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摘要：随着淮安市城市化进程不断加快，淮安市城市用水和人均用水量的不断增加。为了更好的了解淮安市水域面積的变化，本文选取了淮安市洪泽县为本次的实验研究区，选取了2013年至2018年期间3至5月份的landsat8遥感影像，并对其进行动态监测和分析。由于洪泽县气候干旱，人类大量砍伐林木，破坏植被，水土流失淤积，地表储水能力下降。政府随后加大对洪泽湖水域的管理力度，积极实行退田还湖，进而造成了洪泽县的水域面积呈先减少后增加的趋势。
关键词：洪泽县;landsat8;动态监测
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-01-304
引言
中国是传统农业大国， 水是农业之命脉， 中华民族五千年的农业文明史既是一部改造自然获取食物的耕耘史， 也是一部与自然抗争的水建史[1]。随着社会经济的快速发展， 城市用水量越来越大，且污染也越来越严重，水资源短缺和水环境恶化问题日益显现出来，这就要求我们要保护水资源。而且水资源是一种重要的自然资源，关系到社会经济可持续发展和生态环境建设。对水体面积的统计分析和动态监测有助于江苏省对省域范围内的水体统一管理、保护和合理利用。传统的水体面积监测主要依据布设的监测站网通过地面人工或自动监测手段获取点上信息[2]。其监测精度较高，但是站网布设成本大，大面积水库的水体监测站点严重不足，无法获取面上信息。遥感技术具有范围广、速度快、周期短、受限条件少和信息量大等优点，广泛应用于陆表生态环境关键要素提取和动态监测、测绘制图、城市管理、灾害监测与管理和精细农业等领域[3]。以其独有的宏观、快速、可视化等优势，已成为水体监测的一种有效手段。
近年来，随着洪泽县经济的快速发展，城市用水和人均用水量大步提升，导致了水资源紧缺与城市发展之间的矛盾极为突出，因此水体面积监测尤为重要。本文以江苏省淮安市洪泽县为例，对其水体分析，水体面积统计和动态监测。随着全球对地观测系统的建立以及航天技术遥感信息的快速发展，遥感技术以其实时性、周期性、宏观性及综合性等特点，为湖泊水体的准确快速监测提供了可能[4]。
1 研究区概况
洪泽区，隶属江苏省淮安市，位于江苏省中部，洪泽湖东畔，因湖设置，借湖得名。介于东经118°28'-119°9'、北纬33°02'-34°24'间，西与泗洪县、泗阳县隔湖相望，东与淮安区、宝应县、金湖县水陆相依，南与盱眙县毗邻，北与淮阴区、清江浦区接壤;属暖温带向亚热带的过渡性气候。全区总面积1394平方公里，辖3个街道、6个镇，其中最大的湖泊为洪泽湖大部分区域，主要归江苏省洪泽县管理，此外白马湖部分区域也在洪泽县行政范围之内，四面环水，因洪泽县水域面积较大更具有代表意义影像清晰易辨别，可以作为本次研究对象。
2 研究数据与预处理
2.1 研究数据
由于高分辨率的遥感数据精度高，但数据获取成本高，而低分辨率的遥感数据分辨率不满足研究精度要求，故选取Landsat8卫星于2013-2018年3月至5月拍摄的条代号为120行编号为37的影像，Landsat8卫星一共有11个波段，除第10和第11波段分辨率为100m，第8波段分辨率为15m，其他波段分辨率都为30m。影像从地理数据云网站下载（http：//www.gscloud.cn/），影像质量完好，云量均小于1%。由于湖泊分为汛水期和平水期，且江南地区梅雨季节空气水汽大，为避免是相差异引起的湖泊面机变化的偶然误差的影响，本次实验以3-5月landsat8 OLI四景影像进行研究，其具体信息如表1，研究区概况如图1。
2.2 影像预处理
研究采用数据以2013-2018年洪泽县Landsat 8遥感影像进行预处理分析。湖泊作为大面积水体区域，通过辐射定标可减少空气中水汽对影像的影响[5]。为减小图像成像过程中非系统因素产生的误差，选取实地监测地面点对图像进行几何纠正。选择信息量大、利于水体提取的波段进行合成、成图[6]。其中图像预处理主要包括辐射定标、大气校正和影像裁剪。辐射定标灰度值转换为辐射亮度或反射率，具有物理意义，不同传感器或同一传感器不同日期产生的图像需要进行定标后才能相互比较。在对影像进行大气校正之前必须检查各个单景图像的质量，例如是否有条带或噪声，波段之间是否有配准问题。如果有，则分别需要进行去条带、去噪声和波段配准等图像预处理工作。大气校正的作用是消除大气散射引起的辐射误差，使我们获得的信息更加精确，得到研究区的影像如图2：
3.水体提取
3.1水体提取原理及方法
不同地物由于自身对太阳光的吸收和反射程度不同以及地物间性质的差异，导致了它们在卫星传感器上记录的电磁波谱信息也各不相同。天然水体在0.4～2.5μm的吸收明显高于大多数其他地物，因此其反射率在这个波段范围都很低，可见光范围大都在3%左右，在彩色遥感影像上表现为暗色调;在红外波段，水体吸收的能量高于可见光波段即使水很浅，水体也几乎全部吸收了全部入射能量，所以水体在近红外及中红外波段的反射能量很少，而植被、土壤在这两个波段内有较高的反射特性，这使得水体在这两个波段上与植被和土壤有明显的区别。反映在影像上，水体呈现出暗色调，而土壤植被则相对较亮[7]。
水体提取主要是对水域信息的识别和提取，即通过一定的规则和方法，将水域信息与非水域信息相互区别开来，两类信息的分离程度和准确性是评价水域信息提取的主要判断标准[8]。比较常用的有单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法、比值法、差值法等。
受NDVI归一化差异植被指数的启发，Mcfeeters提出了一种算法：归一化差异水体指数 NDWI（NormalizedDifferenceWaterIndex）.该方法的核心思想是，通过分析多光谱影像各波段内水体的反射特征，找出水体反射的最强和最弱波段，通过一定的比值运算方式，进一步突出二者之间的差距，从而达到使水体信息更加突出的目的.但易受到陆地上的裸地信息的影响，不利于水体提取的效果及精度，基于NDWI指数的研究，徐涵秋在城市水 信息提取的研究中引入了另一个重要的地物类型———土壤/建筑物，综合分析了水体信息与土壤/建筑物在影像中的波谱特征，提出了改进 的归一化差异水体指数MNDWI（ModifiedNor-malizedDifferenceWaterIndex）.其公式为：MNDWI=（b3-b6）/（b3+b6） 公式1 其中：b3是指绿色波段、b6是指中红外波段，分别对应Landsat8OLI影像中的第三和第六波段。利用ENVI軟件将四年的影像分别进行MNDWI算法计算，选取合适的阈值来提取水体，进而得到水体指数影像。
3.2 监督分类
监督分类又称训练场地法、训练分类法，是以建立统计识别函数为理论基础、依据典型样本训练方法进行分类的技术。也是遥感图像分类的一种，即用被确认类别的样本像元去识别其他未知类别像元的过程。已被确认类别的样本像元是指那些位于训练区的像元。在这种分类中，分析者在图像上对每一种类别选取一定数量的训练区，计算机计算每种训练样区的统计或其他信息，每个像元和训练样本作比较，按照不同规则将其划分到和其最相似的样本类。监督分类可分两个基本步骤：选择训练样本和提取统计信息，以及选择分类算法。监督分类的方法主要有9种：平行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然、波谱角分类、波谱信息散射、二进制编码、神经网络和支持向量机。
本次实验通过MNDWI运算的水体指数影像建立感兴趣区，并采用平行六面体法进行监督分类，其分类结果如图3所示：
根据分类监督后的分类图，利用ENVI软件进行水域面积的统计，得到各年份的水域面积统计如表2所示：
3.3结果分析
研究结果表明，洪泽县水域面积在2013-2018年有减有增。根据表2统计的数据显示，与2013年相比，2014年水域面积减少了34.854km2，随后2016年又增加到2013年差不多的水域面积。2016-2018年水域面积又持续增加，整体面积相对增加了15.6639km2，其中2014年减少到最小值。影响湖体水面面积大小的几个因素：降水量，蒸发量，排放水量以及湖床横切面的形状等[9]人为因素主要包括工程建设、水库的调蓄、人类活动对生态环境的影响等[10]。
由图4的折线图可以直观的看出，洪泽县水域面积在监测年限间整体处于先缩小后上升的趋势。南部淮河作为洪泽湖第一大入湖河流，河流入水区域明显减少，入湖量严重不足导致湖泊面积缩小。结合有关资料可知，2014上半年特别是夏季，全国大范围内呈现高温少雨的现象，入湖地表径流淮河等来水减少，洪泽湖也一直处于低水头运行趋势。结合有关资料，政府加大对洪泽湖水域的管理力度，积极实行退田还湖，肆意圈围开发现象减少，这也是洪泽县水域面积有所回升的另一大原因。表明自然与人类之间的矛盾有所缓解，期间的和谐程度已显著提升[11]。而2013-2014年水域面积总体呈现下降趋势，上游淮河入湖水量明显减少，南水北调东线工程的实施，洪泽湖作为输水线，非汛期正常水位得到抬升，调蓄库容明显增加，从另一方面反映了洪泽湖水域面积因为南水北调东线工程得到提高。
4 结论
本文选择2013 -2018年中4期影像对洪泽县水城面积进行了研究，主要得出以下结论：
（1）在排除季节因素、汛期因素等影响的情况下。对研究区水域面积变化进行研究，由统计结果可知在研究期间，水域面积呈现先下降后上升的趋势，主要原因是2014年夏旱的发生，入湖地表径流淮河等来水减少。
（2）研究区域中的洪泽湖作为中国最大的平原水库型湖泊，淮河流域的水利枢纽，历史上，洪泽湖积水面积一直处在萎缩与扩张的动态变化中。近年来，随着经济快速发展以及人类活动的日益增加，围湖造田、滥砍滥伐、肆意用水，洪泽湖出现了部分区域大面积水位下降、蓄水量减少和水污染等严重问题，这些问题已经严重制约到湖泊的可持续发展，也是制约湖区经济发展不可忽略的因素。与传统人工调查方式相比较，利用遥感技术可以获取准确的水域信息，能有效节省人力物力，大大提升信息获取的效率，为洪泽湖水域及其周边环境变化动态研究提供数据支持。
（3）受到数据来源的限制，研究仅选取2013-2018年间的4期影像，数据序列短，数据偏少，结论的可靠性还有待进一步验证。
参考文献
[1]马进霞.1949-1965年甘肃河西地区农田水利建设述评[D].兰州：西北师范大学， 2012.
[2]朱鹤.遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究[D].北京：中国水利水电科学研究院， 2013.
[3]肖茜，杨昆，洪亮.近30a云贵高原湖泊表面水体面积变化遥感监测与时空分析[J].湖泊科学，2018，30（4）：1083-1096.
[4]崔亮，李永平，黄国和，曾雪婷.基于Landsat-TM影像的洞庭湖水面动态变化[J].南水北调与水利科技，2015，13（01）：63-66+107.
[5]伏蝶，岳建平，基于Landsat影像的洪泽湖水面面积及其变化分析[J].甘肃科学学报，2019，31（02）：35-39.
宿州学院 安徽 宿州 234000
关键词：洪泽县;landsat8;动态监测
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-01-304
引言
中国是传统农业大国， 水是农业之命脉， 中华民族五千年的农业文明史既是一部改造自然获取食物的耕耘史， 也是一部与自然抗争的水建史[1]。随着社会经济的快速发展， 城市用水量越来越大，且污染也越来越严重，水资源短缺和水环境恶化问题日益显现出来，这就要求我们要保护水资源。而且水资源是一种重要的自然资源，关系到社会经济可持续发展和生态环境建设。对水体面积的统计分析和动态监测有助于江苏省对省域范围内的水体统一管理、保护和合理利用。传统的水体面积监测主要依据布设的监测站网通过地面人工或自动监测手段获取点上信息[2]。其监测精度较高，但是站网布设成本大，大面积水库的水体监测站点严重不足，无法获取面上信息。遥感技术具有范围广、速度快、周期短、受限条件少和信息量大等优点，广泛应用于陆表生态环境关键要素提取和动态监测、测绘制图、城市管理、灾害监测与管理和精细农业等领域[3]。以其独有的宏观、快速、可视化等优势，已成为水体监测的一种有效手段。
近年来，随着洪泽县经济的快速发展，城市用水和人均用水量大步提升，导致了水资源紧缺与城市发展之间的矛盾极为突出，因此水体面积监测尤为重要。本文以江苏省淮安市洪泽县为例，对其水体分析，水体面积统计和动态监测。随着全球对地观测系统的建立以及航天技术遥感信息的快速发展，遥感技术以其实时性、周期性、宏观性及综合性等特点，为湖泊水体的准确快速监测提供了可能[4]。
1 研究区概况
洪泽区，隶属江苏省淮安市，位于江苏省中部，洪泽湖东畔，因湖设置，借湖得名。介于东经118°28'-119°9'、北纬33°02'-34°24'间，西与泗洪县、泗阳县隔湖相望，东与淮安区、宝应县、金湖县水陆相依，南与盱眙县毗邻，北与淮阴区、清江浦区接壤;属暖温带向亚热带的过渡性气候。全区总面积1394平方公里，辖3个街道、6个镇，其中最大的湖泊为洪泽湖大部分区域，主要归江苏省洪泽县管理，此外白马湖部分区域也在洪泽县行政范围之内，四面环水，因洪泽县水域面积较大更具有代表意义影像清晰易辨别，可以作为本次研究对象。
2 研究数据与预处理
2.1 研究数据
由于高分辨率的遥感数据精度高，但数据获取成本高，而低分辨率的遥感数据分辨率不满足研究精度要求，故选取Landsat8卫星于2013-2018年3月至5月拍摄的条代号为120行编号为37的影像，Landsat8卫星一共有11个波段，除第10和第11波段分辨率为100m，第8波段分辨率为15m，其他波段分辨率都为30m。影像从地理数据云网站下载（http：//www.gscloud.cn/），影像质量完好，云量均小于1%。由于湖泊分为汛水期和平水期，且江南地区梅雨季节空气水汽大，为避免是相差异引起的湖泊面机变化的偶然误差的影响，本次实验以3-5月landsat8 OLI四景影像进行研究，其具体信息如表1，研究区概况如图1。
2.2 影像预处理
研究采用数据以2013-2018年洪泽县Landsat 8遥感影像进行预处理分析。湖泊作为大面积水体区域，通过辐射定标可减少空气中水汽对影像的影响[5]。为减小图像成像过程中非系统因素产生的误差，选取实地监测地面点对图像进行几何纠正。选择信息量大、利于水体提取的波段进行合成、成图[6]。其中图像预处理主要包括辐射定标、大气校正和影像裁剪。辐射定标灰度值转换为辐射亮度或反射率，具有物理意义，不同传感器或同一传感器不同日期产生的图像需要进行定标后才能相互比较。在对影像进行大气校正之前必须检查各个单景图像的质量，例如是否有条带或噪声，波段之间是否有配准问题。如果有，则分别需要进行去条带、去噪声和波段配准等图像预处理工作。大气校正的作用是消除大气散射引起的辐射误差，使我们获得的信息更加精确，得到研究区的影像如图2：
3.水体提取
3.1水体提取原理及方法
不同地物由于自身对太阳光的吸收和反射程度不同以及地物间性质的差异，导致了它们在卫星传感器上记录的电磁波谱信息也各不相同。天然水体在0.4～2.5μm的吸收明显高于大多数其他地物，因此其反射率在这个波段范围都很低，可见光范围大都在3%左右，在彩色遥感影像上表现为暗色调;在红外波段，水体吸收的能量高于可见光波段即使水很浅，水体也几乎全部吸收了全部入射能量，所以水体在近红外及中红外波段的反射能量很少，而植被、土壤在这两个波段内有较高的反射特性，这使得水体在这两个波段上与植被和土壤有明显的区别。反映在影像上，水体呈现出暗色调，而土壤植被则相对较亮[7]。
水体提取主要是对水域信息的识别和提取，即通过一定的规则和方法，将水域信息与非水域信息相互区别开来，两类信息的分离程度和准确性是评价水域信息提取的主要判断标准[8]。比较常用的有单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法、比值法、差值法等。
受NDVI归一化差异植被指数的启发，Mcfeeters提出了一种算法：归一化差异水体指数 NDWI（NormalizedDifferenceWaterIndex）.该方法的核心思想是，通过分析多光谱影像各波段内水体的反射特征，找出水体反射的最强和最弱波段，通过一定的比值运算方式，进一步突出二者之间的差距，从而达到使水体信息更加突出的目的.但易受到陆地上的裸地信息的影响，不利于水体提取的效果及精度，基于NDWI指数的研究，徐涵秋在城市水 信息提取的研究中引入了另一个重要的地物类型———土壤/建筑物，综合分析了水体信息与土壤/建筑物在影像中的波谱特征，提出了改进 的归一化差异水体指数MNDWI（ModifiedNor-malizedDifferenceWaterIndex）.其公式为：MNDWI=（b3-b6）/（b3+b6） 公式1 其中：b3是指绿色波段、b6是指中红外波段，分别对应Landsat8OLI影像中的第三和第六波段。利用ENVI軟件将四年的影像分别进行MNDWI算法计算，选取合适的阈值来提取水体，进而得到水体指数影像。
3.2 监督分类
监督分类又称训练场地法、训练分类法，是以建立统计识别函数为理论基础、依据典型样本训练方法进行分类的技术。也是遥感图像分类的一种，即用被确认类别的样本像元去识别其他未知类别像元的过程。已被确认类别的样本像元是指那些位于训练区的像元。在这种分类中，分析者在图像上对每一种类别选取一定数量的训练区，计算机计算每种训练样区的统计或其他信息，每个像元和训练样本作比较，按照不同规则将其划分到和其最相似的样本类。监督分类可分两个基本步骤：选择训练样本和提取统计信息，以及选择分类算法。监督分类的方法主要有9种：平行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然、波谱角分类、波谱信息散射、二进制编码、神经网络和支持向量机。
本次实验通过MNDWI运算的水体指数影像建立感兴趣区，并采用平行六面体法进行监督分类，其分类结果如图3所示：
根据分类监督后的分类图，利用ENVI软件进行水域面积的统计，得到各年份的水域面积统计如表2所示：
3.3结果分析
研究结果表明，洪泽县水域面积在2013-2018年有减有增。根据表2统计的数据显示，与2013年相比，2014年水域面积减少了34.854km2，随后2016年又增加到2013年差不多的水域面积。2016-2018年水域面积又持续增加，整体面积相对增加了15.6639km2，其中2014年减少到最小值。影响湖体水面面积大小的几个因素：降水量，蒸发量，排放水量以及湖床横切面的形状等[9]人为因素主要包括工程建设、水库的调蓄、人类活动对生态环境的影响等[10]。
由图4的折线图可以直观的看出，洪泽县水域面积在监测年限间整体处于先缩小后上升的趋势。南部淮河作为洪泽湖第一大入湖河流，河流入水区域明显减少，入湖量严重不足导致湖泊面积缩小。结合有关资料可知，2014上半年特别是夏季，全国大范围内呈现高温少雨的现象，入湖地表径流淮河等来水减少，洪泽湖也一直处于低水头运行趋势。结合有关资料，政府加大对洪泽湖水域的管理力度，积极实行退田还湖，肆意圈围开发现象减少，这也是洪泽县水域面积有所回升的另一大原因。表明自然与人类之间的矛盾有所缓解，期间的和谐程度已显著提升[11]。而2013-2014年水域面积总体呈现下降趋势，上游淮河入湖水量明显减少，南水北调东线工程的实施，洪泽湖作为输水线，非汛期正常水位得到抬升，调蓄库容明显增加，从另一方面反映了洪泽湖水域面积因为南水北调东线工程得到提高。
4 结论
本文选择2013 -2018年中4期影像对洪泽县水城面积进行了研究，主要得出以下结论：
（1）在排除季节因素、汛期因素等影响的情况下。对研究区水域面积变化进行研究，由统计结果可知在研究期间，水域面积呈现先下降后上升的趋势，主要原因是2014年夏旱的发生，入湖地表径流淮河等来水减少。
（2）研究区域中的洪泽湖作为中国最大的平原水库型湖泊，淮河流域的水利枢纽，历史上，洪泽湖积水面积一直处在萎缩与扩张的动态变化中。近年来，随着经济快速发展以及人类活动的日益增加，围湖造田、滥砍滥伐、肆意用水，洪泽湖出现了部分区域大面积水位下降、蓄水量减少和水污染等严重问题，这些问题已经严重制约到湖泊的可持续发展，也是制约湖区经济发展不可忽略的因素。与传统人工调查方式相比较，利用遥感技术可以获取准确的水域信息，能有效节省人力物力，大大提升信息获取的效率，为洪泽湖水域及其周边环境变化动态研究提供数据支持。
（3）受到数据来源的限制，研究仅选取2013-2018年间的4期影像，数据序列短，数据偏少，结论的可靠性还有待进一步验证。
参考文献
[1]马进霞.1949-1965年甘肃河西地区农田水利建设述评[D].兰州：西北师范大学， 2012.
[2]朱鹤.遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究[D].北京：中国水利水电科学研究院， 2013.
[3]肖茜，杨昆，洪亮.近30a云贵高原湖泊表面水体面积变化遥感监测与时空分析[J].湖泊科学，2018，30（4）：1083-1096.
[4]崔亮，李永平，黄国和，曾雪婷.基于Landsat-TM影像的洞庭湖水面动态变化[J].南水北调与水利科技，2015，13（01）：63-66+107.
[5]伏蝶，岳建平，基于Landsat影像的洪泽湖水面面积及其变化分析[J].甘肃科学学报，2019，31（02）：35-39.
宿州学院 安徽 宿州 234000