利用TM影像测定丰宁县境内滦河长度及水域面积

摘 要：河流流域长度及水域面积是水资源勘察的重要内容之一，也是水域变化、洪水淹没范围及灾后评估的重要手段，可以为河流治理提供科学决策依据。该研究选用2013年Landsat-TM影像，ERDAS环境非监督分类，GPS定位校正，计算丰宁县境内滦河长度及水域面积。结果表明，丰宁境内的滦河水域面积为9.05 km2，境内水域长度102.84 km。与传统方法比较，TM影像法花费人力和物力较少，时效性、动态性、客观性和实用性强，为滦河总长度和总流域面积测定提供一种可借鉴的方法。

关键词：丰宁县 滦河 水域面积 Landsat-TM 水体提取 非监督分类

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0180-02

滦河是华北地区第二条大河，古称濡河，唐朝末年改称滦河。滦河发源于河北省丰宁县西北巴彦图古尔山麓，流经内蒙古高原、承德坝上草原和燕山山区，于迁西县北潘家口穿过长城进入唐山市，至滦县穿京沈铁路出山进入平原，于乐亭县兜网铺注入渤海。

丰宁是滦河的发源地，利用遥感影像对滦河流域总长及区域内地表水域面积的测定未发现完整的历史资料记载。传统的人工测定方法需要花费较大的人力和物力，受自然和人为干扰因素影响大，时相性差，难以达到较高的精确度。利用Landsat TM遥感影像提取水体信息，有很多人做了研究，主要是单波段阈值法和多波段增强阈值法。单波段阈值法是根据影像单个波段中水体值低于或高于其他地物值，设定阈值提取水体信息，但由于水体与非水体之间的过渡区被忽略，无法提取细小水体。多波段增强阈值法被国内外广泛应用，1996年McFeeter借鉴NDVI（归一化植被指数），提出了“归一化差异水体植被指数NDWI（Normalized Difference Water Index）”，但这一方法只考虑植被因素，没有考虑土壤和建筑物的因素，所以提取植被水体仍然存在缺陷。就目前而言，水体信息的提取并没有较为系统和典型的方法。

该研究以2013年11波段的较高空间分辨率的TM影像为主要数据源，对丰宁境内的滦河水域面积和流域长度进行提取试验研究，并试图为将来进行滦河流域总长度和总流域面积测定提供一种借鉴的方式方法。

1 研究方法

1.1 研究区域

该研究中的滦河流域范围，是指外沟门乡-四岔口乡-苏家店乡-丰宁隆化县边界的主干流（图1）。

1.2 TM影像的获取及处理

采用2010年、2013年两期8月份Landsat-TM影像（农业部全国畜牧总站），空间分辨率为30 m。为突出时效性，以2013年影像为主，2010年影像主要提供参考对照值。2013年8月的遥感影像有11个波段，2010年8月的影像有8个波段。ERDAS环境下，遥感影像处理的基本步骤是：融合波段（Layer stack）图像镶嵌（Mosaic images）坐标系统、投影转换（Coordinate transformation，add/change projection）。

投影采用的是阿尔伯斯等积圆锥投影（Albers Equal Area Conic），坐标系统为地心坐标系（World Geodetic System of 1984，WGS84），坐标单位为m。在GPS接收机的初始设置中，定位信息基于WGS84坐标系统进行换算，显示的经纬度值也是基于WGS84椭球体模型。

1.3 地面调查数据

2014年6月～8月，GPS定位采集了丰宁境内滦河流域110个坐标点，主要用于滦河流域流向位置校正，尤其是在遥感影像中云雾遮挡区域。

1.4 设置、切割TM影像研究区域

为准确地对滦河流域进行分类，限定目标因子，减少干扰因子，将处理好的遥感影像针对丰宁滦河流域的主干流域部分设置了AOI（感兴趣区域），然后用ERDAS subset（分割）指令把AOI区域切割下来，在AOI区域内进行非监督分类。

1.5 非监督分类（Unsupervised classification）

按照像元的光谱特性进行统计分类，原始图像的所有波段都参与分类运算，分类结果基本是各类像元大体等比例。由于人为干扰较少，分类过程的自动化程度较高。利用非监督分类的主要目的是提取计算滦河水体的区域面积值。

分类结果出来后，水体确定以影像中的牛圈子坝水库明显水体为特征样本，用ERDAS的Start/Update inquire cursor工具定位标定后，在Raster Attibute Editor赋予水体类为蓝色。

1.6 数据校正

用GPS对整个研究区域的拐点采集了110个坐标点，在ArcGIS环境下利用Add xy Data工具投放在遥感影像中作为校正和指示点，避免出现偏离滦河流域线路，并通过坐标指示点，结合目视解译法剔除非水体像元，保证滦河长度和水域面积数据的准确性。

2 结果与讨论

2.1 地表水域面积

该研究的水域面积是指在滦河河床可见的流动水域面积，流域长度是指滦河河床内可见流动水域长度。TM影像每个像元面积为900 m2（30×30 m），丰宁境内滦河地表水域由非监督分类计算得出该水面的像元数为10054个，折合9.05 km2。（缺少计算过程，非专业人士很难明白这组数据）。

在传统的对水系进行目视解译提取中，季节性河流在雨量充沛时，遥感影像表现出是有水河道的特点，可以充分利用水体的光谱特征与形态特征提取水系网，对无水河段采取形态特征和其他光谱学特征对水系提取，但目视解译工作量大。刘建波等利用TM影像短波红外波段（第七波段）来提取水库水面。王国兴等利用TM影像近红外波段记性二值化，估计水体面积。单波段法虽然使用简便，但难以消除影像中山体阴影的影响。该研究在ERDAS环境下采取了多波段非监督分类方法，自动从影像中分离出水体，通过不同波段的优势组合，从非监督分类结果中剔除其它地物信息，突出水体信息。

2.2 河流长度

河流长度是在ArcGIS系统中进行的。在该系统当中进行距离量算的前提是数据有空间参考信息（该研究为经过投影的投影坐标）。有了空间参考之后，矢量文件每个点都有自己的X，Y坐标，进行距离量算的时候，ArcGIS就是根据这些坐标计算距离的。

传统的计算河流长度的方法是人工测量或用地形图比例尺在图面勾划得出结果，这两种方法的弊端在于费时费力，尤其在地形图上勾划，受地形图时相的限制，难以准确勾划出同时相河流的确切走向。利用遥感影像结合地理信息系统进行河流长度计算，能够比较准确的反映河流的走向，提高计算的准确度。提高计算准确度的另一因素是遥感影像必须纠正、配准精确，再用GPS点进行参考修正。计算的长度为水平距离，即地面两点间的连线投影在水平面上的长度。

3 结语

该研究利用较新时相的TM遥感影像，对丰宁境内滦河水体信息的提取属于专题信息提取，主要提取水体的轮廓和面积，以确定研究区的面积和长度。通过遥感影像计算提取的丰宁境内滦河水域面积及河流长度数据结果，是遥感影像卫星拍摄时期（2013年8月）的丰宁境内滦河水域的同时项数据。影像中水体的提取主要依据是水体的光谱特性，水体的光谱特性主要取决于水体本身的物质组成，同时又受到各种水态的影响。为从遥感影像中准确提取水体，采取目视解译、对重要水域用GPS定位以及用样本特征进行比对等综合方法，从而校正影像中对水体的误提取，保证提取水体的准确性。

该研究具有时效性、动态性、客观性和实用性，感测范围大、信息量大，且对被调查对象不产生破坏，花费人力和物力较少，适用于大范围的资源调查与研究。存在的问题是受气温、降水、季节（汛期、凌期、结冰期）、人为的修筑堤坝和引水灌溉等多方面因素对研究结果造成一定影响。

参考文献

[1] 刘建波，戴昌达.TM影像在大型水库库情监测管理中的应用[J].环境遥感，1996，1（1）：54-58.

[2] 王国兴，李士鸿.应用遥感资料获取库区水下地形的方法研究[J].海河大学学报，1998，26（6）：91-94.