1990—2019年達(dá)里諾爾湖水體面積變化遙感監(jiān)測

尹源 范雪松

摘要 以Landsat遙感數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，采用歸一化差分水體指數(shù)（NDWI）對達(dá)里諾爾湖水體進(jìn)行識別和提取，使該區(qū)域形成長時(shí)間監(jiān)測，研究1990—2019年達(dá)里諾爾湖的時(shí)空變化，并通過氣象數(shù)據(jù)探討水體面積與氣候變化的關(guān)系。結(jié)果表明，達(dá)里諾爾湖1990—2019年水體面積呈波浪式變化，整體呈下降趨勢，自2000年后，達(dá)里諾爾湖水體面積逐漸減少，20年間共減少41.82 km2;在湖體東北方向減少幅度最大，共減少19.89 km2。達(dá)里諾爾湖水體面積與降水量呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞 達(dá)里諾爾湖;水體面積;歸一化差分水體指數(shù)（NDWI）;時(shí)空變化;遙感監(jiān)測

中圖分類號 TP 79文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0092-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.024

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Remote Sensing Monitoring of Water Area Changes in Darinore Lake from 1990 to 2019

YIN Yuan1，F(xiàn)AN Xue-song2

（1.Meteorological Bureau of Keshiketeng Banner， Inner Mongolia Autonomous Region， Keshiketeng Banner， Inner Mongolia 025350;2.Meteorological Bureau of Chifeng City， Inner Mongolia Autonomous Region， Chifeng， Inner Mongolia 024000）

Abstract Based on Landsat remote sensing data， the normalized differential water index （NDWI） was used to identify and extract the water body of Dalinore， so that the area could be monitored for a long time，the temporal and spatial changes of Dalinore Lake from 1990 to 2019 were studied，andthe relationship between water area and climate change through meteorological data were explored.The results showed that from 1990 to 2019， the water area of Dalinore Lake showed a wave-like change， with an overall downward trend. Since 2000， the water area of Dalinor Lake had gradually decreased， with a total decrease of 41.82 km2 in 20 years.The largest decrease was in the northeast of the lake， with a total decrease of 19.89 km2.The water area of Dalinore Lake was positively correlated with precipitation， and negatively correlated with temperature.

Key words Dalinore Lake;Water area;Normalized differential water index （NDWI）;Temporal and spatial variation;Remote sensing monitoring

作者簡介 尹源（1994—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師，從事大氣科學(xué)研究;范雪松（1989-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師，碩士，從事生態(tài)學(xué)研究。尹源和范雪松是共同第一作者。

收稿日期 2021-04-13;修回日期 2021-05-31

湖泊是指湖水、湖盆和水中所含物質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)及水生生物）所組成的自然綜合體，湖泊參與自然界的物質(zhì)和能量循環(huán)，是我國生態(tài)環(huán)境基本要素和重要資源，它是自然界水分循環(huán)的重要參與者，是大量生態(tài)信息的載體，也是湖泊流域物質(zhì)存儲庫，能夠記錄湖泊各個(gè)時(shí)期氣候和環(huán)境變化的信息[1]。同時(shí)，氣候變化對湖泊也有重要影響，是湖泊水體面積變化的重要驅(qū)動(dòng)因素。近幾十年來，湖泊面臨著水質(zhì)惡化、水體面積減少、植被退化、旱澇急轉(zhuǎn)、土壤鹽堿化等重大問題，湖泊水體變化對周圍生態(tài)環(huán)境變化和氣候變化有著直接影響，因此對湖泊時(shí)空變化的研究有重要意義[2]。

早期對于湖泊監(jiān)測的手段單一，受到人力、財(cái)力等外界因素的限制，導(dǎo)致研究內(nèi)容較少、范圍較窄、精度不高，但是通過遙感（remote sensing）技術(shù)獲得湖泊信息，可以不受環(huán)境的限制，用戶可以在任何時(shí)候獲得所需的地理信息[3]，同時(shí)遙感資料可以連續(xù)、準(zhǔn)確地反映地表信息特點(diǎn)，現(xiàn)如今高分辨率、高光譜遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)，加上水體遙感研究技術(shù)不斷深入，通過遙感數(shù)據(jù)提取水體信息，已經(jīng)成為水體研究的重點(diǎn)，以豐富的遙感數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以有效地分析湖泊水體變化，目前，應(yīng)用遙感技術(shù)研究水體信息的方法有水體指數(shù)法、圖像分類法、閾值法等，其中水體指數(shù)法是被廣泛使用的研究方法。

美國陸地資源衛(wèi)星（Landsat）數(shù)據(jù)是遙感應(yīng)用中常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，最早于1972年發(fā)射，Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以滿足全球區(qū)域內(nèi)研究的需要，是進(jìn)行長期監(jiān)測最為有效的遙感數(shù)據(jù)之一[4]。筆者以Landsat遙感數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，采用歸一化差分水體指數(shù)（NDWI）對達(dá)里諾爾湖水體進(jìn)行識別和提取，使該區(qū)域形成長時(shí)間監(jiān)測，研究1990—2019年達(dá)里諾爾湖的時(shí)空變化，并通過氣象數(shù)據(jù)探討水體面積與氣候變化的關(guān)系，為達(dá)里諾爾湖未來保護(hù)及治理提供科學(xué)合理的支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達(dá)里諾爾湖（116°30′～116°48′E、43°13′～43°23′N）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗，達(dá)里諾爾湖是赤峰市境內(nèi)最大的湖泊（圖1），是低濃度鹽水湖，整體形狀呈海馬狀，湖體按南北分布，是封閉式蘇達(dá)型半咸水湖。達(dá)里諾爾湖屬于高原內(nèi)陸湖，湖水無外瀉，湖體總儲水量是16億m3，水深平均10～13 m，最大水深13 m，總面積238 km2。此外，達(dá)里諾爾湖周圍還有很多水系流入，在東西兩畔各有一個(gè)湖泊，分別是崗更諾爾湖和多倫諾爾湖，耗來河、貢格爾河、沙里河將這3個(gè)湖泊貫穿在一起，形成高原湖區(qū)。達(dá)里諾爾湖地區(qū)受溫帶大陸性季風(fēng)氣候控制，年平均氣溫2～4 ℃，年降水量250～500 mm，降水多集中在6—8月份。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

該研究從美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站上選取下載1990—2019年共30景達(dá)里諾爾湖區(qū)域Landsat遙感數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔較長，所以1990—2015年選擇Landsat5/TM遙感數(shù)據(jù)，2016—2019年選擇Landsat8/OLI遙感數(shù)據(jù)，為了使水體面積更加準(zhǔn)確，選擇達(dá)里諾爾湖無云、無條帶的遙感影像數(shù)據(jù)，遙感影像時(shí)間均為每年7月份，對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等一系列預(yù)處理工作，研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為經(jīng)棚國家氣象站，數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.3 研究方法

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是記錄地表物體反射信息以及地物自身的輻射信息，對于一般地物而言，在遙感傳感器范圍內(nèi)，水體的反射率總是相對較弱的，該研究對達(dá)里諾爾湖水體面積提取采用水體指數(shù)法[5-9]，水體指數(shù)法的本質(zhì)就是把地表物體最弱的反射率和最強(qiáng)的反射率波段分別作為分子和分母，進(jìn)行波段運(yùn)算，然后把兩者的差距拉大，進(jìn)行歸一化處理[10]，這樣可以對背景信息抑制，能夠較好地增強(qiáng)水體信息[11]，歸一化差分水體指數(shù)（NDWI）[12]是一種被廣泛應(yīng)用計(jì)算水體識別的研究方法（表1）。

通過遙感圖像識別1990—2019年達(dá)里諾爾湖水體面積，并對水體面積進(jìn)行時(shí)空變化分析，該研究采用ENVI空間分析法，對達(dá)里諾爾湖每年的水體面積變化進(jìn)行分析，分析湖體面積變化的時(shí)空變化過程，同時(shí)對達(dá)里諾爾湖面積與氣候變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖體面積變化特征

對達(dá)里諾爾湖水體1990—2019年進(jìn)行NDWI運(yùn)算，識別出1990—2019年30景遙感影像中達(dá)里諾爾湖水體（圖2），通過ENVI處理遙感數(shù)據(jù)，得出每年達(dá)里諾爾湖水體面積（圖3）。結(jié)果顯示，達(dá)里諾爾湖水體面積變化總體呈現(xiàn)波浪式變化，整體呈下降趨勢，水體面積在1993、1999年2次出現(xiàn)變化拐點(diǎn)，具體變化為3個(gè)階段，其中1990—1993年達(dá)里諾爾湖水體面積逐年增加，4年期間增加了4.35 km2，1994—1999年達(dá)里諾爾湖水體面積趨于平緩基本保持不變，在1999年水體面積為223.21 km2，從2000年開始達(dá)里諾爾湖水體面積逐漸減少;第3階段2000—2019年達(dá)里諾爾湖水體面積呈下降趨勢，20年期間共減少41.82 km2?？傮w來看，達(dá)里諾爾湖水體面積變化程度明顯，整體上呈下降趨勢。

2.2 湖體格局時(shí)空變化

該研究通過ArcGIS對達(dá)里諾爾湖1990—2019年水體面積進(jìn)行空間對比分析，進(jìn)一步研究達(dá)里諾爾湖水體時(shí)空格局變化過程，從水體面積變化趨勢來看，水體整體呈下降趨勢，面積減少幅度最大的區(qū)域集中在達(dá)里諾爾湖的東北和東南方向，分別縮減了19.89和10.63 km2。

通過分析發(fā)現(xiàn)，由于達(dá)里諾爾湖周圍水體水深較淺，受自然環(huán)境因素影響明顯，水體邊緣變化幅度較大，在湖泊邊緣很容易出現(xiàn)水體干涸的情況，并且在東北方向減少幅度最大。

2.3 湖體面積與氣候變化

達(dá)里諾爾湖的湖體面積增加主要是靠降水來補(bǔ)給，該研究進(jìn)一步探討降水量和氣溫與達(dá)里諾爾湖面積變化的關(guān)系，從圖4可以看出，近30年達(dá)里諾爾湖水體面積變化波動(dòng)且不穩(wěn)定，總體呈下降趨勢，利用1990—2019年經(jīng)棚國家氣象站年降水量和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)與達(dá)里諾爾湖水體面積進(jìn)行分析比較，結(jié)果顯示，達(dá)里諾爾湖水體面積與降水量呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，但是并不十分顯著，年降水量變化幅度較大，呈波浪狀，但是總體是下降趨勢，這與達(dá)里諾爾湖面積變化趨勢相一致，年平均氣溫與達(dá)里諾爾湖面積呈負(fù)相關(guān)，氣溫升高，蒸發(fā)量增多，水體面積減少。

3 結(jié)論

該研究以1990—2019年達(dá)里諾爾湖共30景Landsat遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，遙感與信息系統(tǒng)為技術(shù)手段，采用歸一化差分水體指數(shù)（NDWI），通過對近30年達(dá)里諾爾湖水體面積變化研究，并與年降水量和年平均氣溫進(jìn)行相對關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明， 達(dá)里諾爾湖1990—2019年水體面積呈波浪式變化，整體呈下降趨勢，在1993、1999年出現(xiàn)2次拐點(diǎn)，自2000年后，達(dá)里諾爾湖水體面積逐漸減少，20年間共減少41.82 km2。

空間變化分析得出，在湖體東北方向減少幅度最大，共減少19.89 km2。

達(dá)里諾爾湖水體面積與降水量呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

近年來，達(dá)里諾爾湖周圍生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)較好，湖體面積主要是受自然環(huán)境的影響，因此，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)、維持生態(tài)平衡是保護(hù)水資源的根本，實(shí)現(xiàn)達(dá)里諾爾湖發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒尚輝.武漢市湖泊環(huán)境的遙感研究[J].地理科學(xué)，1991，11（3）：261-268.

[2] 劉耀彬，陳紅梅.武漢市主城區(qū)湖泊發(fā)展的歷史演變、問題及保護(hù)建議[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，25（2）：163-167.

[3] 馬榮華，段洪濤，唐軍武，等.湖泊水環(huán)境遙感[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 文雄飛，蔡斌，陳蓓青，等.基于 Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的洪湖水體遙感監(jiān)測研究[J].人民長江，2012，43（8）：43-47.

[5] 徐涵秋.利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取水體信息的研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2005，9（5）：589-595.

[6] 馬丹.基于 MODIS 數(shù)據(jù)的水體提取研究[J].地理空間信息，2008，6（1）：25-28.

[7] MCFEETERS S K.The use of the Normalized Difference Water Index（NDWI）in the delineation of open water features[J].International journal of remote sensing，1996，17（7）：1425-1432.

[8] 江輝.基于多源遙感的鄱陽湖水質(zhì)參數(shù)反演與分析[D].南昌：南昌大學(xué)，2011.

[9] 陸吉貴.利用組合水體指數(shù)（NCIWI）提取水體信息研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（3）：49-52.

[10] ANDREA O，SAMSON O A O，CYRILUS O W，et al.Analysis of seasonal time series with missing observations of fish harvesting in lake Victoria，Kenya[J].Mathematical theory and modeling，2014，14（4）：131-141.

[11] BURLAKOVA L E，KARATAYEV A Y，PADILLA D K.Changes in the distribution and abundance of Dreissena polymorpha within lakes through time[J].Hydrobiologia，2006，571（1）：133-146.

[12] SOSZKA H，KOLADA A，GOUB M.Changes of water quality in benchmark lakes in the Polish national monitoring network in the 1999-2004 period[J].Oceanological and hydrobiological studies，2010，39（2）：153-159.