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自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (2): 198-206    DOI: 10.6046/zrzyyg.2023061
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基于Landsat影像的鄱阳湖面积监测及其与水位关系研究
赵辉1(), 陈振2, 冯超帆1, 张通1, 赵学晶1, 张兆旭3,4()
1.山东省核工业二四八地质大队,青岛 266041
2.青岛市勘察测绘研究院,青岛 266033
3.天津工业大学环境科学与工程学院,天津 300387
4.河北省海洋岸线生态修复与智慧海洋监测工程研究中心,秦皇岛 066000
Monitoring of the area of Poyang Lake based on Landsat images and its relationship with the water level
ZHAO Hui1(), CHEN Zhen2, FENG Chaofan1, ZHANG Tong1, ZHAO Xuejing1, ZHANG Zhaoxu3,4()
1. 248 Geological Brigade of Shandong Nuclear Industry,Qingdao 266041, China
2. Qingdao Survey and Mapping Research Institute, Qingdao, 266033, China
3. School of Environmental Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
4. Marine Ecological Restoration and Smart Ocean Engineering Research Center of Hebei Province, Qinhuangdao 066000,China
全文: PDF(9602 KB)   HTML  
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摘要 

湖泊是陆地生态系统的一个重要的组成部分,湖泊水域的变化对环境和人类的生产活动都有着重大的影响。鄱阳湖作为中国第一大淡水湖,近年来多次出现洪旱灾害现象,因此对鄱阳湖进行动态监测意义重大。文章以2000—2021年鄱阳湖175期Landsat影像作为数据源,对比分析了归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)、改进的归一化差异水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)、自动水体提取指数(automated water extraction index,AWEI)、谱间关系法(spectrum photometric method,SPM)这4种水体提取方法,优选最适宜鄱阳湖的水体提取模型; 利用175期面积数据分析了鄱阳湖2000—2021年面积的年际变化趋势,分析年内季节变化特征,同时结合2009—2013年和2017—2018年同时期的50组水位数据,建立面积-水位关系模型。结果表明: ①AWEI模型提取水体精度优于其他3种,该文最终选用AWEI进行鄱阳湖水体提取; ②鄱阳湖面积存在明显的季节性变化,且丰水季面积年际波动大,枯水季较平缓; ③棠荫水位站湖泊面积-水位分段线性模型为最佳模型,从而可以根据鄱阳湖区域的实时水位观测值对水体覆盖面积进行预测,以弥补云雨天气时利用可见光遥感手段难以监测到湖泊水体淹没情况的不足。
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赵辉
陈振
冯超帆
张通
赵学晶
张兆旭
关键词 ： 鄱阳湖,  Landsat,  水体提取,  面积变化,  面积-水位模型    
Abstract：

Lakes constitute a crucial part of terrestrial ecosystems. Changes in the water areas of lakes significantly influence environments and human production activities. Poyang Lake, the largest freshwater lake in China, has experienced many floods and droughts in recent years, thus necessitating its dynamic monitoring. With 175-phase Landsat images of Poyang Lake from 2000 to 2021 as the data source, this study comparatively analyzed four water body extraction methods: the normalized difference water index (NDWI), the modified normalized difference water index (MNDWI), the automated water extraction index (AWEI), and the spectrum photometric method (SPM), determining the optimal water body extraction index for Poyang Lake. Moreover, based on the 175-phase area data, this study delved into the inter-annual area variation trend from 2000 to 2021 as well as the intra-annual seasonal variations. Furthermore, it established the area - water level model by combining 50 sets of water level data from 2009 to 2013 and 2017 to 2018. The results show that: ① The AWEI model, outperforming the other three models in the extraction accuracy, was employed for the water body extraction of Poyang Lake; ② The area of Poyang Lake exhibited significant seasonal variations, large inter-annual fluctuations in the wet season, and relatively gentle inter-annual fluctuations in the dry season; ③ The area - water level piecewise linear model of the Tangyin gauging station proved optimal, which can predict the water coverage area based on real-time water level observations in Poyang Lake, compensating for the limitation of visible spectral remote sensing methods in monitoring the lake water coverage during cloudy and rainy weather.
Key words： Poyang Lake    Landsat    water body extraction    area variation    area - water level model
收稿日期: 2023-03-08      出版日期: 2024-06-14
ZTFLH:  TP79  
基金资助:河北省海洋岸线生态修复与智慧海洋监测工程研究中心开放基金项目“基于多源遥感数据和Google Earth Engine平台的海岸带土地利用变化及其驱动力研究”(HBMESO2311)
通讯作者: 张兆旭(1989-),男,博士,讲师,主要从事定量遥感与GIS建模研究。Email: zhangzhaoxu@tiangong.edu.cn。
作者简介: 赵 辉(1990-),女,硕士,工程师,主要从事光学遥感应用研究。Email: 15621135786@126.com。
引用本文:   
赵辉, 陈振, 冯超帆, 张通, 赵学晶, 张兆旭. 基于Landsat影像的鄱阳湖面积监测及其与水位关系研究[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(2): 198-206.
ZHAO Hui, CHEN Zhen, FENG Chaofan, ZHANG Tong, ZHAO Xuejing, ZHANG Zhaoxu. Monitoring of the area of Poyang Lake based on Landsat images and its relationship with the water level. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(2): 198-206.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2023061      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I2/198
Fig.1  鄱阳湖位置及其水位站点分布
卫星参数 Landsat5 Landsat7 Landsat8 GF-1
传感器 TM ETM+ OLI WFV
发射时间 1984年3月 1999年4月 2013年2月 2013年4月
覆盖周期/d 16 16 16 4
空间分辨率/m 30 30 30 16
Tab.1  遥感影像信息表
模型 公式① 备注
NDWI NDWI= ( ρ B 2 - ρ B 4 ) / ( ρ B 2 + ρ B 4 ) NDWI>a为水体
MNDWI MNDWI= ( ρ B 2 - ρ B 5 ) / ( ρ B 2 + ρ B 5 ) MNDWI>b为水体
AWEI A W E I = 4 ( ρ B 2 - ρ B 5 ) - ( 0.25 ρ B 4 + 2.75 ρ B 7 ) AWEI>c为水体
SPM S P M = ( ρ B 2 + ρ B 3 ) - ( ρ B 4 + ρ B 5 ) SPM>0为水体
Tab.2  不同模型提取水体的计算公式
Fig.2  不同方法提取水体比较
参数 影像时相 NDWI MNDWI SPM AWEI 参考值
面积 20141024 1 389.16 1 684.71 1 471.57 1 590.15 1 570.80
20040215 662.39 829.06 767.18 764.15 748.80
差值 20141024 -181.64 113.91 -99.23 19.35 —
20040215 -86.41 80.26 18.38 15.35 —
Tab.3  不同模型提取面积的比较
Fig.3  多年各月平均面积
Fig.4  湖泊面积年际变化曲线
Fig.5  各水位站湖泊面积与水位关系散点图
模型 湖口站 星子站 都昌站 吴城站 棠荫站 康山站
线性 0.898 4 0.918 6 0.940 0 0.947 1 0.930 0 0.838 3
对数 0.874 1 0.893 2 0.921 9 0.944 7 0.952 8 0.860 8
指数 0.867 4 0.891 3 0.914 6 0.912 3 0.865 4 0.764 7
二次多项式 0.898 9 0.919 1 0.940 1 0.949 9 0.966 1 0.884 7
Tab.4  各水位站湖泊面积-水位各模型决定系数R2
水位站 二次多项式模型 决定系数R2
棠荫站 y = - 23.834 x 2 + 1008.8 x - 7401.6 0.956 7
吴城站 y = - 3.021 x 2 + 329.68 x - 2030.6 0.942 3
都昌站 y = 1.7096 x 2 + 176.01 - 694.32 0.931 6
Tab.5  代表性水位站二次多项式模型及决定系数
影像时相 棠荫站 都昌站 吴城站
水位值/m 模拟面积
值/km2		 误差/% 水位值/m 模拟面积
值/km2		 误差/% 水位值/m 模拟面积
值/km2		 误差/%
20090316 13.99 2 046.72 0.11 12.953 1 872.37 -8.42 13.87 1 960.89 -4.09
20090604 15.40 2 481.45 0.86 15.313 2 401.80 -2.38 16.12 2 498.82 1.57
20091103 11.27 940.35 -6.39 8.983 1 024.73 2.01 9.96 953.32 -5.10
20100319 14.55 2 230.72 -2.34 13.193 1 925.34 -15.71 13.85 1 955.97 -14.36
20101208 11.34 973.24 -6.14 8.493 923.85 -10.90 9.84 920.94 -11.18
20110728 14.41 2 186.12 -2.53 14.243 2 159.41 -3.72 14.74 2 172.52 -3.14
20120620 17.71 2 988.85 -0.57 17.713 2 959.73 -1.54 18.15 2 957.91 -1.60
20120807 19.01 3 162.55 3.31 18.983 3 262.94 6.59 19.45 3 238.82 5.80
20170210 11.24 926.18 -3.75 8.623 950.53 -1.22 9.83 918.24 -4.58
20180205 11.88 1 219.15 1.15 10.093 1 256.30 4.23 11.07 1 248.75 3.61
Tab.6  二次多项式模型模拟湖泊面积与遥感提取面积比较
模型 都昌站 棠荫站 吴城站
R2 标准差 R2 标准差 R2 标准差
二次多项式模型 0.940 1 178.899 2 0.966 1 134.626 1 0.949 9 163.564 3
分段模型 0.947 4 167.615 2 0.967 9 130.745 5 0.959 8 146.403 1
Tab.7  各水位站面积-水位二次多项式模型与分段线性模型比较
序号 影像时相 棠荫站
水位值/m		 提取面积
/km2		 分段模型
拟合值/km2		 误差/% 二次多项式
拟合值/km2		 误差/%
1 20090316 13.99 2 044.54 1996.90 -2.33 2 046.72 0.11
2 20090604 15.40 2 460.28 2 519.02 2.39 2 481.45 0.86
3 20091103 11.27 1 004.53 989.68 -1.48 940.35 -6.39
4 20100319 14.55 2 284.06 2 204.27 -3.49 2 230.72 -2.34
5 20101208 11.34 1 036.86 1 015.60 -2.05 973.24 -6.14
6 20110728 14.41 2 242.89 2 152.42 -4.03 2 186.12 -2.53
7 20120620 17.71 3 005.89 3 011.61 0.19 2 988.85 -0.57
8 20120807 19.01 3 061.28 3 085.00 0.77 3 162.55 3.31
9 20170210 11.24 962.28 978.57 1.69 926.18 -3.75
10 20180205 11.88 1 205.28 1 215.56 0.85 1 219.15 1.15
Tab.8  棠荫站遥感提取面积、分段模型拟合面积、二次多项式拟合面积之间的比较
Fig.6  棠荫站湖泊面积-水位分段线性模型拟合
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