2000-2015年布爾哈通河河道變遷分析

王晴宇 侯焱臻

摘要：基于2000-2015年多時(shí)序Landsat遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取以及人工目視解譯法對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水體進(jìn)行提取。通過(guò)ArcGIS10.0，分別從河面信息變化以及河岸線長(zhǎng)度變化兩方面，對(duì)2000-2015年布爾哈通河河道變遷規(guī)律做了分析研究。利用ENVI4.7，通過(guò)監(jiān)督分類提取研究區(qū)內(nèi)的河岸土地利用狀況。結(jié)果表明：在研究的時(shí)間范圍內(nèi)，河面信息中的平均岸線和曲折系數(shù)呈下降趨勢(shì);河岸信息中的變遷速度和變遷率呈上升趨勢(shì);河岸土地類型中，旱田和林地增加，水田和未利用土地減少。最后，結(jié)合收集到的氣候資料、地形資料，從高程因素、氣象因素和河流自身因素等自然因素，以及河岸土地利用變化和護(hù)岸工程的建設(shè)等人為因素對(duì)河道變遷的影響因素進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：河道變遷;Landsat影像;GIS;監(jiān)督分類;布爾哈通河

隨著全球環(huán)境變暖和中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于自然因素及人類活動(dòng)的干預(yù)，許多河段存在河道變遷問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者利用遙感影像進(jìn)行河道變遷的研究方法進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)河道變遷的研究從水文學(xué)研究轉(zhuǎn)向其動(dòng)力機(jī)制的研究，人文因子同其他因子如氣候、地形等一并進(jìn)入研究范圍。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息技術(shù)與傳統(tǒng)方法相結(jié)合成為主流。劉偉等（2005）采用歸一化水體指數(shù)法和面向?qū)ο蠓诸惙椒▽?duì)現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)的遙感影像進(jìn)行分析[1]。王文種等（2006）討論了ENVI/IDL環(huán)境下的CBERS批處理模式的建立和應(yīng)用[2]。慎利等提出使用空間像素模板來(lái)獲取空間之間鄰域的相關(guān)關(guān)系，并結(jié)合Adaboost集成學(xué)習(xí)算法來(lái)提取高分辨率影像上的河流信息[3]。黃河等（2015）利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了遙感影像的河道信息自動(dòng)提取[4]。

一、研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

（一）研究區(qū)概況

布爾哈通河發(fā)源于安圖縣哈爾巴嶺東麓沼澤地，流經(jīng)安圖、龍井、延吉、圖們四縣市與嘎呀河交匯，東注于圖們江，在自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都有較高的研究?jī)r(jià)值。本研究通過(guò)遙感影像了解布爾哈通河河道變遷的現(xiàn)狀特征，從高程、氣象和河流自身因素分析河道變遷的自然因素，從土地類型改變和護(hù)岸工程的建設(shè)分析河道變遷的人文因素，分析河道變遷的影響因子。對(duì)加強(qiáng)護(hù)岸工程建設(shè)，以及對(duì)保護(hù)沿岸城鎮(zhèn)、村屯、堤防、道路、農(nóng)田及水域資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，便于城市的發(fā)展。

（二）數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站2000、2006、2010年三期LandsatTM遙感影像和2015年Landsat OLI遙感影像。柵格單元大小均為30m×30m。本文選取了由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)下載的延吉市1999-2016年的氣象資料。土地利用類型參照國(guó)家土地利用分類系統(tǒng)及研究區(qū)域?qū)嶋H情況，劃分為林地（針葉林、闊葉林、混交林）、水田、早田、水體、草地、建設(shè)用地（采礦場(chǎng)）、未利用地（裸地、冰雪、濕地）。

二、研究過(guò)程

參考國(guó)內(nèi)學(xué)者的對(duì)河道變遷的研究方法，梁文瓊等（2013）提出了一種面向?qū)ο蟮倪b感圖像增強(qiáng)處理方法[5]，陳文濤采用最大似然法監(jiān)督分類提取水體信息回，趙水霞（2016）對(duì)研究區(qū)域的遙感影像分別進(jìn)行最佳波段組合、線性增強(qiáng)、圖像整飾、特征提取、最大似然分類等預(yù)處理，并結(jié)合野外實(shí)地觀測(cè)和定位在河道矢量圖中的大地坐標(biāo)進(jìn)行分析[7]，對(duì)遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理、河道信息提取以及監(jiān)督分類。

（一）遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.投影變換

根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的便利及數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，本文遙感數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS-84.投影方式為UTM南極洲極地投影。

2.圖像增強(qiáng)

對(duì)錯(cuò)位的影像圖利用遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)，利用雙線性法進(jìn)行重采樣;采用線性拉伸方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

3.波段組合

將遙感影像的波段進(jìn)行不同類型的組合，可以得到不同地物的增強(qiáng)，為更好地識(shí)別水體和土地利用信息，根據(jù)不同數(shù)據(jù)選取不同波段緝合，基本要求是波段信息量豐富，能充分顯示各種地物的影像特征差異，特別是水體信息與其他地物類型影像特征區(qū)別明顯，此外影像類似于自然色彩，符合人們視覺(jué)習(xí)慣。Landsat TM采用信息量最豐富的543波段組合配以紅綠藍(lán)生成假彩色合成影像，Landsat OLI采用564波段組合。

4.遙感圖像拼接

由于布爾哈通河主河道較長(zhǎng)，處于兩幅遙感影像之中，因此運(yùn)用ENV14.7基于地理坐標(biāo)鑲嵌的原理，對(duì)屬于一個(gè)衛(wèi)星周期的兩幅遙感影像進(jìn)行拼接。

（二）河道信息提取原則及解譯標(biāo)志（見表1、表2）

（三）河道變遷研究方法

本研究的數(shù)據(jù)源為遙感數(shù)據(jù)源，以5年為時(shí)間間隔，通過(guò)前后5年的比較研究可以更好的了解河道的河流流域面積變化以及河流岸線變化。

1.河面信息計(jì)算

河面信息主要包括河流面積、平均水面寬和曲折系數(shù)。利用四期已解譯的布爾哈通河數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到河流面積，通過(guò)兩側(cè)的岸線得到平均岸線長(zhǎng)，通過(guò)河流面積與平均岸線長(zhǎng)計(jì)算平均河面寬，最后通過(guò)河道中心線與河流起始點(diǎn)之間的直線長(zhǎng)度之比求算河流曲折系數(shù)，最后對(duì)河面信息的變化情況進(jìn)行分析。

式中，ALr（Average length）為平均岸線長(zhǎng)，Lr與Lr分別為兩側(cè)的岸線長(zhǎng)，單位統(tǒng)一為千米。

式中，Sr（Averge weight）為平均河面寬，Sr為河流面積，Alr為平均河岸長(zhǎng)，單位統(tǒng)一為千米。

式中，Sc為曲折系數(shù)，Lr為實(shí)際河岸長(zhǎng)度，LI為河流起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線距離。

2.岸線信息計(jì)算

岸線信息主要包括岸線長(zhǎng)度、岸線變遷率以及岸線變遷速度，利用四期己解譯的布爾哈通河數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得到河流兩側(cè)岸線長(zhǎng)度，通過(guò)岸線現(xiàn)期量與基期量的差值和基期量之比可求算岸線變遷率，通過(guò)岸線變化量與變化時(shí)間之比可求算岸線變迀速度。

式中，CS（Change speed）為變遷速度，AL為岸線長(zhǎng)度變化量，T為變化時(shí)間間隔，單位為m/y。

式中，CR（Change rate）為變遷率，Ln為現(xiàn)期岸線長(zhǎng)度，Lp為基期岸線長(zhǎng)度，單位為百分?jǐn)?shù)，有正變遷和負(fù)變遷之分。

三、研究結(jié)果分析

（一）河面信息變化研究

以 2000、2006、2010、2015年遙感影像為基準(zhǔn)的布爾哈通河河面信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3。

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，21世紀(jì)以來(lái)，布爾哈通河的河流面積、平均寬度呈現(xiàn)“減-增-減”的趨勢(shì)，2006-2010的變化量最大。而河流的平均岸線長(zhǎng)度在2000-2006年小幅度增加，2006年以后呈下降的趨勢(shì)，2010-2015的變化量最大，達(dá)到2.18696km。河流的曲折系數(shù)呈先平穩(wěn)再下降的趨勢(shì)，2000-2006年穩(wěn)定在1.82， 2010-2015的變化量最大，達(dá)到0.03。

（二）岸線信息變化研究

對(duì)布爾哈通河的岸線長(zhǎng)度信息統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4所不。

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，布爾哈通河岸線長(zhǎng)度右岸長(zhǎng)于左岸，且左岸的岸線長(zhǎng)度的增減變化與右岸的岸線長(zhǎng)度的增減變化趨勢(shì)總體一致，但在不同的年份，兩岸的變化程度不同。從年紀(jì)變化來(lái)看，近20年來(lái)，兩側(cè)的岸線長(zhǎng)度總體減少，其中，右側(cè)的岸線長(zhǎng)度較少的幅度更大，達(dá)到4.318161km;從變遷率來(lái)看，2000-2006年兩岸的變遷率均為正值，左岸變遷率的變化幅度在2010-2015達(dá)到最大，而右岸變遷率的變化幅度在2006-2010達(dá)到最大;從變遷速度來(lái)看，左岸的變遷速度的變化幅度均在2010-2015年達(dá)到最大，右岸的變遷速度的變化幅度均在2006-2010年達(dá)到最大，變化程度高于其他兩個(gè)階段。對(duì)比左、右兩岸的變化速度，右岸的變化速度大于左岸。

四、討論影響變遷的因素

引起這些變遷的因子主要包括自然因子和人為因子。通過(guò)實(shí)地考察和總結(jié)其他學(xué)者經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引起界河變遷的自然因子主要包括地形海拔，氣候條件，以及河流自身因素;引起界河變遷的人為因子主要包括土地利用變化，河岸堤壩修建，對(duì)水域資源開發(fā)等。下面本文將對(duì)逐個(gè)影響因子進(jìn)行分析。

（一）自然因素

1.高程分析

研究區(qū)地勢(shì)西高東低，高程差為651m，上游位于安圖縣內(nèi)，此段多山地分布，海拔較高，河流下切形成河谷。海拔最高處位于哈爾巴嶺，高程為692m。中游位于延吉市內(nèi)，受護(hù)岸工程影響，河道彎曲度較小;下游地區(qū)與海蘭江和嘎呀河交匯，海拔最低，最低高程僅41m，河道彎曲分布于河谷之中，河道彎曲度較大，河流的側(cè)蝕和堆積作用發(fā)生在此段。（見圖1）

2.氣象因素

本文考慮布爾哈通河所處地理位置的特點(diǎn)，選取降水量與溫度作對(duì)河道變遷產(chǎn)生影響的氣象因素進(jìn)行分析，河流的水源主要來(lái)自氣候降水，包括降雨、地下水的補(bǔ)給和冰雪的消融等。以年降水量400mm分界，可以把河流分為東南流水作用區(qū)和西北風(fēng)沙作用區(qū)，布爾哈通河地區(qū)年降水量均大于400mm，應(yīng)劃分到東南流水作用區(qū)。以0℃和16℃的年平均氣溫分界，可以把河流劃分為多年凍土的凍融作用區(qū)，季節(jié)凍融作用區(qū)和非凍融區(qū)，布爾哈通河地區(qū)處于季節(jié)凍融區(qū)，在冬春季節(jié)，地表結(jié)冰，地表徑流和地下徑流的交換有所減弱，河流中水沙的運(yùn)移和河床的變形都會(huì)受到溫度不同程度的影響。因此，本文選取了由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)下載的延吉市1999-2016年的氣象資料，研究氣溫和降水對(duì)界河變遷的關(guān)系。（見圖2）

根據(jù)布爾哈通河地區(qū)年平均降水量數(shù)據(jù)，布爾哈通河四個(gè)時(shí)期的降水平均趨勢(shì)是“減一增”。具體分析遙感影像所選年份，大致呈先減少后增加的趨勢(shì)，其中2000年降水量達(dá)到852.5mm，是所選年段內(nèi)的最高值，這可能與極端天氣有關(guān)。2005、2010.2015三個(gè)年份的降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

根據(jù)布爾哈通河地區(qū)年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，該地區(qū)四個(gè)時(shí)期的氣溫趨勢(shì)是“增一減”。具體分析遙感影像所選年份，大致呈增加的趨勢(shì)，其中2015年氣溫達(dá)到6.6℃，是所選年段內(nèi)的最高值，2010-2015年期間的氣溫變化量比較大，達(dá)到1.1℃。

綜上所述，降水量的差異影響了河流面積和河岸寬度的變化。降水量增加，河流的流量也增加，使河流面積增加、河岸寬度增加，進(jìn)一步影響河道的變遷。1996-2000年時(shí)期的降水量較大，2000年遙感影像卜所反映的河流面積和河道寬度較大。溫度變化也在一定程度上影響了河岸岸線的長(zhǎng)度、變遷率以及變遷速度的變化。分析原因，由于布爾哈通河地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)，溫度升高，導(dǎo)致地下凍土消融，增大河流的水量，隨著水量的增大，河流所裹挾的沙量也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致河流的淤積量增大，從而影響河道的變遷。

3.河流自身因素

河流本身的條件同樣會(huì)對(duì)其變遷造成一定的影響，如河床的巖性及河床巖石的可侵蝕性等特性與河流泥沙及河岸侵蝕等變化關(guān)系密切，河道類型同樣會(huì)對(duì)河流變遷造成影響。

根據(jù)朱風(fēng)禧的實(shí)地勘探結(jié)果，布爾哈通河河谷兩側(cè)巖性為灰黃色、灰色含礫砂巖、粉砂巖與棕褐色、灰色泥巖，河床主要由松散堆積物和軟弱一中硬巖構(gòu)成，一般巖體越松散軟弱，河床越不穩(wěn)定。此外，河床底層為強(qiáng)風(fēng)化層和中等風(fēng)化層巖石，巖石結(jié)構(gòu)大部分破壞、裂隙發(fā)育、等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，因此容易受到侵蝕[8]。

一般來(lái)說(shuō)，彎曲河道的變遷強(qiáng)度應(yīng)該大于順直河道，因?yàn)楹恿鞯膫?cè)蝕作用是產(chǎn)生岸線變遷的主要外營(yíng)力，側(cè)蝕作用主要發(fā)生在河道彎曲處。發(fā)生在河道彎曲處的橫向環(huán)流，不斷地對(duì)凹岸進(jìn)行侵蝕，從凹岸侵蝕下來(lái)的泥沙被帶到凸岸沉積。雖然護(hù)岸工程對(duì)布爾哈通河河道彎曲度有一定影響，但是河谷很深，水流湍急，還是會(huì)發(fā)生下蝕作用。

（二）人為因素

1.土地利用

利用四期遙感影像使用監(jiān)督分類對(duì)于布爾哈通河進(jìn)行土地利用分類，獲取四期遙感影像分類圖。采用生成隨機(jī)點(diǎn)評(píng)價(jià)解譯精度，經(jīng)檢驗(yàn)，四期土地利用分類圖精度均達(dá)到90%以上，滿足分類精度要求。通過(guò)遙感解譯，獲取了布爾哈通河的4個(gè)時(shí)期的土地利用遙感解譯圖。

由表5，布爾哈通河兩岸主要分布著早田、水田、建筑用地和林地，旱田、林地的面積皇增加趨勢(shì)，建筑用地和未利用地呈減小趨勢(shì)。林地主要分布在上游地區(qū)，具有一定的生態(tài)作用，可以涵養(yǎng)水源。但是近些年來(lái)，沿河居民開發(fā)未利用士地為早田，將水田改為旱田，會(huì)人為修改河道;同時(shí)種植作物改變，也會(huì)影響水流速度，降低河流侵蝕的能力，使河道發(fā)生變化。這種土地利用結(jié)構(gòu)的變化，增加了水土流失的可能性。

2.護(hù)岸工程

護(hù)岸工程是指為防止河流側(cè)向侵蝕以及因河道局部沖刷而導(dǎo)致的河岸坍塌等災(zāi)害而使主流線偏離被沖刷地段的保護(hù)工程。

2012年5月，龍井市布爾哈通河防護(hù)工程建設(shè)管理處公開招標(biāo)“布爾哈通河干流龍井市老頭溝鎮(zhèn)防洪工程，，，工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)等級(jí)為IV等，建設(shè)護(hù)岸長(zhǎng)2130米，主要有基礎(chǔ)漿砌石、土方開挖、土方填筑、砼護(hù)坡等。

2015年7月，龍井市布爾哈通河防護(hù)建設(shè)管理處公開招標(biāo)，“嘎呀河治理工程（含布爾哈通河）龍井市老頭溝鎮(zhèn)下段廉明鐵路橋—泗水橋段左岸工程”，本次工程位于龍井市市內(nèi)，護(hù)岸長(zhǎng)2609米，混凝土角槽、雷諾護(hù)墊護(hù)坡等。

由表3，2015年的河流面積、平均岸線、平均寬度和曲折系數(shù)等數(shù)值均減小，因此，護(hù)岸工程對(duì)河道變遷的影響十分顯著。

五、結(jié)論

（1）在研究的時(shí)間范圍內(nèi)，布爾哈通河的河流面積、平均寬度均呈現(xiàn)“減一增一減”的趨勢(shì);布爾哈通河岸線長(zhǎng)度右岸長(zhǎng)于左岸，且左岸的岸線長(zhǎng)度的增減變化趨勢(shì)與右岸總體一致，均呈現(xiàn)“增一減”的趨勢(shì);河流的曲折系數(shù)呈先平穩(wěn)再下降的趨勢(shì)。

（2）降水量的增加以及氣溫升高引起的動(dòng)土消融導(dǎo)致河流流量增大，使河流面積、河岸寬度增加，從而影響河道的變遷;彎曲河道的側(cè)蝕作用也對(duì)河流變遷造成影響。兩岸土地利用類型中，旱田和林地增加，水田和未利用地減少，人為因素導(dǎo)致的河岸土地利用結(jié)構(gòu)的變化大大增加了水土流失的可能。護(hù)岸工程的實(shí)施改變了河流兩岸自然的構(gòu)造，對(duì)河道變遷的作用明顯，對(duì)河流的防洪、治理工作起到重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉，現(xiàn)代黃河三角洲演變及其對(duì)土地利用景觀格局的影響[D].山東師范大學(xué)，2015.

[2]王文種，劉九夫.遙感技術(shù)在全國(guó)第一次河流湖泊普查中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)，2011（41）：177-186.

[3]慎利，唐宏，王世東，張露.結(jié)合空間像素模板和Adaboost算法的高分辮率遙感影像河流提取[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013，42：344-350.

[4]黃河，利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)不同遙感影像的河道信息自動(dòng)提取[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，24（2）：140-145.

[5]梁文瓊，趙志芳，田淑芳，等，基于RapidEye瀾滄江西雙版納段河流淤積變化信息[J].云南地質(zhì)，2013。32：68-71.

[6]陳文濤.基于遙感技術(shù)的地表水系信息提取研究[J].北京測(cè)繪，2013（4）：54-56.

[7]趙水霞，基于3S技術(shù)的黃河內(nèi)蒙古段河道演變特性分析[J].1006 7647.2016.04.013.

[8]朱風(fēng)禧，斜坡場(chǎng)地巖土工程勘察實(shí)例分析與評(píng)價(jià)[J]，城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（22）.

作者簡(jiǎn)介：王晴宇（1999-），女，吉林白山人，延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)在讀學(xué)士。