博斯腾湖湖岸线时空变化特征

高鹏文， 李新国,3, 阿里木江·卡斯木,2

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054; 2.新疆师范大学 丝绸之路经济带城镇化发展研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830054; 3.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室， 新疆 乌鲁木齐 830054)

1 研究背景

湖泊是陆地圈、水圈、岩石圈以及大气圈的背景下研究的一个关联点，是全球气候环境变化的指示器之一，对湖泊波动性变化的研究显得异常迫切[1-2]。近几十年来, 因为气候变化和冰川的迅速融化，中国西部湖泊的水体积和面积都发生了显著波动，收缩和膨胀的周期相互交替，但总体已经呈萎缩趋势，许多湖泊甚至消失[3]。近几年来，关于博斯腾湖的研究越来越多，但大多数都是对于博斯腾湖水文特点、水位变化、湿地、芦苇、水质、植被等进行相关研究，对于博斯腾湖湖岸线的研究较少[4]。Lee等[5]使用诸如影像平滑、阈值的分割和跟踪界限等技术检测SAR影像中的海岸线；Bo等[6]使用模糊的技术将影像的灰度图和纹理星系合并在一起，使之产生一种模糊的连接地图，同时通过对联镜头的分割实现提取海岸线的目标。在黄河三角洲土地利用动态监测和海岸带综合管理中，刘高焕等[7]利用涨潮提取了海岸线，取得了1976-2000年黄河入海口的海岸线变化；陆立明等[8]描述了利用SAR数据在合成孔径雷达回波数据的基础上，利用SAR数据从非成像状态提取海岸线的方法；孙美仙等[9]利用TM遥感影像，完成了遥感勘测方法的研究和在福建省的应用；魏彬[3]采用landsatTM/ETM+图像和MATLAB平台，编写分形维数计算程序，根据分形维数与水位及湖泊形态特征关系说明了博斯腾湖形态特征变化的影响因素的相关结论；孙占东等[10]研究得出博斯腾湖流域内的径流变化与所在地区冰川的快速消融以及在该地区水资源的合理利用、合理配置有重要关系；陶辉等[11]研究认为开都河的源头地表径流所受影响因素是气温和降水；王俊等[12]研究认为人类活动与气候变化对博斯腾湖的进入湖泊径流量的影响较大，同时得出该地区入湖径流量与人类活动的影响更加契合；高华中等[13]认为，在1958-2002年期间，博斯滕湖地区受开都河灌区灌溉和引水的影响，经历了从弱到强再到弱的变化过程。

本文利用2006-2016年的遥感影像对博斯腾湖湖岸线做5期对比，初步探索最近10年内博斯腾湖湖岸线的时空演变，并对博斯腾湖的西北角、东南角、南岸的典型区域进行特征分析。通过对博斯腾湖湖岸线的研究有助于让人们更直观地了解博斯腾湖，对湖泊及其流域的合理开发提供科学建议及依据，也对博斯腾湖流域的生态环境保护有一定的参考意义[14]。

2 研究区概况、数据来源与处理

2.1 研究区概况

博斯腾湖位于东经86°40′～87°25′、北纬41°56′～42°14′之间，在新疆维吾尔自治区焉耆盆地的博湖县，是我国面积最大的内陆淡水湖[15]。博斯腾湖有广阔的水域面积，东西距离长约55 km，南北宽度约 20 km。由于湖盆中心较低，因此在靠近湖泊的岸边区域，湖水的深度快速减小。博斯腾湖光照丰富，热量充足，空气较为干燥，全年雨量稀少，为干旱地区常见的暖温带干旱荒漠气候，博斯腾湖流域年降水量平均仅为68.2 mm，但年蒸发量却有1 800～2 000 mm。

图1 博斯腾湖流域示意图

博斯腾湖是焉耆盆地中多条河流的汇集地，其主要的汇入河流是开都河，其他河流则是从天山南坡流下来的乌拉斯台河以及哈尔乌逊河等，博斯腾湖的出湖河流为孔雀河，孔雀河的唯一水源也是博斯腾湖。在博斯腾湖流域的西北部是和静县，北部是和硕县，中心区域在焉耆回族自治县。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 遥感影像数据 本文所使用的是landsat数据，来源于中国地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)以及美国地质勘探局的陆地卫星网站(https://landsatlook.usgs.gov/viewer.html)，选取2006-2016年共5期遥感影像，具体信息见表1。

表1 遥感影像信息

2.2.2 数据处理 将遥感图像用于ENVI5.1环境中进行操作，选择7、4、3波段，生成RGB图像，保存成TIF格式，因为第7波段的遥感影像对水体最为敏感，可以更好地反映水体特征。本文主要用归一化水体差异指数(NDWI)来分离水体和陆地。归一化水体差异指数(NDWI)[16]和改进的归一化水体差异指数(MNDWI)[17]的计算公式为：

NDWI= (Green-NIR) /(Green+NIR)

(1)

式中:Green为绿色波段的反射率；NIR为近红外波段反射率。

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

式中:Green为绿色波段反射率；MIR为中红外波段反射率。

图2即为博斯腾湖湖岸线提取过程图，先在ENVI中对遥感影像进行先期的预处理，包括图像合成、图像校正、图像裁剪以及图像拼接。之后利用水体指数通过bandmath进行波段计算，生成单波段的影像，然后在Arcgis中建立矢量图层以生成的影像图做岸线的提取，同时计算周长和面积。最后通过特征信息的提取分析时间和空间尺度的变化情况。

图2 博斯腾湖湖岸线提取流程图

3 研究方法

3.1 岸线发育系数

岸线发育系数(Shoreline Development Index，SDI)D描述海岸线的不规则程度，D值越大，则湖岸线越不规则，D值越小，则岸线的发育越规则，该系数被广泛运用于对不同湖泊的分类及评价其沿岸带的重要性[18]，其计算公式为：

(3)

式中：L为湖泊的岸线长度，km；A为湖泊的面积，km2。

3.2 圆形度R

圆形度R用来形容研究要素的形状与圆形接近的程度，R的取值在0～1之间，R值越大，表明图形更加接近圆形，其公式表达为：

R=4πS/L2

(4)

式中：S为图形面积，km2；L为图形周长，km。

3.3 形状复杂性e

形状复杂性即用离散指数e表示，e数值越大，表明研究要素的边界形状越复杂，反之越简单，其计算公式为：

e=L2/S

(5)

4 结果与分析

4.1 博斯腾湖湖岸线特征值的提取和计算

本文在湖岸线的处理上利用基于GIS的手动矢量法，通过对2006-2016年的5景不同的影像进行手动的描边，统计出如表2所示的湖岸线在研究时段内的基本数据。

表2 2006-2016年博斯腾湖5景影像岸线特征值

从表2中可以看出，2006-2016年博斯腾湖的面积呈现出先减小后增加的变化过程，其周长的变化与面积的变化出现了同步的变化特征，因此计算出的岸线发育系数与形状复杂性共同反映出了先减小后增加的变化过程，并且与圆形度的计算结果也是相吻合的。

4.2 博斯腾湖湖岸线时间尺度变化特征

为更加直观地研究博斯腾湖湖岸线随时间的变化，对其周长和面积做如图3所示的折线图，以显示变化趋势，分析变化过程。

图3 博斯腾湖湖岸线周长面积变化图

由图3可以看出，近10年内博斯腾湖面积和周长均为先下降后增长的过程。其中2013年的面积和周长均降到最低，该年度为转折点，2015-2016年的增长较为迅速，出现了较大的转折。

为了更好地说明这个转折变化，将变化的整个过程分成2006-2013年和2013-2016年两个时间段，分别计算两个时间段内的变化差、变化速率以及变化的百分比。如表3所示。

表3 2006-2016年博斯腾湖湖岸线面积和周长变化表

通过表3的计算统计结果可以发现，2006-2013年间博斯腾湖湖岸线的面积从990.78 km2减少到902.25 km2，减少了88.53 km2，每年以12.65 km2的速率在减小，面积变化的占比达到了2006年的8.93%； 2013-2016年期间博斯腾湖湖岸线面积从902.25 km2增加到963.48 km2，增加了61.24 km2，每年以20.41 km2的速率在不断的增加，面积变化的占比达到了2013年的6.79%。博斯腾湖湖岸线的周长也是在不断变化，从2006年的325.32 km到2013年269.33 km，减少了55.99 km，在这7 a间以每年7.99 km的速度减少，7 a间减少的岸线长度占2006年的17.2%；2013-2016年湖岸线的周长呈增加趋势，从2013年的269.33 km增加到2016年的331.93 km，增加了62.6 km，这3 a期间以每年20.87 km的速率在增加，3 a间增加的岸线长度占2013年的23.24%。

4.3 博斯腾湖湖岸线空间尺度变化特征

在博斯腾湖地区的遥感影像上，利用水体指数NDWI来分割水体，针对不同的数据源，采用了不同的波段组合的方式来进行计算，对于2013-2016年的lansat8影像，所采用的计算方法是NDWI提取水体。最后将在ENVI5.1中所得的分离水体的影像保存为TIFF格式，并将其在Arcgis中打开，通过在cotalog数据库中建立shapefile矢量文件来存储多边形矢量。 在shapefile里构建面要素文件，用上文的TIFF文件作为底图来进行矢量化过程。通过对博斯腾湖地区手动矢量化得出了2006-2016年的5期遥感数据的博斯腾湖湖岸线空间变化图，如图4所示。为了便于表述和研究，将博斯腾湖湖岸线划分为5个区域，如图5所示。

图4 2006-2016年博斯腾湖湖岸线空间变化

图5 博斯腾湖湖岸线研究区域划分

从图4中可以看到，2006-2016年博斯腾湖湖岸线变化显著，尤其是在西北地区的湿地地带，即为图5所示的区域1，其次为区域4即博斯腾湖的南岸。 2006年岸线最靠南边，其次是2011年的岸线，然后是2013年的岸线最靠北面，表明2006-2013年期间博斯腾湖南岸岸线为收缩趋势，从图4的南岸即图5中的区域4可以看出，2015和2016年的南岸岸线均在2013年的南面，即说明2013-2016年博斯腾湖湖岸线又为扩大趋势。

下面对5期数据中每相邻两年份的博斯腾湖湖岸线各划分区域进行对比，以进一步分析2006-2016年博斯腾湖湖岸线的变化过程，对比结果见图6。

图6 2006-2016年博斯腾湖5期影像数据每相邻两年份湖岸线位置对比

图 6(a)为2006与2011年的岸线位置对比图。由图 6(a)可以看出，在图5中区域1位置，2011年较2006年变化很大，在该区域2006年的大面积湿地已经基本上没有了，从表2中湖岸线特征值来看，这一期间湖岸线发育系数及形状复杂性值均大幅减小。而在区域2中可以很明显地看到2011年的岸线上有几个突出来的岸滩，而在2006年的岸线并无这些岸滩；在区域3中可以看到2006年的岸线比较破碎、分散，而在2011年的岸线较为规整；在区域4即南岸区域，2011年的岸线有很多破碎的湖中滩地，但在2006年岸线上看不到这些岸滩，因为2006年的湖水量大，岸线靠南一些；在区域5中可以看到该地区相较于前几个区域变化较小，但还是可以看出2011年的岸线相较于2006年在向东延伸，岸线在缩小。总的来说2011年相对于2006年的5个岸线研究区域均在减小。

图 6 (b)为2011与2013年的岸线位置对比图。从图6(b)中可以看到区域1对应的岸线已经较为稳定，在这两年间没有明显改变；在区域2中，可以看到2011年的湖岸滩仍在扩大，一直到了2013年的界限；在区域3中可以看出2013年的湖岸线都是一直在内收的状态；区域4为该两年中变化最大的地区，2013年的岸线相较于2011年向北拓展明显，而且有两处“湖中沙滩”也是被南岸的陆地连接起来，岸线的复杂程度也在提高；在区域5中，开都河与博斯腾湖大湖口相连的地方的变化比较大。总体而言，2013年比2011的岸线长度更短，围成的面积也相对较小。

图 6 (c)为2013与2015年的岸线位置比对图。从图6(c)中可以看到区域1的变化不大，但是在区域2中的2013年岸滩在2015年向北收缩了，即2015年的岸线相对于2013年是减小的；区域3与区域1相同，岸线基本维持不变；区域4中 2015年的岸线向南拓展，表明在该地区湖岸线是呈增加趋势；区域5中岸线变化也不大，2013与2015年的岸线基本为重合状态。综上所述，2015年的岸线相对于2013年呈拓展趋势，同时周长和面积也在增加。

图 6 (d)为2015与2016年的岸线位置对比图。从区域1中可以观察到2016年的岸线较2015年向外扩展；在区域2中，2015年的几个岸滩在2016年的岸线中已经消失了，这表明2016年的岸线在扩大，在该区域向北扩展；在区域3中也可以很清楚地看到2016年的岸线在向东外扩，而且出现了几个新的岸滩；区域4中的岸线也在扩展。所以，2016年的岸线相较于2015年向外明显扩展。

4.4 博斯腾湖湖岸线发育系数、圆形度、形状复杂度分析

通过对博斯腾湖岸线的周长和面积的计算，可以知道博斯腾湖2006-2016年的10年间湖岸线的变化特别明显。例如在从2013年到2016年这3年内，面积以每年20.41 km2的速率在不断的增加，面积变化的占比达到了2013年的6.79%。增长了61.24km2；周长的变化也非常显著，周长以每年20.87 km的速度在增加，总共增加了62.6 km，将近占到2013年岸线长度的1/4。仅通过面积和周长来说明岸线的变化是不够的，这里引进与面积和周长有密切关系的岸线发育系数、圆形度、形状复杂度来更好地说明博斯腾湖湖岸线的变化情况，根据表2的计算结果，利用origin软件作出博湖湖岸线3个特征值的变化趋势图，见图7。

图7 2006-2016年博湖湖岸线特征值变化趋势

形状复杂性用离散指数e表示，e数值越大，表明研究要素的形状边界越复杂，e值越小，对应的图形就越简单[19]。从图7中可以看出该指数也是一个先减小后增大的过程，最小值出现在2011年，为82.3，最大值为2016年的114.35。

岸线发育指数是指岸线的规则与否的程度指数，岸线越不规则，则岸线发育指数就越大。从图7可以看出，2013年的岸线发育指数最小，仅为2.53，为近10年来的最小值，而在2016年该指数达到3.02，为近10年以来的最大值。同时也可以看出该指数的变化过程也是先减小后增大。

圆形度表示图形与圆形的相似程度，当值为1时,该图形即为圆形，当该值越小于1表示选择的图形越不规律，与圆形的差距越大[20]。从图7中看出该指数为先增大再减小的过程，最大值为2013年的0.16，表明在近10年的变化里2013年博湖湖岸线萎缩较大，相比较而言与圆形最为相似，而最小值为2016年的0.11，表明岸线相对不规则，即岸线向外扩张了。

博斯腾湖湖岸线的发育系数在2006-2016年的10年间经历了由大到小再到大的变化过程，从圆形度和复杂程度的角度上来说是经历了“复杂——简单——复杂”的变化过程。即近10年内博斯腾湖湖岸线经历了“复杂——简单——复杂”的变化过程。

5 结论与展望

5.1 结 论

(1)2006-2013年博湖岸线的面积从990.78 km2减少到902.25 km2，2013-2016年博湖湖岸线面积从902.25 km2增加到963.48 km2。博斯腾湖湖岸线的面积呈现先减少后增加的过程；博斯腾湖岸线的周长也是不断变化的，从2006年的325.32 km减小到2013年269.33 km，又从2013年269.33 km增加到2016年的331.93 km。博斯腾湖湖岸线的周长呈现出先减少后增加的过程，其岸线的岸线发育指数和形状复杂度也相应地呈现先减少后增加的过程。

(2)博斯腾湖湖岸线从2006年到2016年间岸线变化较大的区域有图5中的区域1、区域3、区域4，分别为博斯腾湖的西北湿地地带、东南较为破碎的湖区、南部的整条岸线。在区域1和区域3中，2006-2013年均表现为收缩的趋势，2013-2016年表现稳定，没有明显收缩和扩张趋势。在区域4中，从2006-2013年表现为向北收缩的趋势，而2013-2016年该区域表现为向南扩张的趋势。

(3)在本文中博斯腾湖湖岸线的3个特征值即：岸线发育指数、圆形度、形状复杂度，能够更好更全面地反映出博斯腾湖湖岸线时空演变的趋势即岸线先减少后增加的趋势。

5.2 不足与展望

在本文中涉及到2016年的博斯腾湖面积的计算，通过计算得2016年湖泊面积为963.49 km2，较2015年的面积931.63 km2增加了31.86 km2，增加率为3.4%，增加数值较大。阿依努尔·买买提等[21]预测博斯腾湖面积在2015-2030将呈减小趋势，张一琼[22]对博斯腾湖面积的定量遥感中也分析到博斯腾湖从1972到2011年经历了先减小再增大又减小的趋势。但从实地调查可知，在2015年的区域5中，博斯腾湖大湖区与小湖区相接连的地方仅有很少的不连续水体，而在同一区域的2016年经实地调研可知，在该地区已经有大片的连成一体的水体。为更严谨、更科学地分析博斯腾湖湖岸线的变化需要更进一步的研究。

本文所使用的遥感数据的数据源较为单一，仅为lansat8的影像，虽然该影像的分辨率较高，为30 m，但还是可以通过modis以及其他数据源对2016年的数据加以佐证。

希望可以通过博斯腾湖最新时间段的蒸发量、降雨量、温度、水位及开都河径流量等的变化来做更加详细的验证。