基于ENVI和ArcGIS的呼倫湖面積動(dòng)態(tài)變化及影響因素研究

蘇 宇,黨曉宏,2,袁立敏

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2. 內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010; 4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010; 5. 沙地生物資源保護(hù)與培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

湖泊對(duì)氣候變化以及人類的活動(dòng)十分敏感,尤其在干旱地區(qū),湖泊不僅是氣候變化的指示器,更是干旱區(qū)水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]。關(guān)于干旱區(qū)湖泊變化的研究,尤其是沙漠湖泊的研究,一直都備受關(guān)注[2-5]。目前隨著遙感影像分辨率的提高、獲取周期變短,遙感影像分析已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測(cè)中不可缺少的手段。周亞輝等[6]利用遙感水體反射在不同波段表現(xiàn)的差異,結(jié)合光譜特征對(duì)庫(kù)木庫(kù)勒盆地的鹽湖面積進(jìn)行提取,分析不同氣象因子對(duì)湖泊面積的影響;徐丹蕾等[7]則用遙感人工目視解譯方法,對(duì)毛烏素沙地湖泊面積變化及其相關(guān)性影響進(jìn)行了研究分析,得到了近年來(lái)湖泊受人類活動(dòng)的影響較大的結(jié)論,打破了湖泊對(duì)空間的依賴;熊波等[8]也采用遙感目視判讀的方法對(duì)巴丹吉林沙漠地區(qū)湖泊動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。

呼倫湖位于呼倫貝爾大草原中心地帶,是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[9],呼倫湖湖泊面積的變化會(huì)對(duì)呼倫湖地區(qū)甚至是東北地區(qū)生態(tài)安全問(wèn)題造成影響[10-12]。因此研究呼倫湖區(qū)域氣候變化特征及對(duì)其水域面積的影響,對(duì)呼倫湖水域的保護(hù)及該區(qū)域的生態(tài)安全等均具有重要意義。目前,關(guān)于呼倫湖的研究,秦伯強(qiáng)等[13]通過(guò)1959—1983年呼倫湖水量平衡分析發(fā)現(xiàn),降水量增加會(huì)引起湖泊面積擴(kuò)大;王鵬飛等[14]借鑒1961—2018年公開(kāi)發(fā)表的呼倫湖湖泊面積資料及該區(qū)域逐年氣溫、蒸發(fā)量、降水量、相對(duì)濕度分析,認(rèn)為蒸發(fā)量增大是呼倫湖湖泊面積減小的重要原因。然而,這些對(duì)呼倫湖研究的時(shí)間序列不同,且均采用氣候因子來(lái)分析其變化,其主要?dú)庀笠嘏c湖泊面積的相關(guān)性存在一定差異?；诖?本文使用2013—2021年呼倫湖遙感影像,分析相鄰兩年呼倫湖湖泊面積變化特征,結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)、政府措施等方面,從氣候和人類活動(dòng)兩個(gè)維度分析湖泊變化的原因,為今后沙漠湖泊變化趨勢(shì)方面的研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市呼倫貝爾草原西部的新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗之間的呼倫湖(48°30′40′′—49°20′40′′N,117°00′10′′—117°41′40′′E)。呼倫湖是內(nèi)蒙古第一大湖、東北地區(qū)第一大湖,全湖呈東北—西南走向,為不規(guī)則的斜向長(zhǎng)方形狀,整體屬于溫帶大陸性氣候,年平均氣溫 -0.6～1.1 ℃,年均降水量小于300 mm。呼倫湖湖水主要來(lái)自克魯倫河和烏爾遜河天然補(bǔ)給,還有一部分來(lái)自大氣降水和地下水。藻類資源豐富,其中主要優(yōu)勢(shì)種為硅藻門(mén)的梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)和細(xì)小平裂藻(Merismopediatenuissima);據(jù)初步統(tǒng)計(jì),呼倫湖地區(qū)共有鳥(niǎo)類17目41科343種,其中丹頂鶴(Grusjaponensis)、白鶴(Grusleucogeranus)、大鴇(Otistarda)、金雕(Aquilachrysaetos)等是國(guó)家一級(jí)保護(hù)鳥(niǎo)類。呼倫湖是中國(guó)北方地區(qū)重要的鳥(niǎo)類棲息地和東部?jī)?nèi)陸鳥(niǎo)類遷徙的重要通道。本研究選取呼倫湖主體水域區(qū)域進(jìn)行研究。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

Landsat 8是美國(guó)landsat衛(wèi)星系列的第八顆衛(wèi)星,攜帶陸地成像儀(OLI),共包含9個(gè)波段,對(duì)識(shí)別水體等方面精度性較高。本研究遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站landsat 8 OLI影像,數(shù)據(jù)類型為L(zhǎng)andsat OLI,空間分辨率30 m。選取2013—2021年每年1期共9期影像,影像均已進(jìn)行幾何校正,選取影像云量小于 30%,且湖泊邊界上方無(wú)云覆蓋,影像均攝于每年7—9月,此時(shí)湖水面積平穩(wěn),水量穩(wěn)定[15],既保證各年份湖泊面積具有代表性,又保證每年湖泊邊界具有可比性,具體見(jiàn)表1。

表1 遙感數(shù)據(jù)源信息統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of remote sensing data sources

2.2 圖像校正

輻射定標(biāo),就是將數(shù)字量化的圖像轉(zhuǎn)化為反射率或者輻射亮度值等指標(biāo)的處理過(guò)程,也是大氣校正的準(zhǔn)備工作,由于下載的landsat 8影像的輻射定標(biāo)參數(shù)存儲(chǔ)于元數(shù)據(jù)文件中,利用ENVI中自帶的輻射定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)就可以自動(dòng)讀取元數(shù)據(jù)文件中的參數(shù),設(shè)置輻射定標(biāo)參數(shù)為FLAASH大氣校正所需要的數(shù)據(jù)類型。

太陽(yáng)輻射以各種形式進(jìn)入大氣入射到物體表面再傳回傳感器,但是由于成像時(shí)的大氣條件、地形等臨近物的不同存在會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成影響,因此要對(duì)不同時(shí)期的影像進(jìn)行大氣校正來(lái)消除不同因素對(duì)地物反射的影響,獲得地物輻射率、反射率等物理模型參數(shù),減少大氣中O2、CH4、水蒸氣等對(duì)反射的影響,消除氣溶膠散射和大氣分子的影響,本文使用ENVI中FLAASH大氣校正模型對(duì)所選取的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。

2.3 波段合成

由于不同物體本身性質(zhì)、組成的不同,會(huì)選擇性的吸收和反射大陽(yáng)光,從而表現(xiàn)出本物質(zhì)特有的光譜表現(xiàn)特征,根據(jù)lansat 8 OLI傳感器特征,6波段(SWIR1)穿透大氣較好,對(duì)水識(shí)別較高;5波段(NIR)便于分辨潮濕土壤;3波段(Green)便于識(shí)別植被特征。因此,為突出湖泊邊界信息,保證數(shù)據(jù)真實(shí)性,采用6、5、3波段在ArcGIS中進(jìn)行合成、判讀[11]。

2.4 影像解譯

在ArcGIS中建立個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)不同用地類型進(jìn)行分類,建立各類型屬性表,添加與影像坐標(biāo)系一致的面要素。由于湖泊鹽堿嚴(yán)重,湖內(nèi)藻類、浮萍豐富,湖泊情況復(fù)雜,為保證提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采用人工目視解譯的方法來(lái)提取湖泊邊界,繪制成湖泊遙感解譯圖,參考相關(guān)文獻(xiàn)[16-17],將湖泊邊界的灘涂、鹽堿地不算入主體湖泊中,若其在湖中,并被湖水包圍,則算入湖泊主體中,將繪制好的各年份湖泊信息圖導(dǎo)入至建立的個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù),分別計(jì)算各年份湖泊的面積,并利用ArcToolbox→Analysis Tools→Overlay→Union工具按時(shí)間順序?qū)⒑从跋襁M(jìn)行兩兩聯(lián)合,根據(jù)屬性中符號(hào)系統(tǒng)將變化區(qū)域賦予不同顏色加以區(qū)分,得到相鄰年份湖泊變化對(duì)比圖,并計(jì)算各變化區(qū)域的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖泊面積變化分析

將2013—2021年呼倫湖湖泊面積以折線圖的形式畫(huà)出(圖1),由圖可知,2013—2016年湖泊面積呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),2016—2018年逐年下降,2019—2021年又呈現(xiàn)出上升狀態(tài),湖泊面積在此年間總體呈上升趨勢(shì)。湖泊面積的變化一方面和當(dāng)?shù)馗髂攴莸臍夂蛴泻艽箨P(guān)系,同時(shí)也受人類活動(dòng)的影響[18],湖泊面積的變化趨勢(shì)不但能較好地反映當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的變化,也對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)政策的調(diào)整具有指示作用。

圖1 2013—2021年呼倫湖湖泊面積變化Fig.1 Change of Hulun Lake area from 2013 to 2021

將相鄰兩年份影像進(jìn)行疊加聯(lián)合,其中藍(lán)色部分為兩年未變化的部分,藍(lán)色+紅色為前一年湖泊面積信息,藍(lán)色+橙色部分為后一年湖泊面積信息。

將2013年9月15日和2014年9月2日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖2a),得到2013—2014年呼倫湖邊界變化情況,2013年呼倫湖湖泊面積為 191 111.88 hm2,2014年湖泊面積為 202 335.89 hm2,較2013年相比面積增加了 5.87%。

圖2 2013—2015年呼倫湖湖泊面積變化Fig.2 Change of Hulun lake area from 2013 to 2015

將2014年9月2日和2015年9月5日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖2b),得到2014—2015年呼倫湖邊界變化情況,2015年湖泊面積 207 851.29 hm2,相比2014年增加了 2.73%。

將2015年9月5日和2016年7月30日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖3a),得到2015—2016年呼倫湖邊界變化情況,2016年湖泊面積 210 033.08 hm2,相比2015年增加了 1.05%。

圖3 2015—2017年呼倫湖湖泊面積變化Fig.3 Change of Hulun lake area from 2015 to 2017

將2016年7月30日和2017年7月24日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖3b),得到2016—2017年呼倫湖邊界變化情況,2017年湖泊面積 208 316.71 hm2,相比2016年減少了 0.82%。

將2017年7月24日和2018年8月21日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖4a),得到2017—2018年呼倫湖邊界變化情況,2018年湖泊面積 206 307.62 hm2,相比2017年減少了 0.96%。

圖4 2017—2019年呼倫湖湖泊面積變化Fig.4 Change of Hulun lake area from 2017 to 2019

將2018年8月21日和2019年9月25日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖4b),得到2018—2019年呼倫湖邊界變化情況,2019年湖泊面積 206 528.77 hm2,相比2018年增加了 0.11%。

將2019年9月25日和2020年9月27日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖5a),得到2019—2020年呼倫湖邊界變化情況,2020年湖泊面積 207 441.74 hm2,相比2019年增加了 0.44%。

圖5 2019—2021年呼倫湖湖泊面積變化Fig.5 Change of Hulun lake area from 2019 to 2021

將2020年9月27日和2021年8月29日的landsat 8影像進(jìn)行疊加聯(lián)合(圖5b),得到2020—2021年呼倫湖邊界變化情況,2021年湖泊面積 215 504.02 hm2,相比2020年增加了 3.89%。

整體上看,湖泊面積變化明顯區(qū)域?yàn)槠鋿|南部和東北部。

3.2 氣候主要因素變化分析

氣候是影響湖泊動(dòng)態(tài)變化的主要因素,分析湖泊面積變化情況,探究氣候變化與湖泊面積變化之間的相關(guān)性,有助于更深層次探討湖泊面積變化的相關(guān)因素,這對(duì)湖泊水源保護(hù)具有理論意義[19]。自然因素中氣溫和降水是影響湖泊變化的主要因素[20],本研究選取新巴爾虎右旗2001—2020年的氣溫、降水量和相對(duì)濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.1氣溫

此年間氣溫除個(gè)別年份偏高之外,其余年份基本趨于穩(wěn)定,平均溫度為 1.96 ℃,以氣溫為因變量y,時(shí)間為自變量x,選取年份內(nèi)平均氣溫變化趨勢(shì)線性方程為y=0.006 8x+1.885 9,由圖6可知斜率大于0,說(shuō)明該時(shí)段氣溫總體呈上升趨勢(shì),但總體變化趨勢(shì)不明顯。

圖6 年均氣溫距平曲線Fig.6 Annual mean temperature curve

3.2.2降水量

據(jù)氣象資料顯示,降水此年間存在干濕波動(dòng),波動(dòng)周期大約在5～6 a,在降水較多年份降水量可達(dá) 300.00 mm以上,較少年份降水量?jī)H僅 100.00 mm左右,年均降水量為 207.74 mm,降水量變化趨勢(shì)線性方程y=4.306 7x+162.51,由圖7可知斜率大于0,說(shuō)明該時(shí)段降水量呈上升趨勢(shì)。

圖7 年降水量距平曲線Fig.7 Annual precipitation curve

3.2.3相對(duì)濕度

統(tǒng)計(jì)年間,相對(duì)濕度變化較小,均圍繞平均濕度上下波動(dòng),總體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),期間平均相對(duì)濕度為 56.8%,相對(duì)濕度的變化可以很好地從側(cè)面反映蒸發(fā)量的變化,統(tǒng)計(jì)年間該地區(qū)平均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)線性方程為y=0.136 3x+55.359,由圖8可知斜率大于0,說(shuō)明該時(shí)段相對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)。

圖8 年均相對(duì)濕度距平曲線Fig.8 Annual mean relative humidity curve

3.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可以真實(shí)直觀地反映出兩組變量之間的關(guān)系,本研究為分析呼倫湖湖泊面積變化與氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,以2013—2021年間呼倫湖湖泊面積為樣本,選取對(duì)應(yīng)時(shí)段的年均氣溫、降水量、相對(duì)濕度數(shù)據(jù),量化后分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,呼倫湖湖泊面積變化與氣象數(shù)據(jù)相關(guān)性結(jié)果見(jiàn)表2。研究表明,氣溫、降水量和相對(duì)濕度3項(xiàng)因子與呼倫湖湖泊面積的顯著性均大于 0.05,即不存在顯著相關(guān)關(guān)系,表明在此段時(shí)間內(nèi)氣象因素對(duì)呼倫湖湖泊面積變化影響較小。

表2 因子相關(guān)性計(jì)算結(jié)果Tab.2 Factor correlation calculation results

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

從2013—2021年整體來(lái)看,呼倫湖湖泊面積先上升后下降隨后再上升,總體呈上升的趨勢(shì),這與金鴿等[9]得出2012—2018年間為呼倫湖湖泊恢復(fù)期結(jié)論基本一致;與孟慶吉[21]得出的2015—2020年間呼倫湖湖泊面積增長(zhǎng)結(jié)論同樣比較吻合。根據(jù)相鄰年份遙感圖像兩兩對(duì)比來(lái)看,湖泊面積變化明顯區(qū)域?yàn)槠鋿|南部和東北部,與孟慶吉[21]得出的增長(zhǎng)區(qū)域主要為湖泊的東南部基本吻合。對(duì)呼倫湖氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行變化分析,并研究其對(duì)湖泊面積的影響,總體來(lái)看,呼倫湖區(qū)域氣溫、降水量和相對(duì)濕度都趨于穩(wěn)定,呈小幅上升趨勢(shì),與王紹武等[22]分析全球氣候變暖的趨勢(shì)比較一致,但就和呼倫湖湖泊面積相關(guān)性來(lái)看,三者均相關(guān)程度較低,考慮是人為因素影響呼倫湖湖泊面積占主導(dǎo)因素。

2006年以來(lái),自治區(qū)為遏制生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化,實(shí)施了湖水優(yōu)化配置治理工程,以河流補(bǔ)充水源改善湖泊環(huán)境;在湖體周圍采取禁牧措施,使流域植被狀況得到明顯改善,有效遏制了沙地沙化對(duì)湖泊造成的影響;在旅游區(qū)取消旅游餐飲經(jīng)營(yíng),建設(shè)生態(tài)廊道,極大削減了人為對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的干擾。經(jīng)過(guò)多年的生態(tài)修復(fù)和治理,呼倫湖湖泊面積自2010年以來(lái)逐年上升,相關(guān)數(shù)據(jù)表明,2012—2016年以來(lái),水體pH值總體下降,總氮、總磷等指標(biāo)也趨于正常,湖泊水質(zhì)得到明顯改善,這表明湖泊生態(tài)治理取得了一定的成效。

4.2 結(jié)論

本研究以landsat 8影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),選取2013—2021年逐年影像,經(jīng)預(yù)處理后提取邊界信息,計(jì)算湖泊面積,并按時(shí)間順序?qū)⑾噜從攴莺磾?shù)據(jù)進(jìn)行疊加聯(lián)合,分析湖泊面積動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其原因。結(jié)果表明:

(1)2021年呼倫湖湖泊面積相比2013年來(lái)說(shuō)增加了 12.76%,面積呈上升趨勢(shì),2016—2018年間雖下降,但總體保持平穩(wěn),根據(jù)遙感影像疊加對(duì)比得出湖泊面積變化明顯區(qū)域?yàn)槠鋿|南部和東北部。湖泊面積的增加與減少可以很好地反映當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的恢復(fù)與惡化。

(2)此年間,該區(qū)域氣溫、降水量、相對(duì)濕度都呈上升趨勢(shì),氣候變化使得生態(tài)環(huán)境更加不穩(wěn)定,但是湖泊面積的變化與氣候因素的相關(guān)性較低,表明此段時(shí)間湖泊面積對(duì)氣象敏感度較小。

(3)近年來(lái),通過(guò)政府的各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)措施,呼倫湖總體生態(tài)環(huán)境得到較大改善,這說(shuō)明湖泊生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)的影響較大。在今后治理中,要充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性,繼續(xù)實(shí)施更加科學(xué)合理的生態(tài)保護(hù)措施,堅(jiān)持山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理,使生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性得到有效提升。