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摘要：本项目以国产高分卫星影像为主要数据源，以深圳铁岗、石岩水库为研究对象，在高分卫星影像监测应用的现有技术基础上，攻关水库区域水体、植被和建筑动态监测的关键技术，实现利用高分卫星影像对水库区水源保护区的常态化监测的目标。
关键词：水库区域；高分卫星遥感；调查方法
1引言
遥感技术在国土资源管理等领域应用广泛，相比于传统方式，它具有成本低、效率高等优势，可克服传统手段的不足。国产高分遥感卫星的升空，能为用户提供更精细的地面遥感信息，极大地推动遥感技术在各项领域的应用。在深圳水务工程领域，高分卫星数据能在水库区域水资源与生态环境状况调查、供水线路工程的动态监测、水土保持监测等领域发挥重要作用。因此，有必要开展针对性的关键技术研究工作，消除高分数据在水务应用中的技术障碍，并探索科学的应用管理方式，为推广应用打下坚实基础，从而加强遥感技术在深圳水务中的应用，进一步提升深圳市水务管理水平。
2 研究目的
研究利用国产高分卫星数据（GF-1、GF-2）对铁岗、石岩水库一、二级水源保护区及其水域范围（如图1所示）的水域面积、植被分布、建筑物分布、工程建设等地物类型快速、自动提取的技术方法，为水库区地表覆盖的调查和更新奠定基础。同时利用 SAR 影像的成像特点，结合DEM信息去除影像阴影，并快速、准确地提取水体、水域面积等信息。
3水库区域遥感调查方法与流程
3.1 水库区遥感调查方法
3.1.1 水库区地物调查方法
由于水库水体面积的变化在遥感影像上的变化较为微弱，且传统光谱指数的提取方法存在一定误差，对变化较小的完整边界的提取难以完成，故依靠分辨率更高的全色波段影像对库区水体轮廓进行识别，以实现准确提取水库区域中水域面积及边界信息。目前最常用的自动化提取技术，是通过边缘检测来获得水库的大体轮廓之后，通过形态学膨胀腐蚀处理形成完整的边界轮廓，对轮廓的查找与筛选之后，将图像中出现的各种边界进行编号存储，并在其中消除部分輪廓中存在的内包轮廓，之后根据水体区域的大小、大致形态等先验知识确定轮廓的权属与类别，最后实现勾选轮廓的定位与属性赋值。
通过影像分析和现场调查核实，可以发现铁岗、石岩水库一、二级水源保护区中地表覆盖类型以水体和植被为主，此外还有人工构筑物或建设用地，如图2所示。
图2表明，地表开放水体、植被和建筑用地是水库水源区内的主要地表覆盖物。因此，对于铁岗水库和石岩水库一、二级水源保护区主要地表覆盖物的调查对象认定为地表开放水体和植被覆盖物。
本项目对比研究了遥感影像分类和专题指数提取两种方法在铁岗、石岩水库水源保护区地表覆盖物提取中的应用，并最终确定了适合国产高分卫星影像在水库区地表开放水体、植被和建设用地的提取方法。
3.1.2 水库水源区水资源解译
在可见光范围内，水体反射率如图3所示，总体上比较低，不超过 10%，一般为 4%～5%，并随着波长的增大逐渐降低，水体的反射主要集中在0.5～0.6，其他波段反射率均较低。根据图4所示的光谱范围及波段划分可以发现，水体的反射率主要集中在蓝（0.5～0.55）、绿（0.55～0.60），而对橙、红波段的反射率非常低，特别是近红外波段，水体这一范围的波段几乎完全吸收。
基于地表开放水体的光谱反射特点和GF-1、GF-2号的波段划分，可利用近红外区波段（0.77-0.89，即波段5）和绿光波段（0.52-0.59，即波段 3）来构建水体指数来增强GF卫星影像中的水体特征，同时对GF卫星影像中的其他特征（植被、落地和建筑等）予以抑制。基于这一基本思想，项目组构建了针对高分卫星的归一化水体指数模型。
3.1.3 水库水源区植被解译
绿色植物光谱响应特征如图5所示，对于健康的绿色植物而言，其波谱曲线有明显的特点，在可见光的 0.55 附近有一个反射率为 10%～20%的小反射峰。在0.45和0.65附近有两个明显的吸收谷。在 0.7～0.8 是一个陡坡，反射率急剧增高。在近红外波段0.8～1.3之间形成一个高的，反射率可达 40%或更大的反射峰。在 1.45，1.95和2.6～2.7处有三个吸收谷。
由于植物叶面细胞的特殊结构，植物的叶面在可见光红光波段有很强的吸收特性，而在近红外波段有很强的反射特性。因此可利用国产高分卫星的红光、近红外（第4、5波段）两个波段实现植被覆盖信息的提取。为了计算的方便，项目组对植被指数进行了归一化，得到了针对高分卫星的归一化植被指数NDVI。
3.1.4 其他地物解译
项目组主要研究了高分卫星遥感数据对铁岗、石岩水源保护区水体和植被覆盖的解译技术。对于其他类型的地表覆盖，则按其他地类处理。
3.2 水库区国产卫星遥感调查流程
根据水库遥感调查的内容以及研究区的特点，顾及水库基础地理信息的更新要求，项目组建立了一套水库区国产卫星遥感调查的基本流程。水库区国产卫星遥感调查流程的主要步骤包括调查范围和调查内容确定、波段选择与影像融合、正射影像图生成、影像解译与信息提取、变化图斑检测、精度验证、矢量化与数据更新等7项，具体内容如下所示。
3.2.1 调查范围和调查内容确定
水库水源保护区的地表覆盖以水体、植被和建设用地为主，因此，水库区的主要遥感调查内容包括水体范围及分布、植被空间分布、建设用地的分布和重点工程的建设情况。
3.2.2波段选择与影像融合
根据所需提取的库区水体、植被和建筑物等要素的反射特性与成像光谱的相关性，针对不同的提取要素，选择适当的波段组合，以便精确提取各类要素。为了提高监测的几何精度，将多光谱数据与全色数据进行融合以提高监测的空间分辨率。 3.2.3正射影像图生成
水库区的地形起伏较大，多为非平坦区域。为了准确调查水库水源保护区域的地物分布情况，需要利用外部DEM数据对卫星影像进行地形校正，最终生成高精度的正射影像图。
3.2.4影像解译，信息提取
通过人工、半自动或自动的方法对正射影像进行解译，获取水库水源区的地物空间分布信息。
3.2.5变化图斑检测
将提取的地类信息与历史地类信息进行对比，获取水源保护区地物变化情况，并进行人工调查，剔除自动地类中出现的错误。
3.2.6精度评价
根据实地地物边界调查结果，评价信息水资源信息提取和变化检测的精度。
3.2.7矢量化与数据更新
基于GIS平台对变化图斑进行矢量化处理，并更新水库基础地理信息数据库，实现研究区域的水体、植被与建筑物的矢量分布信息的实时更新，保证水库基础地理信息中水体、植被、建筑等地物信息的现势性。
3.3 库容变化雷达遥感监测流程
库容变化监测是水库管理的重要方面，以往是通过观测库水位来计算库容变化。遥感监测具有大范围同步观测的优势，能同步获取多个水库的水域范围，进而同步获取同一时刻的多个水库库容量。但是光学卫星易受云层遮挡。雷达遥感具有穿透云层的优势，能辅助光学影像实现水资源量的长期稳定观测。
本项目在历史水深、水量和水面关系的基础上，利用高分卫星影像获取水库开放水体部分的面积变化，并结合SAR影像中提取准确的水体边缘来进行库容变化监测。
4结束语
随着我国高分系列卫星的成功发射，我国的遥感平台越来越多，所能提供的数据与服务也越来越丰富。我国正在迈向航天强国的行列，伴随而来的遥感技术的不断发展及在我国的土地调查、森林资源监测、灾害监测、环境变化检测等诸多领域的广泛应用，为我国的发展起到了巨大的推動作用。
高分辨率遥感技术在国土资源管理等各个领域应用广泛，优势明显。在国产高分卫星数据免费的推动下，应用范围将越来越广，应用方式将越来越多样化。将高分卫星应用于水利工程领域是大势所趋。
参考文献：
[1]杨树文，薛重生，刘涛，李轶鲲.一类运用TM影像来自动对细小水体进行提取的方式[J].测绘学报，2010（12）：611-617.
[2]范登科，李明，贺少帅.基于环境小卫星的CCD影像水体提取的指数法进行比较[J].地理和地理信息学，2012（3）：14-19.
[3]张哲，刘云鹤.基于TM影像水域提取的方式研究[J].地下水，2011（9）：166-167.
关键词：水库区域；高分卫星遥感；调查方法
1引言
遥感技术在国土资源管理等领域应用广泛，相比于传统方式，它具有成本低、效率高等优势，可克服传统手段的不足。国产高分遥感卫星的升空，能为用户提供更精细的地面遥感信息，极大地推动遥感技术在各项领域的应用。在深圳水务工程领域，高分卫星数据能在水库区域水资源与生态环境状况调查、供水线路工程的动态监测、水土保持监测等领域发挥重要作用。因此，有必要开展针对性的关键技术研究工作，消除高分数据在水务应用中的技术障碍，并探索科学的应用管理方式，为推广应用打下坚实基础，从而加强遥感技术在深圳水务中的应用，进一步提升深圳市水务管理水平。
2 研究目的
研究利用国产高分卫星数据（GF-1、GF-2）对铁岗、石岩水库一、二级水源保护区及其水域范围（如图1所示）的水域面积、植被分布、建筑物分布、工程建设等地物类型快速、自动提取的技术方法，为水库区地表覆盖的调查和更新奠定基础。同时利用 SAR 影像的成像特点，结合DEM信息去除影像阴影，并快速、准确地提取水体、水域面积等信息。
3水库区域遥感调查方法与流程
3.1 水库区遥感调查方法
3.1.1 水库区地物调查方法
由于水库水体面积的变化在遥感影像上的变化较为微弱，且传统光谱指数的提取方法存在一定误差，对变化较小的完整边界的提取难以完成，故依靠分辨率更高的全色波段影像对库区水体轮廓进行识别，以实现准确提取水库区域中水域面积及边界信息。目前最常用的自动化提取技术，是通过边缘检测来获得水库的大体轮廓之后，通过形态学膨胀腐蚀处理形成完整的边界轮廓，对轮廓的查找与筛选之后，将图像中出现的各种边界进行编号存储，并在其中消除部分輪廓中存在的内包轮廓，之后根据水体区域的大小、大致形态等先验知识确定轮廓的权属与类别，最后实现勾选轮廓的定位与属性赋值。
通过影像分析和现场调查核实，可以发现铁岗、石岩水库一、二级水源保护区中地表覆盖类型以水体和植被为主，此外还有人工构筑物或建设用地，如图2所示。
图2表明，地表开放水体、植被和建筑用地是水库水源区内的主要地表覆盖物。因此，对于铁岗水库和石岩水库一、二级水源保护区主要地表覆盖物的调查对象认定为地表开放水体和植被覆盖物。
本项目对比研究了遥感影像分类和专题指数提取两种方法在铁岗、石岩水库水源保护区地表覆盖物提取中的应用，并最终确定了适合国产高分卫星影像在水库区地表开放水体、植被和建设用地的提取方法。
3.1.2 水库水源区水资源解译
在可见光范围内，水体反射率如图3所示，总体上比较低，不超过 10%，一般为 4%～5%，并随着波长的增大逐渐降低，水体的反射主要集中在0.5～0.6，其他波段反射率均较低。根据图4所示的光谱范围及波段划分可以发现，水体的反射率主要集中在蓝（0.5～0.55）、绿（0.55～0.60），而对橙、红波段的反射率非常低，特别是近红外波段，水体这一范围的波段几乎完全吸收。
基于地表开放水体的光谱反射特点和GF-1、GF-2号的波段划分，可利用近红外区波段（0.77-0.89，即波段5）和绿光波段（0.52-0.59，即波段 3）来构建水体指数来增强GF卫星影像中的水体特征，同时对GF卫星影像中的其他特征（植被、落地和建筑等）予以抑制。基于这一基本思想，项目组构建了针对高分卫星的归一化水体指数模型。
3.1.3 水库水源区植被解译
绿色植物光谱响应特征如图5所示，对于健康的绿色植物而言，其波谱曲线有明显的特点，在可见光的 0.55 附近有一个反射率为 10%～20%的小反射峰。在0.45和0.65附近有两个明显的吸收谷。在 0.7～0.8 是一个陡坡，反射率急剧增高。在近红外波段0.8～1.3之间形成一个高的，反射率可达 40%或更大的反射峰。在 1.45，1.95和2.6～2.7处有三个吸收谷。
由于植物叶面细胞的特殊结构，植物的叶面在可见光红光波段有很强的吸收特性，而在近红外波段有很强的反射特性。因此可利用国产高分卫星的红光、近红外（第4、5波段）两个波段实现植被覆盖信息的提取。为了计算的方便，项目组对植被指数进行了归一化，得到了针对高分卫星的归一化植被指数NDVI。
3.1.4 其他地物解译
项目组主要研究了高分卫星遥感数据对铁岗、石岩水源保护区水体和植被覆盖的解译技术。对于其他类型的地表覆盖，则按其他地类处理。
3.2 水库区国产卫星遥感调查流程
根据水库遥感调查的内容以及研究区的特点，顾及水库基础地理信息的更新要求，项目组建立了一套水库区国产卫星遥感调查的基本流程。水库区国产卫星遥感调查流程的主要步骤包括调查范围和调查内容确定、波段选择与影像融合、正射影像图生成、影像解译与信息提取、变化图斑检测、精度验证、矢量化与数据更新等7项，具体内容如下所示。
3.2.1 调查范围和调查内容确定
水库水源保护区的地表覆盖以水体、植被和建设用地为主，因此，水库区的主要遥感调查内容包括水体范围及分布、植被空间分布、建设用地的分布和重点工程的建设情况。
3.2.2波段选择与影像融合
根据所需提取的库区水体、植被和建筑物等要素的反射特性与成像光谱的相关性，针对不同的提取要素，选择适当的波段组合，以便精确提取各类要素。为了提高监测的几何精度，将多光谱数据与全色数据进行融合以提高监测的空间分辨率。 3.2.3正射影像图生成
水库区的地形起伏较大，多为非平坦区域。为了准确调查水库水源保护区域的地物分布情况，需要利用外部DEM数据对卫星影像进行地形校正，最终生成高精度的正射影像图。
3.2.4影像解译，信息提取
通过人工、半自动或自动的方法对正射影像进行解译，获取水库水源区的地物空间分布信息。
3.2.5变化图斑检测
将提取的地类信息与历史地类信息进行对比，获取水源保护区地物变化情况，并进行人工调查，剔除自动地类中出现的错误。
3.2.6精度评价
根据实地地物边界调查结果，评价信息水资源信息提取和变化检测的精度。
3.2.7矢量化与数据更新
基于GIS平台对变化图斑进行矢量化处理，并更新水库基础地理信息数据库，实现研究区域的水体、植被与建筑物的矢量分布信息的实时更新，保证水库基础地理信息中水体、植被、建筑等地物信息的现势性。
3.3 库容变化雷达遥感监测流程
库容变化监测是水库管理的重要方面，以往是通过观测库水位来计算库容变化。遥感监测具有大范围同步观测的优势，能同步获取多个水库的水域范围，进而同步获取同一时刻的多个水库库容量。但是光学卫星易受云层遮挡。雷达遥感具有穿透云层的优势，能辅助光学影像实现水资源量的长期稳定观测。
本项目在历史水深、水量和水面关系的基础上，利用高分卫星影像获取水库开放水体部分的面积变化，并结合SAR影像中提取准确的水体边缘来进行库容变化监测。
4结束语
随着我国高分系列卫星的成功发射，我国的遥感平台越来越多，所能提供的数据与服务也越来越丰富。我国正在迈向航天强国的行列，伴随而来的遥感技术的不断发展及在我国的土地调查、森林资源监测、灾害监测、环境变化检测等诸多领域的广泛应用，为我国的发展起到了巨大的推動作用。
高分辨率遥感技术在国土资源管理等各个领域应用广泛，优势明显。在国产高分卫星数据免费的推动下，应用范围将越来越广，应用方式将越来越多样化。将高分卫星应用于水利工程领域是大势所趋。
参考文献：
[1]杨树文，薛重生，刘涛，李轶鲲.一类运用TM影像来自动对细小水体进行提取的方式[J].测绘学报，2010（12）：611-617.
[2]范登科，李明，贺少帅.基于环境小卫星的CCD影像水体提取的指数法进行比较[J].地理和地理信息学，2012（3）：14-19.
[3]张哲，刘云鹤.基于TM影像水域提取的方式研究[J].地下水，2011（9）：166-167.