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高分四号卫星在洪泽湖汛期水体范围变化监测中的应用

更新时间:2009-03-28

洪泽湖位于我国江苏省西北部地区,湖区跨宿迁与淮安两市,是淮河中下游分界线,区域总覆盖面积约18 090 km2,为我国五大淡水湖之一[1]。作为淮河流域最大的湖泊,洪泽湖是淮河上一个极具意义的水源调蓄水库[2],也是南水北调东线工程的重要调蓄水库[3];同时,湖区周围分布着众多湿地,野生动植物资源丰富,是区域内重要的生态功能区,对区域社会经济发展和民生具有重要的意义和影响。受强烈的季风性气候类型影响,洪泽湖区域季节性降水频繁。在汛期,受淮河中上游强降水及本区降水影响,湖水水体面积随水位波动较大[4],对当地居民生活安全和经济发展产生重要的影响。因此,对洪泽湖水体范围变化开展快速、有效的监测,对洪涝灾害范围识别和生态湿地系统功能监测具有重要的意义。

国内利用遥感技术开展了洪泽湖水体面积监测研究。文献[5]中利用陆地卫星-7(Landsat-7)数据,开展了辅以纹理特征的洪泽湖局部湿地信息提取研究。文献[6]中利用陆地卫星-5的专题制图仪(TM)数据,基于决策树完成了洪泽湖湿地信息的提取。文献[1]中利用多颗“陆地卫星”的TM和增强型专题制图仪(ETM)数据,研究了洪泽湖地区土地利用与景观格局演变。文献[7]中利用2003年、2008年、2013年三时相的斯波特-5(SPOT-5)、斯波特-4和高分一号(GF-1)卫星遥感影像,研究了洪泽湖河湖交汇区土地利用的变化情况。文献[4]中利用1973年、1984年、2006年3期“陆地卫星”数据,开展了洪泽湖区土地利用、覆盖变化的分析。文献[3]中利用卫星遥感技术开展淮河中下游洪泽湖水体变化研究,对1971-2001年洪泽湖岸线变化进行了定量分析。

综上所述,对防汛防洪急需的高时间分辨率洪泽湖水体范围变化监测研究较少。以往受制于卫星重访周期的影响,时间分辨率有限,不能提供及时、有效的数据实现对汛期水体范围变化的有效监测[8]。高分四号(GF-4)卫星数据具有高时间分辨率特点,对开展洪泽湖汛期前、中、后完整时期的水体范围变化监测与分析,具有明显优势。本文针对高分四号卫星数据特点,自动化提取水体范围,通过基于相关分析的变化检测算法,开展洪泽湖水体范围变化的快速提取,完成典型汛期前、中、后洪泽湖水体范围变化监测,可为区域防灾减灾与损失评估,以及旱涝转换预防提供参考。

根据胡广军关于汽车座椅研究[15]可知:在坐姿状态下,人体的共振频率在4~6Hz。其中,胸、腹部的共振频率在4~8Hz,头、颈部的共振频率在20~30Hz。结合图6可以得出以下结论:

1 高分四号卫星数据选取及分析

1.1 卫星遥感数据与水势水情

高分四号卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项工程的重要成果,也是我国首颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星,其数据具有极高的时间分辨率(凝视模式)和超大幅宽,单景幅宽达到500 km×500 km,成像指标见表1。该卫星又具备与“陆地卫星”相似的中分辨率地物辨识能力(50 m),卫星观测机动灵活,反应速度快,能够迅速抓住有限的观测窗口,实现对目标区域的观测,因而在减灾与应急管理中有着十分广阔的应用前景[9-10]

3.人工成本部分。城镇化推动农村劳动力转移、农民阶层分化,更多的农户外出务工,农业、种粮成为“兼业”“副业”,农村“弱者种地”“差者种粮”观念逐渐形成,受比较收益和机会成本的影响,再加上农业相对艰苦的经营环境和较低的社会地位,必然催生农业劳动力成本的逆转上升,“保的赔不了,赔也赔不了多少”表明了当今农险的尴尬处境。总之,我国发展覆盖“直接物化成本+地租”的农业大灾保险,是顺应农业生产经营高成本时代的必然趋势。

(1)破碎图斑归并。通过一定的合并规则,对差异区域进行归并。本文采用面积作为考察值,差异区面积小于阈值时,认为是同一类型,对图斑进行归类。虽然该方法存在误判的情况,但对于水体范围变化监测,在一定范围内去细存粗,从应用角度上讲是合理可行的。

 

表1 高分四号卫星成像指标Table 1 Imaging indexes of GF-4 satetllite

  

波段号波段名称光谱范围/μm空间分辨率/m1全色0.45~0.90502蓝色0.45~0.52503绿色0.52~0.60504红色0.63~0.69505近红外0.76~0.90506中红外3.50~4.10400

 

表2 2016年5-9月洪泽湖蓄水量变化Table 2 Changes of water storage in Hongze Lakefrom May to September, 2016

  

月份同比上月变化/%环比历史同期变化/%水情水势5月786 汛前流域降水量较历史同期偏多40%6月-4565 汛中汛期以来最强降水7月4927 汛中汛期最大洪水8月-39-23 汛后河湖水情平稳9月-50-61 汛后河湖水情平稳

1.2 研究方法

1)水体提取

水体的反射光谱在可见-近红波段特征明显,且波段差异大,构建水体指数能够增加水体与非水体的可区分度,进而实现水体提取。文献[11]中利用绿色波段和近红外波段构建了归一化差异水体指数,定义如下。

INDW=(BGreen-BNIR)/(BGreen+BNIR)

(1)

式中:BGreen为绿色波段灰度值;BNIR为近红外波段灰度值。

2)空间信息辅助相关分析的变化检测

洪泽湖区域地物类型相对简单,通过混合水体指数模型方法虽然能够快速、自动地实现水体提取,但该方法是基于像素级特征开展的,因而对像素值变化敏感;而汛期内水体、淹没区等范围内往往情况复杂,导致提取结果出现图斑破碎的情况[12]。因此,监测前的难点之一在于如何实现水体提取后的数据快速合并归类。本文基于空间信息将破碎图斑进行合理有效的归并,再完成相关分析的变化检测,以解决这一问题。

科技部和财政部没有统一的高校科研经费财务管理制度, 科研经费的预算大多是由科研项目组自行编制,缺乏财务部门的参与。另由于高校科研经费较易争取到,科研项目组制定经费预算时都会将标准提高一定的比例,期望在经费富足的情况下完成科研项目,而财务部门对科研经费的管理和核算只能参照教育事业财务制度,而教育事业财务制度与科研项目本身并不能完全契合,结果必然导致科研项目经费预算与科研项目经费管理相脱离。

本文经过数据筛选建立高分四号卫星遥感(1~5波段)洪泽湖水体范围变化监测时间序列(4时相),数据获取时间为2016-05-11、2016-07-30、2016-08-01及2016-09-12,大体代表了湖区汛期前、中、后各时段。其蓄水量动态变化见表2[10],数据来源于淮河水利委员会水文局按月水势通报。

菊花的花语是“品行高尚”,它是那么的高贵,又是那样的纯洁。菊花的花茎,那醉人的绿,不染尘滓。我曾见过杨柳的新叶,脱不了鹅黄,似乎太淡了;我曾见过的“绿璧”,似乎又太浓了。而菊茎的绿,让我总是找不到适合的语言来形容。

(2)基于相关分析的变化检测。汛期通常持续时间为十几天至几十天之间,人类活动对地表影响有限,排除水淹等自然因素影响,地表类型变化有限。对于破碎图斑归类后的数据,开展基于相关分析的变化检测。其基本思路是:①将两时相数据配准和覆盖范围统一。②选择滑动模板,本文选择3×3(像素),模板在两幅影像对应区域同步依次自左到右、自上到下逐像元依次滑动。③新建与两影像大小分辨率一致的空白影像。④对模板区域内两时相对应像素进行相关分析。本文选用相关系数r作为判别依据,将模板内前后时相影像内的同名像素值按照顺序构建空间矢量,分别为XY,两者的相关系数为r

 

(2)

式中:C(X,Y)为XY的协方差;V[X]为X的方差;V[Y]为Y的方差。

Xia Shuang, Ruan Renzong, Yan Meichun,et al. Analysis on land use/cover change in Hongze Lake[J]. Remote Sensing Information, 2013, 28(1): 54-59 (in Chinese)

2 洪泽湖汛期水体范围变化分析

2.1 水体提取结果

以2016-05-11为例,开展水体提取,见图1。可以看出,自动分类主要有两类问题:①沿岸存在一定的破碎图斑,图斑归并算法能消除部分破碎图斑,未消除的少量破碎图斑在整个水体范围中占的比较少,影响有限,可以忽略不计。②近河道地区、沿湖分布的湿地及浅水区等部分地区,地物属性分类不确定。高分四号卫星具有蓝色、绿色波段,它们对水体穿透能力较强,因此在浅水区容易受到水底地物影响,出现误判。同时,由于高分四号卫星数据(中红外除外)的空间分辨率为50 m,在湿地或者水体-裸地不连续分布的区域,当面积小于2500 m2(或一定范围)时,水体与其他地物相互影响,造成一定的误判。这类误判区较破碎图斑面积大,但考虑到这类地区往往与水体区域紧密相连,很多功能属性也与水体具有一致性或关联性,因此将该区域判定为水体区域。

  

图1 2016-05-11水体范围提取结果Fig.1 Water body extent extracted results on May 11,2016

2.2 2016年5-9月洪泽湖水体范围变化

对汛期不同时相的洪泽湖水体提取值(周长、面积)进行分类统计,并分别计算较2016-05-11的变化率,考察在此汛期过程中水体范围整体变化情况。同时,计算岸线发育系数,见式(3)。

混凝土运输设备应与运输条件、级配、拌和能力、浇筑强度、全面具体情况等相适应。运输过程中不发生泄漏、分离、漏浆和泌水,并减少坍落度损失。

 

(3)

式中:L为洪泽湖岸线长度;A为洪泽湖水体面积。

岸线发育系数能够描述岸线的复杂程度,岸线越不规则、越曲折多变,岸线发育系数越大,这也在一定程度上有利于水面生产活动的发展,如水面养殖或水生植物生长等[3]

表3为洪泽湖水体范围变化统计结果。

 

表3 洪泽湖水体范围变化统计结果(较2016-05-11)Table 3 Statistical results of water body extent changes ofHongze Lake(compared with on May 112016)

  

时相周长/km周长变化率/%面积/km2面积变化率/%岸线发育系数2016-05-111219.4 0.01599.70.08.62016-07-30911.7-25.21692.55.86.32016-08-011068.3-12.41588.4-0.77.62016-09-121004.0-17.71690.95.76.9

从统计结果可知:5月为汛前,6月淮河流域迎来最大降水,6月底7月初迎来最大洪水。2016-07-30洪泽湖水体面积达到最大,较2016-05-11增加5.8%。进入8月,洪泽湖水情平稳,因此水体面积又有所减少。而进入9月,水体面积又增加到与2016-07-30相当水平,这说明在2016-08-01后该区域内又有新的水势到来。在2016年3-9月,洪泽湖水体面积与周长在一定范围内存在线性关系(负相关),相关系数达到了0.861(见图2)。通常,当水体面积扩大后,周长也随之增加,但是洪泽湖水体面积增大后周长却减小了,出现了湖岸褶皱填平现象(在一定范围内有效)。岸线发育系数的变化也印证了这一现象。使用同样方法,提取2017年3-5月洪泽湖水体面积与周长,情况与2016年5-9月情况类似(图2中蓝色折线)。

当今社会石油产品供应越来越紧张,天然气放空造成了极大的浪费和环境污染,加之环保意识的增强和能源可持续发展的要求,放空天然气回收工作越来越受到重视[1]。冀东油田、胜利油田、大港油田等各大油田公司较早就对天然气放空的问题非常重视,组织开展了放空天然气的回收规划设计工作,并逐步实施[2]。目前各油田公司所使用的天然气回收利用技术主要有CNG技术和脱烃工艺技术等,CNG技术主要是通过将天然气进行脱水之后而被压缩至20 MPa,然后将其充入至专门的CNG拖车之中;脱烃工艺技术主要是外冷脱烃和膨胀制冷脱烃[3];表1比对分析了5种放空回收方法[4-9]。表2对比了国内外高压气田放空天然气回收现状。

  

图2 水体周长与面积的线性关系Fig.2 Linear relationship between water body perimeter and area

[1] 徐嘉兴,李钢,渠俊峰,等.洪泽湖地区土地利用与景观格局演变[J].长江流域资源与环境,2011,20(10):1211-1216

将各时相数据进行环比,可以发现:各相邻时相间水体都在发生变化,变化情况较为剧烈。特别值得注意的是2016-08-01,尽管与2016-07-30间隔仅1天,但水体面积迅速减少104.1 km2,甚至略低于2016-05-11的水体面积。这一结果与该区域由涝转旱特点一致,而且反映出由涝转旱的剧烈程度,为区域内由防涝转变为防旱工作的紧迫性提供了现实依据。在2016-09-12,发现水体面积较上一时相环比又出现大幅增加,达到汛期最大月的水体面积,这说明在中上游又有大量来水,

也说明可能新的一轮洪峰过境,需要加强水库蓄水调节。环比同样显示,增加与减少区域相对固定,如洪泽湖南岸淮河入湖区(明祖陵镇与官滩镇之间区域),本身地势较低,水系与湿地沼泽集中分布,容易因为涨水而被淹没。

  

图3 2016-07-30较2016-05-11水体范围变化监测结果Fig.3 Water body extent change monitoring results on July 30,2016 compared with on May 11,2016

  

图4 2016-08-01较2016-05-11水体范围变化监测结果Fig.4 Water body extent change monitoring results on August 1,2016 compared with on May 11,2016

  

图5 2016-09-12较2016-05-11水体范围变化监测结果Fig.5 Water body extent change monitoring results on September 12,2016 compared with on May 11,2016

  

图6 2016-08-01较2016-07-30水体范围变化监测结果Fig.6 Water body extent change monitoring results on August 1,2016 compared with on July 30,2016

  

图7 2016-09-12较2016-08-01水体范围变化监测结果Fig.7 Water body extent change monitoring results on September 12,2016 compared with on August 1,2016

 

表4 不同时相洪泽湖水体面积变化监测结果

 

Table 4 Change monitoring results of Hongze

 

Lake water body area on different days

  

检测时相对比时相面积变化量/km2变化率/%2016-07-302016-05-11 92.85.82016-08-012016-05-11-11.3-0.72016-09-122016-05-1191.25.72016-08-012016-07-30-104.1-6.22016-09-122016-08-01102.56.5

3 结束语

本文利用高分四号卫星数据,开展2016年5-9月洪泽湖汛期前、中、后各时期水体范围变化监测,结果显示:在汛期,洪泽湖水体面积变化呈增加与减少并存情况,说明汛期内水体面积变化呈明显的动态交替变化过程。分析变化区域发现,在汛期,洪泽湖水体范围变化较为固定,集中出现在一些典型区域。同时,在汛期,在非常短的时相内(相隔1天)发生了剧烈的水体面积变化(减少),退回到汛前水平,这也印证了该区域旱涝转换的剧烈程度,为区域内防洪防旱工作预判与准备提供了现实依据。监测数据还显示,在一定范围内,洪泽湖水体面积与周长呈线性负相关。

[7] 吴翼,戴蓉,徐勇峰,等.洪泽湖河湖交汇区土地利用时空动态[J].南京林业大学学报(自然科学版),2016,40(4): 22-28

参考文献 (References)

将各时相结果分别与2016-05-01结果和上月数据进行变化检测对比分析,见图3~7。通过数据统计(见表4)可以发现:①与汛前比,各个时相水体范围均有不同程度的变化。水体面积增加与减少也同时存在。②水体变化区域较为集中,增加、减少区域不固定,但主要集中在洪泽湖东北岸、南岸,以及部分河道地区。③各时相水体变化率(较汛前)相似,都在8.0%左右,最大达到10.5%,该月也是最大洪水所在月。

在手术的围手术期,应对患者进行有效全面的认知干预,如在术前应对患者就腰椎间盘突出症及手术治疗方案进行详细介绍,注意结合图文、视频等,提高患者的认知程度;并讲解术后康复锻炼的重要性、锻炼方法及注意事项等,使其有一个深刻的了解和掌握,便于术后开展康复锻炼,促进病情的恢复。

[4] 夏双,阮仁宗,颜梅春,等.洪泽湖区土地利用/覆盖变化分析[J].遥感信息,2013,28(1):54-59

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2014年1月4—5日,水利部在小浪底水利枢纽管理中心召开全国水利厅局长会议,全面贯彻落实党的十八大和十八届二中、三中全会精神,按照中央经济工作会议、中央城镇化工作会议和中央农村工作会议要求,总结2013年水利工作,部署水利改革攻坚和加快发展任务,安排2014年水利重点工作。

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理论上,相同像元范围地表无变化,相关系数应当为1,此时新建影像对应像素值类别为先时相类别;如果超过阈值,则认为该区域发生变化,此时该像素以后时相像素值为类型,同时设置该像素为变化区域。

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Zhang Louxiang, Ruan Renzong. Extraction of Hongze Lake wetland information based on the decision tree[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2015,38(2): 87-91 (in Chinese)

显而易见,陀思妥耶夫斯基留给后世的,不仅是那“七八十页”的“神言”,而且是如何将肮脏丑陋化为纯洁之美的辩证法,或者说,是振翅飞翔的意志。 罗扎诺夫留给我们的,则是敏锐的洞察力、开阔的视野、飞扬的思绪和挥洒自如的生花妙笔。

崔:这倒真是有些超乎我的想象了,对于很多作品,我能想象“音乐意识解决技术难点”的可能性,但是对于勃拉姆斯的《帕格尼尼主题变奏曲》是怎么做到的?这几乎是顶尖难度的钢琴作品。

钢的国家军用标准的制修订开始于90年代初期,是冶金、航空部门共同在原冶金工业军用标准的基础上制定。发动机直接采用的钢国军标有棒材、管材、板材、丝材、带材、圆饼和环坯等原材料和锻坯标准,在这些国军标发布后,废止了相应的冶标。发动机用钢的航标中,80年代初期制定的棒材、管材标准技术内容已纳入相应的材料国军标,目前发动机用钢的航标主要用于铸钢及铸件的生产。[8]

在数据筛选过程中发现,虽然高分四号卫星数据时间分辨率高,但因为汛期天气影响,还是有大量的数据无法使用,增加了数据筛选的困难。同时,一景数据覆盖范围大,但由于云覆盖比例筛选,可能会把对目标区域有用的数据过滤掉,从而导致数据浪费和监测时间序列不够密集。随着智能遥感技术的发展[13],建立星上智能专题数据快速处理,利用自动化处理技术对目标水体范围迅速完成提取,由星上原始数据传输转变为仅对提取后结果传输,将大大提高卫星数据的利用效率和监测的频次,实现更为高效的汛期过程水体范围变化监测。

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与AHT方案相比,本方案在吸收器换热之后增加了闪蒸和冷凝过程,不能简单地通过提升污水流速来增加其换热效果。为了保证闪蒸效果,污水流速不能随意增加,在该方案中应首先保证吸收器的换热面积。

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1.盈利水平。对于上市公司来说,R&D支出强度越大,对于企业经济效益提升的作用越明显。亏损企业希望通过研发费用资本化来提高企业利润。但盈利水平较高的企业则相反:企业期末净利润越高,就越会引起社会各界的关注,企业就可能负担更多社会责任,公众也会对企业有更高的期待;同时,利润水平的过快增长还会导致市场认为其盈利质量偏“软”。为获得股东的好评,减轻企业的社会压力,盈利水平较高的企业往往更倾向于“缓慢”地进行无形资产资本化或将无形资产费用化,这样也可以降低企业税收成本。据此,我们提出第一个假设:

Zhang Bing. Intelligent remote sensing satellite system[J]. Journal of Remote Sensing, 2011, 15(3): 415-431 (in Chinese)

 
张磊
《航天器工程》 2018年第02期
《航天器工程》2018年第02期文献

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