近30年南四湖濕地水域面積時(shí)空變化特征分析

馬銀, 劉建濤, 史同廣, 于瑞坤, 劉春亭

近30年南四湖濕地水域面積時(shí)空變化特征分析

馬銀1, 劉建濤2,*, 史同廣2, 于瑞坤2, 劉春亭2

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京 100083 山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院, 濟(jì)南 250101

南四湖濕地是被濕地公約組織收錄的重要濕地, 及時(shí)掌握南四湖濕地水域面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征對(duì)濕地保護(hù)及濕地修復(fù)有重要意義。文章以Landsat陸地系列衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源, 采用修訂后的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)配合最大類(lèi)間方差(Otsu)法提取了南四湖近30年的水域面積, 分析了南四湖濕地水域面積的年內(nèi)和年際變化特征。結(jié)果表明: (1)MNDWI配合Otsu法可以較好的提取出南四湖的水域面積。(2)近30年來(lái), 南四湖濕地水域面積呈現(xiàn)“W”形的年際變化趨勢(shì), 水域面積年平均值最大為765.48 km2, 出現(xiàn)在2006年; 最小值為329.83 km2, 出現(xiàn)在2002年。從年內(nèi)變化來(lái)看, 水域面積呈現(xiàn)“V”形的變化規(guī)律, 其中面積最大值均出現(xiàn)在冬季, 最小值出現(xiàn)在夏季。(3)南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖三個(gè)湖泊面積均呈現(xiàn)較明顯的年際和年內(nèi)變化, 而在研究時(shí)間段內(nèi)微山湖的水域面積相對(duì)穩(wěn)定且面積較大。研究為南四湖濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

南四湖濕地; 水域面積; 時(shí)空變化; 歸一化差異水體指數(shù); 最大類(lèi)間方差

0 前言

濕地與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng), 濕地是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡性地帶, 具有保護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪抗旱、改善小氣候等諸多功能, 并享有“地球之腎”的美譽(yù)[1–3]。Davidson根據(jù)濕地面積變化的文獻(xiàn)和報(bào)告研究發(fā)現(xiàn), 全球濕地的平均消失比例在54%到57%之間, 從18世紀(jì)以來(lái)濕地的消失比例可能達(dá)到87%[4–5]。隨著近幾十年環(huán)境污染的加劇、人類(lèi)過(guò)度開(kāi)發(fā)、快速的城市化進(jìn)程等一系列原因, 導(dǎo)致南四湖濕地出現(xiàn)水資源短缺、水域面積萎縮、水生生物減少、自然生態(tài)系統(tǒng)受損、抗干擾能力和穩(wěn)定性下降等問(wèn)題, 同時(shí)會(huì)對(duì)氣候環(huán)境及人類(lèi)生產(chǎn)生活造成一定的影響。為了應(yīng)對(duì)濕地面積逐年減少這一問(wèn)題, 對(duì)濕地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是了解濕地水域面積演變動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵。

濕地面積變化是長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 尤其對(duì)南四湖這類(lèi)大型濕地來(lái)說(shuō), 其面積在時(shí)間和空間上的變化往往很難通過(guò)耗時(shí)耗力的實(shí)地調(diào)查方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái)衛(wèi)星遙感的發(fā)展為長(zhǎng)時(shí)間序列的濕地面積變化監(jiān)測(cè)帶來(lái)了新的方法, 遙感數(shù)據(jù)具有時(shí)間和空間尺度上的完整性[6–7], 因此被學(xué)者廣泛應(yīng)用在濕地的相關(guān)研究上。Landsat TM/ETM/OLI、MODIS等遙感數(shù)據(jù)不僅用在濕地的土地利用覆被變化研究和土地利用格局演變與生態(tài)效應(yīng)研究中, 還用在濕地水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)、水資源承載力、生物多樣性評(píng)價(jià)、景觀時(shí)空變異特征研究、濕地流域城鎮(zhèn)擴(kuò)張的時(shí)空演變等方面的研究。楊俊等利用遙感數(shù)據(jù)分析南四湖濕地1980年—2012年土地利用格局變化情況, 并采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法分析了土地利用格局變化引起的生態(tài)效應(yīng)[7–9]; 海洋采用Landsat 5 TM數(shù)據(jù)反演葉綠素a和懸浮物來(lái)研究南四湖濕地水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度及分布規(guī)律[10]; 梁佳欣以RS 和 GIS 為技術(shù)支持, 選取動(dòng)態(tài)度模型、斑塊分布重心變化模型、景觀格局指數(shù)、景觀脆弱度模型及地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法,了解 1985年—2015年南四湖濕地景觀格局及其脆弱度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[11]; 田莉娟利用Landsat 5和Landsat 8影像數(shù)據(jù)對(duì)南四湖流域城鎮(zhèn)發(fā)展模式進(jìn)行研究, 并探討在水安全約束下城鎮(zhèn)如何進(jìn)行合理的擴(kuò)展[12]。

通過(guò)文獻(xiàn)綜述發(fā)現(xiàn), 現(xiàn)有的關(guān)于南四湖濕地的研究多側(cè)重于土地利用、生態(tài)系統(tǒng)、水環(huán)境質(zhì)量等方面, 很少有研究探索南四湖濕地水域面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其演變規(guī)律。南四湖濕地被劃定為以水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護(hù)、土壤保持為主導(dǎo)生態(tài)功能的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū),該區(qū)域?qū)Ξ?dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境具有重要的調(diào)節(jié)作用。因此, 對(duì)南四湖濕地的水域面積進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)有助于維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量, 同時(shí)也是當(dāng)?shù)卣M(jìn)行生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域面積監(jiān)管的主要任務(wù)。本文以1987年—2017年近30年的Landsat影像為數(shù)據(jù)源, 借助ENVI和ArcGIS軟件, 采用MNDWI[13]和Otsu 法[14]獲取南四湖濕地的水域面積, 從年內(nèi)和年際兩個(gè)角度分析南四湖濕地近30年水域面積的時(shí)空變化特征, 探索其演化規(guī)律, 從而為南四湖濕地保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

南四湖(34°27′—35°20′N(xiāo), 116°34′—117°21′E)位于中國(guó)山東省西南部的濟(jì)寧市微山縣境內(nèi), 鄰接山東省棗莊市、江蘇省徐州市, 湖泊由西北向東南呈條狀延伸, 依次為南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、昭陽(yáng)湖和微山湖, 南四湖南北長(zhǎng)126 km, 東西寬5—25 km, 流域面積多達(dá)3.17×104 km2, 最大水面積約1266 km2, 占山東省重要淡水面積的45%, 是我國(guó)華北地區(qū)最大的淡水湖泊, 也是我國(guó)淮河以北地區(qū)面積最大、結(jié)構(gòu)完整、保存較好的內(nèi)陸大型淡水、草型湖泊濕地[15-17], 南四湖遙感影像及位置如圖1所示。南四湖濕地屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū), 具有四季分明、雨熱同期、光照充足、降水集中等特點(diǎn), 因湖區(qū)自然環(huán)境獨(dú)特, 該地區(qū)生物資源多樣, 擁有植物195種, 鳥(niǎo)類(lèi)201種, 獸類(lèi)13種。南四湖1994年被列入《中國(guó)重要濕地名錄》和水禽棲息地恢復(fù)優(yōu)先工程區(qū), 2000年又被納入國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)濕地保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》, 2003年山東省人民政府正式批準(zhǔn)建立“南四湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)”, 2018年南四湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)獲批“國(guó)際重要濕地”, 充分說(shuō)明南四湖濕地在調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境方面的重要性。同時(shí)南四湖濕地也是山東、江蘇等地重要的航運(yùn)“黃金水道”和南水北調(diào)東線工程主要的調(diào)蓄樞紐, 為經(jīng)濟(jì)發(fā)展承擔(dān)重任[18–19]。

圖1 研究區(qū)遙感影像及位置

Figure 1 Remote sensing images and location in study area

1.2 數(shù)據(jù)源介紹

本研究所采用的數(shù)據(jù)源為L(zhǎng)andsat影像, 時(shí)間跨度為1987年—2017年, 為了便于探索研究區(qū)水域面積的年際和年內(nèi)變化特征, 影像選取時(shí)間間隔為4—6年, 且每一年均獲取春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的影像數(shù)據(jù), 具體數(shù)據(jù)獲取時(shí)間如圖2所示。研究所用的南四湖濕地矢量數(shù)據(jù)來(lái)自山東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 由于濕地的面積隨著時(shí)間發(fā)生變化, 為了使矢量數(shù)據(jù)覆蓋每一年的濕地范圍, 本研究對(duì)獲取的南四湖濕地矢量范圍做了5 km的緩沖區(qū)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)遙感數(shù)據(jù)處理

以南四湖濕地地區(qū)1987年—2017年Landsat系列遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源, 利用ENVI 5.3軟件進(jìn)行圖像幾何校正、圖像裁剪、大氣校正等一系列預(yù)處理工作, 采用歸一化差異水體指數(shù)結(jié)合最大類(lèi)間方差法提取水域面積, 如圖3所示。

(2)水體指數(shù)

MNDWI是由徐涵秋修訂提出, 利用其對(duì)河流、湖泊、海洋三類(lèi)水體進(jìn)行水體信息提取取得較好的試驗(yàn)效果[13]。該指數(shù)能消除在識(shí)別水與植被混合濕地時(shí)產(chǎn)生的委托誤差[20], 鄱陽(yáng)湖、柴達(dá)木盆地等自然水體及其周?chē)斯にw等較為復(fù)雜的研究區(qū)域運(yùn)用該指數(shù)進(jìn)行水體信息的提取[20–22], 均取得較好的研究成果, 其也被用于制作全球水體分布圖等進(jìn)行全球范圍內(nèi)的應(yīng)用[23–24], 同時(shí)該指數(shù)還可以有效消除陸地噪聲, 使城市水體信息提取更精確。南四湖濕地包含自然水體和人工水體等水體類(lèi)型, 周?chē)h(huán)境較為復(fù)雜, 濕地周邊有較多的建設(shè)用地及居民地, 通過(guò)前人驗(yàn)證及應(yīng)用, 本文選取歸一化差異水體指數(shù)來(lái)提取南四湖濕地水體信息, 其表達(dá)式為[25]:

式中,是歸一化差異水體指數(shù),是指綠光反射率,是指短波紅外波段1的反射率。

圖2 數(shù)據(jù)源獲取時(shí)間

Figure 2 Data source acquisition time

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

Figure 3 Data processing flow

(3)影像數(shù)據(jù)分割及數(shù)據(jù)后續(xù)處理

鑒于Otsu方法在水體分割時(shí)的優(yōu)勢(shì), 本文的影像分割方法采用此方法, 此方法最早由Nobuyuki Otsu提出, 是一種自適應(yīng)閾值確定方法, 簡(jiǎn)稱為Otsu閾值自動(dòng)確定方法[14、26]。它的根本思想是根據(jù)灰度特性, 把圖像劃分為背景和目標(biāo)兩部分[27]。Otsu法可以用如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)—

(5)來(lái)描述[28]:

其中2表示非水類(lèi)和水類(lèi)之間的方差;表示整幅水體指數(shù)圖像的灰度均值;P和P分別表示像素為非水類(lèi)和水類(lèi)的概率;M和M分別表示以*為閾值分割水體指數(shù)圖像后非水類(lèi)和水類(lèi)的灰度均值;*表示使2能取得最大值的閾值, 即最佳閾值。

影像分割后, 利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)分析及可視化工具完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理及分析。

(4)遙感解譯精度評(píng)定

通過(guò)實(shí)地走訪調(diào)研和無(wú)人機(jī)設(shè)備, 獲取大量調(diào)研資料數(shù)據(jù), 如圖4所示。結(jié)合調(diào)研所獲數(shù)據(jù)在遙感影像上目視解譯獲取水體和非水體的地表真實(shí)感興趣區(qū)進(jìn)行水體信息提取精度的驗(yàn)證, 結(jié)果如表1所示。1987年—2017年水體與非水體的整體分類(lèi)精度為95.77%—98.89%, kappa系數(shù)為0.91—0.98, 精度評(píng)定結(jié)果較高, 南四湖濕地水體與非水體的提取結(jié)果與地表真實(shí)情況相符。

圖4 研究區(qū)實(shí)地調(diào)研

Figure 4 Field survey in study area

表1 1987年—2017年南四湖濕地水體與非水體分類(lèi)精度驗(yàn)證結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 南四湖濕地水域面積時(shí)間變化特征

圖5為1987年—2017年南四湖濕地水域面積時(shí)間變化動(dòng)態(tài)圖。由圖5可知, 南四湖濕地水域面積有明顯的年際及年內(nèi)變化特征, 近30年來(lái), 南四湖濕地水域面積呈現(xiàn)“W”形年際變化趨勢(shì), 就年內(nèi)變化而言, 水域面積呈現(xiàn)“V”形變化趨勢(shì), 最大值均出現(xiàn)在冬季, 最小值出現(xiàn)在夏季或秋季。為進(jìn)一步明確南四湖濕地水域面積的年際及年內(nèi)變化特征, 下面將進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 年際變化規(guī)律

圖6中誤差線表示一年中水域面積的最大值和最小值, 柱狀圖表示年內(nèi)四個(gè)季節(jié)的水域面積平均值。從南四湖濕地近30年的水域面積變化可以看出, 南四湖水域面積近30年的平均值為554.62 km2, 水域面積年平均值最大為765.48 km2, 出現(xiàn)在2006年; 最小值為329.83 km2, 出現(xiàn)在2002年。1987年—1997年水域面積變化較小, 未出現(xiàn)明顯的干旱與洪澇災(zāi)害, 水域面積在425 km2—530 km2左右波動(dòng), 說(shuō)明此十年間南四湖濕地未遭受?chē)?yán)重的人類(lèi)破壞活動(dòng)和自然災(zāi)害, 濕地受到較好的保護(hù); 1997年—2006年水域面積變化幅度較大, 呈現(xiàn)“V”形的波動(dòng)變化, 1997年—2002年, 水域面積下降202.12 km2, 2002年汛期南四湖流域地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的干旱, 1—10月南四湖整個(gè)流域地區(qū)降水量為353 mm, 比常年同期偏少45%, 6—9月降水量為225 mm, 比常年同期偏少50%以上, 由于南四湖地區(qū)的持續(xù)少量降水, 使整個(gè)南四湖湖區(qū)基本干涸, 導(dǎo)致水域面積在2002年大量減小[29], 同時(shí)由表2所示2002年濟(jì)寧市全市的降水量?jī)H為315.6 mm, 這均說(shuō)明南四湖濕地2002年水域面積的減少與當(dāng)?shù)亟邓兄苯雨P(guān)系, 同時(shí)也驗(yàn)證了本文水體信息提取方法的可靠性。水域面積的減少同時(shí)也導(dǎo)致湖區(qū)周邊的人畜飲水困難, 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大的損失, 生態(tài)環(huán)境也遭到一定的破壞。2002年—2006年, 未出現(xiàn)明顯的干旱與洪澇災(zāi)害, 相比2002年的干旱氣候條件下, 2006年水域面積增加435.65 km2, 四年期間南四湖濕地水域面積逐漸恢復(fù)正常, 且南四湖水域面積達(dá)到研究時(shí)間序列內(nèi)的最大值765.48 km2; 2006年—2017年水域面積變化平穩(wěn), 未出現(xiàn)明顯的干旱與洪澇災(zāi)害, 保持在650 km2—765km2左右, 相比于研究時(shí)間序列內(nèi)的前二十年, 后十年的水域面積始終保持在較高的水平, 這與2006年、2011年、2017年濟(jì)寧市全年降水量保持在767.7 mm—814.0 mm較高水平有直接關(guān)系, 同時(shí)也與2003年山東省建立“南四湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)”和2013年把南四湖作為南水北調(diào)東線工程主要調(diào)蓄樞紐之一有明顯關(guān)系, 省級(jí)保護(hù)區(qū)的建立加大了對(duì)南四湖濕地地區(qū)的生態(tài)保護(hù)力度, 成為南水北調(diào)東線工程主要調(diào)蓄區(qū)以來(lái), 南四湖湖區(qū)蓄水能力不斷增強(qiáng), 提高了湖區(qū)水量的自我調(diào)節(jié)能力。

圖5 1987年—2017年南四湖濕地水域面積時(shí)間變化

Figure 5 Time change of water area of Nansi Lake wetland from 1987 to 2017

圖6 1987年—2017年南四湖濕地水域面積年際變化規(guī)律

Figure 6 Inter-annual variation of wetland area in Nansi Lake from 1987 to 2017

表2 2002年—2017年山東省濟(jì)寧市降水量統(tǒng)計(jì)（單位：mm）

注: 數(shù)據(jù)來(lái)自山東省統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng), 其中1987年、1992年、1997年、2002年11月、2006年3月和10月存在數(shù)據(jù)缺失的情況。

由圖7可知。1987年—2017年南四湖濕地水域面積年內(nèi)最大值及最大值出現(xiàn)的時(shí)間可以看出, 南四湖濕地年內(nèi)水域面積最大一般出現(xiàn)在冬季的1月份或2月份, 而2011年水域面積最大值出現(xiàn)在秋季的10月份, 2017年的水域面積最大值出現(xiàn)在春季的4月份。年內(nèi)水域面積最大值及最大值出現(xiàn)的時(shí)間與當(dāng)年降水量、蒸發(fā)量及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度有直接關(guān)系。

由圖7可知, 1987年—2017年南四湖濕地水域面積年內(nèi)最小值及最小值出現(xiàn)的時(shí)間可以看出, 南四湖濕地年內(nèi)水域面積最小值出現(xiàn)的時(shí)間段規(guī)律不明顯, 研究時(shí)間序列內(nèi), 除冬季以外, 其他三個(gè)季節(jié)均有可能使南四湖濕地水域面積降低到最小值。其中, 1987年、1997年和2002年水域面積最小值均出現(xiàn)在秋季的9月份和10月份, 2006年水域面積最小值出現(xiàn)在春季的5月份, 1992年、2011年、2017年水域面積最小值出現(xiàn)在夏季的6月份。水域面積年內(nèi)最小值出現(xiàn)時(shí)間的不規(guī)律性也充分說(shuō)明年內(nèi)的變化與當(dāng)年的降水量、蒸發(fā)量和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度有直接關(guān)系。

2.1.2 年內(nèi)變化規(guī)律

1987年—2017年近30年, 對(duì)選取的七個(gè)年份每個(gè)季節(jié)的水域面積做平均值, 如圖8所示, 南四湖濕地水域面積季節(jié)平均值由春季到冬季呈現(xiàn)先下降后上升的“V”形, 由春季的609.30 km2減少到夏季的420.63 km2, 到秋季水域面積逐漸增加到474.62 km2, 減幅和增幅分別為188.67 km2、53.99 km2, 秋季到冬季水域面積平均值有較大幅度的增加, 增幅達(dá)到239.30 km2。究其原因, 隨著時(shí)間的變化, 春季到夏季氣溫升高, 水量蒸發(fā)較多, 同時(shí)人畜用水量和農(nóng)業(yè)用水量也逐漸增加, 導(dǎo)致南四湖濕地水域面積平均值在夏季達(dá)到最小值。隨著農(nóng)作物的收割及氣溫降低, 農(nóng)業(yè)用水量和氣候蒸發(fā)量逐漸減少, 南四湖濕地水域面積逐漸增加, 冬季南四湖濕地水域面積達(dá)到最大值。

圖7 1987年—2017年南四湖濕地水域面積年最大/小值

Figure 7 Annual maximum / minimum value of water area of Nansi Lake wetland from 1987 to 2017

圖8 1987年—2017年南四湖濕地水域面積季度平均值

Figure 8 Seasonal average area of Nansi Lake wetland from 1987 to 2017

2.2 南四湖濕地水域面積空間變化特征

南四湖濕地水域面積空間分布變化也存在年際和年內(nèi)特征, 如圖9所示, 位于南四湖濕地西南方向的南陽(yáng)湖水域面積呈現(xiàn)“減—增—減—增”的年際變化特征, 1987年—1992年, 南陽(yáng)湖東南方向的水域逐漸消失, 1992年2月水域面積幾乎為零, 到1997年時(shí)南陽(yáng)湖的水域面積逐漸恢復(fù), 但到2002年時(shí)南陽(yáng)湖東南方向的水域面積再次減小, 之后到2006年該湖泊水域面積恢復(fù)正常, 2006年—2017年十年期間, 南陽(yáng)湖的水域面積相對(duì)穩(wěn)定; 就南陽(yáng)湖的年內(nèi)變化而言, 1987年—2002年期間南陽(yáng)湖水域面積呈現(xiàn)逐季度減少的變化趨勢(shì), 而2006年—2017年, 南陽(yáng)湖水域面積并無(wú)明顯的季度變化。位于南四湖濕地中部的獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖年際變化不明顯, 研究時(shí)間序列內(nèi)水域面積并無(wú)大范圍的擴(kuò)大或縮小, 就年內(nèi)變化而言, 1987年—2002年獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖水域面積變化明顯, 由春季到冬季逐季節(jié)減小, 2002年冬季時(shí)兩個(gè)湖泊的面積幾乎為零, 這與2002年南四湖區(qū)域的干旱天氣有直接關(guān)系, 2006年—2017年, 兩湖泊的水域面積恢復(fù)正常狀態(tài)后未出現(xiàn)大幅度的變化。位于南四湖濕地東南方向的微山湖是四個(gè)湖泊中水域面積最大的一個(gè)湖泊, 在30年的研究時(shí)間序列內(nèi)微山湖的水域面積未像其他三個(gè)湖泊一樣有幾乎縮減為零的情況, 其中1997年7月和10月、2002年7月和10月、2011年6月微山湖的水域面積相對(duì)于其他研究時(shí)間點(diǎn)較小, 除此之外, 其他時(shí)間點(diǎn)的微山湖水域面積相對(duì)穩(wěn)定且面積較大。

圖9 1987年—2017年南四湖濕地水域面積空間分布狀況

Figure 9 Spatial distribution of area in Nansi Lake wetland from 1987 to 2017

3 討論與結(jié)論

本文利用Landsat陸地系列衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源分析了南四湖濕地水域面積的時(shí)空變化特征, 得到的主要結(jié)論如下:

(1)在通過(guò)幾何校正、圖像增強(qiáng)、大氣校正等一系列影像預(yù)處理之后, MNDWI結(jié)合Otsu法可以較好的提取出Landsat陸地系列衛(wèi)星的水體概況, 能夠?yàn)槟纤暮竦厮蛎娣e的時(shí)空分析提供較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)近30年來(lái), 南四湖濕地水域面積呈現(xiàn)“W”形的年際變化趨勢(shì), 水域面積年平均值最大為765.48 km2, 出現(xiàn)在2006年; 最小為329.83 km2, 出現(xiàn)在2002年, 這是由于2002年南四湖地區(qū)遭遇嚴(yán)重的干旱。就年內(nèi)季節(jié)變化而言, 南四湖濕地水域面積平均值呈現(xiàn)“V”形變化趨勢(shì), 最大值出現(xiàn)在冬季, 最小值出現(xiàn)在夏季, 其中由春季到夏季水域面積平均值降幅較大, 減少了188.67 km2, 秋季到冬季水域面積有474.62 km2的增幅。

(3)其中南陽(yáng)湖水域面積呈現(xiàn)“減—增—減—增”的年際變化特征, 1987年—2002年年內(nèi)變化呈現(xiàn)隨季節(jié)水域面積減少, 而2006年—2017年年內(nèi)無(wú)明顯變化; 獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖年際變化不明顯, 年內(nèi)變化而言, 1987年—2002年獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖水域面積變化明顯, 2006年—2017年, 兩湖泊的水域面積未出現(xiàn)大幅度的變化; 微山湖是四個(gè)湖泊中水域面積最大的湖泊, 在研究時(shí)間序列內(nèi)其水域面積相對(duì)穩(wěn)定且面積較大。

本文運(yùn)用MNDWI和Otsu法提取了南四湖濕地的水域面積, 由于獲取的Landsat陸地系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)可能受到云或其他因素的影響, 導(dǎo)致獲取的水域面積存在一定的誤差, 在后期的研究中應(yīng)進(jìn)一步探索高精度的水體提取方法, 提高數(shù)據(jù)提取精度。同時(shí)文章選取30年為研究時(shí)間段, 每四到六年為一個(gè)時(shí)間點(diǎn)選取當(dāng)年四個(gè)季度的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可能存在一定的偶然性, 應(yīng)縮短監(jiān)測(cè)周期, 以分析得到更精確的規(guī)律。

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Analysis on spatio-temporal variation characteristics of water area of Nansi Lake wetland in recent 30 years

MA Yin1, LIU Jiantao2,*, SHI Tongguang2, YU Ruikun2, LIU Chunting2

1. School of Information Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China 2. College of Surveying and Geo-Informatics, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China

Nansi Lake wetland is an important wetland included by the wetland convention organization. It is of great significance for wetland protection and restoration to grasp the spatio-temporal dynamic characteristics of the water area of Nansi Lake wetland in time. Based on the Landsat satellite remote sensing images, the paper extracted the water area of Nansi Lake in the past 30 years with the modified normalized difference water index (MNDWI) and theOtsu method, and analyzed the characteristics of intra-annual and inter-annual changes of the water area of Nansi Lake wetland. The results showed that: (1) The water area of Nansi Lake could be better extracted by MNDWI combined with the Otsu’s method. (2) In recent 30 years, the water area of Nansi Lake wetland presented a "W" shape inter-annual variation trend. The maximum annual average water area was 765.48 km2, which appeared in 2006; the minimum value was 329.83 km2, which appeared in 2002. From the perspective of intra-annual changes, the water area showed a "V" shape change rule, in which the maximum area appeared in winter and the minimum value appeared in summer. (3) The areas of Nanyang Lake, Dushan Lake and Zhaoyang Lake all showed obvious intra-annual and inter-annual changes, while the water area of Weishan Lake was relatively stable and large during the study period. The study provides technical and data support for ecological environment protection and ecological restoration of Nansi Lake wetland.

Nansi Lake wetland; water area; spatio-temporal variation; modified normalized difference water index; Otsu method

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.021

P951

A

1008-8873(2021)06-175-09

馬銀, 劉建濤, 史同廣, 等. 近30年南四湖濕地水域面積時(shí)空變化特征分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 175–183.

MA Yin, LIU Jiantao, SHI Tongguang, et al. Analysis on spatio-temporal variation characteristics of water area of Nansi Lake wetland in recent 30 years[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 175–183.

2020-05-17;

2020-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(42171113); 山東建筑大學(xué)校內(nèi)博士基金(XNBS1903); 山東省生態(tài)環(huán)境廳科研項(xiàng)目(LHJ-Y-2017-04)

馬銀(1994—), 女, 山東泰安人, 研究生, 主要從事遙感信息提取及應(yīng)用研究, E-mail:mayin199404@163.com

通信作者:劉建濤(1981—), 男, 博士, 副教授, 主要從事機(jī)器學(xué)習(xí), 遙感信息提取, 生態(tài)環(huán)境遙感等方面的研究, Email:liujiantao_1981@hotmail.com