多源数据协同在南四湖生态应急调水中的应用分析

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多源数据协同在南四湖生态应急调水中的应用分析
李凤生马泽生郏建
(淮河水利委员会水文局(信息中心）蚌埠233001)
【摘要】以2014年南四湖生态应急调水为例，综合运用气象、水文、调水水量、遥感影像、水位面积关系等多源数据资料，建立多源数据协同应用与分析方法，借助遥感影像技术，提取生态应急调水期间几个关键水位控制时点的湖区水体系列数据，计算调水前后水体的面积变化情况，并结合相关资料进行比对分析。

结果表明，基于多源数据的协同应用，客观地反映了 调水前后湖区水体的变化情况，通过生态应急调水有效扩大了南四湖湖区水面面积。

【关键词】多源数据协同应用遥感影像水体提取应急调水
1引言
2013年10月至2014年8月，受多种气候因素的影响，南四湖地区降水持续偏少，致使南四湖出现继2002年之后 最严重的干旱年。

针对南四湖的旱情，2014年8月1日国家 防总在北京召集淮河防总、山东省防汛抗旱总指挥部、江苏 省防汛抗旱指挥部、国务院南水北调办公室等单位应急会 商，讨论形成了 2014年南四湖生态应急调水方案，决定启用 新建成的南水北调东线工程从长江向南四湖实施生态应急 调水。

通过计量分析，2014年南四湖生态应急调水水量为8069万+3,有效缓解了南四湖地区的严重旱情。

本文针对南 四湖生态应急调水专题分析的需要，提出多源数据协同的应 用与分析方法，综合利用多种来源的基础资料，以遥感影像 为主，通过遥感手段精确提取关键水位时期湖区内的主要水理，形成完整科学的数据资料和报告，建立“一河一档”。

大 力清查涉河湖违法违章行为，做好备案留底，制定整治方案 和整改措施，并及时将有关情况向河长和河长办汇报。

结合 政府需求、社会共识和自身实际，加强直管工程维修养护，保证直管工程安全、整洁，提升直管工程面貌形象，展现直 管河湖河长制工作成果。

4.4建立直管河湖推行河长制长效工作机制
在直管河湖河长制的推行中，流域机构要与地方主动对 接，积极参与其中并承担相应任务，推动建立流域与区域联 络协调和联合执行等长效机制。

一是应在全流域层面建立由 流域机构牵头，沂沭泗局各级管理单位和地方有关部门参加 的直管河湖河长联络协调小组或联席会议制度，及时沟通协 调省际河湖管理与保护相关工作。

二是沂沭泗局各级管理单 位提早介人，参与地方河长制推进有关工作方案、规划、考核 奖惩与问责机制等政策的制定，结合流域管理单位和直管河 湖实际，积极向地方政府建言献策，确保政策的制定充分考 虑直管河湖的特点，体现管理的要求和意图。

三是河长制办 公室应组织加强区域之间、部门之间涉水事务统筹协调，组体，并结合相关资料联合分析，比较调水前后水体的变化情 况，从宏观层面直观地反映生态应急调水的效果。

2研究区概况
南四湖位于山东省西南部济宁市，邻接江苏省徐州市，由西北向东南延伸，形如长带，湖盆浅平，北高南低，自北向 南由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖串连组成，为淮河流 域第二大淡水湖，湖面面积1280km2。

湖腰最窄处(昭阳湖 中部)修建了二级坝枢纽工程，将南四湖一分为二，坝上为 上级湖，坝下为下级湖。

湖区内地形复杂，微山、独山、南阳 等主要岛屿以及其他零星小岛坐落其中，人湖河道在湖口 段因泥沙淤积形成许多浅滩，此外湖内还综合交错、不规则 地分布着航道、船沟及埝埂等。

3多源数据协同的分析方法
织建立综合执法队伍，落实执法人员、设备和经费;对发现和 通报的问题，开展联合执法，形成长效机制。

4.5着力解决直管河湖管理中的重点难点问题
解决直管河湖重点难点问题是沂沭泗局推进河长制工 作的一项重要目标。

沂沭泗局应以全面推行直管河湖河长制为契机，以河湖岸线管理与保护为切人点，充分运用河长 制政策，逐步解决涉河湖建设项目管理难度大、河湖管理与 保护范围划界难度大、打击非法采砂任务重、水行政执法力 量薄弱等重点难点问题，提高直管河湖管理水平。

5结语
全面推行河长制是贯彻新发展理念、建设美丽中国的 重大战略，也是加强河湖管理保护、保障国家水安全的重要 举措，工作任重而道远。

沂沭泗局应继续全面落实党中央、国务院以及水利部、淮委工作部署，以保护水资源、防治水 污染、改善水环境、修复水生态、规范河湖管理为主要任务，将流域综合管理与推行直管河湖河长制工作紧密结合、协 同推进，促进解决流域河湖管理保护的突出问题，实现河湖 功能永续利用，保障流域经济社会可持续发展！
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针对专题分析的需要，提出基于多源数据协同应用的 分析方法，其流程如图1所示。

以遥感影像分析技术为主 线，首先利用气象、水文资料和遥感影像存档数据，查找并 筛选出调水期间关键时点可用的遥感影像数据；在此基础 上开展影像研判工作，初步分析调水前后的水体变化情况；根据影像类型，通过水体提取实验，选取合适的水体提取方 法，提取出调水期间湖区内水体系列数据;进一步结合调水 水量、水文、水位面积关系等资料分析水体提取的合理性，客观地评价调水效果。

4数据收集与初步分析
4.1数据资料收集
收集南四湖地区的气象、水文、调水量、遥感影像、水位 面积关系等资料。

其中，遥感影像作为主要的应用数据，将 收集调水期间的系列遥感影像和历史遥感影像，以雷达卫 星数据为主，以中高分辨率的光学卫星数据作为补充。

选择 雷达卫星数据作为主要数据源，因为其采用主动微波遥感 方式获取数据，具有全天候、全天时的探测能力，对水体较 为敏感，有利于在云雨天气的不利天气条件下进行大范围 的水体监测。

根据调水期间的天气情况，按照最低生态水位、最低水 位和调水前后等关键水位控制时点的要求，经过查找和筛 选，最低水位选用7月26日加拿大RADARSAT-2雷达卫星数据;并选用该卫星8月28日的影像作为调水结束后的 数据;最低生态水位选用8月15日中国高分一号卫星遥感 数据;历史遥感影像采用法国SP0T5卫星遥感数据。

各类 遥感影像数据的基本情况见表1，表中水位均为下级湖微
图1南四湖生态应急调水多源数据协同分析流程图山站水位。

4.2数据初步分析
(1)高分一号
下级湖的最低生态水位为31.05m，出现在水位下降过 程中的7月13~14日，以及水位上涨过程中的8月12~14 日。

最低生态水位选用8月15日的高分一号WFV2光学遥 感影像数据，分辨率16m，对应下级湖水位为31.09m，高出 最低生态水位0.04m。

但该影像受天气影响很大，云层多且厚，对下垫面遮挡 严重，透过云层仍能看到南四湖湖水面的基本情况。

相对于 雷达卫星数据，高分一号数据对于水体的敏感性较弱，分辨 率较低，难以清晰地区分水体与非水体，湖中细窄的隔堤、埝埂等无法辨识，影像上都表现为水体，导致湖面水体面积 偏大，无法与高分辨率的雷达数据叠合分析。

⑵RADARSAT-2 数据
RADARSAT-2具有合成孔径雷达的特性，粗糙的陆地 表面反射回波较强，影像上表现为较高的亮度，而相对光滑 的水体表面反射回波较少，在影像上亮度较低，表现为暗黑 色。

考虑南四湖地区得地势较为平坦，因而可忽略地形因素 影响。

利用RADARSAT-2卫星影像可以方便地辨别水体和 非水体，进而提取出水体的分布范围。

本次收集的RADARSAT-2数据采用extra-fine单极化 模式，空间分辨率5m，幅宽125k m x125km。

7月26日影像 (图2-a)对应下级湖水位为30.77m，比最低水位高0.02m，可作为最低水位时点的参照数据;8月28日影像（图2-b)对应下级湖水位31.22m，较8月25日调水结束时上涨0.01m，可作为调水结束时点的参照数据。

两景RADARSAT-2影像都成像于南四湖水位相对较低 的时期，水体中孤岛较多，加之图像分辨率较高，受到一定噪 声影响，黑色水体中表现出许多白色斑点。

从两景数据的初步 对比来看，水位相差0.45m，水体分布的边界总体上未发生显 著变化。

但在细节部位，由于水位上涨，下级湖湖心区高程较 低的隔堤被淹没，原来独立水体连人湖区，湖心水体面积有所 增大，如图3所示;湖区内的部分航道河段，则由原来低水位 时近干涸断流的状态，变为清晰的连通水体。

(3)SPOT5 数据
(%)最低水位时期（b)调水结束后图2调水期间RADARSAT-2系列影像图
SPOT5历史影像作为几何校正和对比分析的参照，是 经处理的近自然色影像，空间分辨率2.5m，成像日期为
表1遥感影像数据基本情况表
影像
类别
关键水位点
/水位(m)
数据类型
分辨率
(m)
成像日期/
对应水位(m)
水位差
(m)
调水
期间
系列
影像
最低生态
水位/41.05
高分一号16
2014—08—15
/31.09
+0.04最低水位
/30.75
R A D A R S A T
—2
5
2014-07—26
/30.77
+0.02调水结束
水位/41.21
R A D A R S A T
-2
5
2014—08—28
/31.22
+0.01
历史
影像
――S P O T5 2.5
2004—10—28
/33.73
——
2013年10月23日，对应下级湖水位33.73m ，比调水前最 低水位高出近3m ，水体表现较为清晰，其分布范围也比调 水期间明显大出很多H
5水体提取及分析
湖区内的特殊地形导致水体分布极为复杂。

结合本次
调水工作实际，主要提取湖心、湖内航道和京杭大运河等连 通水体；隔堤及湖区内其他独立封闭的水体，受调水影响 小，不参与提取分析计算H
目前，水体提取方法主要有水体指数法、谱间关系法、 决策树法、密度分割法、图像分类法、比值法、阈值法及差值 法等，其中米用水体指数法、谱间关系法与决策树法等应用 较为成熟。

经多次实验，发现采用单波段阈值与构建二叉决策树 的方法提取水体效果较好。

首先利用遥感软件进行滤波运 算，选择增强型Lee 滤波器(Enhance Lee Filter )消除影像上 噪音斑点，增强图像;然后参照SPOT 5影像进行几何校正， 使两景RADARSAT -2影像精确地配准到一起，以便叠加 比对;选择水体样本训练区，统计获取水体与非水体的分界 阈值，利用二叉决策树分类方法提取出水体范围;最后在软 件提取结果的基础上，结合人工选取和修正，确认最终的湖 心水体，其分布情况见图4。

在遥感影像提取的水体成果基础上，进一步利用GIS 软件分别计算出上级湖和下级湖的水体面积，结果如表2 所示。

将该计算结果与2014年版《淮河流域沂沭泗水系实 用水文预报方案》中南四湖水位〜面积曲线的查算面积进 行比对，分析遥感影像提取结果的合理性，以客观地反映调 水效果。

从表2中可以看出，提取面积均比预报方案中查算面 积值偏小，主要因为此次影像分析仅提取了湖心及相关河
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道内的连通水体，从而导致提取结果整体偏小。

上级湖7月26日水体提取面积为269km 2，比查算面 积少72km 2,偏少21.1%;8月28日提取结果为259km 2,较 查算面积少73km 2,偏少21.91。

前后两期数据的面积差值 及偏差率都比较接近。

下级湖7月26日水体提取面积为182km 2，比查算面 积小30km 2,偏少14.2%;8月28日提取结果为212km 2,较 查算面积少86km 2,偏少28.91。

前后两期数据的面积差值 和偏差率相对较大。

对比下级湖调水前后的水体空间分布 情况，如图5所示，在7月26日（图5-a )和8月28日（图 5-b )两个不同水位时，下级湖内水体分布并未发生显著变 化，但水位上涨0.45m 后，湖心主要水体发生变化，面积从 182km 2 增加至 212km 2,扩大 30km 2。

从数据对比分析的偏差情况来看，结合调水水量跟水 位、面积变化之间的关系，水体提取的结果比较客观合理。

但跟预报方案中查算面积相比，本次遥感影像提取结果整 体偏小，主要有三方面原因T ( 1 )本次水体提取的特殊性，未 包含湖区内独立封闭水体，导致整体结果偏小。

（2)遥感影 像基于2014年现状成像拍摄，而预报方案中水位~库容、 面积关系曲线为20世纪70年代初的水下地形测绘成果编 制，其相关关系已很难反映当前下垫面的情况，尤其经济社 会的快速发展，人类活动干预限制了湖心水体的范围，下级 湖尤为明显，这是造成偏差的主要原因。

（)遥感影像的数 据质量、提取方法和水体分界阈值等诸多因素，也对遥感影 像水体的提取结果产生一定影响。

6结论与展望
通过多源数据的协同应用，提取关键时点的水体，对调
(a )最低水位时期 （b )调水结束后
图3最低水位时期和调水结束后RADARSAT -2对比图
表2
南四湖生态应急调水水体提取成果对比分析表
曰期水位(m )提取面积(k m 2)查算面积(k m 2)结果比较(k m 2)上级湖
7月26日
32.74269341-728月28曰32.73259332-73下级湖
7 月 26 曰
30.77182212-308 月 28 曰
31.22
212
298
-86
(a )7月26曰最低水位期间 （b )8月28曰调水结束后
图5南四湖下级湖调水前后湖心水体分布情况对比图
(a )7月26曰最低水位 （b )8月28曰调水结束后
图4湖心主要水体分布对比图
基于大数据与B/S结构的淮河流域 防洪调度系统研究及应用
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赵梦杰胡友兵王凯陈红雨
(淮河水利委员会水文局(信息中心）蛘埠233001)
【摘要】基于“两台一库”技术架构，采用W ebGIS技术与B/S结构，利用水雨情、工情、旱情、突情、天气雷达、社会经济等 大数据信息，本研究在淮河流域防洪调度系统一期工程的基础上，建设范围增加了淮河蚌埠至洪泽湖、沂沭泗河水系，构建 了丰富的模型库、方法库，提高和完善了系统整体功能，与防洪调度系统一期工程整体集成，建立了全面覆盖淮河流域重点 防洪地区、功能较完善的防洪调度系统，实现了防洪形势分析、调度方案生成、调度方案评价比较、调度成果可视化、调度专 用数据库管理等功能。

根据智能化的调度模式生成多种调度方案，综合比较调度方案并进行成果仿真，从而为淮河流域的防 洪调度及水资源管理提供科学的技术支撑与决策依据，实现了淮河流域防洪调度的实时化、智能化、可视化。

【关键词】大数据B/S结构防洪调度系统WebGIS技术智能化
1引言
淮河流域地处我国南北过渡带，易发生受梅雨影响而 产生持续性时间长、范围大、洪水总量大的暴雨洪水，如 1954年、1991年、2003年、2007年。

自2007年流域大洪水 后，已近10年没有发生流域性大洪水，而近些年极端天气频发，洪涝造成的损失惨重，淮河流域发生大洪水的概率也 在逐渐增加。

随着水雨情自动测报系统的建设和计算机网 络技术的迅速发展，对于新形势下的防洪调度，加强大数据 与互联网技术在防汛中的应用非常必要，一旦发生流域性 大洪水，防汛部门能够及时对流域的实时雨水情、工情信息 进行分析，这对于流域的防汛调度与社会稳定意义重大。

纵 观国内防洪调度系统的研究及应用，很多专家学者在这方 面做了很多探索与实践，王鹏生等进行了 B/S模式的长江 流域防洪调度WebGIS系统设计与实现，赵旭升等构建了 B/S模式的珠江防洪调度系统，彭勇等基于WebService构 建了丰满水库防洪调度系统，王洪等进行了防洪决策支持 系统调度体系自动构建技术研究，李宁宁等尝试了开源框
水前后、最低水位、最低生态水位等不同时间节点进行分析 计算，能够客观地反映调水前后湖区水体分布的真实情况。

结果表明，调水结束后南四湖下级湖水面面积比最低水位 时增加30km2,通过生态应急调水，较短时间抬升了湖区水位，有效扩大了湖区水面面积。

2014年南四湖生态应急调水计量与分析工作，未能准 确获取关键水位时刻点遥感影像，而采用了最近时点的存档 数据，对于大范围的宏观评价可以忽略影像资料时相上的差 异，但对于局部地区精细化的评估应用，将很难满足精度要 求。

在今后类似的工作中应尽早部署，及时获取准确时点的架在水库防洪调度系统中的应用研究。

从中不难看出，采用 B/S结构的可交互式防洪调度系统正逐渐成为研究与应用的热点。

防洪调度技术是一项重要的防洪非工程措施，在防 汛工作中占有十分重要的地位，利用现代化信息技术，研究 并建立现代化的防汛指挥系统，对于提高应急指挥能力，科 学合理地实施防汛抢险和指挥调度，有效地减轻洪涝灾害 损失具有重要的意义。

2防洪调度系统总体设计
2.1防洪调度系统总体框架
淮河流域防洪调度系统严格按照国家防汛抗旱指挥系 统“两台一库”的框架体系，采用WebGIS技术、B/S结构，基 于“一张图”地图背景，以调度对象为主体，基于防洪调度主线，实现降雨影响范围自动分析、防洪工程提示预警、防洪 工程关联资料多方式综合展示。

总体上以需求为导向，应用 为目的，强化资源整合，促进信息共享，提升防汛指挥信息化管理效率与水平。

淮河流域防洪调度系统中各类功能模块归人“两台一库”体系，主要包括数据支撑层、应用支撑
系列数据，以便更好地开展动态跟踪监测和精确评估分析。

另 外，本次分析工作主要采用了雷达卫星数据，随着国产高分数 据的广泛应用，未来工作中基于国产高分的光学遥感影像，结 合面向对象的信息提取方法将值得探索和尝试。

基于多源数据的协同应用与分析，在南四湖生态应急 调水计量工作中取得良好成效。

综合利用多种类型的基础 数据，通过水体系列资料的对比分析，不仅适用于类似应急 管理与响应工作，也可进行大范围全过程的动态跟踪监测、事中预评估和事后精细评估，其数据协作与分析机制可为 应急或常态化应用提供客观真实的依据！。