范文一：洞庭湖面积历史资料

本文根据历史资料,对所谓“洞庭湖方八百里”的说法进行了分析,并论证了各个历史时期的湖水面积的变动。作者估算:汉晋南朝时期的湖面积约为6,000平方公里,唐宋时期缩小为3,300平方公里,元明时期扩大到5,600平方公里左右,清代中期,缩小为不足4,000平方公里,清末又扩大达5,400平方公里,二十世纪上半叶基本变动于4,000至5,000平方公里之间。湖面积这种周期性变化的原因就在于:湖底淤垫与湖泊水位抬升之间关系的演化,以及围湖垦殖活动的兴衰。

1 2、围湖造田;、网箱养殖降低了水流速度，使得泥沙淤

3积加速;、上游湖南人围湖造田，减少湖泊面积;上游树

木减少的影响是大量淤泥沉底，面积减少。

最大的原因还是人为干预。

洞庭湖面积减小的影响:

洞庭湖面积减小的影响有好有坏，最大的好处是增加了可耕

地面积。

但坏处是巨大的～

在生态上，洞庭湖最大的作用就是调节长江的水流，洪水季

节，大量的长江说可以涌入湖区，很大程度上杜绝了下游地区洪水泛滥成灾，使下游的黎民百姓不至于生活在汪洋之中。在枯水季节，同庭湖水外泄流入长江，使下游河道可以

江水充盈，很大程度上可以使下游免受旱灾。

现在，湖区面积大大缩小，使洞庭湖调节长江洪水的能力大

大缩小，才有了前几年长江洪水的惨痛事件。

当然，好处坏处可以说出很多，上面所说是最大的。

范文二：气象局：鄱阳湖洞庭湖因干旱面积减少约2/3

http://www.sina.com.cn??2011年05月31日18:27??新华网

新华网北京5月31日电(记者张辛欣)记者从31日中国气象局新闻发布会上获悉，春季以来，长江中下游地区降水较常年同期偏少五成以上。预计6月上旬长江中下游气象干旱区雨水将呈增多趋势。

中国气象局最新统计数字显示，3月1日至5月30日，长江中下游地区降水异常偏少，平均降水量为193.9毫米，较常年同期(410.4毫米)偏少52.8%。与此同时，该地区气温比常年同期偏高0.7℃。虽然5月以来该地区出现了几次降水过程，但总降水量相对于历史同期偏少明显，鄂湘赣苏皖浙沪等地气象干旱仍然持续。

中国气象局应急减灾与公共服务司司长陈振林介绍，长江中下游地区的降水量持续偏少，具有持续时间长、范围广、影响大等特点。

“春季以来，长江中下游地区无降水日数达60.5天，气象干旱导致江河、湖泊水位异常偏低，水体面积减少明显。”陈振林说。

中国气象局5月28日卫星遥感监测显示，鄱阳湖水域面积约为2010年同期的34%，较近6年同期平均值减少约40%；洞庭湖水体面积约为2010年同期的31%，较近6年同期平均值减少约50%；江苏主要湖泊水体面积均有不同程度减小。湖北、湖南等地出现了人畜饮水困难。气象干旱还导致水产养殖业遭受损失，水运和生态环境受到影响。

国家气候中心气候与气候变化服务室首席专家艾婉秀认为，造成长江中下游地区降水持续偏少的主要原因是冷暖空气不匹配，北方冷空气势力强大，向南扩张明显，南方热带系统不活跃，水汽输送条件弱，不利于冷暖气团在长江中下游地区交汇，难以形成有效降水。

预计6月上旬，长江中下游气象干旱区雨水呈增多趋势。3日－7日，该地区将出现一次中到大雨天气过程，局部地区有暴雨。

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范文三：洞庭湖的历史变迁及原因

洞 庭 湖 的 历 史 变 迁 及 原 因

?刘治品

长江流域有许多大大小小的湖泊, 如果说 , 至冬春水落时, 湖面 驿湖、安南湖、大通湖等

长江像一条长长的玉带, 那么这众多的湖泊, 大部分干涸变成沙洲, 但这时洞庭湖面积仍有 就像镶嵌在玉带上的一块块宝石, 由西往东, 6000 多平方公里。 新中国成立后, 1949, 1954 第一块大宝石就是洞庭湖。 年湖面减少了 894117 平方公里, 到 50 年代洞

洞庭湖位于荆江南岸, 南有湘江、资水、沅 庭湖面积还有 4350 多平方公里, 60 年代以后 江、澧水?四水?汇入; 北有松滋、太平、藕池、调 洞 庭 湖 面 积 继 续 缩 小, 如 今 洞 庭 湖 面 积 仅 有 弦四口与长江相通。湖水最后在岳阳城陵矶注 2691 平方公里。

入长江。 洞庭湖在历史上对于减少长江中下游的

洞庭湖最早名叫?九江?, 因湘、资、沅、澧 水灾和调剂湖南、湖北地区的气候, 曾起过重 等九条江汇合于此而得名。 春秋、战国时期叫 要的作用。 洞庭湖一面接纳了湘、资、沅、澧等 ?洞庭?, 是当今十大湖泊之一。《战国策》、《楚 流来的洪水, 另一面通过一些水口把长江的一 辞》、《庄子》、《尔雅》等先秦文献都有洞庭湖的 部分洪水泄进来, 然后由东北角经城陵矶再把 记载。 水送到长江去。 由于它的蓄洪和调节作用, 大

古代的洞庭湖是很大的, 成书于战国至西 大地减少了湖南、湖北两省的水灾。自唐以后, 汉初年的《山海经》, 谓?洞庭乃沅澧之交, 潇湘 由于湖面缩小和统治阶级不重视兴修水利, 水 之渊。夏秋水涨, 方九百里?。三国以前, 即公元 灾一年年加多。从明代开始, 灾情日益严重, 清 2 世纪, 洞庭湖的整个湖面是连成一片的, 夏秋 末民初由于人工围垦, 水道被搞得乱七八糟, 时节, 波涛万顷, 方圆八百里。 至南北朝时期, 水灾也越来越严重。

洞庭湖变成了三个湖: 东面的仍叫洞庭湖; 南 湖南的气候在古代十分温和湿润。冬季一 面的叫青草湖; 西面的叫赤沙湖。 但在夏秋水 般在摄氏零度左右, 很少超过零下五度, 夏季 涨 时, 三 个 湖 仍 联 成 一 片, 因 此, 洞 庭 湖 又 有 也不太热, 一般在摄氏 28 度至 32 度之间。 随 ?三湖?之称。 据唐宋时期的文献记载, 东洞庭 着洞庭湖面积的缩小, 现在, 湖南省冬季较冷, 湖的面积方圆 360 里, 青草湖方圆 265 里, 赤 夏季酷热。

沙湖方圆 170 里, 夏秋三湖合而为一时, 方圆 从以上的叙述中, 我们可以看到, 洞庭湖 为七八百里,?八百里洞庭?之说, 来源于此。到 湖面越来越小, 而且离我们时代越近, 湖面萎 了唐末至南宋, 洞庭湖湖面日益缩小, 至明清 缩的速度越快, 伴随湖面减少而来的是灾害越 时期, 洞庭湖到涨水期, 湖水方圆仅五百余里, 来越频繁。 那么, 造成上述现象的原因有哪些 而且里面除东、南、西三洞庭之外, 又形成了黄 呢? 下面我们简单分析一下。 ?38?

第一, 植被破坏, 水土流失, 泥沙淤积。 , 半个世纪以来, 洞庭湖区淤积而形成的洲 失

中国古代历史上, 由于北方战乱, 出现过 土面积将近 2000 平方公里, 湖面因此迅速萎 几次大规模的人口向南迁移。三国至南北朝时 缩, 湖容急剧下降, 芦苇疯狂生长, 昔日八百里 期, 即公元 3, 6 世纪, 中原人民大量南移, 四 洞庭的浩瀚风采已荡然无存。 川、湖南、湖北农业大发展, 植被大量被破坏, 第二, 洞庭湖的萎缩, 根源不止在水土流 长江和湘、沅、资、澧等水泥沙增多, 洞庭湖逐 失, 更在毫无理性的人工筑堤围垦。 年淤积。唐末至南宋, 中原地区战争不断, 人民 这种堤, 不是沿海而筑的长堤, 而是在湖 大量南移, 两湖地区特别是湖南北部的滨湖平 区的浅滩荒洲上围成的民堤, 堤内的洲滩, 经 原开发很快, 从而加速了整个洞庭湖的淤积, 过耕作, 渐渐变成肥沃的良田熟地, 范围大的 湖面日益缩小。 有几万亩, 小的也有几千亩, 里面有村庄, 也有

水土流失, 除了风残、水蚀等自然因素外, 集镇, 表面上与普通农村并无不同, 这种地方, 主要源于流域和湖区的森林遭到大量砍伐和 在湖南、湖北的平原湖区叫?垸?, 而在江西、安 破坏, 导致生态环境严重恶化。 徽等省称?圩?, 每个垸、圩都有自己的名称。这

湖南洞庭湖区, 自本世纪 50 年代以来, 因 种民垸盲目发展, 到 40 年代, 最多时仅湖南部 水土流失已淤积了 40 多亿立方米泥沙, 湖底 分就将近 1000 处, 垸堤总长 6000 多公里。 这 平均淤高了 117 米, 年均淤高 3 厘米多, 淤积 既侵占了水面, 减少了接纳洪水的?库容?, 又 最厉害的澧水尾闾的七里湖, 最大淤高 13 米, 阻塞了水路, 于是不断发生水灾。 从清朝后期 完全淤积成了平原, 作为湖泊从版图上彻底消 起历代政府虽然都明令禁止筑堤垸, 但往往明

禁私通, 形成官绅勾结, 买卖湖田。 清末明初,

湖南有许多官商巨富都是靠围湖起家, 所有靠 什么是?厨房辩论?

垸田发了财的人, 都不肯往垸上多投资, 以致 ?刘明贤 每逢长江和周围四水泛滥, 堤垸往往溃决, 酿 现行高一《世界近代现代史》下册第 100 成 惊人的灾害。 1935 年大水, 滨湖 90% 的堤 页 有一幅插图?赫鲁晓夫和尼克松的‘厨房 垸, 被洪水冲毁, 灾民达 300 万人, 淹死了三四 辩论’?。 课本和教参都没有具体的内容。 万人, 真是满湖愁水满湖泪! ?厨房辩论?发生于 1959 年 7 月。 时任 六 七十年代, 在?以粮为纲?、?人定胜天? 美国副总统的尼克松前往苏联, 主持在苏联 的旗号下, 抱着?令高山低头、叫河水让路?的 举行的全美展览会的开幕式。该展览会旨在 ?雄心壮志?, 湖区对淤洲开展了有计划大规模 宣传美国的生活和文化, 采用陈列的方式,

的围湖垦田活动, 不断蚕食湖面, 并为从湖泊 展出各种实物、图表、照片。

在 此 期 间, 赫 鲁 晓 夫 在 尼 克 松 的 陪 同 之中夺来了大片田地而欢天喜地、庆功不已。 下, 也参观了展览会。 他们一同来到一个美 昔日中国?老大?的洞庭湖面, 在水土流失和围 国家庭厨房的展览室。 在赫鲁晓夫看来, 很 垦造田的夹击下, 终于由 50 年代的 4350 平方 多 东 西 纯 粹 是 为 了 展 览, 没 有 什 么 实 际 用 公里萎缩成了如今的 2691 平方公里, 在全国 处。他拣起一个挤柠檬汁吃的自动器说:?尼 五 大 湖 中 屈 居 第 二, 调 蓄 洪 水 能 力 亦 丧 失 了 克 松 先 生, 你 们 怎 么 在 苏 联 展 出 这 种 笨 东 40% 。 西? 你们吃茶不过是需要几滴柠檬汁, 我想 鉴于洞庭湖湖面不断减少及水灾频繁发 你们主妇使用这种机器比我们主妇切一块 生的原因, 我们必须汲取历史的经验教训, 采 柠 檬 丢 在 茶 杯 里, 用 调 羹 挤 出 汁 来 更 费 时

间。展出这种笨东西是对我们智力的侮辱。 取必要措施来解决这个问题。 尼 克 松 就 此 进 行 了 辩 解, 双 方 都 显 得 很 激 根治水患, 治山兴林为本。 这个本就在于 动。后来, 赫鲁晓夫问, 你把这件美妙的器具 山上有茂密的森林, 则?其下水也缓, 又水下而 带来向我们展览, 你们真的在广泛使用吗? 土不随其下?。 森林涵养水源的功能已被实践 尼克松老实地回答, 展出的东西市场上还没 ? 反复证明。资料表明, 一场 81 小时的 67815 毫 有。 一听这话, 在场的人都哄堂大笑。 米特大暴雨, 森林拦截吸收了 44918 毫米, 为 当然, 真正的辩论不是厨房用具问题, 降 水量的 6613% 。 每公顷林地可贮水 500, 而是社会主义和资本主义两种制度问题。美 2000 吨, 大大高于荒坡、荒地, 也高于农田和草 国 想用?市场上还没有?的?新玩意儿?来吹 场, 森林因而被人们誉为?绿色水库?。 捧美国的资本主义制度。 治理洞庭湖水患, 垦田还湖势在必行。 如

何退田还湖? 首先要分析?围湖造田?的原因是

先淤后垦, 由垦而围。根治洞庭湖水患, 一要根

治 长 江 中 上 游 水 土 流 失, 二 要 坚 持?江 湖 同

治?、?江湖两利?。 既不能继续?与湖争地?、围

湖造田, 也不能不讲条件地一律?废田还湖?。

?39?

范文四：基于MODIS数据的洞庭湖水面面积估算方法_龚伟

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2009.14.011第40卷第14期

2009年7月

　　文章编号:1001-4179(2009)14-0040-04

人　民　长　江

Yangtze　River

Vol.40,No.14

July,2009

基于MODIS数据的洞庭湖水面面积估算方法

龚　伟　杨大文　钱　群

(清华大学水利水电工程系,北京100084)

摘要:利用美国Terra卫星上MODIS传感器提供的NDVI数据产品,采用两种方法分别在年和月时间尺度上对2000～2007年间洞庭湖的水面面积进行了估算。在年尺度上,采用ISODATA方法对NDVI时间序列进行非监

督分类,区分水面及各种湿地类型,并分析了各类湿地的面积变化趋势。在月尺度上,采用16d平均NDVI数据,通过NDVI阈值提取水面,在不同的季节选取不同的阈值,并将基于NDVI数据得到的水面面积与基于水位—面积曲线得到的水面面积进行了对比分析。在此基础上,探讨了两类不同尺度上分类方法的优点、缺点及适用范围。关　键　词:水面变化;MODIS;NDVI;非监督分类;洞庭湖中图分类号:X171.1　　　文献标识码:A

本文采用了美国NASA网站上提供的TerraMODIS16d合成的植被指数产品MOD13Q1,该数据的空间分辨率为250m。

MOD13Q1产品选择为16d中无云数据的合成,合成过程中优先选择近星下点无云的像元,并尽可能减小云、阴影、大气中气溶胶的影响,并应用二向反射率(BRDF)模型对观测角度进行了订正[2]。研究区域范围为北纬28.5°～29.5°、东经111.75°～113.25°,时间范围是2000年2月至2007年12月。

在数据处理过程中,首先采用MODIS投影变换软件(MRT工具)进行拼接和投影变换,参考坐标系选用WGS84椭球体和UTM投影,重采样后的分辨率分别为250m。尽管16d合成后NDVI数据质量相对于每天数据有了较大提高,但是受云和阴影以及辐射校正精度的影响,下载的NDVI数据仍会出现色调不一致的情况,影像上常出现各种暗影、黑斑、白斑。为保证成果质量,参考了MODIS陆地工作组(MODLANDST)提供的数据质量评估结果[3],如果研究区域内超过20%的像元质量不佳,则不采用这幅影像。2000～2007年共有180幅影像,剔除质量不佳的34幅之后,还剩146幅质量较佳的影像用于本文的分析。

1　数据来源

本文使用的卫星遥感数据为美国Terra卫星的中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器提供的归一化植被指数(NDVI)数据。Terra(EOS-AM1)是美国地球观测系统(EOS)的先进极地轨道环境遥感卫星,于1999年12月18日发射,可提供2000年以后的数据。该卫星通过洞庭湖的时间为当地时间10:30和22:30。其中MODIS是EOS-AM1系列卫星的主要探测器之一,它是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器,具有36个光谱通道,分布在0.4～14μm的电磁波谱范围内,地面分辨率分别为250、500m以及1000m。多波段数据可以同时提供反映陆地、云边界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化学、大气中的水汽、地表

[1]

温度、云顶温度、大气温度、臭氧、云顶高度等特征信息。

植被指数是一种通过多波段数据组合来识别地表土壤、植

被、水体的综合指标。植被在红光波段(0.60～0.70μm)有一个强烈的吸收带,它与叶绿素密度成反比,植物的反射光谱曲线因叶绿素对这部分光的强烈吸收而呈波谷形态;而在近红外波段(0.75～1.3μm)有一个较高的反射峰,它与植物叶绿素密度成正比。因此,这两个波段的组合与植被的叶绿素含量、叶面积和生物量密切相关。归一化植被指数(NDVI)又称标准化植被指数,定义为近红外波段NIR(0.7～1.1μm)与可见光红外波段RED(0.4～0.7μm)反射率之差和这两个波段反射率之和的

[1]

比值,即:

NDVρNIR-ρRED

ρ+ρNIRRED

2　年尺度的水面识别

根据从农田遥感观测[4]总结的经验,在年尺度上,以全年所有遥感影像合成的NDVI时间序列为研究对象,以不同土地

覆被的全年NDVI变化过程为依据进行分类。农田植被遵循严格的物候学规律,例如小麦往往都在每年的同一个时间拔节、抽穗、灌浆,其具体时间受水分和温度等条件的影响,但各年之间差别不大。所以对于同一种农作物,每年的NDVI变化过程都是几乎一致的。不同种类的生物遵循不同的物候学规律,例如

式中ρρNIR是近红外波段反射率;RED是红外波段反射率。

收稿日期:2009-05-12

基金项目:水利部公益性行业科研专项经费项目(200801008);国家“十一五”科技支撑计划(2006BAB05B04-3(1)),,

　第14期　　　龚　伟等:基于MODIS数据的洞庭湖水面面积估算方法

41

小麦和玉米的成熟时间是不一样的。将全年的NDVI遥感影像合并,对NDVI时间序列进行分析,可以发现小麦和玉米的ND-VI全年最大值出现在不同的时间,根据NDVI高峰值出现的季节就可以区分小麦田和玉米田。

由于缺乏不同季节下当地植被、水体与NDVI对应关系的详细实测资料,本文选择了非监督分类方法。非监督分类方法主要有两种:ISODATA法和K-Means法。K-Means法的聚类准则是通过迭代,逐次移动各类的中心,使得每一聚类中多模式点到该类别中心的距离的平方和最小。该算法存在的主要问题是:受所选聚类中心的数目、初始位置、模式分布的几何性质和读入次序等因素影响,并且在迭代过程中没有有效的调整方法,因此由不同的初始分类中心可能得到不同的结果。解决这一问题的办法是:选择不同的聚类中心数目,采用试探性方法寻找初始中心,以提高分类的准确性。

ISODATA(IterativeSelf-OrganizingDataAnalysisTech-niquesAlgorithm)算法也称为迭代自组织数据分析算法。它与K-Means算法有两点不同:①它不需要每调整1个样本的类别就重新计算1次各类样本的均值,而是在每次把所有样本都调整完毕之后才重新计算1次各类样本的均值,前者称为逐个样本修正法,后者称为成批样本修正法;②ISODATA算法不仅可以通过调整样本所属类别完成样本的聚类分析,而且可以自动地进行类别的“合并”和“分裂”,从而得到分类数比较合理的聚类结果[5]。

使用遥感影像处理软件ENVI对影像进行非监督分类。研究发现,ISODATA方法比K-Means方法得到的分类结果更为稳定。采用相同的参数,ISODATA算法给出的分类结果十分接近,而K-Means方法给出的结果随机性较大,因此,本文选用了ISODATA方法进行分类。

分类步骤如下:首先尝试在包括湖区的较大范围裁出一矩形区域,对其整体做非监督分类。虽然得到的结果可以大致确认湖泊和湿地的范围,但是常常会将城区(主要是岳阳城区)与某一种类的湿地相混淆。研究过程中,曾考虑用1km分辨率的土地利用数据做掩膜,将除了湖泊湿地以外的土地利用类型排除在研究范围之外,然而这种方法对土地利用图的精度要求较高。通过将土地利用数据与实地测绘地图相对比[6],发现湖区很多湿地都被误分为农田或草地。因此,本文对2000～2007年间的NDVI时相变化进行了分析,只要有一个时相的NDVI小于0,则认为该地区曾经被水完全淹没,将所有这些像元提取出来

[5]

作为掩模(即分类范围),得到的掩膜范围与实地测绘地图符

[6]

合程度较高,在应用中也取得了较好的效果。首先将研究区

出水面的挺水植物)区域,一般位于湖心区,在最内层,NDVI值全年在0左右(如图1所示)。

图1　洞庭湖湿地NDVI多年平均值

类别2～5。过水洲滩湿地,为季节性过水,其NDVI值在冬季较低,春季三四月间较高,汛期较低,汛后又回升至汛前的水平,该类典型的NDVI曲线遂呈M形(见图1)。根据NDVI值由小到大以及NDVI值下降程度划分,分别对应为泥沙滩地、草滩地、芦苇滩地和防护林滩地。

图2为各个类别8a平均NDVI时相变化图,从中可以看出各个类别特征明显,说明本文所采用的分类方法有较好的区分度。

图2　2000～2007年洞庭湖水面及湿地非监督分类结果汇总

图2所示为分类结果,表1给出了各类湿地的面积统计结果,图3给出了各类别面积年际变化与年降水总量变化的关系,图3中的降水数据源自中国气象科学数据共享网[9],降水资料使用的是《中国地面气候资料日值数据集》,标准值使用的是《中国地面气候标准值月值数据集(1961～1990年)》。使用距

[10]

离方向加权平均法插值到1km的网格上,再分别计算长江上游和洞庭湖水系的面平均雨量。

从表1和图3中可以看到湖区浅水水体湿地面积呈减小趋势,从2000～2007年共减少了275km2,年均减少43.87km2;防护林滩地,也就是受淹时间最短的类别,增长最快,共增长了

22

326.88km,年均增加46.99km。运用差异探测分析[5],得到2000～2007年的各类别面积变化情况,以百分比变化量表示

域初步分为7个类别,通过与湖区湿地分带的对应关系,归并为5个类别,对每个类别计算了NDVI平均值和标准差。洞庭湖属浅水湖泊,按照广义的湿地定义,整个洞庭湖都属于湿地范畴[7]。洞庭湖附近区属于静水生境,可分为若干带:沿岸阳光能穿透到底,常常生长有根植物,包括沉水植物、浮水植物、挺水植物等,并逐渐过渡为陆生群落[8]。根据洞庭湖的水文特性,可将这里的湿地分为两大类型:即浅水水体湿地类型和过水洲滩湿地,其中过水洲滩湿地以洪水期被淹没、枯水季节出露为特征,按植被可分为防护林滩地、芦苇滩地、草滩地、泥沙滩地[7],在空间分布上,泥沙滩地邻近湖水,往外依次为草、芦苇、防护林滩地。按照各个类别的植被指数变化特点,并结合其分布关系,得到如下5个类别(见图1)。

(见表2,表中数据的含义为:例第2行第1列的22.64表示从

2000～2007年有22.64%的水体转化为泥沙滩地)。从表2中可看到:2007年与2000年相比,水体以及草滩地面积都有明显减少,分别减少32.9%以及22.75%;泥沙滩地略有增加但不明显,只有6.49%,芦苇滩地则增加了19.21%;防护林滩地增加最为明显,比例达到104.23%。不同类别之间的转化关系为:22.64%的水体转化为泥沙滩地,分别有28.8%和19.99%的泥沙滩地转化为草滩地和芦苇滩地;分别有22.61%和16.65%的草滩地转化为芦苇滩地和防护林滩地;63.97%的

42

　　人　民　长　江2009年　

芦苇滩地转化为了防护林滩地;同时也有17.28%的防护林滩地转化为芦苇滩地。这些转化关系表现出以下特点:从淹没时间长的湿地类型转化为过水时间更短的湿地类型,其中芦苇滩地的变化最大。由此,可以得出如下初步结论:洞庭湖的核心区(即水体部分)面积呈逐年缩小趋势,过水洲滩湿地部分平均过水时间缩短。

表1　洞庭湖水面及各类湿地面积统计

年份20002001200220032004200520062007

水体835.88702.50650.06768.13508.06577.50446.06560.88

泥沙滩地342.00282.06404.63346.25379.25412.69439.94364.19

草滩地芦苇滩地646.19282.88401.00454.06350.44482.44250.31499.19

387.19469.25673.44427.63493.63423.13396.94461.56

防护林滩地313.63602.06496.13557.63691.25577.25858.50640.50

2

km

-0.1～0.3之间都有可能是水面。这一成果目前被广泛引用[12～13]。彭定志等采用类似的思路,研究洞庭湖面积变化对洪

水位的影响[14～15]。但是,由于以上研究成果都是在Terra和Aqua卫星升空后几年之内完成的,MODIS的观测序列还不够长,对观测数据的质量评估体系也不成熟,推荐的NDVI分类阈值有调整的必要。本文基于长系列的MODIS观测数据和较为成熟的数据质量评估体系,重新确定了NDVI阈值。在实地考察和反复的分类尝试中认识到,对于洞庭湖这样植被丰富、水位波动剧烈的湖泊,由于植被物候规律与湖泊水文规律的相互影响,这一阈值在不同的季节应该取不同的值。在综合考察洞庭湖水文、生态、气候等条件之后,结合年尺度水面识别的成果(图1),提出了如下方案:在冬季,植被稀少,湖泊水位很低,一般无植被裸土的NDVI在0～0.3,而水体的NDVI在0以下,所以冬季水体的NDVI阈值应取为0,NDVI>0的为裸土,NDVI0.5的地区为有植被陆地,00.1为陆地,0

根据上述研究方法,对洞庭湖湿地逐月水面及湿地变化进行了解译。得到洞庭湖湿地面积变化过程。此外,为了评估上述方法的可信度,本文还与水位—面积曲线法做了对比。根据

总湿地面积2524.882338.752625.252553.692422.632473.002391.752526.

31

图3　洞庭湖湿地面积变化与年降雨量的关系表2　洞庭湖2000年与2007年湿地面积差异分析变更项目水体泥沙滩地草滩地芦苇滩地防护林滩地

未分类面积增减

水体62.0522.642.100.930.0412.24-32.90

泥沙滩地1.7436.5528.8019.993.40

9.526.49

草滩地0.113.2457.0822.6116.65

0.32-22.75

芦苇滩地0.050.843.5428.7863.97

2.8319.21

%

1995年的实测水位—面积曲线,水位采用城陵矶(七里山)水文

站的实测水位数据,将由遥感数据得到的水面面积与由实测水位经水位面积曲线推算得到的水面面积进行对比发现,两者的相关系数为0.81,说明本文提出的水面识别准则具有较高的可信度。

经分析遥感观测得到的水面面积普遍比水文观测值偏大,这显然不是随机误差引起的。为了探究其原因,利用遥感观测得到的湖面面积反推水位—面积曲线,并与1995年实地测绘得到的水位—面积曲线对比,结果如图4所示。

防护林滩地

0.080.060.1017.2878.284.21104.23

3　月尺度的水面识别

在月尺度上,对每一时相的MODIS影像逐一分析,根据光

谱特征识别水面。MODIS的36个光谱通道中,分辨率达到250m的只有4个,分别是蓝光、红光、近红外和中红外波段。其中红光波段和近红外波段区分水体、陆地、植被的效果最好,蓝光和中红外则用处不大。其他波段分辨率为500m或1000m,因为分辨率较低,用于统计水面和湿地面积的误差较大,故没有采用。本文采用由红光和近红外波段合成的NDVI数据,通过选用恰当的阈值来区分水体、湿地植被和陆地。为了排除城区的干扰,采用了在年尺度上得到的掩膜范围。

NDVI阈值的选取对水面识别成果的质量影响很大。谭衢霖[11],,图4　由两种方法得到的洞庭湖水位面积曲线对比

　第14期　　　龚　伟等:基于MODIS数据的洞庭湖水面面积估算方法

43

从图4可以看到,在同样水位下,遥感观测得到的水面面积确实更大一些。但是当时MODIS的观测时间不够长,数据质量

评价体系尚不成熟。本文采用长系列的观测数据,结合较为成熟的数据质量评价体系,得到的结果显示:在同一水位下,基于遥感观测的水面面积要大于1995年水位—面积曲线计算出的面积。这与彭定志等[14]指出的“退田还湖”后洞庭湖水面面积曲线改变,相同水位下湖面面积增大,调蓄容量增加的结论是一致的。1998年大洪水后的“退田还湖”政策扩大了洞庭湖的容积,应该是2000～2007年间遥感观测的水面面积大于同一水位下由1995年水位—面积曲线推算面积的原因。

大,需要理论分析与实地踏勘相结合,视具体状况而定。本文综合了年尺度NDVI序列非监督分类结果来确定NDVI阈值。

5　结论

本文使用了两种方法分别在年尺度和月尺度上对洞庭湖水面面积进行识别和估算。在年尺度上,使用ISODATA算法对2000～2007年洞庭湖湿地的NDVI序列进行非监督分类,归并之后可以分为5个类别:浅水水体湿地、泥沙滩地、草滩地、芦苇滩地和防护林滩地。对分类结果进行差异探测分析,发现各湿地类型都有转化为过水时间更短的类型的趋势,说明洞庭湖水面面积逐年减小。在月尺度上,使用NDVI阈值法分类,结合年尺度的分类成果,在不同的季节选取不同的NDVI阈值,其结果与1995年实测水位—面积曲线推算的水面面积对比,相关系数为0.81。NDVI阈值法识别的水体面积普遍比根据1995年实测水位—面积曲线推算的水面面积偏大,在同一水位下,基于遥感观测的水面面积要大于1995年水位—面积曲线计算出的面积,其原因可以认为是1998年大洪水后的“退田还湖”政策扩大了洞庭湖的水面面积和容积。

4　讨论

本文使用两种不同的方法,年尺度上的识别和估算,侧重于湿地植被状况的年际变化以不同年份间的对比为主,着重讨论湿地植被的演变趋势;月尺度上的识别和估算则侧重于对时效性的把握,着眼于洪水淹没范围的准确和实时监测。两者的适用条件是不同的,前者相当于对湿地植被状况的野外调查与分析,后者相当于对湖区淹没范围的水文观测与分析。

在年尺度上使用非监督方法对NDVI时间序列进行分类,虽然能够解释洞庭湖水面及周边湿地的年际变化,但也存在一些问题。这一方法本身适用于分析物候规律明显的地区,但对于洞庭湖而言,由于物候和水文的相互作用,使上述方法的应用受到局限。其原因主要有以下两点:

(1)同一种农作物,每年的NDVI变化过程都是几乎一致的,但是对同一种湿地植物,其NDVI变化不但受到本身物候的控制,还受到湖泊水位的影响。例如对湖滩草洲湿地,每年春季和秋季植被生长旺盛,NDVI很高,夏季水位上涨,NDVI降低。但是每年夏季水位上涨的时间不同,程度也不一样,这使得分类标准每年都不一样。

(2)对洞庭湖这样的天然湖泊湿地而言,导致NDVI升高的原因只有一种,就是植被茂盛、长势良好。但导致NDVI降低的原因却可以归结为截然相反的两种:①水量丰沛,湖泊水位上涨淹没了洲滩植被;②水量很少,湖泊水位下降,湿地植被由于供水不足而枯萎死亡。单纯从NDVI的变化难以区分这两种原因,必须结合水文与气象资料分析。

过水洲滩湿地的全年NDVI序列呈M型,与一般农作物和天然植被明显不同。一般农作物与天然植被的NDVI值往往在夏季水热条件最好时达到一年中的最大值,全年NDVI序列呈单峰型。就过水洲滩湿地而言,由于汛期被水淹没,其NDVI值反而低于春季和秋季,全年NDVI序列呈M型,春秋高,夏季低。所以,如果某一地区的来水丰沛,其夏季NDVI却比春秋两季都低,基本可以确定该地在夏季被水淹没。物候和水文的相互作用导致过水洲滩湿地的NDVI序列呈特有的M型曲线。

在月尺度上采用NDVI阈值法,可以与水文上常用的水位—面积曲线法联合使用。这种方法具有两大优点:①可以分辨具体的淹没范围,在大洪水造成堤垸决口时可以帮助确定受灾范围,而且方法简便快捷,不需要很多计算;②在冬季枯水期由于水面比降变大,水位—面积曲线会产生较大误差,一般而言会低估水面面积,相比而言NDVI阈值法不受影响,更加可信。此外,因为只需要单幅NDVI影像,理论上这种方法可以做到每天上午和下午卫星过境时各观测1次,相当于日尺度观测。但是这种方法也有缺点,主要是NDVI阈值的确定对结果影响很

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(编辑:徐诗银)

　第14期　　　Abstract

93

MODIS-basedwatersurfaceareaestimationmethodoftheDongtingLake

GONGWei　YANGDa-wen　QianQun

(DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

　　Abstract:　TwomethodsfordifferenttimescalesbasedontheNDVIdataprovidedbyMODIS/Terraareusedfor

estimatingthewatersurfaceareaoftheLakeDongtingfrom2000to2007.Attheannualtimescale,theunsupervisedclassificationmethodofISODATAisappliedtotheNDVItimeseries.Basedontheresultofclassificationwatersurfaceandvariouswetlandtypescanbedistinguished,andthenthechangesofthewetlands′areaareanalyzed.Atthemonthlytimescale,the16-dayaverageofNDVIdataisusedforidentifyingwatersurface,anddifferentNDVIthresholdisse-lectedfordifferentseasons.ThedifferenceofwatersurfaceareaobtainedfrommonthlytimescaleNDVIdataiscomparedwiththewatersurfaceareaderivedfromthewaterlevel-areacurve.Finally,wediscussedtheadvantageanddisadvan-tageofthetwoclassificationmethodsatannualandmonthlytimescales.

Keywords:watersurfacechange;MODIS;NDVI;unsupervisedclassification;DongtingLake

DiscussiononwaterlevelforfloodcontrolatChenglingji

YIFang-hui

(BureauofWaterResourcesProjectManagementoftheDongtingLake,HunanProvince,Changsha410007,China)

　　Abstract:　ThecontrolwaterlevelofChenglingjiisnotonlyfordesignofdikesbutalsoforregulationoffloodstor-ageprojectforalongtime,whichhasalwaysbeenaheateddebatefocusinfloodcontrolofmiddleYangtzeRiver.FromtheaspectofanalyzingcharacteristicsoffloodcontrolofYangtzeRiverundercurrenttheRiver-lakerelation,basedonvestedlayoutoffloodcontrolsystemofmiddleYangtzeRiver,combiningtheeffortofregulationofThreeGorgesReser-voir,theseparationofwaterlevelfordesignofdikeandregulationoffloodstorageprojectisputforwardaccordingtosim-ulationresultsandpracticalwaterregime.Thehistoricalhighestwaterlevel35.80misadoptedtobethepresentfloodcontrolwaterlevelofLianhuatang,andthewaterlevelforregulationoffloodstorageprojectshouldbe34.4mto35.80m.

Keywords:floodcontrolwaterlevel;flooddiversionwaterlevel;controllevel;Chenglingji

Applicationresearchoncompensatedtransfer

ofwaterrightintheDongtingLakearea

XIANGZhao-hui　LIUPan

(1.WaterResourcesDepartmentofHunanProvince,Changsha410007,China;　2.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydro-powerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

1

2

　　Abstract:　ThepresentsituationofwaterresourcesofDongtingLakeAreaisanalyzedandtheexitingproblemsare

pointedoutaswell.ItisputforwardthatcompensatedtransferofwaterrightshouldbecarriedoutinDongtingLakeAreaandtheformationofwaterrightmarketshouldbepromoted,throughwhichwaterresourcescouldbeoptimallyallocatedandalsomanagementskills,efficiencyandbenefitofutilizationofwaterresourcescouldbeimproved.ThecontradictioninducedbytheRiver-lakerelationcouldbecoordinatedbyexternalcompensationmechanism.Theideasandapproa-chesforfundraisingforwaterconservancyconstructionandreactiontooperationsofreservoirssuchasThreeGorgesRes-ervoirareprovided,whichcouldalleviateshortageofwaterresourcesinDongtingLakearea.

Keywords:waterresources;waterrightmarket;waterrighttransfer;DongtingLakearea

范文五：基于MODIS数据的洞庭湖水面面积估算方法

基于 MOD IS数据的洞庭湖水面面积估算方法

龚伟杨 大 文钱群

(清华大学 水利水电工程系 ,北京 100084 )

摘要 :利用美国 Te rra卫星上 MOD IS传感器提供的 NDV I数据产品 ,采用两种方法分别在年和月时间尺度上

对

2000,2007年间洞庭湖的水面面积进行了估算 。在年尺度上 ,采用 ISODA TA 方法对 NDV I时间序列进行非

监 督分类 ,区分水面及各种湿地类型 ,并分析了各类湿地的面积变化趋势 。在月尺度上 ,采用 16 d平均 NDV

I数 据 ,通过 NDV I阈值提取水面 ,在不同的季节选取不同的阈值 ,并将基于 NDV I数据得到的水面面积与基

于水 位 —面积曲线得到的水面面积进行了对比分析 。在此基础上 ,探讨了两类不同尺度上分类方法的优点 、

缺点及

适用范围 。X171. 1 : 文献标识码 : A 中图分类号 关 键 词 :水面变化 ; MOD IS; NDV I; 非监督分类 ; 洞庭湖

本文采用了美国 NA SA 网站上提供的 Te rra MOD IS 16 d合 1 数据来源 成的植被指数产品 MOD13Q1 , 该数据的空间分辨率为 250 m。 本文使用的卫星遥感数据为美国 Te rra卫星的中分辨率成 MOD13Q1产品选择为 16 d中无云数据的合成 ,合成过程中优 ()()像光谱仪 MOD IS传感器提供的归一化植被指数 NDV I数据 。 先选择近星下点无云的像元 ,并尽可能减小云 、阴影 、大气中气 ( )( )Te rra EO S - AM 1是美国地球观测系统 EO S的先进极地轨道 溶胶的影响 ,并应用二向反射率 (BRD F ) 模型对观测角度进行 环境遥感卫星 ,于 1999 年 12 月 18 日发射 ,可提供 2000 年以后 [ 2 ] 了订正 。研究区域范围为北纬 28. 5?,29. 5 ?、东经 111. 75?的数据 。该卫星通过洞庭湖的时间为当地时间 10: 30和 22: 30。

其中 MOD IS是 EO S - AM 1系列卫星的主要探测器之一 ,它是新 ,113. 25 ?,时间范围是 2000年 2月至 2007年 12月 。 在数据

一代“图谱合一 ”的光学遥感仪器 ,具有 36 个光谱通道 ,分布在 (处理过程中 ,首先采用 MOD IS投影变换软件 MR T

μ0. 4,14 m 的电磁波谱范围内 ,地面分辨率分别为 250、500 m 工具 )进行拼接和投影变换 ,参考坐标系选用 W GS 84 椭球体和

以及 1 000 m。多波段数据可以同时提供反映陆地 、云边界、云 U TM 投影 ,重采样后的分辨率分别为 250 m。尽管 16 d合成后

特征 、海洋水色 、浮游植物 、生物地理 、化学 、大气中的水汽 、地表 NDV I数据质量相对于每天数据有了较大提高 ,但是受云和阴影 [ 1 ]温度 、云顶温度 、大气温度 、臭氧、云顶高度等特征信息 。 以及辐射校正精度的影响 ,下载的 NDV I数据仍会出现色调不 植被指数是一种通过多波段数据组合来识别地表土壤、植 一致的情况 ,影像上常出现各种暗影 、黑斑 、白斑 。为保证成果

( μ) 被 、水体的综合指标 。植被在红光波段 0. 60 ,0. 70 m 有一 ()质量 ,参考了 MOD IS陆地工作组 MODLAND ST提供的数据质 [ 3 ] 个强烈的吸收带 ,它与叶绿素密度成反比 ,植物的反射光谱曲线 量评估结果 ,如果研究区域内超过 20 %的像元质量不佳 ,则 因叶绿素对这部分光的强烈吸收而呈波谷形态 ; 而在近红外波 不采用这幅影像 。2000 ,2007 年共有 180 幅影像 ,剔除质量不 ( μ)段 0. 75,1. 3 m 有一个较高的反射峰 ,它与植物叶绿素密度 佳的 34幅之后 ,还剩 146幅质量较佳的影像用于本文的分成正比 。因此 ,这两个波段的组合与植被的叶绿素含量 、叶面积 析 。 ()和生物量密切相关 。归一化植被指数 NDV I又称标准化植被 2 年尺度的水面识别 μ( ) 指数 ,定义为近红外波段 N IR 0. 7 ,1. 1 m 与可见光红外波 [ 4 ] 根据从农田遥感观测 总结的经验 ,在年尺度上 ,以全年 μ( )段 R ED 0. 4,0. 7 m 反射率之差和这两个波段反射率之和的 [ 1 ] 所有遥感影像合成的 NDV I时间序列为研究对象 ,以不同土地 比值 ,即 : 覆被的全年 NDV I变化过程为依据进行分类 。农田植被遵循严

格的物候学规律 ,例如小麦往往都在每年的同一个时间拔节、抽

穗 、灌浆 ,其具体时间受水分和温度等条件的影响 ,但各年之间

ρρ- 差别不大 。所以对于同一种农作物 ,每年的 NDV I变化过程都 N IRR EDN DV I = ρρ + 是几乎一致的 。不同种类的生物遵循不同的物候学规律 ,例如 N IR R ED

ρρ式中 是近红外波段反射率 ; 是红外波段反射率 。 N IR R ED

收稿日期 : 2009 - 05 - 12

( ) ( ( ) ) 基金项目 :水利部公益性行业科研专项经费项目 200801008 ;国家“十一五 ”科技支撑计划 2006BAB05B04 - 3 1

作者简介 :龚 伟 ,男 ,清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ,博士研究生 。

41 第 14期 龚 伟等 :基于 MOD IS数据的洞庭湖水面面积估算方法

)小麦和玉米的成熟时间是不一样的 。将全年的 NDV I遥感影像 区域 ,一般位于湖心区 ,在最内层 , NDV I值 出水面的挺水植物

() 合并 ,对 NDV I时间序列进行分析 ,可以发现小麦和玉米的 ND 2全年在 0左右 如图 1所示 。

V I全年最大值出现在不同的时间 ,根据 NDV I高峰值出现的季 节就可以区分小麦田和玉米田 。

由于缺乏不同季节下当地植被、水体与 NDV I对应关系的 详细实测资料 ,本文选择了非监督分类方法 。非监督分类方法 主要有两种 : ISODA TA 法和 K - M ean s法 。 K - M ean s法的聚类 准则是通过迭代 ,逐次移动各类的中心 ,使得每一聚类中多模式 点到该类别中心的距离的平方和最小 。该算法存在的主要问题 是 :受所选聚类中心的数目、初始位置 、模式分布的几何性质和

读入次序等因素影响 ,并且在迭代过程中没有有效的调整方法 , 图 1 洞庭湖湿地 NDV I多年平均值

因此由不同的初始分类中心可能得到不同的结果 。解决这一问

类别 2,5。过水洲滩湿地 ,为季节性过水 ,其 NDV I值在冬 题的办法是 :选择不同的聚类中心数目 ,采用试探性方法寻找初

季较低 ,春季三四月间较高 ,汛期较低 ,汛后又回升至汛前的水 始中心 ,以提高分类的准确性 。

(( ) ISODA TA Ite ra tive Se lf - O rgan izing D a ta A na lysis Tech2 平 ,该类典型的 NDV I曲线遂呈 M 形 见图 1 。根据 NDV I

)值 由小到大以及 NDV I值下降程度划分 ,分别对应为泥沙滩n ique s A lgo rithm 算法也称为迭代自组织数据分析算法 。它与 K - M ean s算法有两点不同 : ?它不需要每调整 1 个样本的类 地、草 滩地 、芦苇滩地和防护林滩地 。

图 2为各个类别 8 a平均 NDV I时相变化图 ,从中可以看别就重新计算 1次各类样本的均值 ,而是在每次把所有样本都

出 调整完毕之后才重新计算 1 次各类样本的均值 ,前者称为逐个

各个类别特征明显 ,说明本文所采用的分类方法有较好的区分 样本修正法 ,后者称为成批样本修正法 ; ? ISODA TA 算法不仅

度 。 可以通过调整样本所属类别完成样本的聚类分析 ,而且可以自 动地进行类别的“合并 ”和“分裂 ”,从而得到分类数比较合理的 [ 5 ] 聚类结果 。

使用遥感影像处理软件 ENV I对影像进行非监督分类 。研 究发现 , ISODA TA 方法比 K - M ean s方法得到的分类结果更为 稳定 。采用相同的参数 , ISODA TA 算法给出的分类结果十分接 近 ,而 K - M ean s方法给出的结果随机性较大 , 因此 , 本文选用

了 ISODA TA 方法进行分类 。

分类步骤如下 :首先尝试在包括湖区的较大范围裁出一矩

图 2 2000 ,2007 年洞庭湖水面及湿地非监督分类结果汇总 形区域 ,对其整体做非监督分类 。虽然得到的结果可以大致确

()认湖泊和湿地的范围 ,但是常常会将城区 主要是岳阳城区 与

图 2所示为分类结果 ,表 1 给出了各类湿地的面积统计结 某一种类的湿地相混淆 。研究过程中 ,曾考虑用 1km 分辨率的 果 ,图 3给出了各类别面积年际变化与年降水总量变化的关系 , 土地利用数据做掩膜 ,将除了湖泊湿地以外的土地利用类型排 [ 9 ] 图 3中的降水数据源自中国气象科学数据共享网 ,降水资料 除在研究范围之外 ,然而这种方法对土地利用图的精度要求较 使用的是《中国地面气候资料日值数据集 》, 标准值使用的是 [ 6 ] 高 。通过将土地利用数据与实地测绘地图相对比 ,发现湖区 ( ) 《中国地面气候标准值月值数据集 1961 ,1990 年 》。使用距 [ 10 ]很多湿地都被误分为农田或草地 。因此 ,本文对 2000 ,2007 年 离方向加权平均法 插值到 1 km 的网格上 ,再分别计算长江 间的 NDV I时相变化进行了分析 ,只要有一个时相的 NDV I小于 上游和洞庭湖水系的面平均雨量 。 0 ,则认为该地区曾经被水完全淹没 ,将所有这些像元提取出来 从表 1和图 3中可以看到湖区浅水水体湿地面积呈减小[ 5 ] () 2 作为掩模 即分类范围 ,得到的掩膜范围与实地测绘地图符 趋 势 ,从 2000,2007年共减少了 275 km,年均减少 43. 87 [ 6 ] 2 合程度较高 ,在应用中也取得了较好的效果 。首先将研究区 km;防 护林滩地 , 也就是受淹时间最短的类别 , 增长最快 , 共域初步分为 7个类别 ,通过与湖区湿地分带的对应关系 ,归并为 增长了 2 2 [ 5 ] 326. 88 km ,年均增加 46. 99 km 。运用差异探测分析 ,得到 5个类别 ,对每个类别计算了 NDV I平均值和标准差 。 洞庭湖 2000,2007年的各类别面积变化情况 , 以百分比变化量表示属浅水湖泊 ,按照广义的湿地定义 ,整个洞庭湖都属 [ 7 ] ( 见表 2,表中数据的含义为 : 例第 2 行第 1 列的 22. 64 表示从于湿地范畴 。洞庭湖附近区属于静水生境 , 可分为若干带 :

) 2000,2007年有 22. 64%的水体转化为泥沙滩地 。沿岸阳光能穿透到底 ,常常生长有根植物 ,包括沉水植物 、浮水 [ 8 ] 从表 2中可看到 : 2007年与 2000 年相比 ,水体以及草滩植物 、挺水植物等 , 并逐渐过渡为陆生群落 。根据洞庭湖的

地 面积都有明显减少 ,分别减少 32. 9 %以及 22. 75% ;泥沙滩水文特性 ,可将这里的湿地分为两大类型 :即浅水水体湿地类型

地略 有增加但不明显 ,只有 6. 49 % ,芦苇滩地则增加了 19. 和过水洲滩湿地 ,其中过水洲滩湿地以洪水期被淹没 、枯水季节

21 % ; 防 护林滩地增加最为明显 ,比例达到 104. 23% 。不同类出露为特征 ,按植被可分为防护林滩地 、芦苇滩地 、草滩地 、泥沙 [ 7 ] 别之间的 滩地 ,在空间分布上 , 泥沙滩地邻近湖水 , 往外依次为草、芦 转化关系为 : 22. 64%的水体转化为泥沙滩地 ,分别有 28. 8%和 苇 、防护林滩地 。按照各个类别的植被指数变化特点 ,并结合其 19. 99 %的泥沙滩地转化为草滩地和芦苇滩地 ; 分别有 22. 61 %分布关系 ,得到如下 5个类别 (见图 1 ) 。

和 16. 65%的草滩地转化为芦苇滩地和防护林滩地 ; 63. 97%的( 类别 1。浅水水体湿地 ,指常年有水 、无植被 即不存在露

人 民 长 江 42 2009年

芦苇滩地转化为了防护林滩地 ; 同时也有 17. 28%的防护林滩 - 0. 1 ,0. 3 之间都有可能是水面 。这一成果目前被广泛引 [ 12,13 ] 地转化为芦苇滩地 。这些转化关系表现出以下特点 : 从淹没时 用 。彭定志等采用类似的思路 ,研究洞庭湖面积变化对洪 [ 14,15 ] 间长的湿地类型转化为过水时间更短的湿地类型 ,其中芦苇滩 水位的影响 。但是 , 由于以上研究成果都是在 Te rra 和 地的变化最大 。由此 ,可以得出如下初步结论 :洞庭湖的核心区 A qua卫星升空后几年之内完成的 , MOD IS的观测序列还不够 ()即水体部分 面积呈逐年缩小趋势 ,过水洲滩湿地部分平均过 长 ,对观测数据的质量评估体系也不成熟 ,推荐的 NDV I分类阈 水时间缩短 。 值有调整的必要 。本文基于长系列的 MOD IS观测数据和较为 2表 1 洞庭湖水面及各类湿地面积统计 km 成熟的数据质量评估体系 ,重新确定了 NDV I阈值。在实地考

察和反复的分类尝试中认识到 ,对于洞庭湖这样植被丰富 、水位 年份 水体 泥沙滩地 草滩地 芦苇滩地 防护林滩地 总湿地面积 波动剧烈的湖泊 ,由于植被物候规律与湖泊水文规律的相互影 2000 835. 88 342. 00 646. 19 387. 19 313. 63 2524. 88 响 ,这一阈值在不同的季节应该取不同的值 。在综合考察洞庭 2001 702. 50 282. 06 282. 88 469. 25 602. 06 2338. 75 湖水文 、生态 、气候等条件之后 , 结合年尺度水面识别的成果 2002 650. 06 404. 63 401. 00 673. 44 496. 13 2625. 25 () 图 1 ,提出了如下方案 : 在冬季 ,植被稀少 ,湖泊水位很低 ,一 2003 768. 13 346. 25 454. 06 427. 63 557. 63 2553. 69 般无植被裸土的 NDV I在 0,0. 3 ,而水体的 NDV I在 0 以下 ,所 2004 508. 06 379. 25 350. 44 493. 63 691. 25 2422. 63 以冬季水体的 NDV I阈值应取为 0, NDV I > 0 的为裸土 , NDV I < 2005="" 577.="" 50="" 412.="" 69="" 482.="" 44="" 423.="" 13="" 577.="" 25="" 2473.="" 00="">

0的为水面 。在夏季 ,水热条件良好 ,湿地植物生长旺盛 ,如果 2006 446. 06 439. 94 250. 31 396. 94 858. 50 2391. 75 2007 560. 88 364. 19 499. 19 461. 56 640 . 50 2526 . 31 植被下方无水体 , NDV I应在 0. 8以上 。但由于这一时期也是汛

期 ,湖泊水位较高 ,一些水面上方有植被覆盖 ,这些地区的 NDV I

值较低 ,约在 0. 4 左右 ,这类地区的 NDV I在年内呈春秋高 、冬

夏低的“M ”型 。所以夏季的 NDV I阈值应该取为 0. 5 左右 , ND 2

V I > 0. 5的地区为有植被陆地 , 0 < ndv="" i="">< 0.="" 5="" 的地区为有植被="">

水体 , NDV I < 0="" 的为无植被水体。春季的情况较为复杂="" ,="" 一方="">

面 ,高程较低的洲滩刚有植被生长就已经被淹没 ,与裸土相比其

NDV I值更低 ;另一方面 ,高程较高的洲滩上植被刚刚开始生长 ,

其 NDV I值较裸土高 ,经过比较和尝试 ,本文选定 NDV I的阈值

为 0. 1 , NDV I > 0. 1为陆地 , 0 < ndv="" i="">< 0.="" 1为有植被水体="" ,="" ndv="">

I

< 0的为无植被水体="" 。="">

根据上述研究方法 ,对洞庭湖湿地逐月水面及湿地变化进

行了解译 。得到洞庭湖湿地面积变化过程 。此外 ,为了评估上

述方法的可信度 ,本文还与水位 —面积曲线法做了对比 。根据

图 3 洞庭湖湿地面积变化与年降雨量的关系 ()1995年的实测水位 —面积曲线 ,水位采用城陵矶 七里山 水文 表 2 洞庭湖 2000 年与 2007 年湿地面积差异分析 % 站的实测水位数据 ,将由遥感数据得到的水面面积与由实测水

位经水位面积曲线推算得到的水面面积进行对比发现 ,两者的 变更项目 水体 泥沙滩地 草滩地 芦苇滩地 防护林滩地 相关系数为 0. 81,说明本文提出的水面识别准则具有较高的可 水体 62. 05 1. 74 0. 11 0. 05 0. 08 信度 。 泥沙滩地 22. 64 36. 55 3. 24 0. 84 0. 06 经分析遥感观测得到的水面面积普遍比水文观测值偏大 , 草滩地 芦2. 10 28. 80 57. 08 3. 54 0. 10 苇滩地 防这显然不是随机误差引起的 。为了探究其原因 ,利用遥感观测 0. 93 19. 99 22. 61 28. 78 17. 28 护林滩地 得到的湖面面积反推水位 —面积曲线 ,并与 1995年实地测绘得 0. 04 3. 40 16. 65 63. 97 78. 28 未分类 面12. 24 9. 52 0. 32 2. 83 4. 21 到的水位 —面积曲线对比 ,结果如图 4所示 。 积增减 - 32. 90 6. 49 - 22. 75 19. 21 104. 23

3 月尺度的水面识别

在月尺度上 ,对每一时相的 MOD IS影像逐一分析 ,根据光

谱特征识别水面 。MOD IS的 36 个光谱通道中 ,分辨率达到 250

m 的只有 4个 ,分别是蓝光 、红光 、近红外和中红外波段 。其中

红光波段和近红外波段区分水体 、陆地 、植被的效果最好 ,蓝光

和中红外则用处不大 。其他波段分辨率为 500 m 或 1 000 m ,因

为分辨率较低 ,用于统计水面和湿地面积的误差较大 ,故没有采

用 。本文采用由红光和近红外波段合成的 NDV I数据 ,通过选

用恰当的阈值来区分水体 、湿地植被和陆地 。为了排除城区的

干扰 ,采用了在年尺度上得到的掩膜范围。

NDV I阈值的选取对水面识别成果的质量影响很大 。谭衢 [ 11 ]图 4 由两种方法得到的洞庭湖水位面积曲线对比 霖 以鄱阳湖为研究对象 , 通过人机交互确认 , 推荐 NDV I在

43 第 14期 龚 伟等 :基于 MOD IS数据的洞庭湖水面面积估算方法

从图 4可以看到 ,在同样水位下 ,遥感观测得到的水面面积 ,需要理论分析与实地踏勘相结合 ,视具体状况而定 。本文综 大

合了年尺度 NDV I序列非监督分类结果来确定 NDV I阈值 。确实更大一些 。但是当时 MOD IS的观测时间不够长 ,数据质量 评价体系尚不成熟 。本文采用长系列的观测数据 ,结合较为成 5 结 论 熟的数据质量评价体系 ,得到的结果显示 : 在同一水位下 ,基于

本文使用了两种方法分别在年尺度和月尺度上对洞庭湖水 遥感观测的水面面积要大于 1995 年水位 —面积曲线计算出的 [ 14 ]面面积进行识别和估算 。在年尺度上 , 使用 ISODA TA 算法对 面积 。这与彭定志等 指出的“退田还湖 ”后洞庭湖水面面积 2000,2007年洞庭湖湿地的 NDV I序列进行非监督分类 ,归曲线改变 ,相同水位下湖面面积增大 ,调蓄容量增加的结论是一 并 之后可以分为 5个类别 :浅水水体湿地 、泥沙滩地 、草滩地 、致的 。1998年大洪水后的“退田还湖 ”政策扩大了洞庭湖的容 芦苇 滩地和防护林滩地 。对分类结果进行差异探测分析 ,发积 ,应该是 2000,2007年间遥感观测的水面面积大于同一水位 现各湿 地类型都有转化为过水时间更短的类型的趋势 ,说明下由 1995年水位 —面积曲线推算面积的原因 。 洞庭湖水 4 讨 论 面面积逐年减小 。在月尺度上 ,使用 NDV I阈值法分类 ,结合年 尺度的分类成果 ,在不同的季节选取不同的 NDV I阈值 ,其结果 本文使用两种不同的方法 ,年尺度上的识别和估算 ,侧重于 与 1995年实测水位 —面积曲线推算的水面面积对比 ,相关系数 湿地植被状况的年际变化以不同年份间的对比为主 ,着重讨论 为 0. 81。NDV I阈值法识别的水体面积普遍比根据 1995 年实 湿地植被的演变趋势 ;月尺度上的识别和估算则侧重于对时效 测水位 —面积曲线推算的水面面积偏大 ,在同一水位下 ,基于遥 性的把握 ,着眼于洪水淹没范围的准确和实时监测 。两者的适 感观测的水面面积要大于 1995 年水位 —面积曲线计算出的面 用条件是不同的 ,前者相当于对湿地植被状况的野外调查与分 积 ,其原因可以认为是 1998 年大洪水后的“退田还湖 ”政策扩 析 ,后者相当于对湖区淹没范围的水文观测与分析 。 大了洞庭湖的水面面积和容积 。 在年尺度上使用非监督方法对 NDV I时间序列进行分类 ,

参考文献 : 虽然能够解释洞庭湖水面及周边湿地的年际变化 ,但也存在一 [ 1 ] 刘玉洁 , 杨忠东等. MOD IS遥感信息处理原理与算法. 北京 : 科学 出版社 , 2001. 些问题 。这一方法本身适用于分析物候规律明显的地区 ,但对 H ue te, A. , Ju stice, C. , and van L eeuwen, W. 1999. MOD IS vege2 [ 2 ] 于洞庭湖而言 ,由于物候和水文的相互作用 ,使上述方法的应用 () ( ta tion index MOD13 , A lgo rithm Theo retica l B a sis Docum en t A T2 受到局限 。其原因主要有以下两点 : ) BD . h ttp: / /mod is. gsfc. na sa. gov / da ta / a tbd / a tbd_mod13. p df ( ) 1 同一种农作物 ,每年的 NDV I变化过程都是几乎一致 Roy, D. P. , Bo rak, J. S. , D evad iga, S. , W o lfe, R. E. , [ 3 ] 的 ,但是对同一种湿地植物 ,其 NDV I变化不但受到本身物候的 Zheng, M. , D e sc lo itre s, J. The MOD IS land p roduc t qua lity asse ss2 控制 ,还受到湖泊水位的影响 。例如对湖滩草洲湿地 ,每年春季 ( ) m en t app roach. R emo te Sen sing O f Environm en t, 2002 , 3 , 62 - 和秋季植被生长旺盛 , NDV I很高 , 夏季水位上涨 , NDV I降低 。 76. 但是每年夏季水位上涨的时间不同 ,程度也不一样 ,这使得分类 Yi, Y. H. , Yang, D. W. , Chen, D. Y. , H uang, J. F. R e trie2 [ 4 ] 标准每年都不一样 。 ving c rop p hysio logica l p a ram e te rs and a ssessing wate r defic iency u sing

( ) MOD IS da ta du ring the w in te r whea t grow ing p e riod. Canad ian Jou rna l 2 对洞庭湖这样的天然湖泊湿地而言 ,导致 NDV I升高

( ) O f R emo te Sen sing, 2007 , 33 : 189 - 202. 的原因只有一种 ,就是植被茂盛 、长势良好 。但导致 NDV I降低

李小娟等. ENV I遥感影像处理教程. 北京 : 中国环境科学出版 的原因却可以归结为截然相反的两种 : ? 水量丰沛 ,湖泊水位 [ 5 ] 社 , 2007. 上涨淹没了洲滩植被 ; ?水量很少 ,湖泊水位下降 ,湿地植被由 水利部长江水利委员会. 长江防洪地图集. 北京 : 科学出版社 , [ 6 ] 于供水不足而枯萎死亡 。单纯从 NDV I的变化难以区分这两种 2001. 原因 ,必须结合水文与气象资料分析 。 柳易林. 洞庭湖湿地生态系统生态服务功能价值评估与生态功能 [ 7 ] 区划. 湖南 : 湖南师范大学 , 2005. 过水洲滩湿地的全年 NDV I序列呈 M 型 ,与一般农作物和

崔保山 , 杨志峰. 湿地学. 北京 : 北京师范大学出版社 , 2006.天然植被明显不同 。一般农作物与天然植被的 NDV I值往往在 中国气象科学数据共享网. h ttp: / / cdc. cm a. gov. cn /. [ 8 ] 夏季水热条件最好时达到一年中的最大值 , 全年 NDV I序列呈 杨大文 , 楠田哲也. 水资源综合评价模型及其在黄河流域的应 [ 9 ] 单峰型 。就过水洲滩湿地而言 ,由于汛期被水淹没 ,其 NDV I值 用. 北京 : 中国水利水电出版社 , 2005. [ 10 ] 谭衢霖. 鄱阳湖湿地生态环境遥感变化监测研究. 北京 : 中国科 反而低于春季和秋季 ,全年 NDV I序列呈 M 型 ,春秋高 ,夏季低。 () 学院研究生院 遥感应用研究所 , 2002. 所以 ,如果某一地区的来水丰沛 ,其夏季 NDV I却比春秋两季都 [ 11 ] 丁莉东 , 吴昊 , 王长健等. MOD IS图像湖泊水体信息的快速识别 低 ,基本可以确定该地在夏季被水淹没 。物候和水文的相互作 ( ) 与制图. 海洋测绘 , 2006 , 6 : 31 - 34.

顾中宇. 鄱阳湖水文特征分析及水体形态特征的遥感提取. 南 用导致过水洲滩湿地的 NDV I序列呈特有的 M 型曲线 。 [ 12 ] 昌 : 江西师范大学 , 2007. 在月尺度上采用 NDV I阈值法 , 可以与水文上常用的水

彭定志 , 徐高洪 , 胡彩虹等. 基于 MOD IS的洞庭湖面积变化对 [ 13 ] 位 —面积曲线法联合使用 。这种方法具有两大优点 : ?可以分 ( ) 洪水位的影响. 人民长江 , 2004 , 4 : 14 - 16. 辨具体的淹没范围 ,在大洪水造成堤垸决口时可以帮助确定受 彭定志 , 郭生练 , 黄玉芳等. 基于 MOD IS和 G IS的洪灾监测评 [ 14 ] 灾范围 ,而且方法简便快捷 ,不需要很多计算 ; ?在冬季枯水期 () ( ) 估系统. 武汉大学学报 工学版 , 2004 , 4 : 7 - 10. 由于水面比降变大 ,水位 —面积曲线会产生较大误差 ,一般而言 (编辑 :徐诗银 ) [ 15 ] 会低估水面面积 ,相比而言 NDV I阈值法不受影响 ,更加可信 。 此外 ,因为只需要单幅 NDV I影像 ,理论上这种方法可以做到每 天上午和下午卫星过境时各观测 1 次 ,相当于日尺度观测 。但 是这种方法也有缺点 , 主要是 NDV I阈值的确定对结果影响很

第 14期 A b strac t 93

MOD IS - ba sed wa ter surface area e st ima t ion m e thod

of the D ongt ing Lake

YAN G D a - w en GON G W ei Q ian Q un

()D ep a rtm en t of H yd rau lic Enginee ring, Tsinghua U n ive rsity, B e ijing 100084

A b stra c t: Two m e thod s fo r d iffe ren t tim e sca le s ba sed on the NDV I da ta p rovided by MOD IS / Te rra a re u sed fo r e stim a ting the wa te r su rface a rea of the L ake Dongting from 2000 to 2007. A t the annua l tim e sca le, the un sup e rvised c la ssifica tion m e thod of ISODA TA is app lied to the NDV I tim e se rie s. B a sed on the re su lt of c la ssifica tion wa te r su rface and va riou s we tland typ e s can be d istingu ished, and then the change s of the we tland s′a rea a re ana lyzed. A t the mon th ly tim e sca le, the 16 - day ave rage of NDV I da ta is u sed fo r iden tifying wa te r su rface, and d iffe ren t NDV I th re sho ld is se2 lec ted fo r d iffe ren t sea son s. The d iffe rence of wa te r su rface a rea ob ta ined from mon th ly tim e sca le NDV I da ta is comp a red w ith the wa te r su rface a rea de rived from the wa te r leve l - a rea cu rve. F ina lly, we d iscu ssed the advan tage and d isadvan2 tage of the two c la ssifica tion m e thod s a t annua l and mon th ly tim e sca le s.

Keyword s:wa te r su rface change; MOD IS; NDV I; un sup e rvised c la ssifica tion; Dongting L ake

D iscussion on wa ter leve l for f lood con trol a t Chengl ingj i

Y I Fang - hu i ()B u reau of W a te r R e sou rce s P ro jec t M anagem en t of the Dongting L ake, H unan P rovince, Changsha 410007 , Ch ina

The con tro l wa te r leve l of Chenglingji is no t on ly fo r de sign of d ike s bu t a lso fo r regu la tion of flood sto r2 A b stra c t:

age p ro jec t fo r a long tim e, wh ich ha s a lways been a hea ted deba te focu s in flood con tro l of m idd le Yangtze R ive r. F rom the a sp ec t of ana lyzing cha rac te ristic s of flood con tro l of Yangtze R ive r unde r cu rren t the R ive r - lake re la tion, ba sed on ve sted layou t of flood con tro l system of m idd le Yangtze R ive r, com b in ing the effo rt of regu la tion of Th ree Go rge s R e se r2 vo ir, the sep a ra tion of wa te r leve l fo r de sign of d ike and regu la tion of flood sto rage p ro jec t is p u t fo rwa rd acco rd ing to sim 2 u la tion re su lts and p rac tica l wa te r regim e. The h isto rica l h ighe st wa te r leve l 35. 80 m is adop ted to be the p re sen t flood con tro l wa te r leve l of L ianhua tang, and the wa te r leve l fo r regu la tion of flood sto rage p ro jec t shou ld be 34. 4 m to 35. 80 m.

Keyword s: flood con tro l wa te r leve l; flood d ive rsion wa te r leve l; con tro l leve l; Chenglingji

Appl ica t ion re search on com pen sa ted tran sfer

of wa ter r ight in the D ongt ing Lake area

12 X IAN G Z hao - hu iL IU Pan

( 1. W a te r R e sou rce s D ep a rtm en t of H unan P rovince, Changsha 410007 , Ch ina; 2. Sta te Key L abo ra to ry of W a te r R e sou rce s and H yd ro2

)powe r Enginee ring Sc ience, W uhan U n ive rsity, W uhan 430072 , Ch ina

A b stra c t: The p re sen t situa tion of wa te r re sou rce s of Dongting L ake A rea is ana lyzed and the exiting p rob lem s a re po in ted ou t a s we ll. It is p u t fo rwa rd tha t comp en sa ted tran sfe r of wa te r righ t shou ld be ca rried ou t in Dongting L ake A rea and the fo rm a tion of wa te r righ t m a rke t shou ld be p romo ted, th rough wh ich wa te r re sou rce s cou ld be op tim a lly a lloca ted and a lso m anagem en t sk ills, effic iency and benefit of u tiliza tion of wa te r re sou rce s cou ld be imp roved. The con trad ic tion induced by the R ive r - lake re la tion cou ld be coo rd ina ted by exte rna l comp en sa tion m echan ism. The idea s and app roa2 che s fo r fund ra ising fo r wa te r con se rvancy con struc tion and reac tion to op e ra tion s of re se rvo irs such a s Th ree Go rge s R e s2 e rvo ir a re p rovided, wh ich cou ld a llevia te sho rtage of wa te r re sou rce s in Dongting L ake a rea.

Keyword s:wa te r re sou rce s; wa te r righ t m a rke t; wa te r righ t tran sfe r; Dongting L ake a rea

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