2000-2015年布尔哈通河河道变迁分析
2019-09-10王晴宇侯焱臻
王晴宇 侯焱臻
摘要:基于2000-2015年多时序Landsat遥感数据,通过计算机自动提取以及人工目视解译法对研究区内的水体进行提取。通过ArcGIS10.0,分别从河面信息变化以及河岸线长度变化两方面,对2000-2015年布尔哈通河河道变迁规律做了分析研究。利用ENVI4.7,通过监督分类提取研究区内的河岸土地利用状况。结果表明:在研究的时间范围内,河面信息中的平均岸线和曲折系数呈下降趋势;河岸信息中的变迁速度和变迁率呈上升趋势;河岸土地类型中,旱田和林地增加,水田和未利用土地减少。最后,结合收集到的气候资料、地形资料,从高程因素、气象因素和河流自身因素等自然因素,以及河岸土地利用变化和护岸工程的建设等人为因素对河道变迁的影响因素进行探讨。
关键词:河道变迁;Landsat影像;GIS;监督分类;布尔哈通河
随着全球环境变暖和中国经济的发展,由于自然因素及人类活动的干预,许多河段存在河道变迁问题。通过對国内外的学者利用遥感影像进行河道变迁的研究方法进行探索,发现河道变迁的研究从水文学研究转向其动力机制的研究,人文因子同其他因子如气候、地形等一并进入研究范围。随着地理信息技术的发展,地理信息技术与传统方法相结合成为主流。刘伟等(2005)采用归一化水体指数法和面向对象分类方法对现代黄河三角洲地区的遥感影像进行分析[1]。王文种等(2006)讨论了ENVI/IDL环境下的CBERS批处理模式的建立和应用[2]。慎利等提出使用空间像素模板来获取空间之间邻域的相关关系,并结合Adaboost集成学习算法来提取高分辨率影像上的河流信息[3]。黄河等(2015)利用遗传算法实现了遥感影像的河道信息自动提取[4]。
一、研究区与数据来源
(一)研究区概况
布尔哈通河发源于安图县哈尔巴岭东麓沼泽地,流经安图、龙井、延吉、图们四县市与嘎呀河交汇,东注于图们江,在自然条件和社会经济发展方面都有较高的研究价值。本研究通过遥感影像了解布尔哈通河河道变迁的现状特征,从高程、气象和河流自身因素分析河道变迁的自然因素,从土地类型改变和护岸工程的建设分析河道变迁的人文因素,分析河道变迁的影响因子。对加强护岸工程建设,以及对保护沿岸城镇、村屯、堤防、道路、农田及水域资源的合理开发利用提供科学依据,便于城市的发展。
(二)数据来源
本研究所用遥感数据来源于地理空间数据云网站2000、2006、2010年三期LandsatTM遥感影像和2015年Landsat OLI遥感影像。栅格单元大小均为30m×30m。本文选取了由中国气象数据共享平台下载的延吉市1999-2016年的气象资料。土地利用类型参照国家土地利用分类系统及研究区域实际情况,划分为林地(针叶林、阔叶林、混交林)、水田、早田、水体、草地、建设用地(采矿场)、未利用地(裸地、冰雪、湿地)。
二、研究过程
参考国内学者的对河道变迁的研究方法,梁文琼等(2013)提出了一种面向对象的遥感图像增强处理方法[5],陈文涛采用最大似然法监督分类提取水体信息回,赵水霞(2016)对研究区域的遥感影像分别进行最佳波段组合、线性增强、图像整饰、特征提取、最大似然分类等预处理,并结合野外实地观测和定位在河道矢量图中的大地坐标进行分析[7],对遥感图像进行增强处理、河道信息提取以及监督分类。
(一)遥感影像数据预处理
1.投影变换
根据获取数据的便利及数据源的统一,本文遥感数据坐标系统一为WGS-84.投影方式为UTM南极洲极地投影。
2.图像增强
对错位的影像图利用遥感影像进行配准,利用双线性法进行重采样;采用线性拉伸方法对图像进行增强处理。
3.波段组合
将遥感影像的波段进行不同类型的组合,可以得到不同地物的增强,为更好地识别水体和土地利用信息,根据不同数据选取不同波段缉合,基本要求是波段信息量丰富,能充分显示各种地物的影像特征差异,特别是水体信息与其他地物类型影像特征区别明显,此外影像类似于自然色彩,符合人们视觉习惯。Landsat TM采用信息量最丰富的543波段组合配以红绿蓝生成假彩色合成影像,Landsat OLI采用564波段组合。
4.遥感图像拼接
由于布尔哈通河主河道较长,处于两幅遥感影像之中,因此运用ENV14.7基于地理坐标镶嵌的原理,对属于一个卫星周期的两幅遥感影像进行拼接。
(二)河道信息提取原则及解译标志(见表1、表2)
(三)河道变迁研究方法
本研究的数据源为遥感数据源,以5年为时间间隔,通过前后5年的比较研究可以更好的了解河道的河流流域面积变化以及河流岸线变化。
1.河面信息计算
河面信息主要包括河流面积、平均水面宽和曲折系数。利用四期已解译的布尔哈通河数据进行统计分析得到河流面积,通过两侧的岸线得到平均岸线长,通过河流面积与平均岸线长计算平均河面宽,最后通过河道中心线与河流起始点之间的直线长度之比求算河流曲折系数,最后对河面信息的变化情况进行分析。
式中,ALr(Average length)为平均岸线长,Lr与Lr分别为两侧的岸线长,单位统一为千米。
式中,Sr(Averge weight)为平均河面宽,Sr为河流面积,Alr为平均河岸长,单位统一为千米。
式中,Sc为曲折系数,Lr为实际河岸长度,LI为河流起点到终点的直线距离。
2.岸线信息计算
岸线信息主要包括岸线长度、岸线变迁率以及岸线变迁速度,利用四期己解译的布尔哈通河数据进行统计分析可得到河流两侧岸线长度,通过岸线现期量与基期量的差值和基期量之比可求算岸线变迁率,通过岸线变化量与变化时间之比可求算岸线变迀速度。
式中,CS(Change speed)為变迁速度,AL为岸线长度变化量,T为变化时间间隔,单位为m/y。
式中,CR(Change rate)为变迁率,Ln为现期岸线长度,Lp为基期岸线长度,单位为百分数,有正变迁和负变迁之分。
三、研究结果分析
(一)河面信息变化研究
以 2000、2006、2010、2015年遥感影像为基准的布尔哈通河河面信息统计结果,如表3。
由统计数据可知,21世纪以来,布尔哈通河的河流面积、平均宽度呈现“减-增-减”的趋势,2006-2010的变化量最大。而河流的平均岸线长度在2000-2006年小幅度增加,2006年以后呈下降的趋势,2010-2015的变化量最大,达到2.18696km。河流的曲折系数呈先平稳再下降的趋势,2000-2006年稳定在1.82, 2010-2015的变化量最大,达到0.03。
(二)岸线信息变化研究
对布尔哈通河的岸线长度信息统计分析结果如表4所不。
由数据统计可知,布尔哈通河岸线长度右岸长于左岸,且左岸的岸线长度的增减变化与右岸的岸线长度的增减变化趋势总体一致,但在不同的年份,两岸的变化程度不同。从年纪变化来看,近20年来,两侧的岸线长度总体减少,其中,右侧的岸线长度较少的幅度更大,达到4.318161km;从变迁率来看,2000-2006年两岸的变迁率均为正值,左岸变迁率的变化幅度在2010-2015达到最大,而右岸变迁率的变化幅度在2006-2010达到最大;从变迁速度来看,左岸的变迁速度的变化幅度均在2010-2015年达到最大,右岸的变迁速度的变化幅度均在2006-2010年达到最大,变化程度高于其他两个阶段。对比左、右两岸的变化速度,右岸的变化速度大于左岸。
四、讨论影响变迁的因素
引起这些变迁的因子主要包括自然因子和人为因子。通过实地考察和总结其他学者经验发现,引起界河变迁的自然因子主要包括地形海拔,气候条件,以及河流自身因素;引起界河变迁的人为因子主要包括土地利用变化,河岸堤坝修建,对水域资源开发等。下面本文将对逐个影响因子进行分析。
(一)自然因素
1.高程分析
研究区地势西高东低,高程差为651m,上游位于安图县内,此段多山地分布,海拔较高,河流下切形成河谷。海拔最高处位于哈尔巴岭,高程为692m。中游位于延吉市内,受护岸工程影响,河道弯曲度较小;下游地区与海兰江和嘎呀河交汇,海拔最低,最低高程仅41m,河道弯曲分布于河谷之中,河道弯曲度较大,河流的侧蚀和堆积作用发生在此段。(见图1)
2.气象因素
本文考虑布尔哈通河所处地理位置的特点,选取降水量与温度作对河道变迁产生影响的气象因素进行分析,河流的水源主要来自气候降水,包括降雨、地下水的补给和冰雪的消融等。以年降水量400mm分界,可以把河流分为东南流水作用区和西北风沙作用区,布尔哈通河地区年降水量均大于400mm,应划分到东南流水作用区。以0℃和16℃的年平均气温分界,可以把河流划分为多年冻土的冻融作用区,季节冻融作用区和非冻融区,布尔哈通河地区处于季节冻融区,在冬春季节,地表结冰,地表径流和地下径流的交换有所减弱,河流中水沙的运移和河床的变形都会受到温度不同程度的影响。因此,本文选取了由中国气象数据共享平台下载的延吉市1999-2016年的气象资料,研究气温和降水对界河变迁的关系。(见图2)
根据布尔哈通河地区年平均降水量数据,布尔哈通河四个时期的降水平均趋势是“减一增”。具体分析遥感影像所选年份,大致呈先减少后增加的趋势,其中2000年降水量达到852.5mm,是所选年段内的最高值,这可能与极端天气有关。2005、2010.2015三个年份的降水量呈增长趋势。
根据布尔哈通河地区年平均气温数据,该地区四个时期的气温趋势是“增一减”。具体分析遥感影像所选年份,大致呈增加的趋势,其中2015年气温达到6.6℃,是所选年段内的最高值,2010-2015年期间的气温变化量比较大,达到1.1℃。
综上所述,降水量的差异影响了河流面积和河岸宽度的变化。降水量增加,河流的流量也增加,使河流面积增加、河岸宽度增加,进一步影响河道的变迁。1996-2000年时期的降水量较大,2000年遥感影像卜所反映的河流面积和河道宽度较大。温度变化也在一定程度上影响了河岸岸线的长度、变迁率以及变迁速度的变化。分析原因,由于布尔哈通河地区处于季节性冻土区,温度升高,导致地下冻土消融,增大河流的水量,随着水量的增大,河流所裹挟的沙量也会随之增加,导致河流的淤积量增大,从而影响河道的变迁。
3.河流自身因素
河流本身的条件同样会对其变迁造成一定的影响,如河床的岩性及河床岩石的可侵蚀性等特性与河流泥沙及河岸侵蚀等变化关系密切,河道类型同样会对河流变迁造成影响。
根据朱风禧的实地勘探结果,布尔哈通河河谷两侧岩性为灰黄色、灰色含砾砂岩、粉砂岩与棕褐色、灰色泥岩,河床主要由松散堆积物和软弱一中硬岩构成,一般岩体越松散软弱,河床越不稳定。此外,河床底层为强风化层和中等风化层岩石,岩石结构大部分破坏、裂隙发育、等粒结构,块状构造,因此容易受到侵蚀[8]。
一般来说,弯曲河道的变迁强度应该大于顺直河道,因为河流的侧蚀作用是产生岸线变迁的主要外营力,侧蚀作用主要发生在河道弯曲处。发生在河道弯曲处的横向环流,不断地对凹岸进行侵蚀,从凹岸侵蚀下来的泥沙被带到凸岸沉积。虽然护岸工程对布尔哈通河河道弯曲度有一定影响,但是河谷很深,水流湍急,还是会发生下蚀作用。
(二)人为因素
1.土地利用
利用四期遥感影像使用监督分类对于布尔哈通河进行土地利用分类,获取四期遥感影像分类图。采用生成随机点评价解译精度,经检验,四期土地利用分类图精度均达到90%以上,满足分类精度要求。通过遥感解译,获取了布尔哈通河的4个时期的土地利用遥感解译图。
由表5,布尔哈通河两岸主要分布着早田、水田、建筑用地和林地,旱田、林地的面积皇增加趋势,建筑用地和未利用地呈减小趋势。林地主要分布在上游地区,具有一定的生态作用,可以涵养水源。但是近些年来,沿河居民开发未利用士地为早田,将水田改为旱田,会人为修改河道;同时种植作物改变,也会影响水流速度,降低河流侵蚀的能力,使河道发生变化。这种土地利用结构的变化,增加了水土流失的可能性。
2.护岸工程
护岸工程是指为防止河流侧向侵蚀以及因河道局部冲刷而导致的河岸坍塌等灾害而使主流线偏离被冲刷地段的保护工程。
2012年5月,龙井市布尔哈通河防护工程建设管理处公开招标“布尔哈通河干流龙井市老头沟镇防洪工程,,,工程防洪标准为20年一遇洪水标准,建设等级为IV等,建设护岸长2130米,主要有基础浆砌石、土方开挖、土方填筑、砼护坡等。
2015年7月,龙井市布尔哈通河防护建设管理处公开招标,“嘎呀河治理工程(含布尔哈通河)龙井市老头沟镇下段廉明铁路桥—泗水桥段左岸工程”,本次工程位于龙井市市内,护岸长2609米,混凝土角槽、雷诺护垫护坡等。
由表3,2015年的河流面积、平均岸线、平均宽度和曲折系數等数值均减小,因此,护岸工程对河道变迁的影响十分显著。
五、结论
(1)在研究的时间范围内,布尔哈通河的河流面积、平均宽度均呈现“减一增一减”的趋势;布尔哈通河岸线长度右岸长于左岸,且左岸的岸线长度的增减变化趋势与右岸总体一致,均呈现“增一减”的趋势;河流的曲折系数呈先平稳再下降的趋势。
(2)降水量的增加以及气温升高引起的动土消融导致河流流量增大,使河流面积、河岸宽度增加,从而影响河道的变迁;弯曲河道的侧蚀作用也对河流变迁造成影响。两岸土地利用类型中,旱田和林地增加,水田和未利用地减少,人为因素导致的河岸土地利用结构的变化大大增加了水土流失的可能。护岸工程的实施改变了河流两岸自然的构造,对河道变迁的作用明显,对河流的防洪、治理工作起到重要意义。
参考文献:
[1]刘伟,现代黄河三角洲演变及其对土地利用景观格局的影响[D].山东师范大学,2015.
[2]王文种,刘九夫.遥感技术在全国第一次河流湖泊普查中的应用[J].中国科学,2011(41):177-186.
[3]慎利,唐宏,王世东,张露.结合空间像素模板和Adaboost算法的高分辫率遥感影像河流提取[J].测绘学报,2013,42:344-350.
[4]黄河,利用遗传算法实现不同遥感影像的河道信息自动提取[J].计算机系统应用,24(2):140-145.
[5]梁文琼,赵志芳,田淑芳,等,基于RapidEye澜沧江西双版纳段河流淤积变化信息[J].云南地质,2013。32:68-71.
[6]陈文涛.基于遥感技术的地表水系信息提取研究[J].北京测绘,2013(4):54-56.
[7]赵水霞,基于3S技术的黄河内蒙古段河道演变特性分析[J].1006 7647.2016.04.013.
[8]朱风禧,斜坡场地岩土工程勘察实例分析与评价[J],城市建设理论研究(电子版),2013(22).
作者简介:王晴宇(1999-),女,吉林白山人,延边大学地理与海洋科学学院地理信息科学专业在读学士。