基于多源遥感影像的武汉都市发展区湖泊变迁分析

杨 柯，段功豪，牛瑞卿，黄思悦，曹 亚

(中国地质大学(武汉) 信息工程学院，武汉 430074)



基于多源遥感影像的武汉都市发展区湖泊变迁分析

杨 柯，段功豪，牛瑞卿，黄思悦，曹 亚

(中国地质大学(武汉) 信息工程学院，武汉 430074)

城市湖泊作为一种重要的生态和旅游资源，其变迁趋势对城市的发展影响深远。为研究武汉都市发展区湖泊变迁情况，引入2013年6月获取的Landsat 8卫星数据，结合都市发展区1975—2013年近40 a 30多期遥感影像作为数据源，利用NDWI和谱间关系法，结合目视解译的方法提取区域内68个湖泊的时空信息，详细研究湖泊面和湖泊边界线的变化情况，基于GIS的空间分析技术和RS的变化检测的方法建立湖泊变迁专题图，并利用景观学指标分析湖泊变化原因。结果表明：研究与武汉市政府水资源统计信息相符，为武汉市湖泊资源的保护和可持续发展提供了即时依据。

武汉；湖泊变迁；Landsat-8卫星影像；GIS；专题图

1 研究背景

随着遥感技术的发展，实时、客观地获取城市中各类地貌和水体特征已成为现实。作为水体主要的集成形式，湖泊的形成和消失很大程度上影响着区域内气候变化和环境污染程度[1]，湖北是著名的“千湖之省”，武汉市自然和人工浅水湖泊密集分布，利用长时间序列遥感影像，获得武汉都市发展区湖泊水域面积和边界变化情况将显得尤为重要[2-3]。卫星遥感具有瞬时覆盖面积大和周期性重复的特点，在水资源调查、水文监测、湿地保护和地灾预警等领域发挥着极大作用。国内外利用TM、MODIS等中分辨率传感器影像，分析水体和非水体地物间辐射量的不同，得到相关水体差异指数[4-8]，来获得研究区内的水体分布。前人对湖泊变迁的研究表明，单一影像数据容易受到含云量和卫星重访周期的限制[9-10]，应尽量选择季节和月份相同的多源遥感影像数据，以保证在时向上能互补。

本文以武汉市都市发展区湖泊变化为研究对象，利用最新的Landsat-8 OLI影像数据，并搜集了1975—2013年间的 Landsat 2/5/7 TM、ALOS(PRISM、AVNIR-2)等遥感影像。结合武汉市水资源公报中各湖泊的面积数据，有效利用谱间关系法、湖泊强度变化指数、归一化差异水体指数(NDWI)提取湖泊空间信息，结合GIS空间分析功能、目视解译生成都市发展区内湖泊矢量图层。对生成结果进行统计分析、变化检测，形成都市发展区湖泊变迁专题图，统计相关信息形成各项指标图表。最终对结果进行了合理的分析和解释，对武汉市水资源环境重点治理区域和社会可持续性发展提供了参考。

2 研究区概况与数据资料来源

2.1 研究区概况

武汉都市发展区包括江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、青山、洪山7个主城区；东湖高新技术开发区、武汉经济技术开发区、吴家山经济开发区3个开发区；黄陂、新洲、东西湖、蔡甸、汉南、江夏6个新城区。最北段为黄陂区吕家岗，最南端为江夏区潘大成采石场、将军山采石场，最西端为东西湖区程家台，最东端为新洲区张棋牌，总面积3 428.17 km2，坐标范围：30°15′28″N～30°52′25″N，113°53′17″E ～ 114°40′12″E。

武汉都市发展区内统计共有大、小水域83个，其中湖泊68个，江河9个，水库6个，统计结果如表1所示。

2.2 数据资料来源

以武汉市都市发展区主要湖泊为研究对象，选取了1978—2013年间10期Landsat 遥感影像、ALOS遥感影像作为主要数据源，参考武汉市地理信息蓝皮书等相关辅助资料，以目视解释为主，结合ArcGIS空间分析功能，提取影像上湖泊边界线及面图层。所使用的影像数据如表2所示。

表1 武汉市都市发展区水域情况汇总

表2 遥感影像数据来源

3 水系提取算法介绍

3.1 谱间关系法

水体的亮度值在TM影像及ETM+影像的2和3波段上，与滩涂、山体阴影有较大的区别，而与居民地、水体、林地区别不明显；在4和5波段上，水体亮度值最小，与其它地物区别明显。利用这种反射特性，选择一定的波段组合方式，可以有效地将水体和其它地物区分[11]。另外，通过阈值的设置，排除山地阴影、积雪的干扰。模型公式为

(1)

式中：TM2，TM3，TM4，TM5分别为TM影像或ETM+影像的2，3，4，5波段；k1为预先设定的阈值。

3.2 归一化差异水体指数(NDWI)

模型原理为：通过波段之间的比值运算增强某些地物之间的反差。将最强反射波段置于分子位置,将最弱反射波段置于分母,经过图像运算进一步扩大二者的差距,这样所研究的地物在新生成的影像上得到最大的亮度,其他地物就会相应的被抑制,使所研究的地物从背景地物中被识别出来[12]。模型公式为

NDWI=(p(GREEN)-p(NIR))/

(2)

式中：NDWI表示归一化差异水体指数；p(GREEN)表示遥感影像的绿波段；p(NIR)表示遥感影像的近红外波段。

3.3 湖泊变化幅度

湖泊演变包括了湖泊的面积变化，空间变换以及质量变化。其中面积变化首先反映在湖泊的总量变化上，通过分析湖泊的总量变化，可以了解湖泊变化总的趋势和空间的演变。湖泊变化幅度表达式为

(3)

(4)

式中：L1为研究时段内湖泊的变化总幅度,L1>0表示湖泊面积增加；L2为研究时段内湖泊的年变化幅度,L2<0表示湖泊面积减小；Ua，Ub分别为研究期初和研究期末的湖泊面积；T为研究时段间隔年数。

3.4 湖泊强度变化指数

为了更好地描述每个湖泊在不同时期的相对变化程度，本文利用湖泊变化强度指数来定量分析湖泊面积变化强弱的相对强度，其表达式为

(5)

式中：C表示湖泊演变强度;ΔAba表示研究时段a-b内湖泊的变化面积；Aa表示a个年份湖泊的总面积;Δt表示a，b年份间的时间差。

4 武汉市都市发展区湖泊变迁趋势研究

4.1 研究技术路线

4.1.1 数据预处理

对研究区原始遥感影像按北京54坐标系进行投影转换，根据已有标准地质图进行影像配准，以武汉市都市发展区区域面作为掩膜，裁剪出都市发展区遥感影像图。

4.1.2 生成湖泊矢量图层

利用谱间关系法和归一化差异水体指数(NDWI)进行水域与非水域范围的区分，经过二值化和矢量化，得到研究区的水域范围矢量信息，结合目视解译，确定湖泊大小和空间位置，添加属性数据，生成都市发展区湖泊矢量图层。

4.1.3 建立专题图、湖泊变化趋势

将历年湖泊矢量图层转化为栅格图层，进行湖泊范围变化检测，建立都市发展区湖泊变迁专题图；利用GIS的空间分析和统计分析功能，计算出湖泊面积变化总幅度、年变化幅度和变化强度指数，生成湖泊变化趋势图。按照上述对湖泊变化研究的思路，形成技术路线如图1。

图1 技术路线流程Fig.1 Flowchart of technical route

4.2 研究成果汇总

按照图1中技术路线的步骤，提取研究区域内所有湖泊面积，统计最终结果如图2、表3、图3所示。

图2 都市发展区1987—2013年湖泊面积Fig.2 Lake areas of urban development region in Wuhan (1987-2013)

根据湖泊面积变化幅度大小，计算得到武汉都市发展区湖泊变化强度指数，如表4所示。

在对都市发展区内湖泊变迁进行整体评价的同时，以南湖为例，本次研究对单个湖泊在1987—2013年间的变形趋势也进行了相应的分析，根据遥感影像提取的水域面积，南湖面积逐年变化情况和变化指标图如图4、图5所示。

表3 都市发展区湖泊面积总变化幅度和年变化幅度

图3 都市发展区湖泊面积年变化幅度Fig.3 Annual variation of lake area of urbandevelopment region

年份变化强度指数/%年份变化强度指数/%1987—1994-0.652005—2009-1.991994—2001-0.712009—2013-1.262001—2005-2.50

图4 南湖面积逐年变化情况

图5 南湖1987—2013年面积变化Fig.5 Indicators of Nanhu lake area change (1987-2013)

综上，在基于ArcGIS的空间分析技术和RS的变化检测的方法背景下，详细研究湖泊面和湖泊边界线的变化情况，依次统计各个湖泊变化趋势信息，最终建立武汉市都市发展区湖泊变迁专题图，见图6。

图6 1987—2013年武汉都市发展区湖泊变迁专题图Fig.6 Thematic map of lake change of urban development region in Wuhan(1987-2013)

从研究结果中可以看出：1987—2013年都市发展区的湖泊水域面积总量总体呈减少趋势，其变化大致经历了3个阶段：1987—2001年的湖泊水域面积萎缩速度较慢；2001—2005年的湖泊水域面积萎缩速度较快；2005—2013年的湖泊水域面积萎缩速度逐渐减小。

查阅相关历史资料显示，1987—2001年水域面积萎缩的主要原因是围湖造田和围湖成塘使得湖泊水域向耕地面积转化；2001—2005年水域面积萎缩较快的主要原因是城市化速度加快导致部分湖泊水域转移为建设用地；2005—2013年水域面积萎缩速度减缓的主要原因是政府加强立法保护和湖泊管理体系的完善。1978—2013年东湖、沙湖、南太子湖、后官湖的水域面积总量呈减少趋势。1978—1987年间，4个湖泊水域面积均有一定幅度的增长；1987—2013年间，湖泊水域面积不断减少但逐渐趋于稳定。

5 结论和展望

本文是在充分收集武汉市历史遥感影像和实际野外调查资料的基础上，结合武汉市具体的地质特点，初次利用新型的LandSat-8影像数据，针对性地进行湖泊解译，从整体区域和个体湖泊变化趋势上综合分析，最终形成了武汉都市发展区湖泊变迁专题图(1987—2013年)，从而为武汉市进一步的河湖环境保护和治理提供了直观的参考图件。

需要指出，本文因受所获资料限制，随湖泊周边环境条件不同，单个湖泊受外界影响的因素是不断变化的，目前研究成果仅是从历史资料中获得一定的先验知识，下一步工作重点将以研究湖泊周边具体地质环境为出发点，对单个湖泊变形趋势做出预测分析。

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(编辑：王 慰)Analysis of Lake Changes in Wuhan Based onMulti-source Remote Sensing Data

YANG Ke, DUAN Gong-hao, NIU Rui-qing, HUANG Si-yue, CAO Ya

(Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Urban lake is an important ecological and tourism resource. Its variation has profound impact on the city’s development. The variations of lake surface and lake boundary in Wuhan are researched in detail by using NDWI and TM2+TM3> TM4+TM5 method in association with visual interpretation to extract the spatio-temporal information of 68 lakes. The research is based on Landsat 8 satellite data obtained in June 2013 and remote sensing images from 1975 to 2013 in the urban development area in Wuhan. Furthermore, thematic map of lake changes is given by using GIS spatial analysis technology and RS change detection method. The causes of lake changes are analysed through landscape indices. The research result is consistent with the government statistics of water resources in Wuhan city. It is also an instant basis for the protection and sustainable development of lake resources in Wuhan city.

Wuhan; lake change; Landsat 8; GIS; thematic map

2014-12-19；

2015-04-21

国家973计划资助项目(2011CB710601)；国家863计划资助项目(2012AA121303)；国土资源部重大科学研究项目(SXKY332)

杨 柯(1989-)，男，湖北仙桃人，硕士研究生，主要研究方向为遥感地质、3S与地质灾害信息化及遥感影像数据挖掘，(电话) 027-67883425 (电子信箱) yangke_cug@163.com。

10.11988/ckyyb.20140870

2016,33(01):139-142，146

X14

A

1001-5485(2016)01-0139-04