日照市水体动态变化遥感监测探索

张艳秋，张 雷，杨宗坤

（日照市水文中心，山东 日照 276826）

动态掌握区域地表水资源的贮存情况并分析其与自然和人为管理措施的相关关系，进而制定和调整水利管理措施，对于实现水资源的科学管理和持续利用意义重大。以往的水资源调查以现场调研为主，消耗的人力和物力资源巨大，所需时间周期也较长，严重制约大范围水体分布状况的动态更新。遥感技术具有覆盖范围大、周期短和获取性强等优点，可实现大范围水体时空分布的自动快速测绘。因此，将遥感技术引入到水利监测体系中，与站点实测数据形成相互补充，可以更好的完善水资源监测系统。

1 研究区概况

日照市位于山东省的东部沿海，总面积约为5 358.79 km2，海域总面积约为6 000 km2。地形以丘陵为主，总体地势呈现起伏波动状况。该市的气候为温带季风气候，夏季高温多雨、冬季寒冷干燥。全市河流分属沭河、潍河和东南沿海水系，拥有13 座大中型水库。

水资源关系到经济社会发展及饮水安全，是生态环境的重要调控者，与人们的生活水平有着直接联系[1]。传统方法的监测和分析过程复杂、耗时长，需要大量的人力物力，还会受到气候、地理位置等自然条件的限制[2]。本研究以日照市为研究区，初步探索遥感技术在该市动态监测陆域范围内水体变化的可能，并分析水体面积的变化与实测降水和水库蓄水量间的关系，探明日照市水资源管理的成效。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究所使用的数据年限跨度为2020—2022 年，获取方式为站点实测和遥感观测两种。站点观测数据包括日照市全市范围季度平均降水量和13 座大中型水库季末蓄水量。遥感观测所使用的数据源为哨兵二号卫星。本研究选用2020—2022 年覆盖日照市的2274 景L2A 级别影像，并根据其质量波段去除云和雪等干扰像素。

2.2 研究方法

本研究计算2020—2022 年每年中4 个季度的平均降水量和各季度末的水库蓄水量，并对预处理后的各景影响分别通过阈值法提取地表水体，该方法由Zou 等（2019）[3]提出，Deng 等（2019）[4]改进，具体实现步骤如下：首先，分别对各景影像计算归一化植被指数（NDVI）、增强型植被指数（EVI）、改进归一化水体指数（mNDWI）和自动水体提取指数（AWEInsh和AWEIsh），计算公式如下：

其中，blue、green、red、nir、swir1、swir2 分别对应蓝、绿、红、近红外、第一和第二个短波红外波段。

其次，按照设置的阈值分割规则获取各景影像上的水体像素，具体规则如下：

最后，分析计算每个季度内各景影像中水体出现的概率，当单像素水体出现概率大于0.75 时则判定该像素在该季度为永久性水体，当概率为0.25～0.75 时则判定该像素为季节性水体。在获得年度各季度永久性和季节性水体后，本研究分别统计两种不同水体的面积，分析日照市2020—2022 年3 年间各季度地表水体的时空演变趋势及与降水量和水库蓄水量间的相关关系。

3 结果分析

3.1 2020—2022 年日照市季度降水变化

图1 所示为2020—2022 年内4 个季度平均降水量的变化情况。总体来看，日照市在过去的3年，降水主要集中于第三季度（7～9 月），第一季度（1～3 月）的降水较少。日照市3 年平均降水量为90.41 mm，其中2020 年平均降水量为105.08 mm，2021 年平均降水量为83.89 mm，2022 年平均降水量为82.26 mm，3 年的平均降水量呈现递减趋势。3 年间第一季度的平均降水量为21.28 mm，第二季度的平均降水量为88.36 mm，第三季度的平均降水量为221.11 mm，第四季度的平均降水量为30.90 mm。与年均降水量相似，2020—2022年间，各个季度的季均降水量也呈现逐年下降的趋势，其中2022 年第一季度季均降水量仅为9.03 mm，全市出现干旱状况。由此可见，受制于区域季节性降水影响，日照市春季降水递减，干旱出现的概率增加。

3.2 2020—2022 年日照市季度水库蓄水量变化

图2 所示为2020—2022 年日照市季末13座大中型水库蓄水量变化情况。与季均降水量不同，水库蓄水量在近3 年呈现递增的趋势。2020—2022 年日照市4 个季度季末水库平均蓄水量为51 233.08 万m3，其中2020 年为47 340.50 万m3，2021 年为51 771.75 万m3，2022 年为54 587.00 万m3。就全年范围4 个季度来看，第二季度的水库蓄水量最低，3 年的平均值为41 039.67 万m3，第三季度的水库蓄水量最高，3 年的平均值为59 810.33 万m3，第一季度和第四季度则处于中间水平，分别为47 512.67 万m3和56 569.67 万m3。大中型水库蓄水量的递增说明日照市水利工程管理措施具有显著成效，通过防洪调度、河流引水、流量控制等措施，有效解决降水减少可能引发的干旱问题，能够保证全市范围内工农业和生活用水的需求。

3.3 日照市地表水体时空演变分析

日照市永久性水体主要分布在该市的北部和中部地区，多为流经该市的河流和人工修建的水库。季节性水体则零星分布在各个河流水系的周边并在一年内呈现季节性变化。图3 为2020—2022年日照市永久性水体面积变化情况。3 年间，日照市永久性水体面积的均值为1 192.50 km2，其中2020 年为1 203.94 km2，2021 年为1 218.02 km2，2022 年为1 155.55 km2。季节性分布来看，永久性水体在第四季度面积最大，3 年平均值为1 301.26 km2，第二季度面积最小，3 年平均值为1 044.08 km2。图4 为2020—2022 年日照市季节性水体面积变化情况。3 年间，日照市季节性水体面积的均值为1 192.50 km2，其中2020 年为642.63 km2，2021 年为540.41 km2，2022 年为453.30 km2。从季节性分布来看，永久性水体在第一季度面积最大，3 年平均值为809.06 km2，第二季度面积最小，3 年平均值为516.09 km2。

3.4 地表水体时空演变与降水和水库蓄水量的相关关系

图5 为2020—2023 年季平均降水量与永久性和季节性水体面积相关关系。研究发现，日照市永久性水体和季节性水体与季平均降水量没有明显的相关关系。这主要是由于降水长期处于相对稳定水平，不足以影响到陆域水体季度间的剧烈变化。此外，该市无大型天然湖泊和湿地等，主要陆域水体为人工水库和河流，受制于蓄水、排水等管理措施，该部分水体常出现异与自然变化过程的状态。季末13 座大中型水库蓄水量与永久性和季节性水体面积对比图（图6）也证实这一观点，多为水库和河道的永久性水体与水库蓄水量间呈现明显的正相关关系，而季节性水体则与水库蓄水量间无相关关系。

图5 季平均降水量与永久性和季节性水体面积对比散点图

图6 季末13 座大中型水库蓄水量与永久性和季节性水体面积对比散点图

4 结 论

本研究结果发现：一是遥感技术可以快速有效地进行陆域开放性水体的监测并显现动态更新；二是日照市近年来降水呈现逐年减少趋势，对大中型水库蓄水不利，但水行政部门的管理措施有效保证区域水资源安全利用和可持续发展。未来水行政主管部门应将遥感技术纳入到水资源监测体系中，实现季度甚至月度尺度区域永久性和季节性水体范围的动态更新和预警，为水资源保护利用政策的制定、实施和调整提供基础数据支撑。