1990—2015年内蒙古地表水时空变化特征研究

袁瑞强，青 松,2*

（1.内蒙古师范大学 地理科学学院，呼和浩特010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，呼和浩特010022）

0 引 言

【研究意义】陆地地表水为陆地生命提供了基础资源，对于气候平衡、水循环和生态平衡具有重要意义。地表水的长期演化过程是气候变化和人类活动对区域水资源影响的综合体现[1]。内蒙古地处欧亚大陆中部干旱和半干旱气候区，拥有众多的湖泊、河流、水库等地表水资源，这些水资源对于当地的生态系统具有重要的意义。然而，由于人类活动和气候变化的影响，近年来一些湖泊等地表水显著缩减，区域环境的恶化，直接威胁着当地居民的饮水安全[2]。因此，探究内蒙古地区地表水时空变化特征及其影响因素，分析对指导该地区水资源管理、水生态修复和经济可持续发展具有重要的意义。

【研究进展】由于遥感技术具有覆盖范围广、可重复观测和多波段等特性，为地表水监测提供了宝贵的数据源[3]。在众多的卫星传感器中，由于Landsat系列卫星从1972年至今数据的可用性和连续性，被频繁地用于探测陆地资源长期时空变化中[4]。常见的水体自动识别与提取方法大致可分为4 类：①单波段密度分割技术，尽管它有简单性和时间效率高的优点，但经常受原始光谱的异质假信号的影响；②监督分类和非监督分类，前者在很大程度上依赖于先验知识，而后者受光学复合图像分类精度差的阻碍；③数学形态学和面向对象分析，尽管可以得到令人满意的结果，但在不同情景下收集的参数和训练样本之间存在显著的不一致性，从而影响提取精度[5]。④水体指数，通过数学比率将2 个或多个波段组合在一起，被证明是有效且方便的方法。在上述方法中，相比于其他3种方法，水体指数法效率高，性能好，可实现大规模的地表水自动识别和监测[6-8]。【切入点】近年来，国内外学者利用水体指数法对地表水提取和识别进行了一系列研究[9-12]。但对不同水体指数进行对比和分析的相关研究较少，而且目前国内外学者利用长时间序列数据进行内蒙古地表水动态变化的研究及影响因素的分析较少，难以为内蒙古地区水资源保护和水生态修复提供可靠的基础数据。以往研究对蒙古高原地表水的研究仅限于一些大的湖泊，尚未对内蒙古地表水进行详细研究。

【拟解决的关键问题】本文基于Landsat 系列数据对1990—2015年内蒙古地表水进行时空变化特征及影响因素进行分析。利用4 个典型子区域，评估6种光谱水体指数的性能和稳定性，将确定的最优水体指数应用于整个内蒙古地表水的提取与识别。通过分析研究区各盟市的地表水年际变化特征和趋势，并结合内蒙古空间差异和经济发展水平等诸多因素，初步分析其主要的影响因素。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国的北部，是我国北方重要的生态屏障。全区地势较高，平均海拔高度1 000 m左右。其位于欧亚大陆内部，受东亚季风的影响，属于湿润半湿润季风气候与干旱半干旱气候之间的过渡带。1990—2015年平均气温为3～6 ℃，由南向北逐渐下降。年降水量由东北向西南呈梯度递减，幅度为50～550 mm，其中75%的降雨发生在7—9月[13]。内蒙古地表水大多属内陆湖泊，气候干旱少雨，地表径流补给不丰，蒸发强度大，超过湖水的补给量，湖泊和湿地逐渐萎缩[14]。在研究区范围内选取了4 个典型子区域用来测试水体指数的性能，其详细信息如表1 所示。所选的区域具有不同的地表水类型，包括水生环境复杂程度各异的湖泊、不规则的线状河流、人工水渠通道等。同时充分考虑了影响地表水提取精度的影响因素。

表1 研究区4 个典型子区域详细信息Table 1 Details of four typical sub-regions in the study area

1.2 数据源及预处理

将Landsat-5、Landsat-7 和Landsat-8 卫星遥感影像作为数据源，通过筛选，最终采用无云覆盖或云量少、数据质量较好的576 景影像。遥感影像的调查日期（如干季和湿季）会影响地表水面积的提取精度，所以本文选择的所有影像具有一致调查日期（7、8月）。

数据预处理包括：辐射定标、大气校正、几何配准、拼接与镶嵌。对影像进行辐射定标和FLAAH 大气校正，以消除大气传输过程的影响。选择GF-2 PMS高分辨率遥感影像作为验证数据，本文在a、b、c 和d 分别选取了4 景GF-2 PMS 数据，成像日期分别为：a（20170822）、b（20170818）、c（20170921）、d（20170628）。利用二次多项式模型，将GF-2 PMS遥感影像与其对应的准同步Landsat8 OLI 数据进行几何配准，配准总的均方根误差小于0.5 个像元。

1.3 水体指数及阈值确定

评估了如下6 种光谱水体指数，计算式如表2 所示。首先，基于研究区典型子区域所对应的GF-2 PMS高分辨率影像，在同时期的Landsat8 OLI 影像上选取样本。针对水体、阴影、植被、云、裸地和建筑等6种不同类型分别选取120 个样点（像元）。基于已选择的样点，计算所有类型各光谱指数的统计量，以确定其取值范围。对于每个水体指数，找出取值范围与水体不重叠的且最接近的类型，取其最大值与最小值的均值作为初始阈值。基于此，对各个影像上的水像元进行自动提取与初步分离。然后将每个识别出来的地表水类型作为对象利用局部直方图分割来调整阈值，确定适合于每景影像的最佳阈值。此方法可以有效提高在各种不同的、复杂的水环境条件下的地表水提取精度。

表2 6 种光谱水体指数Table 2 6 spectral water index

1.4 精度验证

利用Olthof 等[15]的方法对GF-2 PMS 影像进行目视判读，得到GF-2PMS 影像地表水提取结果图，利用格网统计方法验证Landsat8 OLI 地表水提取精度。基于格网的统计方法为：利用ArcGIS 软件在各个典型子区域内建立450 个网格，网格大小为600 m×600 m。对Landsat8 OLI 地表水提取结果和GF-2 PMS 处理结果，分别统计各网格内的地表水面积，通过计算两者之间的相关系数和均方根误差等统计量，对分类结果进行精度评价。

2 结果与分析

2.1 不同光谱指数的对比

图1 为6 种水体指数在典型子区域的阈值稳定性和阈值波动情况。水体指数会突出水体的信息，抑制其他地物的信息，所以代表水体信息的箱体一般分布在图中的上方区域，而其他地物集中分布在下方区域。在垂直方向上，代表水体信息的箱体与其他5 种地物的箱体之间无交集的区域，表示水体与其他地物可分离的阈值波动区间。本文利用a、b、c 和d 区的阈值偏离他们的平均阈值的程度来表征阈值的稳定性。从图1 可以清晰看出，WI2015和TCW在b 区域对水体和云区分能力较差。MNDWI的阈值从a 区的0.61 变动到d 区的0.45，NDWI的阈值从b 区的0.17 变动到c区的0.26，MNDWI和NDWI在4 个区域的平均阈值与各个区域的局部阈值相差较大，说明以上2 个指数的阈值在不同的区域出现较大的波动，阈值稳定性较差。而且MNDWI的阈值波动区间比较大，经过反复试验发现这个区间范围会集中大量的混合像元，说明MNDWI对于混合像元的处理存在不确定性，从而影响地表水的提取精度。虽然MBWI阈值较稳定，但是阈值波动区间很小，容易造成水体信息错分为其他地物信息。而AWEI的平均阈值与各个区域的局部阈值比较接近，阈值稳定性较好，其阈值仅仅从a 区的0.11 变动到c 区的0.08。而且AWEI阈值波动区间较小，这也是其具有较好实用性和稳定性的另外一种表现形式。

图1 不同地物的光谱指数阈值的波动及分布对比Fig.1 Comparison of the fluctuation and distribution of the spectral index threshold of different features

2.2 基于Landsat8 OLI 与GF-2 PMS 的分类结果

通过对4 个典型子区域定量精度评价发现，提取结果与GF-2 PMS 影像目视解译结果整体上较一致，区域a、b、c、d 中，R2分别为0.993 8、0.959 4、0.996 2 和0.993 2（图2）。

图2 典型子区域精度评价Fig.2 Scatter plot of accuracy evaluation of typical sub-regions

2.3 地表水的变化趋势及影响因素

2.3.1 变化趋势

表3 显示了1990—2015年内蒙古地表水面积的变化趋势。由表3 可知，1990—2010年内蒙古的地表水面积急剧下降，以2010年为转折点，在2010—2015年内蒙古地表水面积有所增加和回升。1990—2010年内蒙古地表水面积严重缩减，减少面积为2 144.57 km2，2010—2015年内蒙古地表水有所恢复，增加面积为692.68 km2，地表水的总面积从20世纪90年代到2015年减少了1 451.89 km2。

从表3 可以看出，兴安盟、呼和浩特市、乌海市的地表水面积在1990—2015年，分别以年均1.57、0.24 和0.57 km2缓慢增长趋势。然而在其他的9 个盟市，水体面积均有下降的趋势。1990—2015年每个盟（市）的水体面积变化趋势不尽相同，但都表现出先下降后上升的趋势，而且大多数都在2010年前后面积缩减到最小，然后在2010—2015年有所恢复和增加。

表3 1990—2015年2 个阶段的内蒙古各盟市地表水面积变化及比例Table 3 Changes and proportions of surface water area in Inner Mongolian League cities in two stages from 1990 to 2015

2.3.2 影响因素

内蒙古地表水面积减少是由气候和人类活动双重因素所致。研究发现，内蒙古各个盟（市）驱动力机制各不相同，影响因素复杂多样。在气候暖干化背景下，人为强烈扰动是内蒙古及各盟市地表水面积减少、湖泊萎缩的主要影响因素。

农业灌溉、地下水的开发利用是导致研究区地表水面积缩减的主要原因之一。灌溉的抽取造成了地下水和河流的迅速枯竭。如内蒙古东南部通辽市的地下水深度从1980年的2.5 m 下降到2009年的5.2 m[2]。通辽的灌溉面积呈逐年上升的趋势，灌溉面积从1990年的28.83 万hm2增加到2015年的66.44 万hm2。内蒙古大部分的草地和湿地湖泊被开垦成农田。如奈曼西湖由于人为的围湖造田，在2005年变成了农田（图3（j））。乌梁素海是河套灌区排灌水系的重要组成部分，农田排水经乌加河汇入乌梁素海，由西山嘴的河口排入黄河，影响着乌梁素海的水量，因此灌溉用水的退入对乌梁素海面积变化具有重要的作用（图3（b））。

煤矿的开采也是内蒙古地表水下降的主要原因之一。20 世纪90年代末以来，煤炭开采在内蒙古各地广泛开展，特别是在草原地区。如鄂尔多斯大量地开采煤矿，消耗了大量地下水资源，导致地下水位急剧下降，导致许多湖泊萎缩甚至干涸[2]。研究期间红碱淖尔的面积逐年下降（图3（h）），其附近的采矿活动已经排干了当地的地下水，从而导致湖水渗入地下[16]。

截流和大量兴建水库也是内蒙古地表水下降的主要原因之一。例如：呼伦湖面积的收缩与流入湖区地表径流的下降有关（图3（a））。先前的研究表明流入呼伦湖的2 条河流（克鲁伦河和乌尔逊河）径流量从1999年的17.5 亿m3下降到2011年的2.5 亿m3。内蒙古乌拉盖湖的缩减是由于乌拉盖河的中上游修建乌拉盖水库（图3（g）），导致湖区面积持续缩减[17]。查干淖尔东湖和西湖原本由天然堤坝相连，雨季时，其中东湖的湖水会越过两湖中间的天然土坝从西湖泄水（图3（f）），20 世纪90年代，人们为了引用东湖的水以及在东湖建立渔场，在土坝上修筑水闸，阻断了西湖的水源[18]，造成西湖逐渐萎缩甚至干涸。随着以农业为主的中游社会经济发展，对水资源的需求不断增加，截流和抽取地表及地下水导致黑河流入下流的水量减少，居延海东部1992年干涸[19]（图3（i））。黄旗海和岱海也是由于大量的入湖径流被截留利用，湖泊的补给水量急剧减少（图3（e）），导致湖水的矿化度不断升高随后缩小[20]。达里诺尔无外流河（图3（c）），水源补给主要靠自然降水和贡格尔河、耗来河、沙里河等地表径流。贡格尔河是达里诺尔湖的主要补给水源，其年径流量占达里诺尔地表径流补给量的50%以上，据资料记载，在暖干气候影响下，2000—2006年每年的7月贡格尔河都出现不同程度的断流，贡格尔河的径流量不容乐观。沙里河和耗来河由于不合理的人类活动生产，径流量也在不断的减少[21]。

图3 1990—2015年内蒙古主要湖泊地表水变化情况Fig.3 Changes in surface water of major lakes in Inner Mongolia from 1990 to 2015

3 讨论

地表水提取的性能通常受到各种水体条件和环境的影响，不同的地表覆盖类型在各波段的响应不同，各个水体指数具有各自的优势和局限性[10]，应全面的考虑各光谱水体指数的实用性和稳定性。本文对比了6 种常用的水体指数，最终选择表现最稳定的AWEI应用于内蒙古地表水的识别和提取。1990—2010年，内蒙古地表水呈急剧下降的趋势，其中2010年前后地表水的面积出现较大幅度的下降，是由于2010年发生的极端气候事件[22]，极小的降水对地表水的影响很大。2010—2015年地表水的面积有所增加和回升，表明当地人们开始注重水生态环境的保护，进行了一系列生态保护和修复工程。1990—2015年，内蒙古主要的湖泊面积整体呈逐渐下降的趋势。呼伦湖、岱海、黄旗海、呼日查干淖尔、红碱淖尔下降趋势较为明显，甚至乌拉盖湖和奈曼西湖逐渐缩减直至消失。乌梁素海由于受农业退水与排灌工程的影响面积较为稳定。人为的截流使居延海从1992年以后干涸，由于当地政府从2002年将黑河水调到东居延海，居延海经历了先缩减后恢复的过程。内蒙古属于典型的干旱半干旱区域，陆地水资源的保护和水生态的修复对于当地经济社会可持续发展具有重要的意义。内蒙古地域辽阔，气候类型各异，经济发展水平也有很大的差异，地表水存在很大的空间差异，因此在未来的生态保护中应采取分区治理的模式。在农业地区，应改进传统的灌溉方式，提高水资源利用率。减少对地表径流的截流，生态脆弱区退耕还林还草等。在草原地区，应降低放牧强度，防止草地退化，同时划定生态保护红线，禁止围湖造田、破坏湿地等。

之前大量学者已经对内蒙古地表水的变化及影响因素进行了研究，但主要关注于大型湖泊，对于研究区地表水的分析主要依据这些大型湖泊而开展，忽略了小型的湖泊及水库等地表水的变化情况。本研究对内蒙古的地表水（湖泊、河流、池塘、水库）进行了全面的提取与识别，并进一步分析了影响内蒙古地表水变化的主要因素。研究表明，内蒙古地表水在气候和人类活动的双重作用下，面积变化快速且频繁，其中人为扰动巨大，对水资源环境及其区域生态产生重大影响。

4 结论

1）AWEI水体指数阈值较稳定，有很好的实用性，更适合于研究区的地表水识别和提取。

2）在1990—2010年，地表水面积急剧下降，面积由1990年的6 717.11 km2减少到2010年的4 572.54 km2，减少面积为2 144.57 km2。2010—2015年，地表水面积有所增加，面积由2010年的4 572.54 km2增加到2015年的5 265.22 km2，增加面积为692.68 km2。兴安盟、呼和浩特市、乌海市的地表水面积在1990—2015年分别以年均1.57、0.24 和0.57 km2呈缓慢增加趋势。然而其他的9 个盟市，其水体面积都呈现出下降的趋势。

3）影响地表水变化的因素复杂多样，在气候暖干化的背景下，强烈的人为扰动是内蒙古及其各盟市地表水面积减少、湖泊萎缩的主要影响因素。