杞麓湖与异龙湖水体提取及湖泊面积变化动态监测

肖茜+杨昆+曹瓅+洪亮

摘 要：该文以杞麓湖和异龙湖的近30年来的TM、ETM+和OLI遥感影像为数据源，采用NDWI、MNDWI、NWI、EWI和AWEI5种水体提取指数来提取杞麓湖和异龙湖的湖泊水体，并对比各种方法的提取精度。结果显示，杞麓湖的面积在1985年和2000年呈增长趋势，并在2000年达到最大值37.019km2，之后逐年减少，2015年面积仅为22.408km2。异龙湖在1985—1990年异龙湖湖面面积减少了7.16km2，到1995年面积大幅度回升到34.041km2，之后几年的面积逐年减小，至2010年，湖面面积较1985年缩小了1/3，仅有24.483km2，至2015异龙湖的面积缩小到了12.84km2。分析其面積变化的影响因素发现，气候因素与人类活动对其影响较大。

关键词：水体指数；湖泊面积；动态监测；降水量

中图分类号 P343.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）24-0123-03

水是大自然赋予人类最宝贵的财富，它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展不可缺少的最重要的物质资源之一[1]。云南省高原湖泊是影响区域生态环境的关键因子之一，其在社会经济发展过程中占据了重要的战略地位。云南省高原湖泊的流域生态环境十分脆弱[2]，受气象因素及人类活动影响较大。近年来，云南省持续严重旱灾，湖泊水质下降，杞麓湖与异龙湖表面水体面积萎缩严重。因此，研究杞麓湖与异龙湖水体提取及其近几十年的变化具有十分重要的科学意义。

随着遥感（Remote sensing，RS）和地理信息技术（Geographic Information System，GIS）的发展，遥感数据逐渐成为各类地理研究中重要的数据源。近几年来，一些学者应用RS和GIS技术对表面水体面积进行了提取和动态检测，最初，McFeeters在1996年提出了归一化差值水体指数（NDWI）[3]；徐涵秋在NDWI的基础上提出了改进型归一化差值水体指数MNDWI[4]；陈华芳、王金亮等在提取香格里拉水体时应用差值法、多波段谱间关系法分别与阈值法结合能有效地消除山体阴影对水体提取的影响[5]；石振杰、温兴平等利用缨帽变换及密度分割技术快速准确地提取了云南省抚仙湖水体信息，分析了抚仙湖2000—2015年的面积变化及其变化的影响因素[6]；此外还有一些学者利用RS与GIS技术对湖泊的水体表面面积的变化做了一些研究[7-9]。

目前，采用水体指数法提取水体已经得到了广泛的应用，但对于杞麓湖与异龙湖的研究较少。本文以杞麓湖和异龙湖流域作为研究区，利用遥感和GIS技术，基于TM和OLI遥感影像，采用5种水体提取指数法提取杞麓湖和异龙湖的表面水体面积，并对1985—2015年近30年湖泊表面水体面积的变化进行分析。

1 研究区概况及遥感数据

1.1 研究区概况 云南省地处祖国西南边陲，属于典型的山地高原地形。杞麓湖位于于云南省玉溪市通海县，海拔约1796.62m，是玉溪市通海县的重要水资源；异龙湖位于滇南地区红河州石屏县，是石屏人民的“母亲河”。

1.2 数据选择 本文采用的数据是从USGS网站上下载的杞麓湖与异龙湖的1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的Landsat数据，所有数据云量不超过5%且没有条带。

2 水体提取方法

2.1 不同提取方法简介

2.1.1 归一化水体指数NDWI McFeeters提出了Normalized Difference Water Index（NDWI），即归一化水体指数。

[NDWI=Green-NIRGreen+NIR] （1）

2.1.2 改进归一化水体指数MNDWI 改进型归一化水体指数是徐涵秋将NDWI中的近红外波段换成了中红外波段：

[MNDWI=Green-MIRGreen+MIR] （2）

2.1.3 增强型水体指数EWI 闫霈[10]等提出了增强型水体指数EWI，公式如下：

[EWI=Green-NIR-MIRGreen+NIR+MIR] （3）

2.1.4 新型水体指数NWI 丁凤[11]提出新型水体指数NWI，其公式如下：

[NWI=Blue-（NIR+MIR+SWIR）Blue+（NIR+MIR+SWIR）*C] （4）

式中，C为一常数，目的是拉伸NWI的数值区间，在本实验中C取255。

2.1.5 自动化水体提取指数AWEI Feyisa等[12]提出了Automated Water Extraction Index（AWEI），其公式有2个，一个是在理想状态下（没有阴影）提取水体，见公式（5）；另一个是在有阴影的情况下提取水体，见公式（6）。

[AWEInsh=4*（Green-MIR）-（0.25*NIR+2.75*SWIR）] （5）

[AWEIsh=Blue+2.5*Green-1.5*（NIR+MIR）-0.25*SWIR] （6）

注：上述式中，Green代表遥感影像的绿光波段，Blue代表蓝光，波段NIR代表近中外波段，MIR代表中红外波段，SWIR代表热红外波段。

2.2 水体提取精度对比分析 利用遥感高分辨率影像，在每个湖泊研究区选取80～100个测试样本点，进行混淆矩阵计算其精度，5种提取方法精度对比见表1。因此，杞麓湖选用NDWI法，异龙湖选用NWI法。

3 结果与分析

3.1 杞麓湖与异龙湖面积变化分析 杞麓湖和异龙湖1985—2015年的面积变化见图1和图2，杞麓湖的面积在1985年和2000年呈增长趋势，增大了1.013km2，并在2000年达到最大值37.019km2，之后逐年减少，2000—2015年面积缩减14.611km2。异龙湖于1981年干涸，后因降雨湖水慢慢积蓄起来，到1985年达到蓄水量最大值。1985年至1990年异龙湖湖面面积减少了7.16km2，到1995年面积大幅度回升到34.041km2，之后几年的面积逐年减小，至2005年，湖面面积较1985年缩小了1/3，仅有24.483km2，2010—2015年短短5年的时间，异龙湖面积缩小了50%，仅有12.84km2（图2）。endprint

云南大旱导致降水量减少，工农业用水紧张，湖泊的湖水量不能满足蒸发和人类活动的正常需要，多个水位下降至近30年来最低，其中，杞麓湖面积缩减了1/3，异龙湖面积缩减了2/3。但据气象资料，2014—2015年降水增加，而杞麓湖和异龙湖面积仍然极速缩减，查阅相关资料得知，2个湖泊面积变化与人类活动也息息相关。由于云南省2009年底开始的大旱，导致杞麓湖几乎干涸，周边村民将湖面干涸部分围湖造田，使杞麓湖面积大大减少。而异龙湖面积持续下降的原因是云南连续干旱导致异龙湖的主要水源补给—赤瑞湖的干涸，加上周围村民围湖养鱼、提水灌田，目前异龙湖已裂成两半，西半部已成草原。因此，尽管2013—2015年降水量增加，但异龙湖的表面水体面积还是不可遏止地大幅度减少。

4 结论

本文选用5种不同的水体指数提取法提取了杞麓湖和异龙湖的水体，经过精度对比，杞麓湖选用NDWI法，异龙湖选用NWI法。

近30年来，杞麓湖和异龙湖面积缩减均很严重。杞麓湖的面积在1985年和2000年呈增长趋势，增大了1.013km2，并在2000年达到最大值37.019km2，之后逐年减少，2000—2015年面积缩减14.611km2。异龙湖在1985—1990年异龙湖湖面面积减少了7.16km2，到1995年面积大幅度回升到34.041km2，之后几年的面积逐年减小，至2010年，湖面面积24.483km2，至2015年异龙湖的面积缩小到了12.84km2。至2015年杞麓湖面积仅为1985年面积的2/3，而异龙湖更是仅为1985年面积的1/3。分析其面积缩减的主要原因是云南省在2009—2012年长达4年的持续干旱及人类对湖泊环境的破坏。

参考文献

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[10]闫霈，张友静，张元.利用增强型水体指数EWI和GIS去噪音技术提取半干旱地区水系信息的研究[J].遥感应用，2007，94（6）：62-67.

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[12]Feyisa G L，Meilby H，Fensholt R，Proud S R.Automated water extraction index：A new technique for surface water mapping using Landsat imagery[J].Remote Sens.Environ，2014，140：23–35. （责编：张宏民）endprint