二滩库区水深遥感反演研究.docx

二滩库区水深遥感反演研究孙涛1，庞治国1，潘世兵1，葛德祥1 (1，中国水利水电科学研究院遥感中心，北京，100048)捅要：水库泥沙淤积一直是困扰水库运行的问题。雅砻江二滩电站库区自1998年蓄水运行以来，泥沙淤积比较严重。为评价泥沙淤积及其发展趋势，目前已对库区断面进行了四次水深测量， 每次测量都会耗费大量的时间和财力。本次研究在常规测量研究的基础上，通过分析etm不同波段 对水体、水深的敏感性，选取库区上段37断面以上河段，建立水深和相应的etm遥感影像适宜波段 间的模型关系，从而快速完成大范围水域水深遥感反演，精度达到80以上。通过遥感测量水深为 库区泥沙淤积研究提供了新的思路和可行手段。关键词：泥沙淤积，二滩水库，水深测量，遥感 1二滩库区二滩水电站位于四川省西南部的雅砻江下游，坝址距雅砻江与金沙江的交汇口33km，距攀枝花 市区46km，系雅砻江梯级开发的第一个水电站。正常蓄水位海拔1200m时干流回水至打罗，长145km， 支流干鱼河回水至永兴，长40l(1h左右。二滩水电站以发电为主。水库总库容58亿ill3，调节库容337亿啊3，属季调节水库。电站装机容量33001唧(5550胂)，电站首台机组于1998年投产，1999年底全部投产发电。水库地处青藏高原东南缘与云贵高原西北部接壤带。库区内谷底至山顶一般相对高差都在 20003000m之间，库区海拔12002100m，地貌类型由高原面、谷地、丘陵、低山和中山组成。在 每年五至十月为雨季，水汽丰沛、气候湿润、降雨量约占全年的9095，雨日占全年的80。 每年十一月至次年四月为旱季。库区611月温度偏低，125月温度偏高，年均温135195， 最冷月均温89c，极端最低气温26，气温日差较大，年差较小，四季不分明。年降雨量800一 10001i，相对湿度65，干湿季明显，冬春干旱、晴朗多风、无严寒。库区范围自然土壤为山地红 壤，土层较薄，肥力较低。植被以松栎混交林为主，次为云南松林，海拔1700m以上有云南油松和 以栎类为主的常绿阔叶林。在部分沟谷内水土流失、滑坡、崩塌和泥石流严重。2二滩库区泥沙淤积二滩电站库区从大坝蓄水运行至今，库容已经过多个汛期的泥沙淤积过程。泥沙淤积来源主要 来自几个方面，一是干流上游带来的推移质，其次就是库区滑坡和泥石流。上游物质的推移和库区 土壤侵蚀关系密切，库区土壤侵蚀分级图见图l。图中可见沿江主要属于中度侵蚀区域。水库蓄水后，其环境发生了较大的变化，库水位的涨落变化引起库岸普遍发生变形，特别是库 水位从高水位降至低水位状态时，库岸的变形更为明显，一部分变形体发展成滑坡，其后果都会给 二滩水库的安全运行造成较大的影响。另外，库岸斜坡在经过儿年时间库水位反复涨落变化后，库 岸进入一个表层坍滑发生强烈的时期。在库水位不发生大幅快速涨落的条件下，发生表层坍滑(群) 的可能性将逐渐减少，并缓慢趋于稳定。大量的松散同体物质堆积在库区泥石流沟内，如遇大暴雨仍有可能发生大规模的泥石流。公路 建设和采煤等也会对坡体产生新的破坏，形成新的松散同体物质补给源。二滩库区泥石流分布较广， 沿雅砻江干流及各中小支流都有不同程度的分布。但就其活动性和规模来讲，对库区泥沙淤积影响 较人的泥石流沟主要分布在干流的中段，即南坝与德力堡之间。每基金项目：国家自然基金(50679096)，中国水科院专项基金(遥集qn0709) 作者简介：孙涛(1973一)，男，安徽毫州人，高级工程师，博士，主要从事遥感和gis在水文水资源领域的研究年一遇降雨就发生泥石流、或一年内数十次发生泥石流的高频率泥年i流沟数量并不很多，但其规模和危害比较人。全堕堕堑避2堡撞塑壁生删焦查盟i金库医泥4-流的堆人危害是将同体物质带入库内，碱小阵容缩短水库的有效使川年限。m然说，流带入库r的栊沙总封比起阼岸再造坍滑和滑坡卣接进入库r的泥沙牮啦及f流上游带米的扣，穆 质坚少得多但由于泥4i流堆积物停歇的高鞋(4,7置)基术上往1lj0j 230m之间，明显对水阵的 有效阵弃有直接的影响。据四j】j省水文手册自l攀桂花ifi水r流失保持资料，序k的侵蚀模数为670 420053kin2a泥打流活动所引起的输沙模数远火丁一般概念上的侵蚀模数。幽1滩库医士壤证蚀分级幽 通过宴地监测与昧”断面进打比较，从【m获取淤积情况，如淤秘分巾、淤积体形态、淤积体积及判断淤积发展趋贽具有重要意义对丁库容变化研究，水库运行调度及库k乍态环境防治。o清理 部有ih好的指导1=川。水辟在1998年蓄水前完成了60条泥沙观测断面的首次洲量工作(43条千剁，1 7条支剖)，并分 别在2000年11 j j、2001年12月2002年4月，2004年11月完成了=次复测1作。托1200n水 ft时，对戍的伞部库存从1998年的j5 57亿3，2000年的53 29亿m。，2002年的52 62亿m3刮2004 年的5l 58亿“，平均每年减少0 66亿m。前2年被少较快平均1 14亿m1a，20012004年平 均0 35亿m。a。对丁干流来说h：容从1998年的44 78亿m年变化剑41 309亿ma，半均年变化 举为0 5785亿m。(地表1)，可弛泥沙淤；i!形势比较严峻。嵌1一滩库区近四敬测龉库容变化情况高拌面设计库释1998年j车 2000年阵2002年阵2004年库栉域分类(m)(亿m3)容(亿m3)容(亿d)容(亿一)(亿m1)120058 0j5 57l52 6185i 583总库弃115524 324 52522 035有，效33 730 52520 58l29 029120042 57142 07541 309干流1库伍118519 3l18 73819 210j撤23 36】23 22722 999120010 6249 93l10 274鲢鱼河立库】1553 2593 2964 108有被7 2656 6356 1663水深遥感反演的提出库k前删4攻的断血测骷突锓，挚们题。 足耗时周捌k， 次基丰完整的断而测培时问通 常耗时几个jj，对r数据的整理还需要段时闻， 。姓对丁断斫测鲑时间要求比较曲山了施测方 便，通常需选取汛州后水库基本蓄满期，以保证测t船只的行驶畅通，枯水期库rt兄其是上游庠 k水r地聪的获取就韩|对蚓难 是测苗对r仪器设备及撵作的要求较高，j车阿水深较人需要配96备较为精确、高量程的水下测深仪器，国内生产难度较大，同时由于库区边坡较陡，仪器的视深误 差偏大。四是工作量大，库区面积较大，剖面较多，相对耗费了大量的人力物力和财力。考虑到现场监测的困难性，考虑到结合遥感手段探测水深的方法。对于坝前及上部水深较大的 区域(水深大于30re)，根据水体的反射和吸收特征，目前通过遥感影像还很难获取准确实用的水深 数据。但是对于上游库区，水深相对较小，水体相对较清的水域，可以在比较短的时间内获取上部 浅水区的水深情况，从而配合其他区域的水深人工施测，为后续的坝区泥沙淤积提供新的方法，节 约成本。4基于遥感的水深反演研究41遥感测深原理利用遥感手段测量水深，可以发挥遥感“快速、大范围、准同步、高分辨率获取水下地形信息” 的特长，水深遥感方法已用于大范围海域的水深图制作。对于江湖海岸地形演变分析、水利上程土 方计算、航道开挖、监测与疏浚、滩涂围垦与开发领域，水深遥感也发挥着重要作用。目前，国内 外已开展基于雷达及基于多光谱的遥感测深研究。基于雷达影像的测深目前在浅海水深研究中有一定的应用。近年来，可全天候、全天时、高分 辨率观测海洋的星载合成孔径雷达(sar)的应用，为浅海水深的测量提供了新的技术希望，已引起国 内外的广泛关注。黄韦良，傅斌等人根据星载sar海洋遥感原理，建立浅海水深测量模型，提出一 种水深定量计算的方法，并利用欧洲遥感卫星(ers-1)sar图像计算江苏近海小阴沙水深，验证浅海 水深侧量模型和计算方法 ；wensink g j等人研究了卫星雷达在浅海研究中的商业应用嵋1；donato t f等人通过雷达影像进行了水深研究，分析了美国hatter海角大陆架的泥沙运动啼1。利用卫星多光谱数据进行水深测量的研究较多。早在20世纪60年代中后期，美国密执安环境 研究所(erim)的研究人员即开始这方面的研究工作。golvocoresses，hammack和cater等人提出了 水深测量定量研究分析法，p1lcyn和助zenga等提出了基于底层反射模型的水深测量定量研究分析 法。国内从80年代开始，在遥感测深方面也不断有研究成果发表。任明达利用landsat iilss卫片 进行了琼州海峡的海岸带水深遥感解译工作：平仲良利用卫星照片建立了卫星照片密度和海水深度 之间的数学关系；其它学者大多在前人研究的基础上针对特定区域特征对模型和方法作了不同程度 的改良或改进。总的来说，多光谱遥感反演水深的精度在10一30之间，探测水深在30 m以内， 虽然目前尚不能完全替代常规测量，但至少可以为常规测量提供重要的施工参考h1。卫星传感器所接收的光辐射主要有三部分：水一气界面的反射辐射，水体的后向散射辐射和水 底的反射辐射。由于水底反射辐射能量经过水层到达传感器的光辐射能量，除与水底反射的程度有 关，还与辐射能量通过水体的衰减程度有关。可见光波段的测深原理主要基于光线对水体的透射。可见光在水体中的衰减系数越小，则对水 体的穿透性越好。衰减系数c和遥感“可视”水深h之间的关系可表示为：c=ih。可见光衰减系数 决定了光在水体遥感中的可测深度。不同的水体，由于所含物质的不同，在可见光波段有不同的衰 减系数 。影响水深探测的因素主要包括波长及水体的浑浊度。不同波长的可见光，对水体具有不同的穿 透能力。实验研究结果表明，可见光中绿波段(050o56 u m)具有最大的大气透过率和最小的水 体衰减，是水深遥感中的最佳波段。水体浑浊度则是影响光在水中穿透能力的主要因素。当水体浑 浊时，衰减系数增大，光线在水中穿透能力减弱；当水体足够清澈时，水体衰减系数减小，太阳光 辐射穿透能力增强。而水体浑浊度增大到一定程度时，水体中悬浮粒子的后向反射分量就会大丁水 底的反射分量，此时传感器无法接收到水底部反射信息。含沙量越大，可见光在水中穿透性受到影 响越大，所能探测的深度越小。传感器接收到的既有悬浮粒子的后向散射，也有底部反射。随着水 体厚度的增加，传感器所接受到水底反射光越米越弱，直到趋于零怕1。42遥感测深模型从应用角度来说，目前主要是采用便于获取的中高分辨率卫星数据(可见光波段)，通过数据处 理和同归分析提取影像各个像素点处的水深数据。这里有个临界深度，即遥感对水体的探测深度。 以美国陆地卫星tm数据为例，tml波段对水体的穿透深度最大，在清洁水的情形下可以穿透30m左 右；tm2波段可达lom左右；但tm3波段的水体穿透力则相对较弱。对于各种类型的水体，可见光 的水体衰减系数最小值都出现在蓝绿波段之间，表明tml、2、3波段是通常的遥感测深的最佳波段lel水深遥感模型方法主要包括三种：波浪法、密度法和水体散射模型41。目前对于大范围浅水区 实用遥感水深模型主要是密度法中的统计方法模型。本次研究区域二滩库区上游水质较好，水体清 澈，比较适合线性波段及其组合方法的应用。波段比值法不仅能消除水体衰减系数和水底反射的影 响，在一定程度上还可减小太阳高度角、水面波动以及卫星姿态、扫描角等变化而产生的影响 卫星传感器接收的光辐射能量与水深的关系：r(力)=，p(力)exp【一(sec秒+sec妒)口(旯)z】+尸口，w(旯)三五d五+心(允)d旯式中：从p为水质反射能量；秒为传感器与天项形成的观察角；缈为太阳高度角；口(旯)为水体的衰减系数5z为水深；po，r为水一气界面反射能量；三a为入射到水体表面的太阳光谱辐射度；以为光谱波段宽；jk为水体的后向散射辐射能量。考虑实际情况，经简化可得到r(名)=j p(见)exp一(sec秒+sec缈)口(允)z】三五d五卫星遥感中，卫星传感器的输出信号a16与入射能量成正比，则有所=_i匕a成(彳心假定k为窄幅光谱波段，形=kfp(2)expi一(sec秒+sec缈)口(名)zl常数墨可由校准传感器系统得到，因p(a)与口(见)未知，上式仍难得到精确解，于是采用光谱波段比值法可得到筹=器exp【-(sec0+sec缈)删叫】z)大量事实证明，虽然水体的衰减系数和底部反射率的绝对值与水体类型和底部物质种类的不同 有着很大差异，然而，两个光谱的底部反射率之比p(兄，)p(丑)却不随物质种类而变化，在不同的 水体中，两个光谱波段的衰减系数之差口(允)一口(兄，)基本上保持不变，因此，可利用二个光谱波段 的比值统计模式求取水深：t：!= l一 k一巧缸似呕： 一玢 、：z = 口 n+ 6式中口，b为待定系数。5二滩库区的运用51研究区情况经过分析，初步确立水库水深研究的适宜区域和范围。结合4次断面实测水深，初步确定遥感 水深研究区域为打罗水文站以下，二干37-干42区间水域。全垦圄=童盟生墅撞垄暨厦出丝查盟丑盒幽2遥感水深反演研究m域示意图田为选定的研究区(圈2)水深多在30m以内，且库r水质较好，音沙鼍较小，所以研究中结 音断面tm影像采川烈波段对比分析(尝试l、2波段比值，2、4波段比值)等方法探讨光璐对水深 的响麻。选取2004年他月完成的第网次测址结果作为研究。由丁在二滩库厉测量时，已经避开了 iu站汛期，库医的水位变化卡要受e站发iu影响冈此水忙变幅相对较小，水忙主要在】199 50m 1200 00m之间波动。研究中北涉及6个剖面，共有对麻测点507十，其中有救测点452个(水位以f)，剖面和点分 布情况见蚓3。创3水深遥感反演剖面示意剖52遥感图像处理研究断向的水洙测域i作完成j：204年11月，获取丰h麻时段的etm遥感影像。首先对削像进 行人气纠止，本次研究中采川6s方法，消除甲吊传感器辐射信息中包含的_人气敞射影l恂，还原库区 水体辐射的真实性。随后进行儿何精校正。编科提取6个剖面并个测埘点位上的相应波段的光谱信 息升将信息写入再剖酝父晕文fi：属性表。53结果及分析99表2水深遥感反演主要计算参数一览表剖面号37鼯獬二38弧谭一j：m39j， 、4041缈”貔。姆獭总测量点数73124，851185750凑有效测量点657+116：771094638霪数，j鬟髫水深范围041 7-339 ，o37-27371262196o33302s144-82；0t5-16。12叠(m)，镌。叠2、1波段反 0392-0517 03850s24041 7-05o3730445 04210473 0433仪o彩 射比值范围l：；。，l-。，。鬟选取6个剖面中的3个(剖37，39，41)建立波谱比值同水深值间的关系式。按照上面建立的比 值模型，经过拟合分析得到水深同第1、2波段的拟合公式：，av，、z=-3317lni二二i1019lav,将公式代入到另外三个剖面中作验证，误差小于10m的点达到70以上，误差在00iil一2oln之间的点达到85，精度基本满足需求。6结论所建立的基于etm第l和第2波段比值法的水深模式基本可以满足水深测量遥感的研究，但遥 感和实测水深之间还存在一些差异，主要原因是遥感本身对水体的穿透能力受大气及成像时的气象 条件影响较大。同时，由于受tm影像分辨率的限制，对于一个象元内的水深值只能取平均值，这在 一定程度上影响了用于计算的实测水深值的合理性。7致谢二滩水电开发有限责任公司及成都勘测设计研究院为本次研究提供了大量数据及物质方面的支持，在此表示衷心感谢。8参考文献1黄韦良，傅斌，周长宝，中国遥感奋进创新