基于Sentinel-2卫星的湖泊水面动态监测
——以枫沙湖为例

孙金彦,董丹丹,张 曦,王昆仑

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽合肥 230088)

湖泊生态环境是关系民生的重大社会问题，必须加强对涉水行为全方位监管，集中力量强化对重点领域特别是江河湖泊、水资源、水环境、水利信息化等方面的监管。湖泊水体面积、水位、水量是湖泊水情的重要指标，对于揭示自然因素、人类活动对湖泊的影响以及保护湖泊水资源和生态环境等意义重大。湖泊的形成与消失、扩张与收缩及其引起的生态环境的演化过程都是全球或区域气候变化、人类活动共同作用的结果。

水体面积是湖泊水情的重要指标之一。湖泊水面监测的传统方法以实地测量和野外勘察为主，优点是获取的数据相对准确、直观，缺点是成本较高，受限于地形气候等因素，观测频率较低。卫星遥感对地观察具有瞬时覆盖面积大、可周期性重复、数据更新迅速等优点，快速准确地从多时相卫星遥感影像中提取水体信息已经成为水资源调查、湿地保护和防灾减灾等领域的重要技术手段。遥感技术在湖泊水面监测中正发挥着越来越重要的作用。Goffi等基于 Sentinel-2 数据，提出使用波段组合(即光谱指数)转换为HSV(色调、饱和度和明度)颜色空间的洪水淹没区提取方法并实现了意大利洪水淹没区提取。李艳华等以 GF1 的 16 m 影像为数据源，针对山区细小线状河流提取难度较大的问题，使用基于规则的面向对象的方法实现了对新疆部分山区细小水体的精确化提取。为掌握“湖长制”实施以来安徽省湖泊水体面积变化情况和了解湖泊对气候变化的响应，笔者以枫沙湖为例，利用10 m空间分辨率的Sentinel-2卫星，采用改进的归一化差异水体指数,连续动态监测枫沙湖2017年4月—2020年4月水体面积,并对湖泊水体面积月度、季度、汛期和枯水期等不同时期变化特征进行分析。

1 资料与方法

枫沙湖位于117°34′58″～ 117°39′48″E、30°54′21″～ 30°58′01″N，长江北岸，地处铜陵和芜湖交界处(图1)。枫沙湖流域总体地形北高南低，地形较复杂，北侧为山区，中部为丘陵，南部是湖区和圩区，流域面积433 km。枫沙湖东西长6.2 km，南北宽5.4 km，平均水位 9.8 m。枫沙湖常年水体面积16.2 km，其中铜陵市14.9 km，占92%，芜湖市1.3 km，占8%。枫沙湖流域多年平均气温16.5 ℃，多年平均降雨量1 326 mm，多年平均蒸发量为898.6 mm。降雨表现为年际变化大，最多年 1983 年达到 1 987 mm，最少年1978年仅为 733 mm，两者相差1.7倍；年内分配也呈现不均匀的特点，全年降雨主要集中在汛期 5—9 月，约占全年降雨量的 60%。枫沙湖是安庆沿江湿地省级自然保护区的组成部分，已被列入安徽省人民政府批准的沿江湿地保护区范围。

为了减少云层对湖泊水体面积监测结果的影响和充分体现湖泊水体面积季相演替规律，选取2017年4月—2020年4月云层含量小于30%的所有Sentinel-2卫星数据。数据获取时相分布如图2所示。

Sentinel-2 数据来源欧洲航天局数据共享网站，在几何校正、辐射校正的基础上，利用Sen2cor大气校正模型将Sentinel-2大气上层表观反射率数据转化为Sentinel-2地面反射率，校正后的影像光谱曲线与地面实测的光谱曲线拟合度、精度最高。采用大气校正后空间分辨率为10 m的Sentinel-2 遥感影像为数据源。选择的Sentinel-2 波段信息如表1所示。

图1 枫沙湖位置Fig.1 Location of Fengsha Lake

图2 卫星数据时相分布情况Fig.2 Time-phase distribution of satellite data

在多光谱遥感传感器的波长范围内，水体总体呈现出较弱的反射率，例如近红外波段(波长>740 mm)几乎所有的入射能量均被水体吸收，与其他地物类别形成明显反差。因此该研究基于地物的光谱特征差异将湖泊水体与其他地物分割开来。考虑到NDWI水体指数可最大程度地抑制植被信息，突出水体信息，能有效地将水体与植被等信息区分开，该研究选取多时相反射率作为光谱特征，对影像进行预处理后提取水体指数NDWI：

表1 Sentinel-2 两颗卫星所选波段信息对比Table 1 Comparison of selected band information of the two satellites in Sentinel-2

(1)

式中，、分别是绿波段和近红外波段的地面反射率数据。为实现批量识别出水体，该研究采用最大类间方差法计算阈值，实现湖泊水面和周边陆地二值分割(图3)。

湖泊水体面积均值为监测时间内所有观测水体面积的平均值,公式如下：

(2)

式中，为常数，一个像素对应的实地面积(如该研究为100 m);area表示第次观测水体像素数目之和。该研究以枫沙湖为例主要探讨Sentinel-2卫星在湖泊水面动态监测中应用方式，计算的湖泊水体面积为采用影像分辨率计算的像素面积，未将影像坐标系转化为国家2000坐标系计算，湖泊水体面积可能大于实际投影面积。

在湖泊水体监测结果的基础上，计算湖泊水面频率分布：

(3)

式中，Fre为每一个像素点的水体有效观察频率；EO为每一个像素的有效观察次数；为每一个像素观测为水体的次数。Fre取值区间为0～1，将>0～0.75的湖泊水面像素点定义为季节性水面；>0.75～1.00定义为永久水体。

2 结果与分析

从图4可以看出，2017年4月—2020年4月枫沙湖水体面积平均为16.82 km,比常年水体面积大0.62 km；最大水体面积为17.76 km,比常年水体面积大1.56 km；最小水体面积为14.24 km，比常年水体面积小1.96 km。近3年枫沙湖水体面积呈减少趋势，每年减少0.19 km，这可能与降雨量减少有很大的相关性。

从枫沙湖逐月水体面积均值波动情况(图5)可以看出，1月份水体面积均值最小，为15.26 km,7月份水体面积均值最大，为16.99 km，两者相差1.73 km。总体趋势有2个波动峰，第一个波动峰自1月开始表现为先增加后减少，3月水体面积均值为16.89 km，5月水体面积均值为16.51 km；第二个波动峰自5月开始，也是表现为先增加后减少。

按照阳历法，以3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季、9、10、11月为秋季、12、1、2月为冬季开展四季湖泊水体面积分析，如图6所示枫沙湖季度水体监测频率分布。春季、夏季、秋季、冬季水体面积均值分别为16.84、16.95、16.85、16.43 km。

注：a.NDWI水体指数影像；b.水体指数直方图；c.阈值分割水体提取结果(水面为1，非水面为0) Note:a.NDWI water body index image;b.Water body index histogram;c.Threshold segmentation water body extraction results (water surface is 1,non-water surface is 0)图3 湖泊水体提取流程Fig.3 The process of lake water extraction

图4 2017年4月—2020年4月枫沙湖水体面积变化趋势Fig.4 The change trend of the water area of Fengsha Lake from April 2017 to April 2020

图5 枫沙湖水体面积月变化Fig.5 Monthly variation of water body area in Fengsha Lake

以6—10月为汛期，枫沙湖汛期水体面积均值为17.14 km、，2017—2019年汛期水体面积均值分别为17.63、16.95、16.85 km。图7a为汛期有效观察次数33次，计算水体频率分布图；其左下角红色矩形区域，水体监测结果受水质(主要是蓝藻水华等)影响，蓝藻水华区域水体被误识别为非水体(图7c红色箭头所指为蓝藻)，造成部分监测结果偏小。汛期，枫沙湖永久水体面积为16.59 km；除蓝藻水华面积外出现变化区域的面积为1.56 km。

以11—12月、1—5月为枯水期，枫沙湖枯水期水体面积均值为 16.68 km，2017—2020年枯水期水体面积均值分别为17.06、16.93、16.18、16.56 km。 图7b为枯水期有效观察次数37次，计算水体频率分布图。枯水期，枫沙湖永久水体面积为16.44 km；变化区域的面积为1.49 km。

3 结论

该研究采用2017年4月—2020年4月的Sentinel-2卫星数据对枫沙湖水体面积进行连续动态监测，在卫星数据处理的基础上，利用改进的归一化差异水体指数,提取枫沙湖水体,统计并分析枫沙湖水体面积的月度、季度、年度等变化特征。从2017年4月至2020年4月监测结果看，枫沙湖水体面积呈减少趋势，每年减少0.19 km；枫沙湖水体面积均值为16.82 km,比2014年水利普查中常年水体面积大0.62 km，最大水体面积为17.76 km，最小水体面积为14.24 km；从月度分析，枫沙湖1月份水体面积均值最小，为15.26 km,7月份水体面积均值最大，为16.99 km，两者相差1.73 km。从季度分析，枫沙湖夏季水体面积均值最大，为16.95 km(受蓝藻水华影响，均值偏小)，春季和秋季水体面积均值相近，冬季水体面积均值最小，为16.43 km；从年度看，枫沙湖汛期水体面积均值为17.14 km，其中2017、2018、2019年汛期水体面积均值分别为17.63、16.95、16.85 km，呈减少趋势，原因主要为受长江中下游干旱等自然因素影响。

图6 枫沙湖水体面积频率季变化Fig.6 Seasonal variation of water body area frequency in Fengsha Lake

图7 汛期和枯水期水体频率分布以及2018年7月29日卫星影像Fig.7 Frequency distribution of water bodies in flood season and dry season and satellite imagery on July 29,2018