基于遙感影像的喀什地區(qū)水體提取

高佳華+王文惠+韓鑫+張佳華

摘要：根據(jù)新疆喀什地區(qū)1990年、2000年和2010年左右的TM影像，采用改進(jìn)的歸一化差分水體指數(shù)（MNDWI），選取合適閾值的進(jìn)行水體的提取，然后進(jìn)行人工修正的方法，統(tǒng)計并獲得喀什地區(qū)水資源（含冰川）總體面積。結(jié)果顯示：1990年～2010年期間，喀什地區(qū)水資源（含冰川）總體面積在1990年至2000年以及2000年至2010年間分別減少了1141km2和987km2，變化率分別為-12.35%和-12.19%，并結(jié)合喀什地區(qū)氣候變化相關(guān)研究成果，對影響喀什地區(qū)水資源時空變化的相關(guān)因素進(jìn)行簡單的討論。

關(guān)鍵詞：喀什地區(qū)；水體提取；MNDWI；動態(tài)變化

1.引言

水資源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中極為重要的資源，有關(guān)其分布、管理和利用是城市發(fā)展進(jìn)程中最為主要的問題之一[1]。LandsatTM影像由于諸多優(yōu)勢，成為世界各國普遍使用的重要地球資源與環(huán)境遙感的數(shù)據(jù)源[2]。對于喀什地區(qū)水資源的分布情況，已經(jīng)有相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了一些研究，安瓦爾·買買提明等[3]通過對喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、生活和生態(tài)五種不同類型用水量的多年變化情況，從人口、經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化等三方面進(jìn)行分析，得知喀什地區(qū)的用水類型的比重變化情況及其主要驅(qū)動力。來玉梅等[4]通過喀什近十年來的河流、湖泊和冰川等的減少面積，并結(jié)合近二十年來該地區(qū)溫度降雨等的變化，得出溫度的升高是導(dǎo)致喀什地區(qū)地表水資源發(fā)生變化的主要因素。

2.研究區(qū)域概況

喀什地區(qū)是我國西部的行政區(qū)，位于我國西北部，新疆西南部，是我國的西大門。地區(qū)內(nèi)有喀什噶爾和葉爾羌河兩大流域，流域內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)相對比較脆弱，水資源總體表現(xiàn)為“春旱、夏洪、秋缺、冬枯”的特點[5]。各河流水系的源頭均處于冰川以及山區(qū)積雪帶，隨著山地水體的融凍，各河流年內(nèi)洪枯差異顯著，均為冰川積雪融補(bǔ)型河流[1]。全區(qū)共有5大河流，另外有短程河3條。

3.數(shù)據(jù)與方法

3.1數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本研究使用的數(shù)據(jù)為Landsat5TM遙感影像，所用的投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_43N，影像獲取時間分別在1990年左右、2000年左右和2010年左右，月份均集中在7至9月份，云層覆蓋度均小于10%，無條帶影響，首先對原始影像進(jìn)行幾何校正，消除原始影像的幾何形變，然后根據(jù)國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的喀什地區(qū)行政矢量邊界作為感興趣區(qū)進(jìn)行裁剪，獲得研究區(qū)域完整的遙感影像。

3.2本文方法介紹

由于水體對入射能量強(qiáng)吸收的特點，大多數(shù)的遙感傳感器的波長范圍之內(nèi)，水體總體上表現(xiàn)為比較低的反射率，并且具有隨波長的增長而減小的態(tài)勢。具體表現(xiàn)為：在可見光波段之內(nèi)（0.48μm～0.58μm），反射率在4%～5%之間，但是在0.58μm波長處，反射率下降到2%～3%；而波長大于0.74μm時，基本全部的入射純水體的能量都被吸收[6，7]。由于水體在近紅外波段和中紅外波段范圍之內(nèi)（0.74μm～ 2.5μm）表現(xiàn)出的高吸收特點，使得這一波段范圍中的入射能量基本上全部為較純凈的水體所吸收。利用水體反射率的這一特征，Mcfeeters于1996年提出了歸一化差分水體指數(shù)（NDWI），其公式為：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

式中，Green表示綠光波段；NIR表示近紅外波段，在LandsatTM影像中，分別為第二和第四波段。

然而，此指數(shù)僅考慮到植被因素對水體信息帶來的影響，卻忽視人工地物和陰影帶來的影響[13]，在進(jìn)行水體提取時，會有比較嚴(yán)重的錯分現(xiàn)象。

而徐涵秋等人針對這個特點，提出一種改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI），公式為：

MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR）

其中，Green和MIR分別對應(yīng)了綠光波段和中紅外波段，在LandsatTM/ETM中為第二和第五波段。在這個公式中，水體信息得到顯著的增強(qiáng)，而植被、土壤、人工地物和陰影等非水體信息得到了相當(dāng)程度的壓制，見圖2。

由上圖比較，我們可以清晰地看出：MNDWI比NDWI更能夠?qū)⑺w信息突出顯示，亮度值更高，而對于土壤等其他信息，前者的壓制效果比后者更好，所以本研究采用效果更好的MNDWI進(jìn)行水體信息的提取工作。

3.3水體提取

1990年、2000年以及2010年左右三期的水體提取工作是在EnviClassic上開展，后期的修正等處理使用ArcGIS 10.0進(jìn)行。

使用Envi的波段運算工具分別計算1990年、2000年、2010年的MNDWI值，經(jīng)過反復(fù)試驗，選定恰當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行水體提取。由于山體陰影與水體具有相似的光譜反射率，會導(dǎo)致誤提，因此，需對誤提部分進(jìn)行修改，以保證最終獲得地水體提取成果圖的誤差控制在15%之內(nèi)，滿足土地利用和覆蓋地圖的精度要求[8]。

4.結(jié)果與討論

4.1水資源調(diào)查結(jié)果

通過MNDWI選取合適閾值，以及后期的人工修正等處理之后，水體提取結(jié)果的誤差主要存在于目視誤差以及統(tǒng)計誤差[9]，由于TM影像的分辨率為30m，使得識別水體的誤差能夠達(dá)到30m，由于前期的校正誤差，水體提取結(jié)果誤差達(dá)到一至兩個像素。

對于喀什地區(qū)，河流湖泊等液態(tài)水資源分布在其中北部，冰川等固態(tài)水資源則分布在喀什地區(qū)的南部，從上圖中，對比a、b、c三圖，我們能夠明顯的看出，1990年至2010年的這二十年間，喀什地區(qū)東北部的湖泊水體有著較大程度的削減，而在喀什的中部地區(qū)，葉爾羌河周邊的湖泊濕地等也有著不同程度上的變化，南部的冰川積雪也有著較大面積上的消融，由于三期影像的選取時間大致相同，所以冰川及河流等水資源的提取數(shù)據(jù)具有可比性。

在中亞地區(qū)，固態(tài)水體是干旱半干旱地區(qū)水資源重要的調(diào)節(jié)源和補(bǔ)給源，眾多的冰川是該區(qū)域幾大河流的源頭。已經(jīng)有學(xué)者研究表明：喀什地區(qū)的冰川物質(zhì)表現(xiàn)為負(fù)平衡的狀態(tài)[9，10]，玉龍喀什河源區(qū)在1989年～2001年間冰川面積和儲量開始不斷減少[10]。上圖為喀什地區(qū)20年間水資源動態(tài)變化比較圖。

4.2結(jié)果統(tǒng)計和分析

通過上表，我們可以看到，喀什地區(qū)水資源（含冰川）由1990年左右的9238km2，減少到2000年左右的8089km2，再到2010年左右的7110km2，兩個十年間，分別減少1141km2和987km2，減少比率分別為-12.35%，-12.19%。

簡單分析水資源發(fā)生變化的原因，可以從氣候因素和人為因素兩方面來進(jìn)行考慮。a.氣候因素：主要包括溫度以及降水，喀什地區(qū)夏季氣溫近20年來總體表現(xiàn)為升高的態(tài)勢，平均上升率為0.57℃/10a[9]，溫度的升高，引起喀什地區(qū)南部冰川的消融加速，地表水蒸發(fā)量增多，地表儲存量減少，溫度的長期增長對冰川積雪等固態(tài)水資源產(chǎn)生不可逆的影響。降水是喀什地區(qū)地表水的主要補(bǔ)充源，喀什地區(qū)的降水基本在每年的5月～9月份，該期間降水增幅較大，短期內(nèi)地表水充沛，但該時間的水資源利用率較低。b.人為因素：主要表現(xiàn)在社會經(jīng)濟(jì)等方面，隨著喀什地區(qū)的經(jīng)濟(jì)在逐年增長和人口的增加該地區(qū)的用水需求在不斷增加。大量的農(nóng)田、河流的改造、灌溉溝渠和濕地的開墾等因素也同樣導(dǎo)致該地區(qū)地表水資源的進(jìn)一步減少。

5.結(jié)論

利用遙感技術(shù)可以快速高效的進(jìn)行水資源提取工作，由于人工解譯的固有缺點，在進(jìn)行范圍較大區(qū)域的水體提取時，雖然精度高于其他方法，但是工作量卻是極大的，而MNDWI雖然精度不如人工解譯，但是結(jié)合后期的人工修改之后，顯然可以滿足土地利用和覆蓋精度的要求，是水資源調(diào)查與提取的重要方法之一。在氣候因素和人為因素的綜合影響下，喀什地區(qū)地表水資源表現(xiàn)出逐年減少的態(tài)勢。本文通過對喀什地區(qū)水資源三期數(shù)據(jù)之間的對比，得知喀什地區(qū)在自然水資源方面呈現(xiàn)出逐年減少的態(tài)勢。冰川和積雪的消融加速，短期之內(nèi)會引起下游河流徑流量的增加，造成流域水資源增多的假象。但由于喀什地區(qū)整體溫度的升高，將使得喀什地區(qū)冬季冰川積雪儲存量降低，夏季溫度的上升又會使得冰川融雪加速，使得水資源出山徑流量的增加，這將會引起喀什地區(qū)夏季河流洪水災(zāi)害頻繁增加，降低水資源的利用效率?？κ驳貐^(qū)的水資源將可能出現(xiàn)供應(yīng)不足的現(xiàn)象，并會對生態(tài)環(huán)境帶來無法估量的影響。為保證水資源的可持續(xù)利用，該地區(qū)需要增加對水資源的優(yōu)化配置，提出更加合理有效的水資源利用以及規(guī)劃的方案。

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