基于多源遙感數(shù)據(jù)的烏倫古湖面積動(dòng)態(tài)變化分析

李炎臻 劉小慧 李毓煒 高凡

摘要：為精準(zhǔn)研究烏倫古湖面積變化趨勢(shì)，利用研究區(qū)1989～2017年高分辨率Landsat遙感影像，在分析不同水體提取方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法提取烏倫古湖水體面積，識(shí)別烏倫古湖面積的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：烏倫古湖水體面積 2002年最大（1 045.33 km2）， 2006年最小（1 010.03 km2 ）?？傮w而言，近30 a烏倫古湖水域面積變化呈擴(kuò)張-縮小-擴(kuò)張-相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)變化特征。2002～2006年為湖泊萎縮最顯著的時(shí)期，與該時(shí)期烏倫古河出現(xiàn)季節(jié)性斷流導(dǎo)致入湖水量急劇減少的現(xiàn)象一致。

關(guān)鍵詞：面積變化;烏倫古湖;多源遙感數(shù)據(jù);歸一化差異水體指數(shù)法;干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊;新疆維吾爾自治區(qū)

中圖法分類號(hào)：P343.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.005

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）03 - 0029 - 05

1 研究背景

干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊是干旱區(qū)氣候變化敏感的指示器[1]，同時(shí)是維持干旱地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境安全和綠洲經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要資源載體。干旱區(qū)湖泊的形成與演化不僅能引起區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化，更能在一定程度上反映更大區(qū)域乃至全球的氣候變化特征。系統(tǒng)開展干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊動(dòng)態(tài)變化研究，有助于科學(xué)識(shí)別和正確評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)在湖泊演化過(guò)程中的作用，為維護(hù)區(qū)域水安全及合理開發(fā)利用水資源提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者基于多種方法對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊變化展開研究，近年來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)的高速發(fā)展為大尺度水文監(jiān)測(cè)提供了有力手段，借助遙感技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度湖泊水域面積的監(jiān)測(cè)研究[2]，如Chen等[3]利用 Landsat 探索了阿拉斯加州 Yokon 地區(qū)湖泊面積變化的時(shí)空格局，并建立多元線性回歸模型量化湖泊面積的時(shí)間變化;劉旭隆[4]選取1989～2018年6期Landsat系列遙感影像提取分析岱海湖泊面積。結(jié)果表明，岱海湖泊面積呈遞減趨勢(shì)。

烏倫古湖是中國(guó)十大淡水湖之一，屬典型內(nèi)陸干旱尾閭湖泊，是我國(guó)西部阿勒泰山綠洲與古爾班通古特之間的重要天然屏障，具有關(guān)鍵的生態(tài)安全功能[5]。近年來(lái)，隨著該區(qū)域高強(qiáng)度人類活動(dòng)疊加氣候變化影響，烏倫古湖入湖河流烏倫古河出現(xiàn)了常態(tài)化季節(jié)性斷流，并由此衍生了一系列水生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題[5-6]。在此背景下，烏倫古湖作為尾閭湖泊，其面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征和趨勢(shì)研究對(duì)于指示該地區(qū)氣候變化，保障該區(qū)域水生態(tài)安全，促進(jìn)該地水資源合理開發(fā)、利用與保護(hù)等具有必要性和重要意義。迪麗努爾·阿吉等[7]選用20世紀(jì)80年代后期以來(lái)不同時(shí)期的 Landsat 衛(wèi)星遙感影像，從新疆維吾爾自治區(qū)北、南、東和西北 4 個(gè)方向分別選擇了烏倫古湖、博斯騰湖、艾丁湖和艾比湖等典型湖泊做為研究對(duì)象，對(duì)其湖泊水域面積的動(dòng)態(tài)變化展開了遙感監(jiān)測(cè)與研究。結(jié)果表明：自20世紀(jì)80年代后期，新疆維吾爾自治區(qū)的湖泊水域面積呈現(xiàn)不同程度的擴(kuò)大趨勢(shì)，其中烏倫古湖水域面積由 1989 年的 862.1 km2 擴(kuò)大到 2002 年 899.3 km2。李龍等[8]基于 2000～2014 年 Landsat TM、ETM+遙感影像，通過(guò)人工目視解譯提取中國(guó)內(nèi)流區(qū)面積大于 100 km2 的湖泊邊界矢量數(shù)據(jù)，并據(jù)此對(duì)中國(guó)內(nèi)流區(qū)主要湖泊的分布、面積變化及成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：2000～2014 年，中國(guó)內(nèi)流區(qū)湖泊總面積以231.95 km2/a的平均速度持續(xù)增大，總計(jì)增加3 247.33 km2，其中柴達(dá)木盆地和青藏高原腹地湖泊面積持續(xù)增大，塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地湖泊面積在 2003 年之后持續(xù)萎縮。從以往資料可以看出，現(xiàn)有烏倫古湖水域面積變化研究成果缺乏對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的系統(tǒng)分析，且數(shù)據(jù)來(lái)源不一、技術(shù)參差不齊、時(shí)間序列普遍較短、監(jiān)測(cè)時(shí)相各不相同。基于此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，選取烏倫古湖1989～2017年近30 a合計(jì)7期Landsat系列遙感影像，綜合利用3S等技術(shù)和空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫(kù)、集成管理分析等方法[9-11]，監(jiān)測(cè)分析研究區(qū)近30 a湖泊水域面積時(shí)空變化特征及演變趨勢(shì)，以期為維護(hù)區(qū)域水安全及合理開發(fā)利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

烏倫古湖（46°51′～47°25′N，86°59′～87°34′E）是新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地額爾齊斯河與烏倫古河之間的一個(gè)斷陷湖，也是新疆第二大湖泊，位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h附近（見圖1）。烏倫古湖屬于典型內(nèi)陸干旱區(qū)半封閉型湖泊，湖區(qū)分為大湖區(qū)（布倫托海）和小湖區(qū)（吉力湖），湖泊容量分別為95.47億m3和17.20億m3，平均水位高程約479.1 m，平均水深約8 m，兩湖區(qū)由7 km長(zhǎng)的庫(kù)依爾尕河相連[6，12-13]。烏倫古湖地處歐亞大陸腹地，屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，熱量豐富，降水量少，蒸發(fā)量大。根據(jù)福海縣氣象資料統(tǒng)計(jì)，湖區(qū)多年平均降水量121.9 mm，多年平均蒸發(fā)量高達(dá)1 830 mm，多年平均入湖水量約0.132億m3，主要補(bǔ)給水源是烏倫古河和額爾齊斯河，湖區(qū)水量基本能夠維持平衡[13]。

3材料與方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取

研究選取1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年，時(shí)段在7～9月期間（云量均小于10%）的多期Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源（見表1），來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http：//www.usgs.gov/）。氣象資料（降水、氣溫、蒸發(fā)）選取烏倫古湖入湖口附近的國(guó)家級(jí)氣象站（福海站）1989～2017年逐月降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/）。

3.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

具體流程如下：①根據(jù)水體光譜特性進(jìn)行多源影像假彩色合成;②進(jìn)行去除條帶（個(gè)別時(shí)期影像）、輻射校正、幾何校正配準(zhǔn)、圖像信息增強(qiáng)、圖像融合裁剪等處理，將數(shù)據(jù)制成統(tǒng)一坐標(biāo)體系存儲(chǔ)的GeoTIFF格式的遙感影像圖，同時(shí)對(duì)多源遙感影像進(jìn)行整合、處理等操作，為后期的水體信息提取、面積計(jì)算等分析奠定基礎(chǔ);③通過(guò)野外踏勘重新布置控制點(diǎn)，進(jìn)行多源影像數(shù)據(jù)的野外驗(yàn)證及修正處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程見圖2。

3.2 基于改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)法的水體面積提取

目前，利用遙感影像提取水體面積的方法主要包括單波段閾值分析法、多波段譜間關(guān)系法、目視解譯法、歸一化差異水體指數(shù)法、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法和HIS變換法等[8，14-16 ]。研究區(qū)烏倫古湖地處福?？h與古爾班通古特沙漠過(guò)渡區(qū)域，地勢(shì)平坦、地物要素類型單一，影像數(shù)據(jù)源涉及TM、OLI兩種影像，通過(guò)對(duì)各種水體面積提取方法比較分析后，本研究采用提取效果較佳的、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）進(jìn)行水體信息提取，該指數(shù)可有效增大水體與建筑物之間的反差，減少二者混淆程度，有利于水體要素信息解譯提取[17]。計(jì)算公式如下：

式中：Green為綠光波段，對(duì)應(yīng)TM影像的Band2或OLI影像中短波紅外Band1（SWIR1）代替;MIR為中紅外波段，對(duì)應(yīng)TM影像的Band5或OLI影像的Band6;計(jì)算后水體MNDWI具有的是正值，而植被和土壤是零或者負(fù)值，因此能夠?qū)⑺w和植被土壤區(qū)分開。

研究區(qū)采用ENVI 5.3軟件提取水體信息，并輔以基礎(chǔ)測(cè)繪成果數(shù)據(jù)修正。具體如下：①按照水體樣區(qū)選擇、MNDWI計(jì)算、閾值調(diào)整、密度分割、斑塊去除、格式轉(zhuǎn)換、面積計(jì)算、野外踏勘、驗(yàn)證修正等工作流程，通過(guò)人機(jī)交互解譯法提取完成符合精度要求和統(tǒng)一空間參考的多期水體矢量要素?cái)?shù)據(jù)集;②選取湖泊面積變化相對(duì)較大的駱駝脖子、中海子、小海子、烏倫古河入湖口等區(qū)域?yàn)轵?yàn)證中心，借助Google Earth高分辨率影像，人工選擇影像控制樣點(diǎn)，保證樣點(diǎn)均勻分布于待驗(yàn)證區(qū)域當(dāng)中。其中，人工檢測(cè)控制樣點(diǎn)殘差，確保殘差在1個(gè)像元內(nèi)，控制樣點(diǎn)總數(shù)不少于25個(gè)。通過(guò)控制樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與GPS技術(shù)野外考察觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加分析，對(duì)于明顯錯(cuò)分或漏分區(qū)域人工做出修改，以此完成解譯結(jié)果的修正及評(píng)價(jià);經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該方法的總體分類精度高達(dá)95%，符合項(xiàng)目研究精度要求;③基于ArcGIS 10.4.1平臺(tái)對(duì)多期水體矢量數(shù)據(jù)集進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年共計(jì)7期湖泊面積及變化信息;④根據(jù)數(shù)據(jù)獲取狀況及未來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)研究需要，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表空間、數(shù)據(jù)集、特征類、柵格目錄等建庫(kù)命名規(guī)范，并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，分別構(gòu)建基礎(chǔ)地理、遙感影像、水體專題三大數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，基礎(chǔ)地理、遙感影像、水體專題等空間數(shù)據(jù)以ESRI公司的SDE命令方式進(jìn)行入庫(kù)，以此實(shí)現(xiàn)研究區(qū)多時(shí)期水體數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一集成管理[10-13，14-18]。具體水體信息提取流程見圖3。

3.3 湖泊面積變化動(dòng)態(tài)度

湖泊面積動(dòng)態(tài)度是指某一地區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)湖泊面積的變化，可以反映不同時(shí)期湖泊面積變化的劇烈程度，其表達(dá)式[19-20]為

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)湖泊面積動(dòng)態(tài)度;Ua 和Ub 分別為研究初期和研究末期的湖泊面積，m2;T 為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K 值就是該研究區(qū)湖泊面積的年變化率。

4結(jié)果與分析

4.1 烏倫古湖水域面積年際變化特征

基于ArcGIS 10.2平臺(tái)對(duì)7期烏倫古湖水域面積進(jìn)行疊加分析，得到1989～2006年、2006～2017年不同時(shí)期研究區(qū)水域面積變化結(jié)果（見圖4，圖5，表2）。可以看出，近30 a布倫托海水域面積變化特征表現(xiàn)為：①1989～2002年，水域面積呈持續(xù)增加趨勢(shì)，由1989年的853.03 km2增至2002年的878.13 km2，14 a間增加了25.1 km2，年均變化率為0.03%。1989～1998年水域面積增加較為顯著（累計(jì)增加了13.71 km2，年際變化率為0.16%）;②2002～2006年，水域面積呈持續(xù)縮減趨勢(shì)，由2002年的878.13 km2縮減至2006年的842.73 km2，累計(jì)減少35.40 km2，年均變化率為-0.8%;③2006～2015年，水域面積繼續(xù)呈增加狀態(tài)，由2006年的842.73 km2增至2015年的863.97 km2，10 a間水域面積增加了21.24 km2，年均變化率為0.04%。2010至2015年水域面積增加較為顯著（累計(jì)增加了16.19 km2，年際變化率為0.32%）;④2015～2017年，水域面積呈小幅減小趨勢(shì)，由2015年的863.97 km2減至2017年的861.79 km2，面積變化為-2.18 km2，年均變化率為-0.03%?？傮w而言，1989～2017年，布倫托海水域面積呈現(xiàn)出自然性擴(kuò)張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復(fù)性增加（2006～2017年）的動(dòng)態(tài)變化特征。

同布倫托海水域面積動(dòng)態(tài)變化特征一致，1989～2006年近30 a間，吉力湖水域面積變化特征表現(xiàn)為：①1989～2002年，水域面積呈小幅持續(xù)增加狀態(tài)，由1989年的176.65 km2增至2002年的179.21 km2，14 a間水域面積增加了2.56 km2，年均變化率為0.02%;②2002～2006年，水域面積呈持續(xù)減小趨勢(shì)，由2002年的179.21 km2減至2006年的167.31 km2，面積累計(jì)減少了11.90 km2，年均變化率為-0.27%;③2006～2010年，水域面積呈持續(xù)顯著增加趨勢(shì)，由2006年的167.31 km2增至2010年的185.24 km2，5a間水域面積增加了17.93 km2，年均變化率為0.43%;④2010～2017年，水域面積呈小幅縮減趨勢(shì)，由2010年的185.24 km2減至2017年的171.79 km2 ，水域面積減小了13.45 km2，年均變化率為-0.22%;總體而言，1989～2017年，吉力湖水域面積呈現(xiàn)出自然性擴(kuò)張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復(fù)性增加擴(kuò)張（2006～2015年）-波動(dòng)性穩(wěn)定（2015～2017年）的動(dòng)態(tài)變化特征。

4.2 烏倫古湖水域面積年代際變化特征

近30 a烏倫古湖水域面積年代際變化特征見表3。20世紀(jì)90年代烏倫古湖水域平均擴(kuò)展面積為20世紀(jì)90年代面積變化值的平均值，參與計(jì)算的年份為1989，1998年;21世紀(jì)與2010年以來(lái)的算法相同，其中，21世紀(jì)參與計(jì)算的年份為2002，2006年，2010年以來(lái)參與計(jì)算的年份為2010， 2015， 2017年。由表3可以看出， 20世紀(jì)90年代烏倫古湖呈擴(kuò)張狀態(tài)，進(jìn)入21世紀(jì)至2010年之前，烏倫古湖水域面積呈持續(xù)萎縮趨勢(shì)。2010年至今，由于引額補(bǔ)水工程，水域面積呈恢復(fù)性增長(zhǎng)趨勢(shì)至動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。1989～2017年近30 a，烏倫古湖水域面積經(jīng)歷了擴(kuò)張-萎縮-恢復(fù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

4.3 烏倫古湖面積動(dòng)態(tài)度變化

近30 a烏倫古湖水域面積動(dòng)態(tài)度變化分析結(jié)果見表4。由表4可以看出，在1989～2006年間，烏倫古湖水域面積減少了19.65 km2，縮小了2%，湖泊面積動(dòng)態(tài)度為-0.11%。在2006～2017年期間，烏倫古湖水域面積增加了23.54 km2，增加了2%，湖泊面積動(dòng)態(tài)度為0.21%。結(jié)合表2和圖3、圖4綜合看，1989～2017年近30 a間，烏倫古湖先后經(jīng)歷了由擴(kuò)張?jiān)俚轿s再到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程，烏倫古湖水域面積整體動(dòng)態(tài)度呈穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié) 論

本文通過(guò)選取烏倫古湖1989～2017年近30a合計(jì)7期Landsat系列遙感影像，綜合利用3S等技術(shù)和空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫(kù)、集成管理分析等方法，采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法，監(jiān)測(cè)分析研究區(qū)近30 a湖泊水域面積時(shí)空變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）1989～2017年，布倫托海水域面積呈現(xiàn)出自然性擴(kuò)張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復(fù)性增加（2006～2017年）的動(dòng)態(tài)變化特征。2010～2015年水域面積增加最為顯著，5 a間累計(jì)增加16.19 km2，年際變化率為0.48%。

（2）1989～2017年，吉力湖水域面積呈現(xiàn)出自然性擴(kuò)張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復(fù)性增加（2006～2015年）-波動(dòng)性穩(wěn)定（2015～2017年）的動(dòng)態(tài)變化特征。

（3）近30 a烏倫古湖湖泊面積的變化趨勢(shì)在整體上表現(xiàn)為擴(kuò)張-萎縮-恢復(fù)性穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，2002～2006年為湖泊萎縮最顯著的時(shí)期，與該時(shí)期烏倫古河出現(xiàn)季節(jié)性斷流導(dǎo)致入湖水量急劇減少對(duì)應(yīng)。

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（編輯：唐湘茜）