基于Sentinel-2卫星的湖泊水面动态监测——以枫沙湖为例

摘要 以枫沙湖为例，研究Sentinel-2卫星遥感数据在湖泊水面动态监测中的应用方法，通过采集处理2017年4月—2020年4月含云量少的70景Sentinel-2卫星数据，利用改进的归一化差异水体指数，对枫沙湖水体面积进行提取，对湖泊水体面积月度、季度等变化特征及面积变化驱动因素进行分析。结果表明，2017—2020年枫沙湖水体面积呈减少趋势，每年减少0.19 km 3周年监测枫沙湖水体面积均值为16.82 km2，比2014年水利普查中常年水体面积大0.62 km2;最大水体面积为17.76 km 最小水体面积为14.24 km2;1月份水体面积均值最小，为15.26 km2，7月份水体面积均值最大，为16.99 km 两者相差1.73 km2。

关键词 水体面积;动态监测;变化特征;Sentinel-2卫星;枫沙湖

中图分类号P343.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）17-0043-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.17.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Dynamic Monitoring of Lake Water Surface Based on Sentinel-2 Satellite—Taking Fengsha Lake as an Example

SUN Jin-yan，DONG Dan-dan，ZHANG Xi et al

（Anhui Province （Huaihe Water Conservancy Committee of the Ministry of Water Resources） Institute of Water Conservancy Research，Hefei，Anhui 230088）

Abstract Taking Fengsha Lake as an example，the application method of Sentinel-2 satellite remote sensing data in dynamic monitoring of lake water surface was studied.By collecting and processing the Sentinel-2 satellite data of 70 scenes with low cloud content from April 2017 to April 2020，using the improved normalized differential water body index，the water body area of Fengsha Lake was extracted，and the monthly and quarterly variation characteristics of the lake water body area and the driving factors of the area change were analyzed.The results showed that the water body area of Fengsha Lake showed a decreasing trend from 2017 to 2020，decreasing by 0.19 km2/a.The average water body area of Fengsha Lake during the third-year was 16.82 km2，which was 0.62 km2 larger than the normal water surface area in the 2014 Water Conservancy Census.The maximum water body area was 17.76 km2，the minimum water body area was 14.24 km2;the minimum water surface area in January was 15.26 km2，and the maximum water surface area in July was 16.99 km2，the difference between the two was 1.73 km2.

Key words Water body area;Dynamic monitoring;Change characteristics;Sentinel-2 satellite;Fengsha Lake

湖泊生态环境是关系民生的重大社会问题[1-4]，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[5-7]。湖泊水体面积、水位、水量是湖泊水情的重要指标[8-10]，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[11-13]。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[14]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[15]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

1.1 研究区概况

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 km2。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。

1.2 卫星数据

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。

1.3 研究方法

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：

NDWI= ρ 3-ρ 8ρ 3+ρ 8（1）

式中， ρ 3、ρ 8

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：

Average= 1mmi=1 area  i×A （2）

式中， A为常数，一个像素对应的实地面积（如该研究A 为100 m2）;area  i表示第i 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：

Fre water= m j=1W jM j=1 EO  j （ m≤M ）（3）

式中，Fre water为每一个像素点的水体有效观察频率;EO  j为每一个像素j的有效观察次数;W j为每一个像素j观测 为水体的次数。Fre water取值区间为0～ 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

2.1 湖泊水体面积变化趋势

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 km2，比常年水体面积大0.62 km2 ;最大水体面积为17.76 km2，比常年水体面积大1.56 km2;最小水体面积为14.24 km 比常年水体面积小1.96 km2。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。

2.2 湖泊水体面积月变化 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 km2，7月份水体面积均值最大，为16.99 km 两者相差1.73 km2。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 km2;第二个波动峰自5月开始，也是表现为先增加后减少。

2.3 湖泊水体面积季变化

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 km2。

2.4 湖泊不同时期水体面积变化

以6—10月为汛期，枫沙湖汛期水体面积均值为17.14 km2、，2017—2019年汛期水体面积均值分别为17.63、16.95、16.85 km2。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 km2;除蓝藻水华面积外出现变化区域的面积为1.56 km2。

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 km2。 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 km2;变化区域的面积为1.49 km2。