基于遙感的達來諾爾湖泊水域面積變化研究

張寶林，賈瑞晨，張 倩，程 高

（1.內蒙古師范大學 化學與環(huán)境科學學院，呼和浩特 010020；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京 100124）

基于遙感的達來諾爾湖泊水域面積變化研究

張寶林1，賈瑞晨2，張 倩3，程 高1

（1.內蒙古師范大學 化學與環(huán)境科學學院，呼和浩特 010020；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京 100124）

達來諾爾是渾善達克地區(qū)重要的湖泊之一，利用遙感技術，通過近紅外單波段灰度閾值法對達來諾爾的水域面積進行了分析。研究表明：單波段灰度閾值法可以簡單快速地實現湖泊水體信息的提取和水域面積的變化研究，1975年，1987年，2001年和2008年四期遙感影像表明達來諾爾水域自1975年以來一直在萎縮，尤其是進入21世紀以后，湖泊的四周水域均發(fā)生明顯的變化，湖泊萎縮和干涸是人類必須面臨的重要環(huán)境問題之一。隨著氣候變暖和人口壓力的增加，渾善達克沙地湖泊濕地的保護和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展必將面臨更為嚴峻的考驗。

遙感；達來諾爾湖泊；水域面積；變遷

內陸湖泊是氣候變化、環(huán)境變異的指示器［1］，其形成與消失、擴張與收縮及其引起的生態(tài)環(huán)境的演化過程都是全球的、區(qū)域的和局部的構造和氣候事件共同作用的結果［2］。由于人類對湖泊的考察和定點觀測范圍有限［3］，大范圍、全面深入的湖泊環(huán)境變化研究可以通過遙感技術來實現。如今，可見光和微波遙感均已應用于湖泊動態(tài)監(jiān)測，如可見光遙感衛(wèi)星傳感器SPOT（Systeme Probatoire d'Observation de la Tarre）［4］、LandSat［5－11］、MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）［12］、CBERS（China－Brazil Earth Resources Satellite）［13］和 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）［14］等，主動微波傳感器如 ERS－1（European Remote－Sensing Satellite－1）、ERS－2及 Radarsat也是湖泊水域監(jiān)測的重要數據源。

由于水體和陸地對太陽輻射的反射、吸收和透射的情況不同，它們在遙感圖像上的反映也迥然不同，水陸界線異常清楚，所以湖泊水體的界線在遙感圖像上比較清晰，容易識別［3］。湖泊信息的主要提取方法有閾值法［8，11－12］、色度判別法［8］、譜間關系法、光譜混合分析法、彩色空間轉化法、決策樹法［4］、水體指數法等［9，11，15］。目前遙感技術主要應用于研究湖泊變化與古湖泊［7］、湖泊物理參數、湖泊生物與生態(tài)、湖泊水文水質、湖泊冰情等等［3］。

由于氣候變遷、人類活動等因素的影響，產生了湖泊萎縮、湖泊富營養(yǎng)化、湖泊污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問題［3］。我國學者已經利用遙感技術研究了青藏高原［5，10，16］、蘇北［12］、黃土高原［11］、三江源［17］、江漢湖群［13］等的變化狀況，但對于內蒙古渾善達克地區(qū)湖泊的研究并不多見［14，18］。近年來，西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題受到越來越多的關注，其中最重要的核心問題是水土資源問題。本研究利用Landsat系列衛(wèi)星獲得的渾善達克達來諾爾地區(qū)的遙感影像，通過湖泊信息的提取和水域面積的變化分析，對達來諾爾湖泊的變遷進行遙感監(jiān)測，以期為渾善達克沙地湖泊水資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達來諾爾位于中國內蒙古赤峰市克什克騰旗西北部的一個斷陷構造湖，又稱達里諾爾、達里湖。湖面海拔1 226m。東西平均寬約9.8km，南北長約22.4km，面積近219.53km2。達來諾爾地處大陸深處，氣候干旱，水面蒸發(fā)量是降水量的5.3倍，湖水鹽度為5.6，是一典型的高原內陸半咸水湖。平均水深7～8m，最深13m。入湖河流主要有公格爾河、薩林河、浩來河和亮子河，蓄水量約16億m3［19］。

1.2 數據來源

研究所使用數據來自美國馬里蘭大學（http：//glcf.umiacs.umd.edu/）和中國科學院對地觀測中心與數字地球科學中心（http：//www.ceode.cas.cn/）。數據來自于美國陸地資源衛(wèi)星（Landsat），傳感器包括Multispectral Scanner System （MSS）和Thematic Mapper（TM），分別采集于1975年9月27日、1987年7月31日、2001年5月19日和2008年4月28日。

1.3 研究方法

由于水體光譜的特殊性，本研究中采用了單波段灰度閾值法。單波段閾值法基本原理是利用水體在近紅外波段反射率較低，易與其它地物區(qū)分的特點，選取單一的紅外波段，確定一個區(qū)分水體與其它地物的分類閾值。閾值法識別水體的優(yōu)點是簡便迅速，易于實現。采用閾值法的提取水體關鍵是閾值的確定，為提高水體識別的精度，對不同地區(qū)和時相的影像應采用不同閾值（表1）。

在本研究中采用Landsat系列衛(wèi)星的近紅外波段單波段灰度值閾值法結合真彩色合成衛(wèi)星影像進行湖泊信息的識別和面積的提取。在所利用的衛(wèi)星影像中，Landsdat 2近紅外波段MSS－7波長范圍為0.8～1.1μm，而在Landsat 5TM 和Landsat 7TM中沒有相應的波段，其第5波段波長范圍為1.55～1.75μm，故研究采用了Landsdat 2MSS－7波段（0.8～1.1μm）、Landsat 5TM 和Landsat 7ETM＋的第5波段（1.55～1.75μm）進行湖泊信息的識別和面積的提取。具體的實現方法見圖1－2。

圖1 達來諾爾湖泊水域面積提取的單波段閾值法

表1 達來諾爾面積提取的單波段閾值法

進行面積提取時，根據所選單波段閾值建立掩膜，從而獲得湖泊面積的變化。并將掩膜保存為矢量數據，以進行湖泊邊界的變化分析。

2 結果與分析

湖泊動態(tài)變化監(jiān)測的主要任務是監(jiān)測湖泊水域是否發(fā)生變化及其變化的具體狀況，它包括對湖泊信息的識別與提取和對湖泊動態(tài)變化信息的監(jiān)測兩方面內容。湖泊信息的提取實質是將湖泊信息與其它信息區(qū)分開來。

2.1 湖泊信息的提取

在可見光和近紅外波段內，水體識別主要是基于水體、植被、土壤等地物的光譜反射差異。水對近紅外和中紅外波段的能量吸收最多，該波段內的能量很少被反射，而植被和土壤對可見光波段反射極少，但對近紅外反射卻很高。因此，用遙感數據中的近紅外和可見光波段可以方便地解決地表水域定位和邊界確定等問題。

在可見光范圍內，水體的反射率總體上比較低，并隨著波長的增大逐漸降低。水體的反射主要集中在藍綠光波段，在其它各個波段上反射率均較低，特別是近紅外波段，水體對該波段幾乎完全吸收。水體在各波段圖像上均呈暗色調，輪廓明顯，與其周圍的地物反差較大，容易識別和判讀（圖2）。1987、2001年和2008年的Landsat彩色合成影像特征的差異主要是由于成像時間、湖泊水質狀況及季節(jié)變化等原因造成的。

2.2 湖泊面積的變化

從圖2和表2中可以看出，從時間上，過去34a間達來諾爾的面積是逐漸減小的，1987年較1975年縮減9km2，減少了3.9% ，2001較1987年縮減了4 km2，減少了1.8%，2008年較2001年縮減了22 km2，減少了10.2%。由此可以看出1975－1987年、1987－2001年變化都不是很大，2001－2008年面積縮小比較明顯。

表2 達來諾爾湖泊水域面積的變化

圖2 達來諾爾湖泊水域面積的變化

達來諾爾水域的萎縮首先發(fā)生在湖泊的西側和東北側的水泡，2001年以后湖泊周圍的水泡全部干涸。與2001年相比，2008年湖泊的四周均可見明顯的水域萎縮現象，尤其以東側和北側嚴重（圖3）。

圖3 1975－2008年達來諾爾水域面積的變化

3 討論

自1975年以來，達來諾爾的水域面積發(fā)生了萎縮，尤其是進入21世紀以后，湖泊面積變化更為明顯。研究表明，自晚更新世晚期以來，達來諾爾經歷了湖面收縮、湖面分離、河道再聯的演化過程［19］。全新世以來，由于地殼的持續(xù)上升，湖水開始衰退。近年來，由于干旱少雨，蒸發(fā)消耗大于補給，湖泊面積逐年縮?。?4，20］。這一現象與我國眾多湖泊發(fā)生的萎縮、干涸現象一致［5－6，10，13，17］。與晚更新世晚期相比，達來諾爾水面收縮率已經達到90%以上［18］；自20世紀60年代以來，氣候干旱導致湖面平均每年下降0.1 m［20］，尤其是進入21世紀以后，湖面東南西北均發(fā)生嚴重萎縮現象，警示人們氣候變化可能對渾善達克沙地湖泊濕地保護產生潛在的不利影響。

湖泊水域動態(tài)變化的遙感研究一般是選取幾幅不同時相的衛(wèi)星遙感圖像，通過各種不同的遙感圖像處理技術提取湖泊水體的信息，來反映湖泊面積大小的動態(tài)變化［3］。通過單波段閾值法求得的1987年達來諾爾水域面積為219km2，與中國湖泊志的記載相一致［19］，說明單波段閾值法可以簡單快速地實現對湖泊水域面積的遙感監(jiān)測。然而，在數據方面，選擇不同的閾值會造成誤差，同時由于這4a獲取數據的時間不完全一致，季節(jié)的變化也會在提取湖泊面積帶來一定誤差。

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The Water Body Area Changes of Dalainur Lake Based on Satellite Images of Remote Sensing

ZHANG Bao－lin1，JIA Rui－chen2，ZHANG Qian3，CHENG Gao1
（1.College of Chemistry and Environmental Sciences，Inner Mongolia Normal University，Hohhot，Inner Mongolia010020，China；2.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi，712100，China；3.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China）

The changes of the area of Dalainur，one of the key lakes in Otintag Sandy Land，were analyzed in this paper based on remote sensing technology.The results show that the information about the lake and its changes in area of water body can be achieved quickly and conveniently by the method of single near infrared grayscale threshold.Satellite images of remote sensing，acquired by Landsat in 1975，1989，2001and 2008，presented that Dalainur had been shrinking since 1975.Especially with the advent of the 21st century，the lake began to change significantly on all sides.Lakes shrinking and drying up are the important environmental issue that human has to cope with seriously.Under the pressure from global warming and population growth，the lake and wetland protection in Otintag Sandy Land and its local eco－environment sustainable development will face the greater challenges.

remote sensing；Dalainur Lake；water body area；change

P332.3

A

1005－3409（2011）06－0196－04

2011－06－07

2011－07－21

國家自然科學基金（40961014）；內蒙古師范大學高層次人才科研啟動經費項目（GCRC09003）

張寶林（1971－ ），男，內蒙古寧城人，博士，副教授，主要從事3S技術的應用和氣候變化研究。E－mail：nmzhangbaolin＠hotmail.com

張倩（1988－），女，內蒙古呼倫貝爾市人，碩士研究生，主要從事3S技術的應用和氣候變化研究。E－mail：zhangqian221.best＠163.com