基于高光谱技术的黄河流凌监测

流凌是指河流封冻前，冰块和河水一起流动。因为流动的冰称为凌，所以冰在水面或水体中随水流动称为流凌。流凌可以分为冬季结冰流凌和开春解冻流凌，前者流凌以冰花和冰淤为主，后者以碎冰块为主。这里所指的是封冻前的结冰流凌。

△  图1 打冰孔监测流凌

△  图2 凌汛灾害

为什么要监测流凌

1. 防洪和减灾：流凌堆积或堵塞河道可能会导致河水倒灌，形成凌汛，对下游地区造成威胁。通过监测流凌，可以及时预警并采取措施，减少洪灾的发生和影响。

2.保护水利设施： 流凌堆积可能会对水坝、桥梁、堤坝等水利设施造成损坏，影响水利工程的正常运行和安全。监测流凌可以帮助及时发现潜在的危险，并采取相应的维护和加固措施。

3.水资源管理： 流凌的形成和演变过程反映了水体的温度变化和水文特征，对水资源管理和水文预测具有一定的参考价值。通过监测流凌，可以更好地了解河流的冰情变化，为水资源管理提供数据支持。

4.科学研究： 对流凌的监测和研究有助于深入了解河流或溪流的冰凌形成机制、演化规律以及与气候变化的关系，对于气候变化研究和水文学科的发展具有重要意义。

△ 图3  黄河流凌监测研究区位图

研究区介绍

研究区位于黄河内蒙古河段，地处黄河最北端，高程海拔千米以上，离海洋距离远，暖温气流难以到达，常为蒙古高压控制，大陆性气候特征显著，冬季严寒漫长，气温在零度以下的时间持续4—5个月，最低气温可达零下35℃，这段河流冰冻期4—5个月，大部分为稳定封河段。冬季内蒙古段河道流量一般在每秒400立方米以上。此段气温低、冰层厚，洪峰过境水鼓冰裂，造成大块流冰多，加之河势的作用，流冰密集卡冰结坝，使河道水位猛烈抬升，极易造成串堤决口、淹没成灾。

研究区河段长约103公里，位于包头市南部，东西走向。该河段河道面积约为70平方公里。

△  图4 黄河流凌监测区卫星影像

△ 图5 河道地物类型

△  图6 河道地物类型反射率图   

中科西光航天- 流凌 监测研究方法

1. 数据获取：使用了2024年1月5日由XIGUANG003号高光谱卫星拍摄的内蒙古包头区域的150波段高光谱影像。
2. 研究区确定：使用河道边界矢量对原始栅格数据进行掩膜，提取研究区内高光谱影像。
3. 确定分类数量：在之前  【高光谱应用专栏】基于高光谱混合光谱分解的内蒙古达拉特旗冰雪覆盖监测的冰雪分类基础上，确定了三种河道内的地物类型，分别为：流动水面（清沟*）、冰雪混合物、雪覆盖冰面，由图5可知，在450-850nm波段范围内，流动水面的反射率最低，平均不到10%，冰水混合物的反射率在10%—30%之间，而雪覆盖的冰面反射率则高达65%。
4. 分类：使用基于像素的无监督对河道内的地物进行分类。
5. 统计分析：统计各地物的面积和面积占比。

*封冻河段内有敞露的水面，长短不一，叫做清沟。产生在封冻期的清沟叫做初生清沟；产生在融冰期的清沟叫做再生清沟。

△  图8 黄河包头段流凌分布图

研究结论及应用

通过对研究区黄河河道内不同混合状况的流凌的提取和分析，制作了流凌分布图，直观地展示了不同状态流凌的分布位置，同时统计了分布面积和面积占比，能够帮助判断当前时间下河道的封冻状态，标识出风险区域，为大范围流凌监测提供了可用的手段。

 文开河：以热力作用为主形成的融冰开河，形势较为平稳，但历时较长。

武开河：以水力作用为主形成的破冰开河，上游河道先行解冻，而下段河道冰凌仍然固封，当上游下泄的水量突然增加，遇到下游的冰盖时，在水力作用下形成河道冰水齐下、水鼓冰开的现象。 

同时，基于大范围卫星遥感的流凌监测提供了特定时间段内真实准确的流凌分布数据，为预测模型的建立提供了数据基础，结合气象数据、河道定点设备监测数据以及无人机遥感数据，能够获取全方位的河流封冻和流凌信息，在减少人工成本的同时，实现持续、跨流域监测和风险预测。

此外，高光谱影像图谱合一的特征能够支持更进一步的定量反演和亚像素级分类工作，帮助研究人员和水利从业者更精细地判断流凌的类型和状态，进一步对河流的封冻状态（平封或立封）、开河过程（文开河、武开河）进行了解，例如对河道内冰水的比例、流凌冰晶形态、冰盖类型（静力冰盖、动力冰盖）、河道清沟的消长进行监测。例如通过清沟的变化来预测开河类型（清沟增大是文开河的象征），提前做好应对措施，减少凌汛造成的损失。