状况，采用冲淤面积计算公式定量分析淤积面积；
3)上述冲淤变化分析法的冲淤状况判断准则为：若水体面积随时间序列的增加而增加，则为冲刷状态，若水体面积随时间序列的增加而减少，则为淤积状态，若水体面积随时间序列的增加不变，则为冲淤平衡状态；
4)上述冲淤变化分析法的冲淤面积计算公式为：CYSi+j＝WSi+j-WSi，其中CYSi+j为第i时段至第i+j时段的冲淤面积(CYSi+j＜0时为冲刷，CYSi+j＞0时为淤积，CYSi+j＝0时为冲淤平衡)，WSi、WSi+j分别为第i时段、第i+j时段的水体面积；
5)所述岸线变化分析法采用GIS面文件转换为线文件工具，根据不同年代水体面积的空间分布数据，筛选出岸线分布信息，进行不同年代的岸线信息叠图，分析其变化；
6)所述水域形态变化分析法选择具有代表性时间节点的水体面积空间分布作为对比参照，并结合实地调查资料，对分析区域大范围空间尺度的航道水域形态随时间尺度的变化进行综合分析。
所述基于航道工程识别的建设内容与实施效果跟踪监测评价方法包括航道工程内容目视识别法、工程建设内容跟踪监测法、工程影响范围一致性比较法、工程实施效果评价法，具体特征如下：
1)所述航道工程内容目视识别法以卫星遥感图像彩色合成为基础，对易于目视辨识的护岸、切滩、丁坝、潜堤这样的工程类型，结合航道工程建设的具体内容，进行航道工程内容目视识别，并加以手工标注；
2)所述工程建设内容跟踪监测法基于上述目视识别法，选择施工前，施工期和施工结束后相关时间节点的卫星遥感彩色合成图像，进行航道工程内容目视识别和手工标注，通过对不同时期监测结果的对比分析，进行护岸、切滩、丁坝、潜堤这样的工程影响源项时空变化的全过程跟踪监测评价；
3)所述工程影响范围一致性比较法为，涵盖施工前，施工期和施工结束后三个阶段，根据上述工程建设内容跟踪监测法的评价结果和生态环境影响作用机理，判断工程的生态环境影响类型及范围，并与环境影响评价结果相比较，分析其在类型及范围上的一致性；
4)所述工程实施效果评价法为，通过将所述工程建设内容跟踪监测法的跟踪监测结果、工程影响范围一致性比较法的一致性比较结果与相同区域的前述冲淤、岸线稳定性和水域形态变化分析结果相结合，来综合评价航道工程设计的有效性和生态合理性。
(3)优点和功效
本发明的优点是创建了一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法，包括航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程、基于水体信息提取的不同研究尺度航道工程生态影响评价方法、基于航道工程识别的建设内容与实施效果跟踪监测评价方法三个部分组成。针对航道工程大范围长时间的生态影响特点，采用长时间序列卫星遥感数据来实现跟踪监测，具有技术上的可行性和经济上的合理性。可为航道工程的生态影响长期跟踪监测，工程实施的生态环境效果评估，工程设计的有效性和生态合理性评价提供一套适宜、简便、易行、经济的卫星遥感跟踪监测评价技术支持。
本发明创建了不同研究尺度航道工程生态影响评价方法，包括水体信息提取法、冲淤变化分析法、岸线变化分析法和水域形态变化分析法，以及航道工程建设内容与实施效果跟踪监测方法，包括航道工程内容目视识别法、工程建设内容跟踪监测法、工程影响范围一致性比较法、工程实施效果评价法。本发明弥补了航道工程建设生态影响在不同时间空间尺度上的跟踪监测技术缺憾，填补了航道工程生态影响卫星遥感跟踪监测评价方法的空白。
附图说明
图1：航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程示意图；
图2：长江南京以下12.5m深水航道二期工程和畅州段1975-2017遥感监测分析；
图3：长江南京以下12.5m深水航道二期工程和畅州段1981-2015岸线变化分析；
图4：长江南京以下12.5m深水航道二期工程河段1981-2015年水域形态变化分析；
图5：长江南京以下12.5m深水航道二期工程福姜沙河段工程建设及影响跟踪分析。
具体实施方式
本发明是一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法。其中，航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程包括4个层次的逐层推进分析流程，第1层次为确定分析区域和选取遥感数据源，第2层次为遥感数据预处理，第3、4层次分别为水体信息提取以及在其基础上推进不同研究尺度影响评价，航道工程识别以及在其基础上推进的工程建设及影响跟踪。相关分析方法包括：基于水体信息提取的在不同研究尺度分别评价冲淤、岸线、水域形态变化的分析方法；基于航道工程识别分别开展工程建设内容跟踪监测、工程影响范围一致性比较、工程实施效果评价的分析方法。可为航道工程的生态影响长期跟踪监测，工程实施的生态环境效果评估，工程设计的有效性和生态合理性评价提供了适宜、简便、易行、经济的卫星遥感跟踪监测评价技术方法支持。
以下结合附图和案例对本发明的实施方式做进一步说明。
案例工程：长江南京以下12.5米深水航道二期工程。
确定分析区域：长江南京以下12.5米深水航道二期工程范围涵盖长江南通至南京的227km河段。航道整治工程类型包括疏浚、切滩、筑坝(丁坝，潜堤等)、护底铺设、护岸五种施工类型。卫星遥感监测选择福姜沙河段、口岸直河段、和畅洲河段、世业洲河段四个重点施工河段。结合航道整治工程类型，本次卫星遥感监测选择易于目视辨识的工程类型包括护岸，切滩，丁坝，潜堤工程作为分析区域。
选取遥感影像数据源：主要采用四种光学卫星遥感数据，分别是美国陆地卫星(Landsat)系列的MSS、TM、ETM和OLI_TRIS数据。本案例研究收集和处理了二期工程河段从20世纪70年代中期至近期(2015-2017年)40多年来的遥感影像数据，共分六个阶段进行收集，分别是20世纪70年中期、80年代初、90年代初、2000年、2010年前后、2015-2017年工程建设期，并选择年内同一时段数据(枯水期)，详见表1。
表1长江南京以下12.5米深水航道二期工程河段遥感影像数据源
| 序号 | 影像拍摄时间 | 光学传感器类型 | 景数 | 空间分辨率(m) |
| 1 | 20世纪70年中期 | MSS | 3 | 78 |
| 2 | 20世纪80年代初 | MSS | 6 | 80 |
| 3 | 20世纪90年代初 | TM | 4 | 30 |
| 4 | 2000年 | ETM | 6 | 30/15 |
| 5 | 2010年 | TM | 4 | 30 |
| 6 | 2015至2017年 | OLI | 6 | 30/15 |
遥感数据的预处理包括：几何校正与配准、大气校正，图像的镶嵌和波段融合，可以通过ENVI5.2遥感数据处理软件实现。
水体信息的提取：采用ENVI5.2软件的归一化水体指数法(NDWI)实现。
不同研究尺度影响评价：包括冲淤变化、岸线变化和水域形态分析。以和畅州河段为例，镇江下游约10km处长江被和畅洲分为南北两汊，历史上和畅洲河势变化较为剧烈，本案例收集了20世纪70年代中期至2017年40多年来和畅洲段的遥感影像数据，共分八个时期进行对比分析。20世纪90年代以前，长江主河道位于南汊，北汊处于淤积状态，而20世纪90年代之后，北汊逐渐成为主河道，南汊逐渐淤积(详见图2)。和畅州段1981-2015岸线变化也表明了这一变化趋势(详见图3)。长江二期工程河段从1981年至2015年这35年的河道水域面积减小了82.02km2，其中1981年至2000年减少了26.93km2，年均减少1.42km2，2000至2015年减少了55.09km2，年均减少3.67km2。和畅洲段、福姜沙段水域形态变化最为显著，主要以淤积占优势，其余河段在35年间变化不大，基本保持稳定(详见图4)。
整治工程识别：以福姜沙河段为例，结合护岸、丁坝和潜堤工程建设内容开展了航道整治工程类型的目视识别(详见图5)。
工程建设及影响跟踪：包括工程建设内容跟踪监测，工程影响类型和范围一致性比较，工程实施效果评价。以福姜沙河段为例，结合二期工程的实施进度，获取4期遥感数据(Landsat-5 TM数据和Landsat-8OLI_TRIS数据)，分别为2010年2月21日(施工前)、2015年10月12日(施工期)，2016年4月22日(施工期)，2017年3月8日(施工期末)(详见图5)。研究区12.5米深水航道建设方案为福中单向+福北单向，航道设计宽度为260米。福姜沙水道建设内容为：在双涧沙头部沙脊线附近建设一道长为3150米的潜堤；头部潜堤北侧建设4道丁坝，长度510～1000米，头部潜堤南侧建设3道丁坝，长度250～550米；双涧沙南侧护岸建设5道丁坝，长度400～425米。根据遥感监测，截至2016年4月22日，双涧沙头部3150米的潜堤，两侧护岸，双涧沙北侧和南侧丁坝已基本完成施工。卫星遥感监测实现了福姜沙河段航道整治工程建设内容的全过程跟踪监测，监测结果表明工程影响范围符合环境影响评价预测范围，工程的建设对于岸线稳定，冲淤平衡和水域形态稳定具有很好的实际效果。
Claims (4)
1.一种基于长时间序列卫星遥感数据的航道工程生态影响跟踪监测评价方法，其组成包括航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程、基于水体信息提取的不同研究尺度航道工程生态影响评价方法、基于航道工程识别的建设内容与实施效果跟踪监测评价方法这三个部分。
2.根据权利要求1所述航道工程生态影响长时间序列卫星遥感分析流程，其特征如下：
2.1其包括4个层次自上而下逐层推进的分析流程，具体如下：第1层次分为2项具有高度关联性的独立分析内容，即：确定分析区域和选取遥感数据源，第2层次为遥感数据预处理，第3、4层次横向为2组具有一定关联性的独立分析内容，每组内容上下层之间为具有高度关联性的独立分析内容，分别为，第1组：水体信息提取以及据此推进的不同研究尺度影响评价，第2组：航道工程识别以及据此推进的工程建设及影响跟踪；
2.2其分析流程的具体步骤如下：
2.2.1所述确定分析区域的步骤为：分施工标段和工程类型确定工程所在区域，选择护岸、切滩及丁坝、潜堤工程范围作为分析区域；
2.2.2所述选取遥感数据源的步骤为：选择能覆盖分析区域且具有长时间序列的遥感数据源，选择长时间序列同一时段(枯水期)数据；
2.2.3所述遥感数据预处理的步骤为：大气校正，几何校正；
2.2.4所述水体信息提取的步骤为：采用归一化水体指数法(NDWI)提取水体信息；
2.2.5所述不同研究尺度影响评价的步骤为：基于不同年代水体面积变化的对比进行冲淤变化分析，基于不同年代岸线信息的叠加进行岸线变化分析，基于大范围水体形态变化的描述进行水域形态变化分析；
2.2.6所述航道工程识别的步骤为：结合护岸、切滩及丁坝、潜堤工程内容，目视识别并标注；
2.2.7所述工程建设及影响跟踪的步骤为：基于对工程影响源项的时空变化全过程跟踪监测来开展工程建设内容跟踪监测，在对监测结果与环境影响评价结果进行比较的基础上来开展工程影响类型和范围一致性的比较分析，结合对冲淤、岸线稳定性、水域形态的变化分析来开展工程实施效果评价。
3.根据权利要求1所述基于水体信息提取的不同研究尺度航道工程生态影响评价方法，其特征如下：
3.1其具体评价方法包括水体信息提取法、冲淤变化分析法、岸线变化分析法和水域形态变化分析法；
3.2其具体评价方法具有如下特征：
3.2.1所述水体信息提取法的方法为：采用归一化水体指数(NDWI)提取水体面积和空间分布信息；
3.2.2所述冲淤变化分析法包括了冲淤分析方法、冲淤状况判断准则和冲淤面积计算公式，具体内容如下：
3.2.2.1所述冲淤分析方法为：采用GIS叠加分析工具，对不同施工标段所在水域的长时间序列水体面积的变化进行对比，采用淤积状况判定准则，分析不同施工标段在不同时期的冲淤状况，采用冲淤面积计算公式定量分析淤积面积；
3.2.2.2所述冲淤状况判断准则为：若水体面积随时间序列的增加而增加，则为冲刷状态，若水体面积随时间序列的增加而减少，则为淤积状态，若水体面积随时间序列的增加不变，则为冲淤平衡状态；
3.2.2.3所述冲淤面积计算公式为：CYSi+j＝WSi+j-WSi，其中CYSi+j为第i时段至第i+j时段的冲淤面积(CYSi+j＜0时为冲刷，CYSi+j＞0时为淤积，CYSi+j＝0时为冲淤平衡)，WSi、WSi+j分别为第i时段、第i+j时段的水体面积；
3.2.3所述岸线变化分析法的方法为：采用GIS面文件转换为线文件工具，根据不同年代水体面积的空间分布数据，筛选出岸线分布信息，进行不同年代的岸线信息叠图，分析其变化；
3.2.4所述水域形态变化分析法的方法为：选择具有代表性时间节点的水体面积空间分布作为对比参照，并结合实地调查资料，对分析区域大范围空间尺度的航道水域形态随时间尺度的变化进行综合分析。
4.根据权利要求1所述基于航道工程识别的建设内容与实施效果跟踪监测评价方法，其特征如下：
4.1其具体评价方法包括航道工程内容目视识别法、工程建设内容跟踪监测法、工程影响范围一致性比较法、工程实施效果评价法；
4.2其具体评价方法具有如下特征：
4.2.1所述航道工程内容目视识别法的方法为：以卫星遥感图像彩色合成为基础，对易于目视辨识的护岸、切滩、丁坝、潜堤这样的工程类型，结合航道工程建设的具体内容，进行航道工程内容目视识别，并加以手工标注；
4.2.2所述工程建设内容跟踪监测法的方法为：基于所述航道工程内容目视识别法，选择施工前，施工期和施工结束后相关时间节点的卫星遥感彩色合成图像，进行航道工程内容目视识别和手工标注，通过对不同时期监测结果的对比分析，进行护岸、切滩、丁坝、潜堤这样的工程影响源项时空变化的全过程跟踪监测评价；
4.2.3所述工程影响范围一致性比较法的方法为：涵盖施工前，施工期和施工结束后三个阶段，根据所述工程建设内容跟踪监测法的评价结果和生态环境影响作用机理，判断工程的生态环境影响类型及范围，并与环境影响评价结果相比较，分析其在类型及范围上的一致性；
4.2.4所述工程实施效果评价法的方法为：通过将所述工程建设内容跟踪监测法的跟踪监测结果和所述工程影响范围一致性比较法的一致性比较结果，并与相同区域的根据权利要求3所述的冲淤变化分析法、岸线变化分析法和水域形态变化分析法得到的冲淤、岸线稳定性和水域形态变化分析结果相结合，来综合评价航道工程设计的有效性和生态合理性。
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