基于長時間序列遙感影像的黃河清水溝流路變化監(jiān)測

邱澤灝，盧 霞

（1. 江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測繪學(xué)院, 江蘇 連云港 222005；2. 蘇州科技大學(xué) 地理科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215009）

黃河由于其水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)等特點，下游沖淤演變劇烈，導(dǎo)致入海流路改道頻繁。自1855 年黃河在銅瓦廂決口、奪大清河由山東利津注入渤海，至如今改道清水溝北汊流路期間，共發(fā)生了12 次較大的改道事件。黃河入海流路的變動直接影響著三角洲的沖淤演變過程（陳雄波等，2019），因此研究清水溝流路變化對黃河三角洲治理具有重要的參考價值。黃河入海流路與三角洲的演變也是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點問題，周靜（2005）根據(jù)河勢圖、水沙資料、斷面資料，分析了20世紀(jì)70 年代至2002 年黃河下游河床沖淤演變的基本規(guī)律。張詩媛（2019）建立了數(shù)學(xué)模型，結(jié)合水沙資料和實測地形數(shù)據(jù)等研究了黃河下游河道河床演變過程。劉曉芳等（2020）對河道淤積總量、斷面沖淤過程、水沙變化、流路變化進(jìn)行相關(guān)性分析，探究了影響河口沖淤演變的主要因素。然而，現(xiàn)有對于清水溝流路變化的研究大多是基于分析水沙條件、平面河勢、河口河段縱剖面、橫斷面等變化，少有通過長時間序列遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究。

傳統(tǒng)研究中的數(shù)據(jù)多來源于黃河水文站的資料數(shù)據(jù)，以及歷史研究文獻(xiàn)中記載的實測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的收集或獲取較為困難，其連續(xù)性難以保證，且分析計算方法較為復(fù)雜。此外，由于這些數(shù)據(jù)本身性質(zhì)的局限性，它們無法簡單明了地展現(xiàn)出流路的整體變化。衛(wèi)星遙感技術(shù)因其具有長期連續(xù)、全球覆蓋及時效性強(qiáng)等特點，成為人類進(jìn)行長期對地監(jiān)測研究的最為有效工具之一，它為各類研究提供了長時間序列遙感數(shù)據(jù)，發(fā)揮了不可替代的作用。近年來，衛(wèi)星遙感影像在環(huán)境污染監(jiān)測（楊一鵬等, 2011）災(zāi)害預(yù)測（胡德勇等, 2007）、土地利用動態(tài)變化（史培軍等, 2000）等諸多方面得到了廣泛應(yīng)用。利用長時間序列的遙感影像，可從圖像角度更為直觀地呈現(xiàn)出清水溝流路的演變規(guī)律。

本文利用1976 年至2019 年間的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI 影像作為數(shù)據(jù)源，采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index）與最大類間方差法Otsu 相結(jié)合的算法，提取現(xiàn)代黃河三角洲范圍內(nèi)清水溝流路的河道信息，并基于空間疊加分析其演變規(guī)律，從而為黃河三角洲區(qū)域的科學(xué)治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲是指1934 年至今黃河分流點下移，開始形成的以漁洼為頂點的三角洲，北起挑河灣，南至宋春榮溝口（陳建等, 2011）。本文關(guān)注的是黃河1976 年改道后的清水溝流路，位于現(xiàn)代黃河三角洲東部，東營市境內(nèi)，目前已行水40 余年（圖1）。清水溝流路是原神仙溝流路汊河故道與原甜水溝流路故道之間的洼地（趙連軍, 2005）。1976 年黃河截堵刁口河，改道清水溝流路，泥沙在入?？谟俜e，使得河口不斷淤進(jìn)，并于1996 年改道至現(xiàn)行河道，行水至今。

圖1 黃河清水溝流路Fig. 1 The Qingshuigou channel of the Yellow River

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS），通過GEE（Google Earth Engine）平臺（https://code.earthengine.google.com/）獲取了1976 年至2019 年期間的Landsat 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，共40 期影像。其中，1976 年至1984 年選用區(qū)域含云量小于5%的Landsat 2-5 MSS 衛(wèi)星影像，1984 年至2019 年則選用經(jīng)過了輻射校正、幾何校正、大氣校正和圖像裁剪等預(yù)處理的Landsat 5 TM、 Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI 表面反射率數(shù)據(jù)（表1），影像分辨率均為30 m，時間分辨率為16 d。為避免Landsat 7 衛(wèi)星的條帶干擾，盡量選擇同時間段Landsat 5、8 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，對于Landsat 5、8 缺失的年份（2012 年至2013 年）運用焦點統(tǒng)計方法填補(bǔ)Landsat 7 條帶。利用Landsat 質(zhì)量評估波段(The Quality Assessment Band)對影像進(jìn)行去云處理，篩選云量小于5%的影像，得到年際影像?？紤]到遙感影像獲取的時間間隔影響，影像選擇盡量集中在2 月至5 月、8 月至11 月，以保證研究嚴(yán)謹(jǐn)性。

表1 研究所用遙感數(shù)據(jù)列表Table 1 List of remote sensing data required for the study

2.2 數(shù)據(jù)處理

閾值分割法是常見的水體提取方法?；谝酝芯堪l(fā)現(xiàn)，在多波段增強(qiáng)圖閾值法中改進(jìn)后的歸一化水體指數(shù)MNDWI 對提取黃河河道水體信息的效果最優(yōu)（劉玉斌, 2017）。故本研究采用MNDWI指數(shù)提取清水溝河道信息，其計算式為：

式中：RGreen為綠光波段的反射率；RMIR為中紅外波段（Middle Infra-Red, MIR）的反射率（徐涵秋,2005）。

確定水體指數(shù)閾值對于精確提取河道水體信息至關(guān)重要，通過直方圖確定最佳閾值的方法對于長時間序列研究較為復(fù)雜也不易操作。基于GEE 平臺編程的便利性，本文采用最大類間方差法確定水體閾值并對圖像進(jìn)行二值化處理，從而提取水體。

最大類間方差法是由日本學(xué)者Otsu 于1979 年提出的一種最優(yōu)閾值自動選擇方法，簡稱Otsu 法（Otsu, 1979）。它通過對影像的0～255 所有灰度值進(jìn)行遍歷，以每個灰度值為界限，將原始影像分為背景、目標(biāo)兩部分，求出這兩部分的方差最大值所對應(yīng)的灰度值，即為影像的分割閾值。多次實驗表明：對于本研究區(qū)域，應(yīng)用Otsu 算法明顯優(yōu)于一般水體閾值提取方法，故采用Otsu 算法確定水體閾值。

3 1976 年以來黃河清水溝流路信息提取和演變規(guī)律分析

3.1 1976 年以來黃河清水溝流路信息提取

本研究將MNDWI 指數(shù)和Otsu 算法相結(jié)合解譯影像中的水體，得到1988 年至2019 年黃河清水溝流路逐年流路信息。1976 年至1987 年則采用目視解譯法對遙感影像進(jìn)行分析。以1989 年3 月9日的Landsat 5 TM 遙感影像為例，利用MNDWI 指數(shù)和Otsu 法相結(jié)合的算法，提取的水體信息細(xì)節(jié)豐富，準(zhǔn)確度高（圖2）。

圖2 遙感影像處理Fig. 2 Processing of the remote sensing images

圖3 為基于上述算法提取得到的1988 年至2019 年清水溝流路信息，并補(bǔ)充了部分黃河水利委員會布設(shè)的固定觀測斷面。黃河水利委員會在清水溝流路布設(shè)了19 個固定觀測斷面，于每年10 月份進(jìn)行觀測以獲取地質(zhì)資料。由圖3 可以看出，1988 年以來清水溝流路演變大致可分為3 股：1996年改道以前行水河道、1996 年至2007 年期間河道和2007 年以后河道。1988 年至1996 年期間，清10 斷面以上河道無較大變化，清10 以下河道擺動頻繁。1996 年至2019 年期間，汊3 以上河道無較大變化，汊3 以下河道擺動頻繁。改道點附近河彎自然發(fā)育，入?？诟浇髀纷兓噬刃畏植?，整體呈淤進(jìn)狀態(tài)。

圖3 1988 年以來清水溝流路變遷Fig. 3 Changes of the Qingshuigou channel since 1988

3.2 1976 年以來黃河清水溝流路演變階段劃分

根據(jù)基于上述算法提取得到的流路信息（圖3）以及遙感影像的目視解譯結(jié)果（圖4），綜合考慮人為干預(yù)事件、流路發(fā)育特征等因素，可以將黃河清水溝流路演變過程劃分為5 個階段（表2 和圖5）。

表2 1976 年至2019 年黃河清水溝流路演變階段劃分Table 2 Divisions of evolution stages of the Qingshuigou channel of the Yellow River from 1976 to 2019

圖4 1976 年至1988 年清水溝流路變遷衛(wèi)星影像Fig. 4 Satellite images of the changes of the Qingshuigou channel from 1976 to 1988

圖5 清水溝流路演變階段Fig. 5 Evolution stages of the Qingshuigou channel

3.2.1 第1 階段（1976 年至1988 年）

1976 年5 月27 日黃河經(jīng)人工規(guī)劃，在西河口引河改道至清水溝流路。清水溝流路發(fā)育初期水流散漫，本文選取的算法的提取結(jié)果難以展現(xiàn)出完整的流路信息，故采用目視解譯方法進(jìn)行分析（圖4）。由圖4 可見，改道初期，改道點以下漫流入海，水流散亂，沒有形成明顯的河道主槽。直至1979 年底河道主槽才逐漸顯現(xiàn)，入?？诟浇猿事魅牒５男蝿?，1981 年演變?yōu)閹坠伤魅牒５男蝿?，直?987 年底才形成單一的入海流路。河道在南北方向上劇烈擺動，河口最大擺動達(dá)28.8 km（趙連軍, 2005）。河槽迅速向東淤進(jìn)，平均每年延伸約4.44 km。

3.2.2 第2 階段（1988 年至1996 年）

基于文中所述算法，提取得到1988 年至2019 年的流路信息。1988 年至1996 年期間流路變遷如圖6 所示?？梢钥闯觯诖穗A段河道單一順直，呈單股入海的形勢，清10 以上河道無明顯擺動，清10 以下河道在NW—SE 向出汊擺動，入?？诟浇鼣[動幅度較大，最大擺動為4.9 km。河槽持續(xù)推進(jìn)，此階段河槽共延伸10.72 km，平均每年延伸約1.34 km，延伸速度較上階段明顯減緩，這與余欣等（2016）的研究基本一致。此外，在這一階段東營市政府對于穩(wěn)定清水溝流路的治理工程取得了顯著成效，共計截堵支流汊溝80 多條，修建導(dǎo)流堤53 km，對流路發(fā)育產(chǎn)生了不可忽視的影響。

圖6 1988 年至1996 年清水溝流路變遷Fig. 6 Changes of the Qingshuigou channel from 1988 to 1996

3.2.3 第3 階段（1996 年至2007 年）

1996 年至2007 年期間的流路變遷如圖7 所示，1996 年黃河在清8 斷面以上1 050 m 處作引河人工出汊，將原清水溝河道改道至現(xiàn)今清8 汊河流路，入海流程縮短了16.6 km。汊河流路單一順直，僅在河口口門附近存在2～3 條汊流，汊3 以上河道穩(wěn)定，汊3 以下河道擺動幅度較小，長度無較大變化，整體呈淤進(jìn)狀態(tài)。這主要是由于清8 汊河經(jīng)由人工規(guī)劃擬用于淤海造陸，加之河口治理工程的實施，河道擺動受導(dǎo)流堤等影響，汊流也被限制發(fā)育，2004 年6 月調(diào)水調(diào)沙期間，河道在清8北3 以下自然向東擺動，約2.9 km，將此階段流路分為2 個部分，遵循相同規(guī)律。

圖7 1996 年至2007 年清水溝流路變遷Fig. 7 Changes of the Qingshuigou channel from 1996 to 2007

3.2.4 第4 階段（2007 年至2011 年）

2007 年黃河在清8 北3 斷面附近向西北方向自然出汊（圖8），出汊位置較2004 年擺動位置上提了2.5 km，2008 年舍棄原主河道。河道長度無較大變化，最大變化不超過0.2 km。河道繼而向東北方向彎曲約30°。2011 年黃河在清+8 與清8 北2 之間裁彎取直，河長縮短了約0.6 km。

圖8 2007 年至2011 年清水溝流路變遷Fig. 8 Changes of the Qingshuigou channel from 2007 to 2011

3.2.5 第5 階段（2011 年至2019 年）

如圖9 所示，2011 年裁彎取直后，河道自由擺動幅度較小，在0.4 km 以內(nèi)。河道淤進(jìn)較緩，平均每年延伸約0.96 km。2013 年河道又向東北方向出汊，形成北、東兩股入海。2 股河槽持續(xù)推進(jìn)，北股延伸約4.29 km，南股延伸約3.39 km。

圖9 2011 年至2019 年清水溝流路變遷Fig. 9 Changes of the Qingshuigou channel from 2011 to 2019

根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果顯示，黃河清水溝流路經(jīng)歷了“游蕩散亂—歸股并汊—單一順直—出汊—出汊點上移—重新改道”的周期性演變過程。1976 年至1988 年階段是典型的“游蕩散亂—歸股并汊”時期，水流散漫，汊流極度發(fā)育，流路淤進(jìn)速度很快，從漫流入海到多股入海，最終形成單一的入海流路。1988 年至1996 年河道單一順直，流路淤進(jìn)速度減緩，清10 以下流路擺動幅度較大，并于1996 年出汊改道至現(xiàn)行河道。然而，1996 年改道初期因人工引流，修筑導(dǎo)流堤等人為控制，河道并未經(jīng)歷“游蕩散亂—歸股并汊”的過程，此后河道單一順直，汊3 以下流路擺動幅度較小。2004年和2007 年的出汊事件則是典型的出汊點上移情況，2007 年出汊位置較2004 年上移了2.5 km。于守兵等（2020）研究發(fā)現(xiàn)黃河自然出汊點上移至高潮線以上時易發(fā)生重大改道，這與本文的研究結(jié)果相一致，出汊點上移是周期性演變過程的一部分，必將導(dǎo)致新的改道事件。

清水溝流路自啟用以來，開展了一系列治理工程。由圖4、圖6～圖9 可以看出，清水溝流路第1、2 階段處于治理前期，表現(xiàn)出很強(qiáng)的自然發(fā)育特征；而在第3、4、5 階段，由于前期治理工程基本完工，后續(xù)治理工程持續(xù)進(jìn)行，清8 汊河流路并未經(jīng)歷“游蕩散亂—歸股并汊”的過程，河道出汊擺動頻率、幅度明顯減小，預(yù)計行河年限增長，打破了以往“三年兩決口，百年一改道”的歷史規(guī)律。

由此看來，黃河清水溝流路演變的主要特征是以人為控制為主導(dǎo)并伴隨著前沿河段自然擺動的演變過程。

4 結(jié) 論

本文以1976 年至2019 年期間共40 期年際Landsat 遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用MNDWI 指數(shù)和Otsu 算法提取黃河清水溝河道信息，并基于目視解譯和空間疊加分析，開展黃河1976 年改道以來清水溝流路的變化監(jiān)測，得出以下結(jié)論。

1）1976 年以來黃河清水溝流路經(jīng)歷了“游蕩散亂—歸股并汊—單一順直—出汊—出汊點上移—重新改道”的周期性變化過程，現(xiàn)行清8 汊河流路因人工引流，修筑導(dǎo)流堤等人為控制，河道并未經(jīng)歷“游蕩散亂—歸股并汊”的過程。此外，現(xiàn)行流路出汊點已經(jīng)上移，很有可能發(fā)生新的改道事件。

2）黃河清水溝流路演變的主要特征是以人為控制為主導(dǎo)并伴隨著前沿河段自然擺動的演變過程。1976 年黃河改道清水溝流路是第一次有計劃、有組織的人工改道，此后清水溝流路開展了一系列治理工程。治理前期，流路表現(xiàn)出很強(qiáng)的自然發(fā)育特征。而在治理后期，河道出汊擺動頻率、幅度明顯減小，預(yù)計行河年限增長。