基于多源數(shù)據(jù)的白洋淀水域變化分析

張 文，賈祎琳，崔長露，岳翠瑩，孟令奎

（武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

基于多源數(shù)據(jù)的白洋淀水域變化分析

張 文，賈祎琳，崔長露，岳翠瑩，孟令奎

（武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

以白洋淀水域為研究區(qū)域，針對白洋淀水域上游 2 個河道水文站的年平均流量、水位及水域遙感監(jiān)測面積等數(shù)據(jù)，進行 Mann-Kendall 趨勢、突變的檢驗，以及水位-面積擬合，并對結果進行分析，以期從多源數(shù)據(jù)中挖掘白洋淀水域的變化特征。分析結果表明：紫荊關站與阜平站的年平均流量呈顯著下降趨勢，且這種下降趨勢在 1990 年后更加顯著；白洋淀的水面面積經過急速下降—持續(xù)較低—緩慢上升的發(fā)展階段，整體呈不顯著下降狀態(tài)，并且按先中部東部，再南部北部，最后西部的空間順序增長；由于白洋淀上游河流流量不足，引水濟淀仍然是保持白洋淀正常生態(tài)環(huán)境的有效途徑；白洋淀春季、秋季、冬季水位-面積正相關關系明顯，夏季較差，春、秋、冬三季水位-面積整體正相關且擬合關系較好。

白洋淀；多源數(shù)據(jù)；Mann-Kendall 檢驗；水位-面積線性擬合；水域變化；變化分析

0 引言

2017 年 4 月 1 日設立的河北雄安新區(qū)，規(guī)劃范圍涉及河北省雄縣、容城、安新三縣及周邊部分區(qū)域，主體位于安新縣的白洋淀成為雄安新區(qū)的最大水域[1]。

白洋淀是我國海河平原上最大的湖泊，也是華北平原僅存的為數(shù)極少的湖泊型濕地之一[2]，具有緩洪滯瀝、調節(jié)氣候、保護生物多樣性等多種生態(tài)功能[3]。但是近半個世紀以來，白洋淀受人類活動和氣候變化的影響，入淀水量持續(xù)減少[4]，出現(xiàn)了水源不足，淀泊面積萎縮，干淀頻繁發(fā)生等情況。為緩解白洋淀危機，避免干淀，自 1981 年以來，連續(xù)多年引水濟淀，先后實施了上游王快、西大洋、安各莊水庫放水濟淀，“引岳濟淀”“引黃濟淀”“南水北調”濟淀等方案。這些措施在一定程度上緩解了白洋淀的水資源危機，恢復了白洋淀周邊的生態(tài)環(huán)境和生產生活。

隨著對地觀測技術的發(fā)展，多成像方式、多波段、多分辨率數(shù)據(jù)的并存使得遙感數(shù)據(jù)日益多元化[5]；隨之而來的遙感數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級的增長、獲取速度的加快和更新周期的縮短等特性使得遙感數(shù)據(jù)表現(xiàn)出明顯的“大數(shù)據(jù)”特征[6]。同樣，隨著水利信息化的發(fā)展和監(jiān)測手段的不斷進步，水文數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢[7]，水文行業(yè)的大數(shù)據(jù)時代也已經到來。如何有效地利用多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從遙感與水文大數(shù)據(jù)中的信息挖掘，進而形成空-地數(shù)據(jù)協(xié)同分析，獲得所需知識，輔助指揮決策已越來越重要。邵佳麗等[8]利用 1989—2011 年長時間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行洞庭湖水體面積提取計算，分析洞庭湖的水體面積、徑流量、降雨量在三峽水庫運行前后的關系。袁敏等[9]基于 2000—2010 年MODIS 遙感影像及城陵磯水位數(shù)據(jù)，分析了三峽工程調節(jié)作用對洞庭湖水面面積的影響。沈占峰等[10]利用 1973—2015 年的遙感影像數(shù)據(jù)精確提取了 43 期白洋淀水體面積，分析了面積變化趨勢；高彥春[11]等利用氣溫、降水和徑流數(shù)據(jù)對白洋淀流域的變化特征及其相互響應關系進行了分析；劉丹丹等[12]利用降雨量數(shù)據(jù)對白洋淀流域的降水特性進行了分析。然而，針對白洋淀的研究多是單一地使用遙感或是水文數(shù)據(jù)，而綜合利用遙感與水文數(shù)據(jù)的長時間序列分析少之又少。

因此，利用 1989—2016 年的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結合白洋淀水域上游 2 個河道水文站的河流流量及水位數(shù)據(jù)，采用 Mann-Kendall 趨勢、突變的檢驗法，以及水位-面積線性擬合進行統(tǒng)計分析，以期從遙感與水文大數(shù)據(jù)中挖掘白洋淀水域的變化特征。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

白洋淀流域地處北緯38°10′～40°00′，東經113°40′～116°20′，地跨保定、北京、石家莊等市，地勢西高東低，隸屬于海河流域大清河水系。白洋淀水域位于流域東部，主要承接流域內南北中河流來水，主要河流包括拒馬河、唐河、潴龍河、瀑河、漕河等。白洋淀流域屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，70%～80% 的降雨集中在 6—9 月，多以暴雨形式出現(xiàn)，降雨以西部山區(qū)迎風坡降雨較多，山區(qū)背面及平原區(qū)降雨較少的形式分布。

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

按照每季 1 次，每年共 4 次的監(jiān)測頻率，選取1989—2016 年共 112 期影像質量狀況較好的遙感數(shù)據(jù)，其中 1989—2013 年數(shù)據(jù)為美國 Landsat 系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分辨率為 30 m；2014—2016 年數(shù)據(jù)為我國高分 1 號 WFV 類型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分辨率為16 m；數(shù)據(jù)量共約為 180 GB。遙感數(shù)據(jù)經過輻射定標、大氣和正射校正、目標區(qū)裁剪等預處理流程后進行水體提取，Landsat 影像采用 MNDWI（改進后的歸一化水體指數(shù)）結合相應閾值進行水體提取，高分 1 號影像采用 NDWI（歸一化水體指數(shù)）結合相應閾值進行水體提取，并對提取結果進行復檢后計算面積。

河流流量和水位數(shù)據(jù)均來源于水利部實時水雨情數(shù)據(jù)庫。白洋淀流域中的絕大部分測站數(shù)據(jù)存在時間序列較短，數(shù)據(jù)缺失嚴重，完整性較差的問題，難以反映河道流量的真實情況及進行長時間序列分析。因此，最終選取 1998—2016 年十方院溢流堰上水位數(shù)據(jù)，1956—2016 年紫荊關站與 1958—2016 年阜平站的河流流量數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計 2 站的年平均流量數(shù)據(jù)，以便進行后期的數(shù)據(jù)分析。

2 分析方法

2.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendall 趨勢檢驗法可用來分析降水、徑流和水質等要素時間序列的趨勢變化[13]，能夠有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是存在確實的變化趨勢。該方法定義了統(tǒng)計量 S：

式中：n 為樣本量；Xi與 Xj均為樣本量的時間序列；當 ( Xi-Xj) 小于、等于或大于零時，sgn ( Xi-Xj) 分別為-1，0 或 1；統(tǒng)計量 S 大于、等于、小于零時，檢驗量 Z 分別為：

檢驗量 Z 為正，表明變量呈上升趨勢；檢驗量Z 為負，表明變量呈下降趨勢。給定一顯著水平 α，如果 |Z| ≥ Zα?2，則表明在 α 置信水平上，數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。

2.2 Mann-Kendall 突變檢驗法

Mann-Kendall 突變檢驗法可用于檢驗序列突變，對于具有 n 個樣本量的時間序列 X，構造一秩序列 ri：

式中：k 序列為從第 2 個樣本開始的樣本順序列；Sk是第 i 個時刻數(shù)值大于第 j 個時刻時，數(shù)值個數(shù)的累加。Sk的均值 Sk及方差 σ2定義如下：

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量UFk：

式中：UF1= 0，按時間序列 X 的逆序重復上述過程，同時使 UBk=-UFk，UB1= 0。若 UFk＞ 0，則表明序列呈上升趨勢，反之，則表明序列呈下降趨勢。當超過顯著水平臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果 UBk和 UFk這 2 條曲線出現(xiàn)交點，且交點在 2 條顯著水平臨界線之間，那么交點對應的時刻即是開始產生突變的時刻，即突變點。

3 結果分析

3.1 河流流量年際變化分析

白洋淀屬內陸季風氣候的湖泊，淀泊水資源主要來自河流補給。紫荊關站與阜平站年平均流量變化曲線圖如圖 1 所示。從圖 1 可看出：紫荊關站與阜平站的平均流量年際變化較大 ，總體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；兩站年際變化趨勢基本一致，但阜平站的變化幅度更為劇烈；兩站年平均流量出現(xiàn)顯著峰值時間與流域內出現(xiàn)暴雨洪水時間一致，分別為1959，1963，1979，1988，1996 和 2012 年夏季，拒馬河洪水導致紫荊關站年平均流量在 2012 年出現(xiàn)一個小波峰，而對阜平站的影響較小；年平均流量最大值都發(fā)生在 1959 年，紫荊關站與阜平站的年平均流量分別為 142.78，610.52 m3/s，2016 年紫荊關站與阜平站的年平均流量分別為 2.46，94.13 m3/s。

圖 1 紫荊關站與阜平站年平均流量變化曲線圖

為更準確地判斷河流流量的年際變化趨勢，對兩站的年平均流量進行了 Mann-Kendall 趨勢及 突變檢驗，檢驗結果如表 1 和圖 2 所示，可以得出：紫荊關站與阜平站年平均流量的統(tǒng)計值 Z 分別為-5.563 3，-4.989 6，滿足 α = 0.01 的顯著水平要求，說明白洋淀流域河流平均流量的下降趨勢非常明顯。通過圖 2 可以看出：兩站年平均流量沒有明顯的突變時刻，說明盡管存有年際間的波動，但整體上一直都在下降；約 1990 年后這種減少趨勢大大超過了 0.05 顯著性水平臨界線，后期甚至超過了 0.01顯著性水平臨界線。

表 1 白洋淀流域河流年平均流量 Mann-Kendall 統(tǒng)計表

白洋淀流域內氣溫的升高、降雨量的減少，以及工農業(yè)的迅速發(fā)展、人類活動的加劇、上游王快水庫等水利工程大規(guī)模的投入使用都導致河流流量的不斷減少，從而進一步導致入淀水量的減少，使得淀泊內水量不斷降低，面積不斷減小。

3.2 水面面積變化分析

白洋淀周圍的景觀類型可分為明水面、沼澤、農田、居民地，其中沼澤主要是蘆葦沼澤[14]。蘆葦沼澤與農田的光譜類似，導致在遙感影像上難以對兩者進行區(qū)分，因此只對淀泊的明水面面積進行統(tǒng)計計算。

圖 2 白洋淀流域河流年平均流量 Mann-Kendall 曲線圖

每年 4 次具有代表性的遙感監(jiān)測水面面積數(shù)據(jù)如圖 3 所示，從圖 3 可以看出：1989—2016 年期間，白洋淀最大水面面積為 1996 年 2 月 7 日的258.00 km2，最小水面面積為 2002 年 10 月 5 日的8.70 km2，最大年平均面積為 1989 年的 181.85 km2，最小年平均面積為 2002 年的 18.65 km2；其中，1989—2003 年期間白洋淀水面面積呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢，2003—2006 年期間白洋淀持續(xù)維持在 8～50 km2的低水面面積狀態(tài)，2007—2016 年期間，白洋淀水面面積呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢；從整體上看，白洋淀的水面面積經過了急速下降—持續(xù)較低—緩慢上升的發(fā)展階段，且年內四季水面面積波動明顯。

圖 3 白洋淀水面面積曲線圖

為更清楚地判斷白洋淀水面面積的年際變化趨勢，對白洋淀年平均面積進行了 Mann-Kendall 趨勢與突變檢測，檢測成果分別如表 2 和圖 4 所示。結果表明：年平均水面面積的統(tǒng)計量 Z 為-1.145 9，不滿足置信水平 α = 0.05 的顯著性水平要求，說明盡管白洋淀水面面積整體在減少，但是在 α = 0.05 的置信水平上減少趨勢不明顯；UFk與 UBk這 2 條統(tǒng)計量曲線在 1990 年左右形成交點，且交點在 2 條顯著性水平直線內，表明 1990 年是年平均面積的突變點，這與紫荊關站、阜平站年平均流量在大約 1990 年后急劇下降相吻合；UFk統(tǒng)計量曲線約在 1997—2005 年期間超過了 α = 0.05 的置信水平，并且一直在下降，可見這段時期年平均面積的減少最為劇烈，而這一情況在 2006 年后得到了緩解。

從數(shù)據(jù)分析中可以看出：2004 年之前王快、西大洋、安各莊水庫小水量輸水補淀只能對白洋淀進行短暫的維持；而 2004 年 2—6 月“引岳濟淀”1.59 億m3之后，白洋淀水面面積才開始增長；2006 年11月 24 日開始實施“引黃濟淀”，補水量達 1.00 億m3，后又“引黃濟淀”4 次，補水量達 4.09 億m3，白洋淀水面面積因黃河水的注入得以緩慢增長；2014 年底“南水北調”中線貫通后，白洋淀水面面積增加趨勢更為明顯。綜上所述，白洋淀流域河流流量不足，上游水庫補給能力有限，從目前來看，“引黃濟淀”和“南水北調”仍是保證白洋淀正常生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

表 2 白洋淀年平均水面面積 Mann-Kendall 統(tǒng)計

圖 4 白洋淀年平均水面面積 Mann-Kendall 曲線圖

此外，根據(jù)白洋淀從最小到最大水面面積的變化，分析了白洋淀水面的空間變化趨勢，變化圖如圖 5 所示。可以看出：白洋淀水面面積按先中部東部—再南部北部—最后西部的空間順序增長，這與白洋淀西高東低的地勢有關，并且水面面積的不斷增大使得水面的破碎化程度不斷降低。

圖 5 白洋淀水面面積變化圖

3.3 水位-面積關系分析

根據(jù)白洋淀水面面積與對應日期的白洋淀水位數(shù)據(jù)，進行了白洋淀水位-面積線性回歸分析，關系圖如圖 6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：春季、秋季、冬季水位-面積呈正相關關系，即水位升高，面積增大，并且擬合關系較好，R2分別為 0.888 4，0.889 7 和 0.904 0；而夏季水位-面積 R2僅為 0.005 8，說明夏季白洋淀水位-面積的線性關系較差。由于在夏季不同時期時，蘆葦?shù)戎参锊煌潭鹊卣趽趿怂蛩妫瑢е逻b感監(jiān)測面積難以反映真實的水域面積，使得遙感監(jiān)測面積小于真實的水面面積。而夏季降雨偏多，水位偏高，因而使得夏季水位-面積線性關系不明顯，水位-面積對應點明顯為異常或離群點。因此，最終選取春、秋、冬三季數(shù)據(jù)進行長時間的水位-面積線性擬合，三季水位-面積 R2為 0.715 1，表明除夏季異常外，其余時間段的水位-面積存在明顯的正相關關系，且擬合關系較好。

圖 6 白洋淀四季水位-面積關系圖

4 結語

基于 Mann-Kendall 趨勢、突變檢驗及水位-面積線性擬合等方法，對白洋淀水域的河流流量、水面面積、水位的變化趨勢進行了分析，得出的結論對維持白洋淀生態(tài)環(huán)境具有一定的參考和借鑒意義。分析得出：白洋淀流域河流流量不足，單靠白洋淀水量無法保持雄安新區(qū)的長期建設，“引黃濟淀”“南水北調”等補淀措施仍是目前保證白洋淀正常水面面積、生態(tài)環(huán)境及新區(qū)建設的有效途徑。

對于一般湖泊、水庫來講，基于光學遙感影像監(jiān)測的水域面積與實測水文數(shù)據(jù)在時間序列上具有良好的擬合關系，而以白洋淀為代表的植被茂盛、水深較淺的水體，具有夏季植被覆蓋水體干擾遙感監(jiān)測的缺點，導致數(shù)據(jù)準確性受到極大干擾。因此，尋找新型、有效的監(jiān)測手段對白洋淀水域變化實行更進一步的精確分析是很有必要的。

[1] 新華社. 中共中央，國務院決定設立河北雄安新[EB/OL].http://politics.people.com.cn/GB/n1/2017/0401/c1001-29185929.html.

[2] 張敏，宮兆寧，趙文吉，等. 近 30 年來白洋淀濕地景觀格局變化及其驅動機制[J]. 生態(tài)學報，2016，36 (15):4780-4791.

[3] 趙翔，崔保山，楊志峰. 白洋淀最低生態(tài)水位研究[J]. 生態(tài)學報，2005，25 (5): 1033-1040.

[4] 李英華， 崔保山，楊志峰. 白洋淀水文特征變化對濕地生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 自然資源學報，2004，19 (1): 62-68.

[5] 孟令奎，郭善昕， 李爽. 遙感影像水體提取與洪水監(jiān)測應用綜述[J]. 水利信息化，2012 (3): 18-25.

[6] 李德仁，張良培，夏桂松. 遙感大數(shù)據(jù)自動分析與數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測繪學報，2014，43 (12): 1211-1216.

[7] 馮鈞，許瀟，唐志賢，等. 水利大數(shù)據(jù)及其資源化關鍵技術研究[J]. 水利信息化，2013 (4): 6-9.

[8] 邵佳麗，鄭偉，劉誠. 衛(wèi)星遙感洞庭湖主汛期水體時空變化特征及影響因子分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2015，24 (8): 1315-1321.

[9] 袁敏，李忠武，謝更新，等. 三峽工程調節(jié)作用對洞庭湖水面面積（2000—2010年）的影響[J]. 湖泊科學，2014，26 (1): 37-45.

[10] 沈占鋒，李均力，于新菊. 基于協(xié)同計算的白洋淀濕地時序水體信息提取[J]. 地球信息科學學報，2016，18 (5):690-698.

[11] 高彥春，王金鳳，封志明. 白洋淀流域氣溫、降水和徑流變化特征及其相互響應關系[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2017，25 (4): 467-477.

[12] 劉丹丹，吳現(xiàn)兵，程伍群，等. 白洋淀流域降水特性分析[J]. 南水北調與水利科技，2014 (5): 113-117.

[13] 劉丹丹. 白洋淀水資源量變化及其原因分析[D]. 保定：河北農業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，2014: 14-15.

[14] 莊長偉，歐陽志云，徐衛(wèi)華，等. 近 33 年白洋淀景觀動態(tài)變化[J]. 生態(tài)學報，2011，31 (3): 839-848.

Study on change analysis of Baiyangdian based on multi-source data

ZHANG Wen, JIA Yilin, CUI Changlu, YUE Cuiying, MENG Lingkui

(College of Remote Sensing Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Aiming at mean annual discharges, water level and remote sensing surface area data of two hydrological stations in the upper reaches of Baiyangdian, this paper conducts Mann-Kendall trend test, Mann-Kendall mutation test and water level-area linear fitting to analysis variation characteristics of Baiyangdian in the hope of mining Baiyangdian water change characteristics from multi-source data. The results show that the mean annual discharges of Zijingguan Station and Fuping Station were significantly decreased, and the decreasing trend was more significant after the year of 1990. The surface area of Baiyangdian has gone through a rapid decline - sustained low - slow rising stage of development, and the overall decline is not significant. The area increases according to the spatial order of first central east-south north - last west. However, due to the insufficient flow of rivers in the upper reaches of Baiyangdian, water diversion and precipitation are still an effective way to maintain the normal ecological environment in Baiyangdian.The spring, autumn and winter water level - area fitting relationship of Baiyangdian is positively correlated, the summer ispoor, spring, autumn and winter three seasons water level –area is positively correlated and the fitting relationship is better.

Baiyangdian; multi-source data; Mann-Kendall test; water level - area linear fitting; change analysis

TP393；TV213

A

1674-9405(2017)05-0039-07

10.19364/j.1674-9405.2017.05.008

2017-05-15

張 文（1980-），女，湖北十堰人，講師，博士，主要研究方向為遙感、地理信息系統(tǒng)及其領域應用。