基于遥感的达来诺尔湖泊水域面积变化研究

张宝林，贾瑞晨，张 倩，程 高

（1.内蒙古师范大学 化学与环境科学学院，呼和浩特 010020；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124）

基于遥感的达来诺尔湖泊水域面积变化研究

张宝林1，贾瑞晨2，张 倩3，程 高1

（1.内蒙古师范大学 化学与环境科学学院，呼和浩特 010020；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124）

达来诺尔是浑善达克地区重要的湖泊之一，利用遥感技术，通过近红外单波段灰度阈值法对达来诺尔的水域面积进行了分析。研究表明：单波段灰度阈值法可以简单快速地实现湖泊水体信息的提取和水域面积的变化研究，1975年，1987年，2001年和2008年四期遥感影像表明达来诺尔水域自1975年以来一直在萎缩，尤其是进入21世纪以后，湖泊的四周水域均发生明显的变化，湖泊萎缩和干涸是人类必须面临的重要环境问题之一。随着气候变暖和人口压力的增加，浑善达克沙地湖泊湿地的保护和生态环境的可持续发展必将面临更为严峻的考验。

遥感；达来诺尔湖泊；水域面积；变迁

内陆湖泊是气候变化、环境变异的指示器［1］，其形成与消失、扩张与收缩及其引起的生态环境的演化过程都是全球的、区域的和局部的构造和气候事件共同作用的结果［2］。由于人类对湖泊的考察和定点观测范围有限［3］，大范围、全面深入的湖泊环境变化研究可以通过遥感技术来实现。如今，可见光和微波遥感均已应用于湖泊动态监测，如可见光遥感卫星传感器SPOT（Systeme Probatoire d'Observation de la Tarre）［4］、LandSat［5－11］、MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）［12］、CBERS（China－Brazil Earth Resources Satellite）［13］和 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）［14］等，主动微波传感器如 ERS－1（European Remote－Sensing Satellite－1）、ERS－2及 Radarsat也是湖泊水域监测的重要数据源。

由于水体和陆地对太阳辐射的反射、吸收和透射的情况不同，它们在遥感图像上的反映也迥然不同，水陆界线异常清楚，所以湖泊水体的界线在遥感图像上比较清晰，容易识别［3］。湖泊信息的主要提取方法有阈值法［8，11－12］、色度判别法［8］、谱间关系法、光谱混合分析法、彩色空间转化法、决策树法［4］、水体指数法等［9，11，15］。目前遥感技术主要应用于研究湖泊变化与古湖泊［7］、湖泊物理参数、湖泊生物与生态、湖泊水文水质、湖泊冰情等等［3］。

由于气候变迁、人类活动等因素的影响，产生了湖泊萎缩、湖泊富营养化、湖泊污染等一系列的生态环境问题［3］。我国学者已经利用遥感技术研究了青藏高原［5，10，16］、苏北［12］、黄土高原［11］、三江源［17］、江汉湖群［13］等的变化状况，但对于内蒙古浑善达克地区湖泊的研究并不多见［14，18］。近年来，西部地区的生态环境问题受到越来越多的关注，其中最重要的核心问题是水土资源问题。本研究利用Landsat系列卫星获得的浑善达克达来诺尔地区的遥感影像，通过湖泊信息的提取和水域面积的变化分析，对达来诺尔湖泊的变迁进行遥感监测，以期为浑善达克沙地湖泊水资源的合理开发利用和生态环境可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

达来诺尔位于中国内蒙古赤峰市克什克腾旗西北部的一个断陷构造湖，又称达里诺尔、达里湖。湖面海拔1 226m。东西平均宽约9.8km，南北长约22.4km，面积近219.53km2。达来诺尔地处大陆深处，气候干旱，水面蒸发量是降水量的5.3倍，湖水盐度为5.6，是一典型的高原内陆半咸水湖。平均水深7～8m，最深13m。入湖河流主要有公格尔河、萨林河、浩来河和亮子河，蓄水量约16亿m3［19］。

1.2 数据来源

研究所使用数据来自美国马里兰大学（http：//glcf.umiacs.umd.edu/）和中国科学院对地观测中心与数字地球科学中心（http：//www.ceode.cas.cn/）。数据来自于美国陆地资源卫星（Landsat），传感器包括Multispectral Scanner System （MSS）和Thematic Mapper（TM），分别采集于1975年9月27日、1987年7月31日、2001年5月19日和2008年4月28日。

1.3 研究方法

由于水体光谱的特殊性，本研究中采用了单波段灰度阈值法。单波段阈值法基本原理是利用水体在近红外波段反射率较低，易与其它地物区分的特点，选取单一的红外波段，确定一个区分水体与其它地物的分类阈值。阈值法识别水体的优点是简便迅速，易于实现。采用阈值法的提取水体关键是阈值的确定，为提高水体识别的精度，对不同地区和时相的影像应采用不同阈值（表1）。

在本研究中采用Landsat系列卫星的近红外波段单波段灰度值阈值法结合真彩色合成卫星影像进行湖泊信息的识别和面积的提取。在所利用的卫星影像中，Landsdat 2近红外波段MSS－7波长范围为0.8～1.1μm，而在Landsat 5TM 和Landsat 7TM中没有相应的波段，其第5波段波长范围为1.55～1.75μm，故研究采用了Landsdat 2MSS－7波段（0.8～1.1μm）、Landsat 5TM 和Landsat 7ETM＋的第5波段（1.55～1.75μm）进行湖泊信息的识别和面积的提取。具体的实现方法见图1－2。

图1 达来诺尔湖泊水域面积提取的单波段阈值法

表1 达来诺尔面积提取的单波段阈值法

进行面积提取时，根据所选单波段阈值建立掩膜，从而获得湖泊面积的变化。并将掩膜保存为矢量数据，以进行湖泊边界的变化分析。

2 结果与分析

湖泊动态变化监测的主要任务是监测湖泊水域是否发生变化及其变化的具体状况，它包括对湖泊信息的识别与提取和对湖泊动态变化信息的监测两方面内容。湖泊信息的提取实质是将湖泊信息与其它信息区分开来。

2.1 湖泊信息的提取

在可见光和近红外波段内，水体识别主要是基于水体、植被、土壤等地物的光谱反射差异。水对近红外和中红外波段的能量吸收最多，该波段内的能量很少被反射，而植被和土壤对可见光波段反射极少，但对近红外反射却很高。因此，用遥感数据中的近红外和可见光波段可以方便地解决地表水域定位和边界确定等问题。

在可见光范围内，水体的反射率总体上比较低，并随着波长的增大逐渐降低。水体的反射主要集中在蓝绿光波段，在其它各个波段上反射率均较低，特别是近红外波段，水体对该波段几乎完全吸收。水体在各波段图像上均呈暗色调，轮廓明显，与其周围的地物反差较大，容易识别和判读（图2）。1987、2001年和2008年的Landsat彩色合成影像特征的差异主要是由于成像时间、湖泊水质状况及季节变化等原因造成的。

2.2 湖泊面积的变化

从图2和表2中可以看出，从时间上，过去34a间达来诺尔的面积是逐渐减小的，1987年较1975年缩减9km2，减少了3.9% ，2001较1987年缩减了4 km2，减少了1.8%，2008年较2001年缩减了22 km2，减少了10.2%。由此可以看出1975－1987年、1987－2001年变化都不是很大，2001－2008年面积缩小比较明显。

表2 达来诺尔湖泊水域面积的变化

图2 达来诺尔湖泊水域面积的变化

达来诺尔水域的萎缩首先发生在湖泊的西侧和东北侧的水泡，2001年以后湖泊周围的水泡全部干涸。与2001年相比，2008年湖泊的四周均可见明显的水域萎缩现象，尤其以东侧和北侧严重（图3）。

图3 1975－2008年达来诺尔水域面积的变化

3 讨论

自1975年以来，达来诺尔的水域面积发生了萎缩，尤其是进入21世纪以后，湖泊面积变化更为明显。研究表明，自晚更新世晚期以来，达来诺尔经历了湖面收缩、湖面分离、河道再联的演化过程［19］。全新世以来，由于地壳的持续上升，湖水开始衰退。近年来，由于干旱少雨，蒸发消耗大于补给，湖泊面积逐年缩小［14，20］。这一现象与我国众多湖泊发生的萎缩、干涸现象一致［5－6，10，13，17］。与晚更新世晚期相比，达来诺尔水面收缩率已经达到90%以上［18］；自20世纪60年代以来，气候干旱导致湖面平均每年下降0.1 m［20］，尤其是进入21世纪以后，湖面东南西北均发生严重萎缩现象，警示人们气候变化可能对浑善达克沙地湖泊湿地保护产生潜在的不利影响。

湖泊水域动态变化的遥感研究一般是选取几幅不同时相的卫星遥感图像，通过各种不同的遥感图像处理技术提取湖泊水体的信息，来反映湖泊面积大小的动态变化［3］。通过单波段阈值法求得的1987年达来诺尔水域面积为219km2，与中国湖泊志的记载相一致［19］，说明单波段阈值法可以简单快速地实现对湖泊水域面积的遥感监测。然而，在数据方面，选择不同的阈值会造成误差，同时由于这4a获取数据的时间不完全一致，季节的变化也会在提取湖泊面积带来一定误差。

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The Water Body Area Changes of Dalainur Lake Based on Satellite Images of Remote Sensing

ZHANG Bao－lin1，JIA Rui－chen2，ZHANG Qian3，CHENG Gao1
（1.College of Chemistry and Environmental Sciences，Inner Mongolia Normal University，Hohhot，Inner Mongolia010020，China；2.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi，712100，China；3.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China）

The changes of the area of Dalainur，one of the key lakes in Otintag Sandy Land，were analyzed in this paper based on remote sensing technology.The results show that the information about the lake and its changes in area of water body can be achieved quickly and conveniently by the method of single near infrared grayscale threshold.Satellite images of remote sensing，acquired by Landsat in 1975，1989，2001and 2008，presented that Dalainur had been shrinking since 1975.Especially with the advent of the 21st century，the lake began to change significantly on all sides.Lakes shrinking and drying up are the important environmental issue that human has to cope with seriously.Under the pressure from global warming and population growth，the lake and wetland protection in Otintag Sandy Land and its local eco－environment sustainable development will face the greater challenges.

remote sensing；Dalainur Lake；water body area；change

P332.3

A

1005－3409（2011）06－0196－04

2011－06－07

2011－07－21

国家自然科学基金（40961014）；内蒙古师范大学高层次人才科研启动经费项目（GCRC09003）

张宝林（1971－ ），男，内蒙古宁城人，博士，副教授，主要从事3S技术的应用和气候变化研究。E－mail：nmzhangbaolin＠hotmail.com

张倩（1988－），女，内蒙古呼伦贝尔市人，硕士研究生，主要从事3S技术的应用和气候变化研究。E－mail：zhangqian221.best＠163.com