近35年貴州威寧草海國家級自然保護區(qū)水域面積變化遙感監(jiān)測*

宋善海，李慧璇，黃林峰，石 悅，李 雪

(貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002)

濕地兼有水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)特點，是維持生態(tài)平衡和水平衡的重要調節(jié)器，對氣候的波動變化極為敏感，對維持和調節(jié)區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用[1]，受到廣泛關注和重視。威寧草海是國家一級重要保護濕地，是一個完整的、典型的喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)[2]，草海歷史上多次經(jīng)歷了消亡、復蘇的過程[3]，是一個典型的自然歷史的綜合體草海。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，對草海的保護顯得極為重要，對水位的監(jiān)測是草海保護工作的重中之重。因此，采取效率高、適用性強的方法對草海進行監(jiān)測必不可少。衛(wèi)星遙感技術快速發(fā)展的背景下，利用遙感技術提取水域信息，掌握湖泊動態(tài)變化已成常態(tài)，其具有速度快、監(jiān)測周期短、信息量大等優(yōu)點，監(jiān)測結果對湖泊、濕地的保護與可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的作用[4-6]。

遙感技術可獲取客觀、大面積、連續(xù)性的當下與歷史上的地表信息[7]，利用遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運用地理信息系統(tǒng)技術空間提取分析功能可以有效地獲取和分析湖泊水域變化信息[8-9]，為揭示湖泊的動態(tài)變化特征提供數(shù)據(jù)與技術支撐。如李均力等[10]利用Landsat長時間序列遙感數(shù)據(jù)，得到青藏高原1970—2009年四個時段的湖泊變化圖，分析了三十多年來高原內陸封閉流域內湖泊變化的時空特征；牛沂芳等[11]采用中巴資源衛(wèi)星自1999年至2007年長時間序列的影像數(shù)據(jù)，繪制了西藏瑪旁雍錯、納木錯、普莫雍錯三大湖泊湖面變化解譯圖，并對其與水位數(shù)據(jù)、氣象特征因子的相關性進行了分析。劉瑞霞等[12]利用NOAA/AVHRR氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，定量估算了近20年青海湖湖水面積并分析了變化趨勢，得到了青海湖地區(qū)降水減少、氣溫升高、蒸發(fā)量增加是青海湖湖水面積逐年減少的主要原因。基于遙感技術的湖泊濕地水體監(jiān)測的應用還有很多[13-17]，但對貴州威寧草海地區(qū)的遙感動態(tài)監(jiān)測還較欠缺，因此，有必要進行威寧草海水域面積的研究，以期為草海的生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展以及行業(yè)相關研究提供參考。

研究以Landsat5、高分1號遙感影像為基礎數(shù)據(jù)，選取6期Landsat5數(shù)據(jù)和2期高分1號影像為數(shù)據(jù)源，運用PIE、ENVI、ARCGIS等軟件對草海不同時期的水域范圍進行提取，并探討草海水域面積的時空變化特征。

1 研究區(qū)概況

威寧草海國家級自然保護區(qū)位于云貴高原中部頂端的烏蒙山麓腹地，地處貴州省西北邊緣威寧縣城西南隅[18]，地理坐標為北緯26°47′32″～26°52′52″，東經(jīng)104°10′16″～104°20′40″，中心湖區(qū)東西長約9 km，南北寬約4 km。海拔2171 m，氣候為亞熱帶半濕潤季風氣候，夏季涼爽濕潤，冬季溫暖干燥。當?shù)啬昶骄鶜鉁?0.6 ℃，年平均降水量約950.9 mm，相對濕度為79%。由于草海湖盆開闊、湖水淺，當?shù)厝照諘r數(shù)高，光照充足，生物多樣性極為豐富，棲息著100多種珍奇水鳥，也是中國特有的高原候鳥黑頸鶴的越冬地，素有“鳥的王國”之稱，成為我國重要的生物多樣性保護區(qū)域之一，也是濕地保護區(qū)科學研究的重要基地[19-20]。草海濕地及其流域生態(tài)系統(tǒng)是中國西南地區(qū)極其重要的高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)，對西南地區(qū)氣候變化、區(qū)域生態(tài)安全以及社區(qū)經(jīng)濟發(fā)展都有重要影響。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 研究數(shù)據(jù)與預處理

研究數(shù)據(jù)優(yōu)先選取草海冬春季節(jié)的影像，因為冬春季是鳥類在草海最為活躍的時段，社會各界對草海濕地的關注最高，再加上貴州屬于中國自東向西地勢抬升的特殊地理位置上，陰雨天氣日數(shù)較多，在冬春季的影像質量會優(yōu)于其他季節(jié)。研究共獲取了Landsat與高分1號兩顆衛(wèi)星8期數(shù)據(jù)，Landsat是美國陸地探測衛(wèi)星系統(tǒng)，1972年開始發(fā)射第一顆衛(wèi)星Landsat-1，目前已經(jīng)發(fā)射了8顆衛(wèi)星，積累了大量的對地歷史的觀測數(shù)據(jù)，選取其1986—2010年間6期影像，數(shù)據(jù)來自中科院的對地觀測數(shù)據(jù)共享計劃網(wǎng)站(http：//ids.ceode.ac.cn/Index.aspx)，空間分辨率為30 m；高分1號是我國“高分系列”中的首顆星，2013年發(fā)射并投入使用，空間分辨率16 m，研究選取2015年、2019年2期衛(wèi)星數(shù)據(jù)。衛(wèi)星具體參數(shù)見表1、表2。除1986年的影像存在壞道情況外，其余篩選出來的影像質量完好，云量低，能夠清晰地識別出水域范圍。對研究數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、裁剪、地理配準等一系列預處理過程，結果如圖2所示。

表1 波段參數(shù)表Tab.1 Band parameter table

表2 遙感影像數(shù)據(jù)Tab.2 Remote sensing image data

3 草海濕地水域邊界快速提取

傳統(tǒng)的提取水域分布的方法多是基于ENVI或ARCGIS軟件，計算水體指數(shù)，確定閾值后，進行提取，再將其轉換為矢量數(shù)據(jù)，步驟繁瑣，耗時較長。研究利用北京航天宏圖公司開發(fā)的國產遙感軟件PIE Basic 6.0開展水域提取工作，可直接針對水體像元進行運算、提取水體范圍并生成矢量數(shù)據(jù)，一步到位，操作簡便，以草海一景數(shù)據(jù)為例，通常2～3 s即可完成提取。

圖2 遙感影像預處理結果Fig.2 Image preprocessing results

具體實現(xiàn)過程如下：加載裁剪之后的草海影像，在PIE菜單的信息提取模塊調用魔術棒工具，在草海水體像元上點擊鼠標進行水體信息采集，軟件會自動進行檢索。其原理是以當前標記的中心點為準，不斷向周邊進行標記搜索，將中心點的RGB均值與周邊像素RGB均值做差，當差值在設定的閾值范圍內時，水域則被提取出來，進而實現(xiàn)對草海水域范圍的精確提取。因此，不同的RGB組合方式會對水域提取的結果影響顯著，為了找到最佳的提取水域的波段組合方式，對比了高分1號4個波段幾種常用的波段組合方式提取效果，見圖3。

圖3 不同波段RGB組合水域提取結果對比圖Fig.3 Comparison of water extraction results of RGB combination of different bands

通過對比高分1號數(shù)據(jù)4個波段的不同組合方式提取結果發(fā)現(xiàn)：1)RGB通道為1-2-3與RGB通道3-2-1結果是一致的，因此不同的波段順序只會改變其顯示的色調差異，不會對水域提取產生影響；2)高分1號衛(wèi)星的組合方式存在1-2-3、1-2-4、1-3-4、2-3-4四種情況，對比分析發(fā)現(xiàn)，1-3-4組合方式?jīng)]有將東北部的濕地完全提取出來，1-2-3、2-3-4組合方式將大量的植被區(qū)錯分為水域；效果最佳的1-2-4組合方式，能準確地把水域范圍提取出來，其對應的波段范圍是近紅外波段、綠波段、藍波段。Landsat-5波段在近紅外波段、綠波段、藍波段的設置與高分衛(wèi)星波段的設置十分相近，同樣均基于此3個波段的組合方式進行水域邊界的提取。

4 結果分析

根據(jù)上述方法，快速得到威寧草海國家自然保護區(qū)1986年4月、1990年1月、1995年12月、2000年1月、2005年2月、2010年2月、2015年11月、2019年12月的水域邊界信息，如圖4。

4.1 草海水域面積數(shù)量變化

對提取的水域矢量邊界加載投影信息并計算水域范圍大小，定量分析草海的水域面積變化情況，得出草海1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年水域面積分別為：15.45 km2、16.64 km2、26.27 km2、25.84 km2、24.85 km2、23.15 km2、29.76 km2、29.91 km2。

圖4 1986—2019年水域提取結果Fig.4 Results of water extraction from 1986 to 2019

表3 1986—2019年草海水域面積及其動態(tài)變化度Tab.3 Water area of Caohai and its dynamic change degree from 1986 to 2019

可以看出：1)草海水域面積整體呈現(xiàn)“階梯狀”的上升趨勢，1986年冬季的水域面積僅為15.45 km2，2019年面積達到了29.91 km2，增加了近一倍，總體動態(tài)變化度為82.32%，表明草海濕地40年來的保護成效顯著，水域面積增加明顯，水環(huán)境得到較好的保護和恢復。2)從圖5中可以看出，40年中草海上水域面積變化可大致劃分為五個階段，1986—1990年為第一個平穩(wěn)恢復區(qū)，該階段的威寧草海的生態(tài)價值被重新認識，建立了自然保護區(qū)，各界都在積極探索草海濕地的恢復之路，此刻的草海正處在一個緩慢的恢復時期，水域面積略微增加，但整體的增速并不十分顯著；1990—1995年是草海水域面積迅速增加時期，是典型的面積上升期，從1990年的16.64 km2升至26.27 km2，增加了9.63 km2；1995年至2010年草海水域面積進入第二個平穩(wěn)期，水域面積最大值與最小值只差3.12 km2，平均水域面積為25.03 km2；2010年至2015年，草海水域面積再次進入上升期，從23.15 km2增加至29.76 km2；2015年到2019年草海進入第三個平穩(wěn)區(qū)，冬季水域面積均在29 km2以上，保持一個較穩(wěn)定的水平。

圖5 1986—2019年草海水域面積變化圖Fig.5 Changes of water area of Caohai from 1986 to 2019

4.2 草海水域面積空間變化

不同時期的草海水域空間上也存在顯著的變化特征，由圖6可知，1986年到2019年的35年間，水域范圍向四周均有不同程度的擴張，且東西向的擴張程度遠大于南北向，是一個典型的東西向擴張型湖泊。1986—2005年，水域擴張的面積約9.5 km2，集中在東部和西部，水域范圍向東部延伸了2.6 km，向西部延伸0.8 km，南北擴張不顯著。2005—2019年草海的水域擴張程度有所降低，擴張面積為5.06 km2，擴張區(qū)域還是東部與西部，南北向仍不顯著。究其原因，擴張現(xiàn)象一方面與草海地形地勢密切相關，草海湖盆南北向坡度大、坡長短，東西向坡度小、坡長長，在水位緩慢抬升過程中，水域范圍會優(yōu)先往東西向擴張。另一方面草海南北向距離居民點十分接近，受修建護欄、堤壩工程等影響，導致南北向水域變化不明顯，東西向人-湖之間有較長的淺灘、沼澤作為緩沖地帶，成為影響草海擴張一個重要因素。

圖6 1986—2019年草海水域面積變化圖Fig.6 Changes of water area of Caohai from 1986 to 2019

4.3 不同時期草海保護政策對水位變化的影響分析

草海歷史上多次經(jīng)歷了消亡、復蘇的過程，是一個典型的自然歷史的綜合體草海。草海濕地的生態(tài)狀況受人類活動、政策取向等社會因素的影響極大。為解決人民的溫飽，1950年草海開始大規(guī)模的人為排水，圍湖造田，給草海造成近乎毀滅性的破壞，水域面積急劇縮小，到了1972年，草海僅存5 km2水域及部分沼澤，周邊的森林覆蓋率極速下降，草海生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰。1981年7月，對于草海的重要性各界形成共識，決定開始恢復草海自然保護區(qū)。1982年，首期蓄水工程竣工，設計水位高程2171.7 m，相應水域面積為19.80 km2。1985年，決定建立草海綜合自然保護區(qū)，并列為省級重點自然保護區(qū)，成立保護區(qū)管理處進行管理，這也標志著草海進入了生態(tài)恢復的新時期。這與研究結果中草海1986—1990年草海進入第一個恢復區(qū)的結論一致。到1992年，草海被批準為國家級自然保護區(qū)，也使得草海在1990—1995年間水域面積迅速提升，對應著進入第一個顯著上升期。在1995—2010年的15年間，草海幾乎處于一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，期間水域面積變化并不顯著。2010年之后，“綠水青山就是金山銀山”等新的生態(tài)發(fā)展理念的提出，草海也再次迎來了水域面積的第二個顯著上升期，這與研究結果高度吻合。2015年啟動的貴州草海生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理工程[21]，草海的保護與治理開始走向規(guī)范化；2017年貴州省科技重大專項計劃項目“草海流域生態(tài)保護與綜合治理工程支撐技術集成示范”啟動，保護力度的加強也使得草海進入了新的穩(wěn)定期，2015年至2019年草海冬季水域面積都能維持在29 km2以上。綜上所述，草海是一個受自然、人類活動影響十分顯著的自然綜合體，其水域面積與各時期的政策實施、保護力度息息相關，人類活動在草海的生態(tài)環(huán)境保護、發(fā)展演化中也扮演著重要的角色。

5 結論

遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于客觀的記錄著地表的歷史，通過分析時序的遙感衛(wèi)片，就能實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，對于揭示地表演化過程意義重大。研究利用8期遙感影像數(shù)據(jù)，運用PIE軟件快速提取草海各時期冬春季節(jié)的水域范圍，并分析近35年來威寧草海水域的變化特征，主要結論如下：

1)PIE軟件可以快速對草海水域面積進行提取，單景數(shù)據(jù)提取效果精度高、速度快，相較于傳統(tǒng)的方式，步驟簡單，大大提高工作效率。不同的RGB組合方式對水域結果不同，通過分析高分1號衛(wèi)星的提取效果，得到1-2-4即近紅外波段、綠波段、藍波段的RGB是最佳的組合方式，水域提起效果最佳。

2)草海水域面積近35年來呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，呈現(xiàn)“階梯狀”的上升姿態(tài)，1986年冬季的水域面積僅為15.45 km2，2019年面積達到了29.91 km2。1986—1990年是恢復穩(wěn)定期，水域面積略微增加，但并不顯著，平均水域面積為16.04 km2；1990—1995年是顯著的上升期，1995—2010年再次進入穩(wěn)定期，平均水域面積為25.03 km2；2010—2015年進入第二個上升期，2015年至2019年進入新的穩(wěn)定期，面積維持在29 km2以上的較高水平。

3)從空間上看，1986年到2019年的35年間，水域范圍向四周均有不同程度的擴張，但東西向的擴張遠大于南北向，是一個典型的東西向擴張型湖泊。

4)草海水域面積變化在不同的時期均受到人類活動與政策指向的影響，早期的“圍湖造田”對草海的破壞顯著，隨著生態(tài)保護意識的不斷強化，草海生態(tài)地位的不斷提高，一系列的如省級自然保護區(qū)成立、國家級自然保護區(qū)成立、生態(tài)保護措施實施、綜合治理工程啟動等等，都積極的推動著草海的水環(huán)境朝著良性的方向發(fā)展，與研究提取的水域變化特征結果吻合。