基于遥感技术的黄冈市水体现状调查

叶 飞，何 飞，黄勇奇

(黄冈师范学院 旅游文化与地理科学学院，湖北 黄州 438000)



基于遥感技术的黄冈市水体现状调查

叶 飞，何 飞，黄勇奇

(黄冈师范学院 旅游文化与地理科学学院，湖北 黄州 438000)

以2000年、2004年、2007年8月的Landsat TM 影像为数据源，提取黄冈市水体信息，分析黄冈市水体时空分布特征，将黄冈市水体信息与同时期的气温和降水数据进行相关分析。结果表明，研究期内黄冈市水体面积呈减少趋势，气温升高与降水减少导致了水体面积减少，城镇化等人类活动也加速了黄冈市水体面积的减少。

TM影像；水体面积；气温；降水；人类活动

黄冈市为亚热带大陆季风气候，雨量充足，年平均降雨量1 223～1 493 mm。近些年来，全球气候变化增加了气候的不稳定性，再加上人为活动使得生态环境遭到破坏，导致诸如干旱、洪涝等气象灾害频发，水资源的开发和保护也受到了严重挑战。为了保持良好生态环境，促使黄冈市社会经济可持续发展，必须进行水资源调查和环境监测，从而为水利规划、水旱灾害预报评估奠定基础。因此，水体信息的提取与分析具有重要意义[1]。

传统的水体信息获取方式主要通过野外测量，该方式成本高、周期长，严重限制了水体信息的提取和动态监测。遥感数据具有感测范围大、信息量大、更新时间快,且对被调查对象不产生破坏的特点,适用于大范围的资源调查与研究[2]。近几十年里，利用卫星遥感数据提取水体信息，在进行水资源宏观监测、洪水淹没范围评估、湿地资源变化及海岸线变化监测等方面得到广泛的研究与应用[3]。本文利用研究区域的基础地理数据和Landsat TM遥感影像对黄冈市辖区水体信息进行提取，并将遥感数据和气候数据进行相关分析，得出气候变化对水体信息影响的研究成果。

1 水体信息提取及结果

1.1 数据来源

选用覆盖黄冈市的Landsat TM遥感数据为基本数据源，空间分辨率为30 m*30 m，成像时间分别为2000年8月、2004年8月、2007年8月，云覆盖率小于1%；DEM数据和TM影像数据来源于国际科学共享平台；黄冈市行政区划边界图来源于国家基础地理信息系统网站；黄冈市气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

图1 部分水体信息图

图2 2000年、2004年和2007年水体信息专题图

1.2 水体面积的提取方法

在ArcGIS中对已有的三幅包括研究区域的遥感影像(条带号分别为122-38；122-39；123-38)进行剪裁并矢量行政边界。采用谱间关系法和阈值法的综合运用来提取河流信息[4]。运用谱间关系法从遥感影像中提取水体信息，主要原理是通过分析水体在TM影像的6个波段的波谱特性，发现水体与其他地物相比有其独特的谱间关系，即对于Landsat TM遥感影像的6个波段，具有波段2加波段3大于波段4加波段5的特征[5]。

运用这种谱间关系可以把水体和植被、裸地层区分开来。但是提取的信息中包含了城镇，由于水体对红外光的强烈吸收，图像上灰度值较低，和城镇有明显的差别。根据这一特点，用TM5波段分离水体和城镇[6]。经过多次实验，当TM5<50时，能清晰地显示水体信息，因此选灰度值50为分离阈值。本研究中提取河流信息采用波谱间关系法和阈值法相结合的方法来提取河流信息，即：

TM2+TM3>TM4+TM5andTM5<50

1.3 水体提取结果

在ERDAS中的Modeler模块下，依上述模型，提取到水体信息见图1(注：为了能更清楚的显示提取的河流信息，本图只截取了研究区域的部分信息)。

1.4 精度分析与验证

水体面积测量精度与遥感图像的地面分辨率有关。TM/ETM数据分辨率为30 m，为确保成果精度，本文提取出的水体信息与黄冈市水体信息的统计数据以及GoogleEarth进行对比验证，结果表明，水体信息提取精度较高，几乎包括黄冈市辖区所有水体。

1.5 水体面积计算

在ArcGIS中打开提取出的水体信息专题图，查看水体的属性。其中有水体所占的象元个数，在TM影像中一个象元代表的面积是30 m*30 m，用水体所占的象元数和每个象元所代表的面积相乘即可得到黄冈市的水体面积。通过象元个数计算得出黄冈市2000年水体面积为710.4 km2,2004年水体面积为544.1 km2,2007年水体面积为400.7 km2。

2 黄冈市水体面积时空格局变化分析

2.1 水体面积信息空间变化分析

利用上述方法提取的三期水体面积变化TM遥感影像图见图2。可以看出黄州城区和黄梅县水体面积在黄冈各县市中最大，并且湖泊面积比例较大。黄州区水域面积在研究期锐减，特别是2000年到2004年期间变化较大。黄梅县的最大湖泊在2000年仍然是连成一片的，到2007年就分成了几个湖泊，说明黄梅县的湖泊已经萎缩，湖泊面积在减少。黄冈市新增水体较少，零星分布于区域内，其增加的面积远小于减少的面积，可见黄冈市水体面积整体上呈减少趋势，特别是湖泊面积萎缩。

2.2 水体面积信息时间变化分析

通过ArcGIS中的空间分析工具计算得到表1，结果表明黄冈市水体从2000年到2007年在不到10年的时间里面积有显著的变化，总体呈缩小趋势，共缩小309.7 km2，年平均缩小44.24 km2,2007年水体面积是2000年水体面积的56.4%。

表1 黄冈市三个时段水域面积变化情况

2.3 水体面积变化影响因素分析

2.3.1 气候变化

气候变化引起水体面积变化主要是影响流域内的水循环要素。黄冈市水体位于外流区，其水面变化与入河、入湖水量关系密切，入湖水量取决于入湖河流的径流量，它与大气降水、蒸发因素密切相关。因此，影响黄冈市水体面积变化的主要自然因素是降水和温度等气象因素。黄冈市属亚热带大陆性季风气候，降水时空分布不均，具有不稳定性，这种气候类型导致本区旱涝灾害频发，其旱年和涝年受西太平洋副热带高气压的强弱变化的影响。

图3 黄冈市2000～2010年气温与降水变化

根据黄冈市气候数据，选取麻城气温降水数据代表黄冈市全部地区，通过计算2000～2010年10年期间的年平均气温和降水(如图3)。考察黄冈市近10年气候波动现象及趋势，并选取2000年、2004年、2007年3年年平均气温，与对应的水域面积进行对比，见图4。

通过相关性分析得出，黄冈市水域面积与气温呈负相关，从2000年年平均气温11.0 ℃逐年上升至2007年13.8 ℃，增幅较大，温度上升使水相平衡值提高。气温每升高3 ℃，必须要增加20%的降水，才能补偿因温度升高对湿地生态系统造成的不良影响。显然，黄冈市的降水变化不能补偿因气温升高的影响。温度的逐年波动上升，导致气候干燥，陆地和水体蒸发量增加，从而减少径流量和湖泊水量收入，水体面积逐渐缩小。特别是湖泊在干旱季节，一方面要对河流进行补给，另一方面自身蒸发旺盛，水量支出大于收入，所以湖泊更容易受气温波动影响。

选取2000年、2004年、2007年3年年平均降水，与对应的水域面积进行对比，见图5。通过相关性分析得出，黄冈市水域面积与降水从2000年至2004年呈正相关，从2004年至2007年相关性不明显。但总体来看，黄冈市从2000年年平均降水828.4 mm至2004年747.7 mm，再至2007年795.1 mm，平均降水量在减少，降水变率大。这也导致了水体面积特别是湖泊面积变化明显的因素。

图4 黄冈市水域面积与气温变化

图5 黄冈市水域面积与降水变化

2.3.2 人类活动

随着黄冈市社会经济的发展，城市化进程的加快，城市建筑面积激增，出现大量围湖筑地的现象。另一方面，工农业用水增多，湖泊的用水量大大超过了湖泊自身的来水量，也导致大量湖泊萎缩，湖泊面积锐减。

3 结论

1.本文根据研究区域和各种方法的特点，综合运用谱间关系法和阈值法提取研究区域的水体信息。最终确定研究区域河流信息提取模型为：TM2+TM3>TM4+TM5 and TM5<50。

2.在ERDAS与ArcGIS环境下，用已经建立的水体信息专题图生成水体空间分布格局图，使水体分布定量化，并通过栅格数据二值化计算分析水体面积时空变化，从而快速动态监测黄冈市水体面积。

3.分别从气候和人类活动对研究区域水体影响的情况进行分析，结果表明黄冈市水体特别是湖泊这一类型水体减少了。这主要是受全球气候变暖这个大环境的影响，加上气候波动、气象灾害频发和城市化进程的加快等因素的影响。希望各级政府能正确认识到水体的生态价值，切实保护好水资源。

[1] 罗永明，钟仕全，莫伟华，等. 基于TM数据的南宁市水体和建筑用地变化研究[J].气象研究与应用，2008,29(1)：37-41.

[2] 钟春棋，曾从盛. TM影像湿地水体信息自动提取方法研究[J] .资源与研究，2007,12，28，(4) : 1-3.

[3] 权维俊，郭文利，叶彩华，等. 基于TM卫星影像获取北京市水体密度指数与植被覆盖指数的方法[J].南京气象学院学报，2007,30(5):610-616.

[4] 李小曼，王刚，田杰. TM影像中水体提取方法研究[J].西南农业大学学报，2006,8,28(4)：580-582.

[5] 徐金鸿，陈淑娟. 基于TM影像的水体信息提取[J].水土保持研究，2008,15(6)：161-163.

[6] 颜梅春.基于TM数据的水域变化信息提取研究[J].水资源保护，2005,21(6)：31-33.

(李鑫)

Investigation of waterstatusquoof Huanggang City based on RS

YE Fei, HE Fei, HUANG Yong-qi

(Tourism Culture and Geographical Science Institute, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China)

We extract water body information of Huanggang City based on data source of Landsat TM image in Augusts of 2000,2004 and 2007, and analyse space-time characteristic of water body, implement relative analysis between water body data and the data of temperature and precipitation. The result shows that water body area is on declining in the research period in consequence of temperature increasing and precipitation decreasing, urbanization and other human activities.

TM image; water body; temperature; precipitation; human activities

K928.4

A

1003-8078(2014)03-0058-04

2013-09-09 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2014.03.14

叶飞，女，湖北黄州人，黄冈师范学院地理科学201002班学生。

黄勇奇，男，江西高安人，副教授，博士，研究方向为“3S”技术与应用、生态环境变化。

黄冈师范学院大学生创新实践活动项目(SY201220).