本發(fā)明涉及兩個時間段內(nèi)湖泊水量蓄變量評估方法，具體涉及一種基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法。

背景技術(shù)：

湖泊參與自然界的水分循環(huán)，對氣候的變化極為敏感，湖泊的面積及水分變化將改變地表下墊面的條件，進而影響大氣環(huán)流，因此湖泊在一定程度上可以作為區(qū)域氣候變化的指示牌；同時湖泊還具有調(diào)節(jié)徑流、提供用水、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等多種功能；因此對于湖泊的演變研究具有重要意義。

目前，關(guān)于湖泊的演變研究主要集中于湖泊水面面積變化，其實現(xiàn)方法是通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對不同年代湖泊影像進行提取，分析計算其面積以確定湖泊擴張或萎縮程度；而湖泊水量變化的研究略有缺乏，目前一般采用人工實地測繪即采用水量平衡和模型模擬的方法來推算湖泊水量，這兩種方法中，除湖泊水之外的其他水分要素的計算均存在不同程度的不確定性，而難以為區(qū)域氣候變化和水循環(huán)演變的研究提供支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法能夠準(zhǔn)確地計算湖泊兩個時間段內(nèi)的水量蓄變量。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

提供一種基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法，其包括以下步驟：

A、計算當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積：

獲取當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)；

選取每個時間段內(nèi)的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)中綠波段G和近紅外波段NIR的灰度值影像；

計算每個時間段內(nèi)的歸一化水體指數(shù)影像NDWI：

$NDWI=\frac{G-NIR}{G+NIR}$

讀取每個時間段內(nèi)的水體指數(shù)影像NDWI的NDWI閥值，并將所述NDWI閾值所在范圍內(nèi)的水體指數(shù)影像轉(zhuǎn)換為矢量圖；

根據(jù)每個時間段內(nèi)的所述矢量圖中湖泊分布范圍和尺寸比例，計算得到當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積；

B、計算當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)湖泊庫容-面積關(guān)系曲線：

獲取兩個時間段的DEM數(shù)據(jù)；

讀取湖泊面積計算過程中兩個時間段的矢量圖，并將其向外擴充設(shè)定值形成緩沖區(qū)；

根據(jù)兩個時間段對應(yīng)的湖泊DEM數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)得到不同時期湖泊的庫容-面積關(guān)系曲線；

C、讀取當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積和與其對應(yīng)的湖泊的庫容-面積關(guān)系曲線，依據(jù)此曲線，得到當(dāng)前時間段內(nèi)湖泊的庫容；其中，曲線方程為：

y＝0.000064x²-0.047x+0.085

y為湖泊的庫容，x為湖泊面積；

D、計算兩個時間段的湖泊的庫容的差值，即為湖泊水量蓄變量。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過分析計算獲取的兩個不同時期的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)能夠得到其相對于的湖泊面積和庫容，通過兩個不同時期的湖泊庫容得到湖泊的水量蓄變量，通過計算得到的水量蓄變量可以定量化描述湖泊的萎縮或擴張的程度，對研究氣候變化以及區(qū)域水資源演變趨勢具有重要意義，同時湖泊水量的變化對流域各水循環(huán)要素的研究也具有一定的支撐作用，有利于社會可持續(xù)發(fā)展。

附圖說明

圖1為基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明估算湖泊水量蓄變量的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明實例中求得的納木錯湖泊的“庫容—面積”關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。

參考圖1，圖1示出了基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法的流程圖；如圖1和圖2所示，該基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法包括以下步驟：

A、計算當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積：

獲取當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)；其中的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)可以為每個時間段的豐水期或枯水期的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)。

選取每個時間段內(nèi)的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)中綠波段G和近紅外波段NIR的灰度值影像；其中的衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)中綠波段G灰度值影像代表植被，近紅外波段NIR的灰度值影像代表植被中的水體。

計算每個時間段內(nèi)的歸一化水體指數(shù)影像NDWI：

$NDWI=\frac{G-NIR}{G+NIR}$

其中的水體指數(shù)影像NDWI的取值范圍為-1≤NDWI≤1。

讀取每個時間段內(nèi)的水體指數(shù)影像NDWI的NDWI閥值，并將所述NDWI閾值所在范圍內(nèi)的水體指數(shù)影像轉(zhuǎn)換為矢量圖。

在本發(fā)明的一個實施例中，水體指數(shù)影像NDWI的NDWI閥值的獲取方法為：

將水體指數(shù)影像NDWI作為橫坐標(biāo)，同一水體指數(shù)影像NDWI所對應(yīng)的衛(wèi)星遙感影像像素的數(shù)量作為縱坐標(biāo)生成水體指數(shù)直方圖；在實施時，確定直方圖的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)后，通過ArcGIS軟件柵格屬性中“Symbology”選項卡下“Classified”功能里可以自動生成水體指數(shù)直方圖。

讀取水體指數(shù)直方圖中大于零的波峰值范圍內(nèi)的最小水體指數(shù)影像NDWI作為NDWI閾值。具體為，觀察水體指數(shù)直方圖，其存在兩個波峰，其中值大于0的波峰是水體像素集中區(qū)域，選取其中值大于0的波峰范圍內(nèi)的最小值即為NDWI閾值。

根據(jù)每個時間段內(nèi)的所述矢量圖中湖泊分布范圍和尺寸比例，計算得到當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積；具體地為，湖泊面積可以通過ArcGIS軟件的矢量圖屬性表里“Calculate Geometry”功能計算而得。

其中，每個時間段內(nèi)的矢量圖中湖泊分布范圍為采用解譯方法對矢量圖中湖泊分布范圍調(diào)整而得，解譯方法可以為目視解譯或者人為監(jiān)督解譯、計算機微調(diào)解譯中的一種。

B、計算當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)湖泊的庫容-面積關(guān)系曲線：

獲取兩個時間段的DEM數(shù)據(jù)；

在本發(fā)明的一個實施例中，獲取兩個時間段的DEM數(shù)據(jù)進一步包括：

獲取遙感反演DEM數(shù)據(jù)、航拍DEM數(shù)據(jù)和測繪DEM數(shù)據(jù)；

基于DEM空間分辨率最高和湖泊岸線處高程差最小原則，選取每個時間段遙感反演DEM數(shù)據(jù)、航拍DEM數(shù)據(jù)和測繪DEM數(shù)據(jù)中精度和準(zhǔn)確度最高的作為DEM數(shù)據(jù)。

讀取湖泊面積計算過程中兩個時間段的矢量圖，并將其向外擴充設(shè)定值(本方案的設(shè)定值可以選擇1km，不過也可以根據(jù)需要進行適當(dāng)?shù)脑鰷p)形成緩沖區(qū)；此處的緩沖區(qū)的建立優(yōu)選根據(jù)計算的每個時段中湖泊面積最大的矢量圖往外擴充設(shè)定值而得到。

根據(jù)兩個時間段對應(yīng)的湖泊DEM數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)得到不同時期湖泊的庫容-面積關(guān)系曲線。

實施時，洼地的庫容-面積關(guān)系曲線的具體實現(xiàn)方式為：

運用ArcGis軟件“Extract by Mask”工具，結(jié)合該緩沖區(qū)提取步驟B中選取的較高精度DEM數(shù)據(jù)，得到湖泊的DEM數(shù)據(jù)，通過GIS技術(shù)建立湖泊“庫容—面積”關(guān)系曲線；該關(guān)系曲線通過高程建立聯(lián)系，運用ArcGIS軟件“Surface Volume”工具可以在給定的湖面高程下計算得到該湖面面積和庫容，因此設(shè)定高程從DEM的最低值到最高值每增加水面高程1m，計算一次湖面面積和庫容，這樣就可以得到湖泊“庫容-面積”關(guān)系曲線。

C、讀取當(dāng)前片區(qū)兩個時間段內(nèi)的湖泊面積及其庫容-面積關(guān)系曲線，反推出當(dāng)前時間段內(nèi)湖泊的庫容；其中，曲線方程為：

y＝0.000064x²-0.047x+0.085

y為湖泊的庫容，x為湖泊面積；修正系數(shù)為0.97；

D、計算兩個時間段的湖泊庫容的差值，作為湖泊水量蓄變量。

實施例

下面結(jié)合圖2和圖3選取我國青藏高原的納木錯湖為例對本發(fā)明提供的湖泊水量蓄變量評估方法進行說明：

在評估過程中，選取的兩個時間段為90s和00s年代，對90s年代至00s年代的水量蓄變量進行評估；本實例選取的是1996年10月13日的Landsat-5TM影像和2000年11月1日的Landsat-7ETM影像；之后采用采用本湖泊水量蓄變量評估方法90s和00s年代納木錯湖的面積，90s和00s年代納木錯湖所在處洼地的庫容-面積關(guān)系曲線，并通過90s和00s年代納木錯湖的面積及其庫容-面積關(guān)系曲線得到90s和00s年代納木錯湖的庫容；最后得到90s至00s年代之間納木錯湖的水量蓄變量。

表1為納木錯湖水量蓄變量估算結(jié)果。

上述結(jié)論說明利用本發(fā)明提出的思路建立基于多時相遙感影像和DEM的湖泊水量蓄變量評估方法能夠較準(zhǔn)確地分析各種類型湖泊的演變情況，較符合實際，可為下一步的區(qū)域水資源評價及水循環(huán)變化研究提供輔助支撐，可應(yīng)用于實際的項目分析中。