应用遥感资料监测水体面积变化及其与降水量的关系

2 0 湖北气象 2 0 0 6 ， ( 1 ) 应用遥感资料监测水体面积变化及其与降水量的关系 姚望玲。 柳戊弼， 黄治勇 ( 武汉市气象局， 武汉 4 3 0 0 4 0 ) 摘 要 ： 采用2 0 0 0 - 2 0 0 3 年武汉市气象局卫星遥感接收处理系 统接收的晴空遥感资料， 对武汉市与鄂州芟界处的 湖泊一 粱子湖水体面积进行判识计算， 并分析各月平均监测面积与气象因子之间的变化关系， 通过分析得 出影响湖体水面 面积大小的主导因素为降水量和蒸发量的大小， 尤其在冬半年较为显著； 为今后进一步深入地研究奠定了基础， 结合气象 服务为政府决策防洪排渍提供科学依据。同时通过该项研究检验了卫星资料在水体面积监测中是客观科学的。 关键词 ： 水体面积； 降水量； 蒸发量； 遥感资料 中图分类号： P 4 9 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 4 9 0 4 5 ( 2 0 0 6 ) 0 1 0 0 2 0 0 4 湖北省地处华中， 境内湖泊众多， 特殊的地理环境 造成了湖北多洪涝、 干旱等自然灾害的特点。 多年的实 践证实降水和蒸发是造成湖北省洪涝、干旱的重要原 因。洪涝和干旱发生时， 湖体面积也会相应发生变化， 而对于湖面面积变化， 除了实测估算外， 一般很难得到 确切变化量数据。随着卫星遥感和图像处理技术的飞 速发展，极轨气象卫星凭借其光谱量化等级高、周期 短、 资料易接收等优势， 为定量监测水体面积变化提供 了有效手段。为了直观、 定量地研究降水、 蒸发对水体 面积变化的影响进而分析其与洪涝、 干旱的明确关系， 选定了位于武汉市与鄂州交界处的最大湖泊梁子 湖进行了监测和研究。应用遥感资料监测水体面积变 化以及研究它与降水量、 蒸发量之间的关系， 将在防汛 收稿 日期 ： 2 0 0 5 - 1 0 0 8 抗旱方面为政府决策服务提供科学依据具有指导作 用， 并为今后进一步由降水预报来预测渍涝、 干旱灾害 研究奠定基础，同时也可为城市防灾减灾提供更加优 质、 科学和高效服务。 1应用遥感资料选定梁子湖边界 1 1湖体边界区域选取方法 应用晴空卫星资料图片，在图像预处理后进行地 标导航、 等经纬度方式局地投影， 再利用长江、 汉江、 巢 湖等河湖边界经纬度数据及典型河湖拐点地理坐标值 进行手动地理订正， 实现精确定位， 并保存资料。以手 动画线方式获取含梁子湖在内、而不包含其它湖体和 水面的地理边界作为梁子湖的地理流域边界。允许留 取相应空间以备集中强降水时期湖体面积扩大后仍能 处于边界范围内。 $ 习 $ 习 $ 习 棉花出苗到拔杆的整个生育期，渍涝灾害都有可能发 生， 制约当地棉花生长发育与产量( 品质) 构成的四种渍 涝灾害是阴雨冷害型、 寡照多雨型、 暴雨洪涝型、 多雨 降温型， 前两种渍涝灾害主要影响棉花营养生长和前 期生殖生长， 暴雨洪涝型渍涝主要影响棉花产量， 多雨 降温型渍涝主要影响棉花品质； ( 2 ) 与正常年份相比， 渍 害出现年份棉花铃重下降 1 4 2 g ， 每 6 6 6 7 m 棉田皮棉 平均减产 3 4 k g ， 另外渍涝发生年份， 一般都会伴有病 虫害出现， 特别是枯萎病、 黄萎病对棉花单产与总产影 响较为严重； ( 3 ) 与正常年份相比， 渍害年份棉花平均收 购品级降低 0 4 7 级 ，衣分下降 0 9 ，纤维长度减少 0 ，2 4 m m； ( 4 ) 棉花烂桃率与 8 月份雨日 数成正比， 与 8 月 份 日照时数成反比，雨 日每增加 1 天，烂桃率提高 0 73 7 9 。 为减轻渍涝灾害对棉花生产的不利影响，提出以 下建议： ( 1 ) 调整棉田位置， 健全排灌设施 ， 其调整重点 是， 减少低产田， 增加中、 高产田， 减少受渍害田， 增加 排灌便利田，实现棉花种植方式由分散种植向集中连 片种植过渡，同时加快农田基本建设，有计划平整土 地， 搞好棉田深沟大渠和“ 三沟” 配套改造， 增建排灌设 施， 降低地下水位， 增加旱涝保收面积所 占比重； ( 2 ) 改 进棉花育苗方式， 发挥早棉优势， 通过拱膜育钵苗与大 田地膜覆盖的“ 嫁接” ， 改善棉田生态环境和苗( 蕾) 期田 间小气候 ， 促使棉花壮苗早发 ， 增强棉花抗渍能力 ； ( 3 ) 选育并推广高产 、 优质、 抗渍棉花新品种， 统一棉种供 应与管理； ( 4 ) 因时制宜 ， 运用物理、 化学、 生物方法， 采 取人工干预措施， 控制棉花疯长、 贪青晚熟， 加强对棉 花渍涝灾害的综合防治。 维普资讯 湖北气象 2 1 1 2理 由 选用画线方式而不采纳一般沿水体实际边界确定 边界的方法原因在于：研究水体面积变化的时间尺度 较长， 在资料采集期间， 水体面积随降水量发生变化较 大，以任意一条轨道观测得到的水体边界为标准均不 符合实际情况，因此只要选取将包含湖区的地理流域 边界作为研究范围即可，从理论上看也不影响分析结 果。 2主要资料的选用 ( 1 )I 星遥感资料的选用。选用 2 0 0 0 2 0 0 3 年期间 武汉市气象台遥感卫星接收处理系统在正常运行过程 中接收到的所有白天晴空资料为研究对象，通过对水 体面积监测计算得出实际监测的水体面积值 ，在将 4 年 1 0 0 多个样本资料按月分类取月平均值作为观测期 间各月的水体监测值。 ( 2 ) 相关气象资料的选用。降水量资料采用国家基 本站武汉地面观测站 1 9 7 1 2 0 0 0 年共计 3 0 年观测资 料平均值，以及与卫星资料对应时段的2 0 0 0 2 0 0 3 年 共计 4年的逐月降水平均值、 蒸发量平均值， 以及降水 量与蒸发量之差。 3遥感卫星资料监测水体面积的方法及效果 3 1原理 极轨卫星N O A A A V H R R以及 F Y - 1 系列卫星的 探测通道一 ( C H1 )和通道二 ( C H 2 )的光谱波长为 0 5 8 0 0 6 8 0 m和 0 7 2 5 一 1 1 0 m( F Y 一 1 的通道二光谱 仪器波长为 0 8 4 0 8 9 1 m ) ，水体在近红外波段( C H 2 ) 具有很低的反射率，植被和裸土等地物在近红外波段 ( C H 2 ) 具有较高的反射率； 在 C H 1 波段水体反射率高 于植被反射率， 在 C H 2 波段内， 植被反射率明显高于 水体嘲 。 此外， 武汉处于华中地区， 水体大部时间处于不 结冰状态，因此其远红外波段 C H 5 通道测值一般在 2 7 3 2 K以上。基于这些物理特性， 水体很容易从背景 中识别出来。 3 2一般方法 利用 A V H R R资料监测水体常采用以下两种主要 方法和一种辅助方法 ： ( 1 ) 定性识别。用 C H1 、 C H 2 、 C H 4作三通道合成 图， 定性地观测水体边界位置， 大致区分水体、 地表及 云区， 用图像处理中求面积的功能， 勾划出水体像元数。 ( 2 ) 定量计算。利用两通道( C H 1 、 C H 2 ) 相组合方 式更有利于突出水体与其它地物之间的差异。在晴空 时， 利用植被指数法( 其表达式为 C H 2 - C H 1 2 7 3 2 K ， 可以将 云和水体区分，选取面积计算功能即可得出水体面积 数值。 ( 3 ) 利用植被指数反映水陆边界情况。 比值模式 R V I ( 增强水陆差异) 计算公式为： R V I = A ( C H2 C H1 ) 其中A为放大倍数。 实际应用中， R V I 不能区分水 体与城镇或成片裸地， 因此， 引入 C H 4 、 C H 5 ， 即热红外 亮温资料( 水陆温度有差异) ， 所以判识条件l 7 l： R V I ( i ，_ ) V且 T ( i ， ) w， 则为水体； R V I ( i ) V或 T ( I ， ) w， 则为非水体。 其中V、 W分别为植被指数和亮温阈值。 3 3研究方法和门槛值选定 结合定性和定量计算方法，通过实际水体计算选 定出华 中地区的水体识别条件平均为 ：( 1 )C H 2 一 C H1 0 ； (2 ) C H 2 2 7 3 2 K ； 其中对各条件 具体选定须根据卫星系列不同和季节变化以及不同日 照强弱可稍作浮动调整。具体做法如下： 选取含梁子湖区域在内的矩形区域，在此区域内 对 C H 2 、 C H 5 通道值作最大、最小、平均值和方差分 析，从整体上得出实际遥感资料的不同物理量分布和 水体的物理特性，再在平均值和方差分析的基础上确 定判识条件(2 ) 和( 3 ) 的实际取值。如对 C H 5的门槛取 值： 1 0 月至次年 4 月， C H 5 2 7 3 K ； 5 - 9月， C H 5 2 8 0 K， 依此类推。 3 4 水体监测的结论及效果分析 通过对总计 1 0 0 多个样本 ( 主要使用武汉市气象 局接收的卫星云图图像，经过地标导航以及经纬位置 校正后生成的局地图像文件) 的监测值( 使用接收处理 系统 自带的水体面积监测计算功能计算出被研究对 象梁子湖的面积平均值) ， 得出卫星遥感监测梁子湖平 均水面面积为 3 6 0 2 k in 2 ， 这与梁子湖管理委员会提供的 湖体平均面积 3 5 0 k m 2 偏高不足 3 ， 比较真实。 从而验证 卫星遥感资料监测湖体面积的客观适用f生 和可靠性。 4水体面积变化与降水量、 蒸发量的关系 4 1影响水体面积发生变化的因子 影响湖体水面面积大小的几个因素： 降雨量、 蒸发 量、 排放水量以及湖床横切面的形状等。 在冬半年， 降水量小， 但由于气温低， 日照少， 蒸发 量也小； 而在夏半年， 降水相对频繁， 但是由于夏季气 温高， 蒸发量大 ， 再加上农业浇灌用水多， 因此水量流 出比冬半年多。 4 2湖泊水体面积与气象资料的显著性关系 4 2 1水体面积 变化与降水量关 系 ( 1 ) 采用汉口地面观测站提供的近 3 0 年逐月平均 维普资讯 2 2 湖北气象 降水量值和2 0 0 0 2 1 年遥感卫星监测水体面积逐月 平均值资料制作了二者之间的变化关系图 ( 图略) ， 并 对上述两要素做了相关性分析，结果发现， 2 0 0 0 2 0 0 3 年水体面积监测值与多年平均月降水量之间的相关程 度不明显。 ( 2 ) 对 2 0 0 0 - 2 0 0 3 年的逐月平均水体面积变化距 平( S ) 与降水量( 尺 ) 进行相关关系计算分析， 其结果见 图 1 。 图中虚线为武汉站点观测逐月雨量平均值； 实线 则为卫星监测到梁子湖水体面积距平值。通过对水体 面积距平( S ) 和降水量( 尺) 之间的相关关系计算分析 可知： 冬半年( 1 0 月至次年 4月) 水体面积监测值与月 雨量平均值相关系数为： r S - R = 0 6 0 ， 夏季( 5 9月) 整体 相关性较差， 没有明显相关； 但是如果不考虑 6 月份这 一 个月， 7 9月时段内， 这二者的相关关系还是比较密 切的， = 0 8 0 。由此可以说明盛夏期间以及冬半年的 降水是影响湖体面积变化的主要气象因子之一。 月份 图 1卫星遥测水体 面积 变化与平均降水量月际 变化 曲线 卫星监测水体面积距平值- 对应 4 年的逐月雨量平均值 4 2 2水体面积变化与蒸发量以及降水量和蒸发量之 量大， 有些月份蒸发量大大超出降水量， 地表水份人不 差的关系 敷出。蒸发是导致夏季地表水散失的主要原因。 ( 1 ) 水体面积距平、 降水量和蒸发量的变化关系。 图2为降水量、蒸发量与水体面积距平的变化曲 武汉市四季分明， 冬冷夏热。 夏季时间长、 气温高， 蒸发 线图。 目 莲 世 图2 武汉市2 0 0 0 2 0 0 3年逐月平均降水量、 蒸发量和水体面积距平变化关系 降水量- - 蒸发量； 一 一水体面积距平 从图 2中可以看出， 冬季( 1 2 月一 次年 2月) 蒸发 最小，夏季大幅上升，尤其是出梅后的盛夏期 ( 7 9 月) ， 蒸发量大大超出降水量。 同时， 由蒸发量和水体面 积变化值来看， 二者之间没有明确的相关性。 ( 2 ) 水体面积和降水量与蒸发量之差的关系。 综合 考虑两个主要气象因子一降水量和蒸发量对湖体面 积变化的影响， 二者的变化曲线见图 3 ， 实线为湖体面 积距平( s ) ， 虚线为同期降水量与蒸发量之差( 尺 一 L ) 。 一一- i - - 一 I 一 ? 、 、 一-_ J 一 一 、 ： 、 、 一-_ - - 弓 2 月 3 月 4 月 5 月 7 月 _ 0 月 、 。 ， 月份 I I 图3 2 0 0 0 2 0 0 3年面积距平与降水量和蒸发量之差的变化曲线 面积距平； 降水量与蒸发量之差 O 0 O O O O O 5 O 5 5 n l l 一 唧 ， I窿 H I l 互 吾 阻 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 H 8 6 4 2 旦斗 耳拉* 荆N删 摧坤 维普资讯 湖北气象 同样对 s 和 尺 计算相关性，可得出冬半年( 1 0 月至次年 4 月) 相关系数为0 5 9 ， 盛夏( 7 - 9 月) 相关系 数为O 7 9 。 由计算结果可以得出如下结论： 降水量和蒸 发量的综合效应是引起湖水面积变化的重要原因。 4 3原因分析 对于指定湖泊而言，影响湖泊水面面积的主要因 素取决于降水量、 蒸发量、 排水量 ， 蒸发量主要取决于 季节变化和温度高低， 与地理气候因素关系密切， 排水 量客观上和降水量密切相关。因此降水量与蒸发量之 差和湖体水面面积的关系最为直接和密切，呈现较高 的相关性为必然结果，同时也证实了降水丰缺是引起 武汉内涝和干旱的的主要因素。 分析发现，造成梁子湖 6 月份水体面积变化与降 水量以及降水量和蒸发量之差等因子相关性较差， 甚 至反相关的原因。是由于用以分析计算水体面积的遥 感资料要求为晴空资料， 因此， 符合条件的样本在时间 分布上并不十分均匀。而武汉市一般于 6 月份进入降 水集中期， 6 - 7 月天空有云覆盖的E l 数较多，而 2 0 0 0 年为春夏大旱接伏早年份，梅雨期降水量异常偏少， 6 月晴空E l 数较多，在用于计算 6 月份水体面积的晴空 遥感资料中， 分布于 2 0 0 0 年的资料权重较大， 进而影 响了湖体水面面积的监测值与常年平均雨量间的内在 关系， 导致出现分析结果中6 月份的反相关； 而其它月 份资料基本涵盖 4 年中的每一年，上述关系也体现得 比较真实。同时， 冬半年作物需水量较小， 外界对水体 水量的影响较小， 因此冬半年( 1 O月至次年 4月) 得到 了较好的一致性关系。 另外， 应用的卫星遥感资料时间较短， 仅 4 年， 对 各月雨量样本数量不太大，因此在做水体面积监测值 与对应年份月雨量平均值相关l生 统计分析中，代表性 还不十分充足， 相关关系不够稳定。 随着今后样本数量 的继续累积， 这种关系研究将更趋于精确， 甚至可以进 行定量分析。 5结论与分析 通过研究得出，卫星遥感资料监测到的湖泊水面 面积与降水量基本呈正相关关系，进一步证实了降水 丰缺是引起武汉市内涝和干旱的的主要因素； 另外， 卫 星遥感资料可客观科学地应用于水体面积监测，效果 较好 。 但是， 由于武汉地处南北气流交汇处， 有云层遮盖 日 数较多， 晴空资料不可多得； 卫星遥感系统建设时间 相对较短， 所取用样本还显得较少， 对分析结果有一定 影响。 此外， 武汉湖泊众多， 低洼湿地星罗棋