基于四種水體指數(shù)的艾比湖水面提取及時空變化分析

希麗娜依·多來提，阿里木江·卡斯木，2，如克亞·熱合曼，梁洪武

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054； 2.新疆師范大學 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054)

1 研究背景

湖泊是江河水系重要組成部分，對生態(tài)環(huán)境和人類生活至關(guān)重要[1]。在“綠水青山就是金山銀山”的時代背景下，其重要性更加凸顯。隨著社會迅速發(fā)展，人口和工業(yè)的大規(guī)模增加，引起水資源嚴重短缺，越來越多的湖泊面積急速縮減、水量大量減少等問題日益突出。這些水資源問題對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。但受技術(shù)和環(huán)境條件的限制，傳統(tǒng)的檢測手段很難做到湖泊面積變化信息的準確提取[2]。

遙感技術(shù)可以快速、精確地提取湖泊水體信息，可以進行湖泊水資源調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測及防洪抗旱等[3]。目前廣泛應(yīng)用的水體提取方法有單波段法、譜間關(guān)系法、水體指數(shù)法、面向?qū)ο蠓āQ策樹法、SVM法、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于MRF隨機場、基于深度學習等[4]。1996年，Mcfeeters[5]利用TM影像特定波段進行歸一化差值運算，構(gòu)建了歸一化差異水體指數(shù)NDWI；2005年，徐涵秋[6]在NDWI指數(shù)基礎(chǔ)上對波長組合進行改進，構(gòu)建了改進的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI；2007年，閆霈等[7]提出了增強型水體指數(shù)EWI；2009年，馬延輝等[8]對混合水體指數(shù)CIWI與常用的水體信息提取方法進行對比；2013年，沈占峰等[9]采用高斯歸一化水體指數(shù)GNDWI實現(xiàn)遙感影像河流的高精度提??；2014年，F(xiàn)eyisa等[10]在不同地區(qū)選取不同水體進行反復試驗，提出了能夠較準確提取的自動水體提取指數(shù)AWEI；聶亞文等[11]2019年在AWEI的基礎(chǔ)上，研究不同條件下的湖泊及河流水體的波譜特點，通過大量試驗提出了改進的水體自動提取指數(shù)MAWEI。

本文以Landsat為數(shù)據(jù)源，以新疆艾比湖為研究區(qū)，采用NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI共4種水體指數(shù)，分析不同水體指數(shù)的提取精度，利用精度最高指數(shù)獲取艾比湖面積，對近20 a艾比湖面積變化及驅(qū)動因素進行分析。隨著過度開發(fā)利用湖泊資源及艾比湖周圍人口和工業(yè)密度增長，生態(tài)環(huán)境問題日益突顯，尤其是在流域氣候和人類雙重影響下，湖泊面積變化極其不穩(wěn)定[12]。艾比湖作為天山北坡經(jīng)濟帶的生態(tài)屏障[13]，湖泊面積萎縮對其流域環(huán)境和社會經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展有嚴重影響，因此分析艾比湖面積時空變化及驅(qū)動因素對其生態(tài)環(huán)境保護有一定參考意義。

2 研究區(qū)概況

艾比湖是新疆最大的咸水湖，其經(jīng)緯度為44°43′N—45°12′N、82°35′E—83°11′E，位于精河縣城以北35 km處，是準葛爾盆地最大的湖泊[14]，年平均氣溫7.5 ℃，年平均降水量105.17 mm，年蒸發(fā)量1 315 mm左右。湖盆西北部為大風口-阿拉山口，最大風速55 m/s。湖泊主要依靠地表徑流與冰雪融水補給，由于人口增加和大規(guī)模水土開發(fā)，使艾比湖流域的奎屯河、四棵樹河、古爾圖河被截流，目前主要依靠博爾塔拉河和精河補給[15]。研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of study area

3 數(shù)據(jù)來源與預處理

本文選用Landsat5/7/8系列遙感影像，數(shù)據(jù)成像時間均在5月份，圖像清晰、影像云量<10%，能夠滿足應(yīng)用需求，從地理空間數(shù)據(jù)云(http：∥www.gscloud.cn/)獲取，研究區(qū)示意圖如圖1所示，數(shù)據(jù)來源如表 1所示。為了消除傳感器本身的誤差并確定傳感器入口的準確輻射值，對遙感影像進行輻射定標，再進行大氣校正，最后按照研究區(qū)的范圍進行影像裁剪，得到研究區(qū)的遙感影像。同時，從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：∥cdc.cma.gov.cn/)獲取精河縣降雨量、蒸發(fā)量、氣溫等數(shù)據(jù)。人口數(shù)量、灌溉面積、水資源等數(shù)據(jù)源于新疆統(tǒng)計年鑒。

表1 數(shù)據(jù)來源

4 研究指標

4.1 水體指數(shù)

水體指數(shù)構(gòu)建形式很多，主要根據(jù)水體在不同波段的波譜特征，采用波段比值運算的方法分割水體和非水體[16]。本文選用的4種水體指數(shù)計算公式如表2所示。公式中，Green波段在 TM/ETM+影像中是波段2的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段3的反射率；NIR波段在TM/ETM+影像中是波段4的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段5的反射率；MIR 波段在 TM/ETM+中為波段5的反射率，在 OLI＿TIRS中為波段6的反射率；SWIR2為第7波段的反射率，分別將其運用于水體信息提取中[17]。水體指數(shù)中NDWI可以很好地識別出水體和其他地物之間差異，但是提取結(jié)果包含少許陸地；MNDWI提取城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的水體效果比較好；AWEI水體指數(shù)可以應(yīng)用于陰影區(qū)域和無陰影區(qū)域，根據(jù)應(yīng)用區(qū)域而選用對應(yīng)的公式，AWEIsh、AWEInsh分別為陰影區(qū)域和無陰影區(qū)域AWEI水體指數(shù)；MAWEI指數(shù)以自動水體指數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水體各波段波譜特征，再乘以系數(shù)，進一步增大水體與非水體的區(qū)別[18]。4種水體指數(shù)均可以有效提取水體，各有優(yōu)劣如表3所示。

表2 水體指數(shù)計算公式

表3 各水體指數(shù)優(yōu)缺點

4.2 精度評價

通過目視解譯，劃定水體邊界的灰度值范圍，通過大量試驗確定閾值，保證水體分割結(jié)果的準確性[19]。通過混淆矩陣對NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數(shù)的提取結(jié)果進行評價，根據(jù)公式可以得出總體精度OA、漏分誤差、錯分誤差、Kappa系數(shù)[20]來進行分析，其中Kappa系數(shù)和總體精度的公式分別為：

(1)

(2)

式中：K是Kappa系數(shù)；OA為總體精度；x是誤差矩陣的行數(shù)；Xii是i行i列x值；Xi+和X+i分別是第i行的和與第i列的和；N是樣點總數(shù)。

4.3 湖泊面積及動態(tài)度

將已分割水體的結(jié)果導入ArcGIS軟件進行分析，利用轉(zhuǎn)換工具柵格轉(zhuǎn)面并進行融合，再用柵格計算器計算面積[21]，計算面積公式為

S=nR2。

(3)

式中：S為湖泊面積；n為湖泊像元數(shù)；R為影像分辨率。

最后，采用湖泊面積動態(tài)度分析湖泊面積變化特征[22]。其表達式為

(4)

式中：L為湖泊面積動態(tài)度；Ua為研究初期湖泊面積；Ub為研究末期湖泊面積；T為研究時段長。

5 研究成果與分析

5.1 水體提取結(jié)果分析

首先利用2000年、2010年、2020年三期影像對4種水體指數(shù)提取結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖2所示。NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數(shù)均有效分割水體與非水體，通過波段運算均較好地提取了艾比湖主要輪廓部分水體，但是在細長、干涸湖底及過渡帶區(qū)域的提取上容易產(chǎn)生錯分及漏分情況，如圖3紅色區(qū)域所示。NDWI對于季節(jié)性湖區(qū)與永久性湖區(qū)之間過渡帶水體部分有漏分情況；MNDWI對干涸湖體敏感度較低，誤分為水體；AWEI提取結(jié)果包含部分干涸湖底；MAWEI可以較好地提取出季節(jié)性湖區(qū)與永久性湖區(qū)之間的過渡帶，同時受干涸湖底影響小，誤分情況相對較少。經(jīng)過對比分析可知MAWEI提取結(jié)果比其余3個指數(shù)理想。

圖2 不同水體指數(shù)識別水體結(jié)果Fig.2 Results of identifying water body by using different indicators

圖3 艾比湖水體提取結(jié)果對比Fig.3 Comparison of extration results among different indicators for water body of Ebinur Lake

5.2 精度評價

混淆矩陣是用來表示精度評價的一種標準格式[23]。因此通過混淆矩陣計算出各水體指數(shù)總體精度OA、Kappa系數(shù)、錯分誤差、漏分誤差等進行精度評價，結(jié)果如表4所示。4種水體提取指數(shù)OA指標均在90%以上；Kappa系數(shù)由高到低依次為MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。就錯分誤差而言，AWEI的錯分誤差最高達到29.17%，而MAWEI的錯分誤差最低僅為1.12%，其次為NDWI。而漏分誤差上，MNDWI最高。MAWEI和NDWI對容易誤分區(qū)域均能準確提取，其中MAWEI效果較好。整體而言，水體指數(shù)提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

表4 各水體指數(shù)提取水體結(jié)果精度系數(shù)

為進一步驗證上述水體提取精度評價結(jié)果，本文將湖面邊界疊加在原始影像上進行驗證，結(jié)果如圖4所示，湖泊內(nèi)的水體都能夠正確提取，水體提取時的較小誤差主要分布在湖區(qū)邊界周圍，湖面邊界也呈現(xiàn)出先擴大再縮減的特征，因此，驗證了前述水體提取精度評價結(jié)果有一定可信度。

圖4 近20 a湖面邊界線與原始影像疊加效果Fig.4 Overlapping of lake boundary and the original image for the past two decades

5.3 2000—2020年艾比湖面積變化及其動態(tài)度分析

湖泊面積動態(tài)度可以反映不同時期面積變化的劇烈程度[24]，本文采用湖泊面積動態(tài)度分析湖泊的變化特征。經(jīng)上述對比分析，利用精度最高的MAWEI分別提取近20 a來典型年份的艾比湖水體，根據(jù)式(3)和式(4)計算出湖泊面積及動態(tài)度，結(jié)果如表5所示。2003年湖泊面積達到最高，最小湖泊面積出現(xiàn)在2014年，2018年湖泊面積再次擴張，因此以2003年、2014年及2018年為轉(zhuǎn)折點分4個階段進行分析。在2000—2003年期間，艾比湖面積從2000年的768.93 km2增加至2003年的982.27 km2，湖泊面積增加27.74%、動態(tài)度為9.24%，此階段湖泊面積呈現(xiàn)擴張趨勢；2003—2014年期間，湖泊面積持續(xù)退縮，2014年減至447.08 km2，湖泊面積退縮54.48%、動態(tài)度為-4.95%，此階段湖泊面積呈現(xiàn)退縮趨勢；2014—2018年期間，湖泊面積再次增加至852.77 km2，湖泊面積增加90.74%、動態(tài)度為22.68%，此階段湖泊面積呈現(xiàn)出擴張趨勢；2018—2020年期間，湖泊面積減至593.79 km2，湖泊面積減少30.36%、動態(tài)度為-15.18%，此階段湖泊面積呈現(xiàn)退縮趨勢。結(jié)果表明近20 a艾比湖面積變化呈現(xiàn)出先擴張再退縮的趨勢。

表5 艾比湖面積百分比及動態(tài)度

6 驅(qū)動因素分析

6.1 降水量、氣溫、蒸發(fā)量、徑流量的影響

基于2000—2020年期間精河縣年均降水量、蒸發(fā)量、徑流量等數(shù)據(jù)，對艾比湖面積變化的驅(qū)動因素進行分析。結(jié)合精河縣年均降水量數(shù)據(jù)分析艾比湖面積與降水量變化關(guān)系，如圖5(a)所示。隨著降水量減少，艾比湖面積呈現(xiàn)退縮的趨勢；降水量增加，艾比湖面積呈現(xiàn)出擴張趨勢。降水量和湖泊面積呈正相關(guān)，降水量是引起艾比湖面積變化的自然因素之一。區(qū)域氣候的濕潤和干燥程度是由降水和氣溫決定的[25]，因此為進一步分析艾比湖湖面積變化原因，統(tǒng)計精河縣近20 a的氣溫數(shù)據(jù)并分析了年均氣溫與降水量的相關(guān)性，如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，精河縣氣溫較穩(wěn)定，氣溫對降水量影響不顯著。同時蒸發(fā)量對艾比湖面積變化有直接影響，蒸發(fā)量總體上呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢、與湖泊面積負相關(guān)，如圖5(c)所示。蒸發(fā)量增大，降水量減小，降水量和蒸發(fā)量呈現(xiàn)出負相關(guān)，如圖5(d)所示，對湖泊面積的變化有一定影響。

圖5 降水量、氣溫、蒸發(fā)量對艾比湖面積的影響分析Fig.5 Effects of precipitation，temperature and evaporation on area of Ebinur Lake

徑流量也是湖泊面積變化的影響因素之一[26]，因此收集了博爾塔拉河和精河的年徑流量等水文站實測數(shù)據(jù)，進一步分析了博爾塔拉河和精河的年徑流量與年降水量之間的關(guān)系，如圖6(a)和圖6(b)所示。2002—2008年期間，博爾塔拉河降水量呈下降趨勢，2009—2016年呈上升趨勢，2008年降水量急劇減少低至104.3 mm，直到2016年再一次達到頂峰，降水量達到 204.6 mm。2016年精河年降水量最大，達到201.7 mm。精河的年徑流量最大值同樣出現(xiàn)在2016年，達到5.9×108m3。2008年降水量急劇減少低至68.1 mm，精河的年徑流量也呈現(xiàn)減小趨勢。降水量呈現(xiàn)減少趨勢時徑流量也呈現(xiàn)減少趨勢，降水量增加趨勢時徑流量也呈現(xiàn)增加趨勢，即河流徑流量的變化與年降水量的變化趨勢大致相同。因此，降水量對徑流量有一定的影響，進而影響艾比湖湖面積的變化。博爾塔拉河與精河徑流量大部分變化呈現(xiàn)出同樣趨勢，博爾塔拉河徑流量上升明顯，從2002—2016年雖有波動，但變化不大，2002年最大值達到7.8×108m3，2014年最小值達到4.6×108m3；精河徑流量2013年出現(xiàn)最小值，為3.4×108m3，2016年徑流量增大到5.9×108m3。徑流量變化與湖泊面積變化情況相符，如圖6(c)和圖6(d)所示。地表徑流的增加使地表水源的補給增加，從而促使艾比湖面積增加。通過對比分析可知，博爾塔拉河相對于精河而言對艾比湖面積變化影響更大。

圖6 博爾塔拉河和精河年徑流量與年降水量及艾比湖面積關(guān)系Fig.6 Relations of annual runoff in Bortala River and Jinghe River versus annual precipitation and surface area of Ebinur Lake

6.2 社會用水量的影響

隨著人口、經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中用水量的增加，導致流入艾比湖的水量持續(xù)減少，對湖泊面積影響較大[27]。博爾塔拉蒙古自治州人口由2000年的42.3萬增至2013年的49.38萬，增長率為16.73%；有效灌溉面積從2000年107.19×103hm2增至2020年186.94×103hm2，全州總水資源從2000年28.1×108m3減少至2018年15.43×108m3，如圖7所示。同時，2020年生產(chǎn)總值增至377.1億元，生產(chǎn)用水量隨之增加。水資源的減少，人口、有效灌溉面積及生產(chǎn)值持續(xù)增長引起社會總用水量的激增，進而對艾比湖的面積變化有一定影響。

圖7 人口、灌溉面積及水資源關(guān)系Fig.7 Relationship among population，irrigated area，and water resource

7 結(jié)論與討論

本文以Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源，以新疆艾比湖為研究區(qū)，選擇NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數(shù)，對比不同水體指數(shù)的提取精度，利用精度最高水體指數(shù)獲取艾比湖面積，對2000—2020年艾比湖面積變化及驅(qū)動因素進行分析。得出以下結(jié)論：

(1)NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數(shù)通過波段運算均較好地提取了艾比湖主要輪廓部分水體，但是在細長、干涸及過渡帶部分提取上，相比其余3個指數(shù)，MAWEI提取結(jié)果較理想，能夠很好地提取出了季節(jié)性湖區(qū)與永久性湖區(qū)之間的過渡帶，同時受干涸湖底干擾小，提取出來的水體在空間分布上更接近目視解譯影像。。

(2)4種水體指數(shù)總體分類精度都在90%以上；Kappa系數(shù)由高到低依次為MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI；就錯分誤差而言，AWEI的錯分誤差最高達到29.17%，而MAWEI的錯分誤差最低，僅為1.12%，其次為NDWI。而漏分誤差上，MNDWI最高，整體而言，水體指數(shù)提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

(3)在2000—2003年期間，艾比湖面積增加至982.27 km2，湖泊面積增加27.74%、動態(tài)度為9.24%；2003—2014年期間，湖泊面積持續(xù)退縮，2014年減至447.08 km2，湖泊面積退縮54.48%、動態(tài)度為-4.95%；2014—2018年期間，湖泊面積再次增加至852.77 km2，湖泊面積增加90.74%、動態(tài)度為22.68%；2018—2020年期間，湖泊面積減至593.79 km2，湖泊面積減少30.36%、動態(tài)度為-15.18%。結(jié)果表明近20 a艾比湖面積變化呈現(xiàn)先擴張再退縮的趨勢。

(4)結(jié)合2000—2020年期間精河縣年均降水量、蒸發(fā)量、徑流量等數(shù)據(jù)，對艾比湖面積變化的驅(qū)動因素進行分析。發(fā)現(xiàn)降水量、蒸發(fā)量、徑流量均對湖泊面積產(chǎn)生一定的影響。艾比湖面積變化與降水量呈正相關(guān)、與蒸發(fā)量呈負相關(guān)、與徑流量呈正相關(guān)。精河縣年均降水量逐年減小，蒸發(fā)量緩慢增加，降水量減少的年份徑流量也減少，艾比湖面積也呈現(xiàn)出退縮的趨勢。同時，水資源的減少并與其周圍人口、灌溉面積及生產(chǎn)值持續(xù)增長引起經(jīng)濟社會總用水量的激增，對湖泊面積變化產(chǎn)生一定的影響。

本文選用的遙感數(shù)據(jù)及研究區(qū)較為單一，不同環(huán)境條件下的湖泊水體光譜特征、水體指數(shù)提取效果均會有所不同。湖泊面積變化的驅(qū)動因素可以結(jié)合土地利用、冰川融化等方面綜合考慮，在今后研究中做更詳細的驗證。