遙感在高原湖泊蓄水量估算的應用研究

于浩　王濤

摘? ?要：青藏高原湖泊眾多，水資源開發利用與保護是推進我國生態文明建設的關鍵要素。以薩利吉勒干南庫勒湖為研究區，采用高分二號遙感數據，利用可見光同時具水體穿透力和湖底反射特性，通過水深實地測量，建立湖水深度與綠波段之間的模型，生成湖底地形，水深反演模型平均絕對誤差為0.23 m，相對誤差均為2.84%。采用GIS水淹分析建立湖泊面積與蓄水量間的數學關系，估算當前薩利吉勒干南庫勒湖蓄水量為6.179×108 m3。結果表明：結合野外實測數據，高分二號遙感數據能夠較精細地反映湖泊湖底地形結構和紋理，能夠滿足對湖泊蓄水量估算需求，為水資源利用與保障、高原湖泊研究等提供數據支持。

關鍵詞：遙感；高原湖泊；蓄水量；估算

青藏高原被譽為“亞洲水塔”，是我國重要的生態安全屏障和戰略資源儲備基地[1]。由于海拔高，自然條件差，高原湖泊水文相關數據較少，特別是藏北無人區及可可西里地區仍有大量湖泊尚未進行測量和研究，依靠傳統方法進行湖泊水下地形測量耗費大量人力物力，難以在短時間內完成[2-4]。遙感探測通過建立實測水深和水體輻射（反射）之間的相關關系，實現湖底地形反演，估算湖泊蓄水量。于瑞宏等利用多源遙感數據融合技術進行湖泊淺水區水深反演的方法[5]，齊述華等對鄱陽湖地區水深反演結果應用于水資源管理[6]，隆院男等利用Landsat數據反演洞庭湖水底地形[7]，為湖泊管理和防洪工作提供參考。萬祥禹等利用Grace重力衛星多角度分析維多利亞湖流域水儲量變化[8]。

本文以羌塘高原和田地區薩利吉勒干南庫勒湖為研究區，基于國產高分二號遙感數據及實測水深數據，利用可見光波段同時具有水體穿透力和湖底反射特性，建立水深實測數據和水體反射之間的數據模型，通過誤差分析，確定最優水深反演模型，構建湖底地形，估算湖泊蓄水量。表明國產高分二號數據進行水深探測能夠較精細地反演湖底地形，大幅減小野外工作量，為高原湖泊水資源開發利用與保護提供科學依據。

1? 研究區概況

薩利吉勒干南庫勒湖是羌塘高原西區的一個封閉咸水湖，位于新疆維吾爾自治區和田縣南部，距國內最大的火燒云鉛鋅礦40 km，地理位置為東經79°42′，北緯34°41′，湖泊位于第三紀喜馬拉雅山期形成的山間斷陷盆地最洼處，三面環山，北為NW向昆侖山脈南坡，南為喀喇昆侖山東段北坡，東為昆侖山與喀喇昆侖山木梢結合部，西北為戈壁砂礫區。湖面南北長12.0 km，東西寬7.8 km，水域面積達71 km2，湖岸海拔5 163 m。薩利吉勒干南庫勒湖補給水源主要為薩利吉勒干西河和薩利吉勒干南庫勒河地表水，水量受季節性影響較大。流域內氣候寒冷，空氣稀薄，水分少，植被較為稀少，環境條件惡劣。

2? 高原湖泊水深反演模型

2.1? 水深遙感原理

水體光譜特征由水體所含物質組成決定：①波長較短的紫外線波段，水體光譜吸收少，反射率低、大量透射，水面反射率約1%～0.5%；②在可見光波段，水體的反射率大幅增加，主要包括3部分：水表面反射、水體底部物質反射、水中懸浮物質反射。對于清澈水體，在藍-綠光波段反射率4%～5%，0.6 μm以下紅光部分反射率降至2%～3%；③在近紅外、短波紅外波段，水體吸收了幾乎全部入射能量，光譜反射率低[9]。

可見光波段測深原理基于光線對水體的透射，同時具一定反射率?？梢姽庠谒w中的衰減系數越小，對水體的穿透性越好[10]。不同水體由于所含物質不同，在可見光波段衰減系數不同。研究表明，在可見光波段藍綠光波段對研究水深和水底特征較為有效，隨水中懸浮物質含量（渾濁度）的增加，衰減系數增大，光對水的穿深能力減弱，當光線向下能夠到達水體底部，發生反射后向上穿透水體并發生折射，衛星傳感器接收光譜信息的強弱反映了“水深”的概念[11]。

2.2? 數據采集

2023年10月6日—2023年10月18日，項目組對薩利吉勒干南庫勒湖水深度進行實測，相關設備包括：中海達BSA無人船、水深測量儀器、GPS定位儀、便攜式氧氣瓶、裝載機1臺等。每隔5 s無人船搭載的水深測量儀記錄1組數據，包括水深、坐標位置、溫度等，測量誤差為±0.2 m。由于環境惡劣，風浪較大，僅在湖區東北開展測量工作，測量距離2 300 m，采集測量點712處。

收集研究區高分二號遙感數據，時相為2023年10月9日，利用ENVI5.5軟件對多光譜數據進行輻射定標、大氣糾正、正射糾正，成果數據空間分辨率為3.2 m，包括藍、綠、紅、近紅4個波段。

2.3? 多光譜波段優選

通過掩膜處理，計算薩利吉勒干南庫勒湖高分二號各波段反射率（表1）。

從表1中可看出，綠波段標準差最大，表明該波段湖面反射率值距均值的離散程度最大，即反射率差異最大，信息量最豐富，是反映湖面光譜特征最佳波段。

由于高原湖泊受人為因素、季節變化影響小，水中浮游生物很少，水質較好，湖泊表面水體的反射較為均勻，湖面光譜反射更多的來自于湖底。從圖1-a可看出，湖水越深，光譜反射率越小，影像亮度越低；湖水越淺，光譜反射率越大，影像亮度越高。從圖1-b可看出，湖面光譜反射率差異明顯增強，反射率越高，湖水越淺；反射率越低，湖水越深。由此可知，薩利吉勒干南庫勒湖最深部位于西部，薩利吉勒干南庫勒河入湖口附近，中部、東部湖岸邊緣水深較淺。

2.4? 薩利吉勒干南庫勒湖水深反演模型

光譜反射率只能反映湖體底部形態，具體深度需實地測量，篩選536對水深數據作為模型樣本，剩余176對用于模型精度檢驗。為構建最佳模型，分別對水深數據進行數學運算，包括二次冪函數（Pow）、平方根（Sqrt）、自然對數（Ln）（表2），并與采樣點對應的綠波段反射率進行相關性分析，可看出ln（band）相關性最高（R2=0.910 7），選擇Ln（band）構建模型。

建立湖面反射率值自然對數與湖水深度的坐標系，采用線性、二次多項式、三次多項式3種方式進行擬合，其回歸方程、相關系數R2分別為：

模型一（線性）：y=-0.325 4x+6.071? R2=0.878 2

模型二（二次多項式）：y=-0.031 3x2-0.062x+3.384? R2=0.902 4

模型三（三次多項式）：y=-0.008 1x3+0.069x2-0.517 1x+7.264? R2=0.910 7

分別對模型一、模型二、模型三反演的水深進行精度檢驗，從反演水深模型精度評價表可以看出（表3），模型三反演深度與實測深度最為接近，且反演深度的平均絕對誤差和相對誤差均最小，分別為0.23米和2.84%，模型較為理想。

從水深反演結果看，薩利吉勒干南庫勒湖區面積71.82 km2，平均水深12.57 m。湖區西部薩利吉勒干西河為入水口，將湖底環西側沖積形成貫穿南北的深水溝。北段深水溝較狹窄，一直延伸至湖區最北端；南段深水溝最寬處達2 350 m，最深處達32.69 m，向南逐漸變窄，并延伸至湖區最南端。湖水深度由西向東逐漸變淺，形成地勢較平坦的底部地形，平均水深約8～12 m。從圖2可看出，湖區西側深水溝底部結構和紋理較為清晰的顯示，相比于淺水區并未變得模糊或平滑，表明利用國產高分二號進行高原湖泊水深探測有效。受汛期洪水的沖擊作用，湖底形態隨時間推移發生變化，但不影響蓄水量。

2.5? 蓄水量估算

利用ARCGIS10.8中3D分析模塊，據野外測量湖面平均海拔高程為5 163.87 m，此時薩利吉勒干湖蓄水量為617 934 257 m3。通過水淹分析，計算不同湖區面積對應蓄水量，并建立二者數學模型，結果見表4。

對湖區面積與蓄水量進行回歸分析，二次多項式能夠很好地擬合二者關系，

y = 0.013 5x2 - 1.481 1x + 42.898? ?R2=0.975 1

高原湖泊多數屬內流型湖泊，受氣候環境、人為因素影響較小，湖水補給以冰川融水為主，蓄水量隨季節變化較為穩定，規律性較強，除極端年份，短時年際間月份蓄水量變化不大。收集近年來不同月份遙感影像，提取湖面面積，反演得到各月份薩利吉勒干南庫勒湖蓄水量（表5）。

從表5可看出，冰川融水是薩利吉勒干南庫勒湖主要補給方式，7月至10月夏秋季節為豐水期，平均蓄水量為5.231×108 m3；12月至次年4月冬季為枯水期，平均蓄水量為3.715×108 m3。

3? 結論

（1） 利用高分二號遙感數據，建立薩利吉勒干南庫勒湖水面綠波段光譜與實測水深數據的數學模型，對湖水深度進行反演，生成湖底地形。當湖面高程為5 163.87 m時，薩利吉勒干南庫勒湖面積為71.82 km2，平均水深12.57 m，最大水深32.69 m，蓄水量為6.179×108 m3。

（2） 結合野外實測水深數據，對薩利吉勒干南庫勒湖底部地形反演模型精度進行評價，平均絕對誤差為0.23 m，相對誤差均為2.84%，能夠滿足對湖泊蓄水量估算需求。

（3） 湖區西部薩利吉勒干西河為入水口，將湖底西側沖積形成貫穿南北的深水溝，湖水深度由西向東逐漸變淺，形成地勢較為平坦的底部地形。從反演結果來看，湖區西側深水溝結構和紋理能夠較為清晰的顯示，相比于淺水區并未變得模糊或平滑，表明利用國產高分二號進行高原湖泊水深探測有效。

參考文獻

[1] 朱立平，鞠建廷，喬寶晉，等.“亞洲水塔”的近期湖泊變化及氣候響應：進展、問題與展望[J].科學通報，2019，64：2796-2806

[2] 張國慶，王蒙蒙，周陶，等.青藏高原湖泊面積、水位與水量變化遙感監測研究進展[J].遙感學報，2022，26（1）：115-125

[3] 馬小奇，盧善龍，馬津，等.基于地形參數的湖泊水儲量估算方法-以納木錯為例[J].國土資源遙感，2019，31（4）：167-173

[4] 劉翀，朱立平，王君波，等.基于MODIS的青藏高原湖泊透明度遙感反演[J]. 地理科學進展，2017，36（5）：597-609

[5] 于瑞宏，許有鵬，劉廷璽.應用多光譜遙感信息反演干旱區淺水湖泊水深[J].水科學進展，2009，20（1）：111-117

[6] 齊述華，龔俊，舒曉.鄱陽湖淹沒范圍、水深和庫容的遙感研究[J].人民長江，2010，41（9）：135-38

[7] 隆院男，閆世雄，蔣昌波，等.基于多源遙感影像的洞庭湖地形提取方法[J].地理學報，2019，74（7）：1467-1481

[8] 萬祥禹，游為，王海波，等.基于多源數據分析維多利亞湖流域水儲量變化[J].地球物理學報，2021，64（2）：441-454

[9] 吳成永.艾比湖水底地形遙感研究[D].新疆師范大學碩士學位論文，2010.6

[10] 沈蔚，郝李華，陳沐崟.高分二號遙感影像水深反演能力評價[J].海洋技術學報，2023，42（4）：28-33

[11] 趙春燕，禹定峰，周燕.水體透明度遙感反演算法研究進展[J].海洋科學，2023，47（5）：176-185

Application of Remote Sensing in Estimating the Storage Capacity of Plateau Lakes

Yu Hao1， Wang Tao2

（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Geological and Mineral Exploration and Development Bureau

Information Center，Urumqi，Xinjiang，830000，China;2.Xinjiang Geological Engineering Survey I

nstitute Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： The Qinghai Tibet Plateau has numerous lakes， and the development， utilization， and protection of water resources are key elements in promoting China's ecological civilization construction. Using the Saligileghan Lake as the research area and using high-resolution remote sensing data， utilizing the characteristics of visible light with both water penetration and lake bottom reflection， a model between lake depth and green band was established through field measurements of water depth. The lake bottom topography was generated， and the average absolute error of the water depth inversion model was 0.23m， with relative errors of 2.84%. Using GIS flooding analysis， establish a mathematical relationship between lake area and storage capacity， and estimate the current storage capacity of Saligileghan Lake to be 617.9 million cubic meters. The results show that， combined with field measurement data， the Gaofen-2 remote sensing data can accurately reflect the structure and texture of lake bottom topography， meet the needs of estimating lake water storage capacity， and provide data support for water resource utilization and protection， plateau lake research， etc.

Key words： Remote sensing; Plateau lakes; Storage capacity; Estimate

項目資助：新疆地質礦產勘查開發局自然資源衛星應用技術分中心建設及應用示范（XGMB202255）資助

收稿日期：2023-10-13；修訂日期：2024-02-21

第一作者簡介：于浩（1979-），男，碩士，高級工程師，從事遙感地質調查、礦山環境方面的應用研究；E-mail： yhaofly@163.com