基于多源遥感数据的乌伦古湖面积动态变化分析

2021-04-09李炎臻刘小慧李毓炜高凡

水利水电快报 2021年3期

李炎臻刘小慧李毓炜高凡

摘要：为精准研究乌伦古湖面积变化趋势，利用研究区1989～2017年高分辨率Landsat遥感影像，在分析不同水体提取方法优劣的基础上，利用改进的归一化差异水体指数法提取乌伦古湖水体面积，识别乌伦古湖面积的时空变化特征。结果表明：乌伦古湖水体面积 2002年最大（1 045.33 km2）， 2006年最小（1 010.03 km2 ）。总体而言，近30 a乌伦古湖水域面积变化呈扩张-缩小-扩张-相对稳定的动态变化特征。2002～2006年为湖泊萎缩最显著的时期，与该时期乌伦古河出现季节性断流导致入湖水量急剧减少的现象一致。

关键词：面积变化;乌伦古湖;多源遥感数据;归一化差异水体指数法;干旱区内陆湖泊;新疆维吾尔自治区

中图法分类号：P343.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.005

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0029 - 05

1 研究背景

干旱区内陆湖泊是干旱区气候变化敏感的指示器[1]，同时是维持干旱地区脆弱生态环境安全和绿洲经济可持续发展的重要资源载体。干旱区湖泊的形成与演化不仅能引起区域内生态环境变化，更能在一定程度上反映更大区域乃至全球的气候变化特征。系统开展干旱区内陆湖泊动态变化研究，有助于科学识别和正确评估气候变化和人类活动在湖泊演化过程中的作用，为维护区域水安全及合理开发利用水资源提供科学依据，具有重要的科学意义和现实意义。国内外专家学者基于多种方法对干旱区内陆湖泊变化展开研究，近年来，卫星遥感技术的高速发展为大尺度水文监测提供了有力手段，借助遥感技术可有效实现对大尺度湖泊水域面积的监测研究[2]，如Chen等[3]利用 Landsat 探索了阿拉斯加州 Yokon 地区湖泊面积变化的时空格局，并建立多元线性回归模型量化湖泊面积的时间变化;刘旭隆[4]选取1989～2018年6期Landsat系列遥感影像提取分析岱海湖泊面积。结果表明，岱海湖泊面积呈递减趋势。

乌伦古湖是中国十大淡水湖之一，属典型内陆干旱尾闾湖泊，是我国西部阿勒泰山绿洲与古尔班通古特之间的重要天然屏障，具有关键的生态安全功能[5]。近年来，随着该区域高强度人类活动叠加气候变化影响，乌伦古湖入湖河流乌伦古河出现了常态化季节性断流，并由此衍生了一系列水生态与环境问题[5-6]。在此背景下，乌伦古湖作为尾闾湖泊，其面积的时空动态变化特征和趋势研究对于指示该地区气候变化，保障该区域水生态安全，促进该地水资源合理开发、利用与保护等具有必要性和重要意义。迪丽努尔·阿吉等[7]选用20世纪80年代后期以来不同时期的 Landsat 卫星遥感影像，从新疆维吾尔自治区北、南、东和西北 4 个方向分别选择了乌伦古湖、博斯腾湖、艾丁湖和艾比湖等典型湖泊做为研究对象，对其湖泊水域面积的动态变化展开了遥感监测与研究。结果表明：自20世纪80年代后期，新疆维吾尔自治区的湖泊水域面积呈现不同程度的扩大趋势，其中乌伦古湖水域面积由 1989 年的 862.1 km2 扩大到 2002 年 899.3 km2。李龙等[8]基于 2000～2014 年 Landsat TM、ETM+遥感影像，通过人工目视解译提取中国内流区面积大于 100 km2 的湖泊边界矢量数据，并据此对中国内流区主要湖泊的分布、面积变化及成因进行分析。结果表明：2000～2014 年，中国内流区湖泊总面积以231.95 km2/a的平均速度持续增大，总计增加3 247.33 km2，其中柴达木盆地和青藏高原腹地湖泊面积持续增大，塔里木盆地和准噶尔盆地湖泊面积在 2003 年之后持续萎缩。从以往资料可以看出，现有乌伦古湖水域面积变化研究成果缺乏对研究区长时间序列的系统分析，且数据来源不一、技术参差不齊、时间序列普遍较短、监测时相各不相同。基于此，本文在前人研究基础上，选取乌伦古湖1989～2017年近30 a合计7期Landsat系列遥感影像，综合利用3S等技术和空间数据处理、信息提取解译、海量数据建库、集成管理分析等方法[9-11]，监测分析研究区近30 a湖泊水域面积时空变化特征及演变趋势，以期为维护区域水安全及合理开发利用水资源提供科学依据。

2 研究区概况

乌伦古湖（46°51′～47°25′N，86°59′～87°34′E）是新疆维吾尔自治区准噶尔盆地额尔齐斯河与乌伦古河之间的一个断陷湖，也是新疆第二大湖泊，位于新疆阿勒泰地区福海县附近（见图1）。乌伦古湖属于典型内陆干旱区半封闭型湖泊，湖区分为大湖区（布伦托海）和小湖区（吉力湖），湖泊容量分别为95.47亿m3和17.20亿m3，平均水位高程约479.1 m，平均水深约8 m，两湖区由7 km长的库依尔尕河相连[6，12-13]。乌伦古湖地处欧亚大陆腹地，属典型中温带大陆性季风气候，光照充足，热量丰富，降水量少，蒸发量大。根据福海县气象资料统计，湖区多年平均降水量121.9 mm，多年平均蒸发量高达1 830 mm，多年平均入湖水量约0.132亿m3，主要补给水源是乌伦古河和额尔齐斯河，湖区水量基本能够维持平衡[13]。

3材料与方法

3.1 数据获取和处理

3.1.1 数据获取

研究选取1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年，时段在7～9月期间（云量均小于10%）的多期Landsat系列卫星遥感影像数据作为基础数据源（见表1），来自美国地质调查局网站（http：//www.usgs.gov/）。气象资料（降水、气温、蒸发）选取乌伦古湖入湖口附近的国家级气象站（福海站）1989～2017年逐月降水、气温数据，数据来源于中国气象数据共享网（http：//cdc.cma.gov.cn/）。

3.1.2 数据预处理

具体流程如下：①根据水体光谱特性进行多源影像假彩色合成;②进行去除条带（个别时期影像）、辐射校正、几何校正配准、图像信息增强、图像融合裁剪等处理，将数据制成统一坐标体系存储的GeoTIFF格式的遥感影像图，同时对多源遥感影像进行整合、处理等操作，为后期的水体信息提取、面积计算等分析奠定基础;③通过野外踏勘重新布置控制点，进行多源影像数据的野外验证及修正处理。数据预处理流程见图2。

3.2 基于改进归一化差异水体指数法的水体面积提取

目前，利用遥感影像提取水体面积的方法主要包括单波段阈值分析法、多波段谱间关系法、目视解译法、归一化差异水体指数法、改进的归一化差异水体指数法和HIS变换法等[8，14-16 ]。研究区乌伦古湖地处福海县与古尔班通古特沙漠过渡区域，地势平坦、地物要素类型单一，影像数据源涉及TM、OLI两种影像，通过对各种水体面积提取方法比较分析后，本研究采用提取效果较佳的、改进的归一化差异水体指数法（MNDWI）进行水体信息提取，该指数可有效增大水体与建筑物之间的反差，减少二者混淆程度，有利于水体要素信息解译提取[17]。计算公式如下：

式中：Green为绿光波段，对应TM影像的Band2或OLI影像中短波红外Band1（SWIR1）代替;MIR为中红外波段，对应TM影像的Band5或OLI影像的Band6;计算后水体MNDWI具有的是正值，而植被和土壤是零或者负值，因此能够将水体和植被土壤区分开。

研究区采用ENVI 5.3软件提取水体信息，并辅以基础测绘成果数据修正。具体如下：①按照水体样区选择、MNDWI计算、阈值调整、密度分割、斑块去除、格式转换、面积计算、野外踏勘、验证修正等工作流程，通过人机交互解译法提取完成符合精度要求和统一空间参考的多期水体矢量要素数据集;②选取湖泊面积变化相对较大的骆驼脖子、中海子、小海子、乌伦古河入湖口等区域为验证中心，借助Google Earth高分辨率影像，人工选择影像控制样点，保证样点均匀分布于待验证区域当中。其中，人工检测控制样点残差，确保残差在1个像元内，控制样点总数不少于25个。通过控制样点数据与GPS技术野外考察观测点数据叠加分析，对于明显错分或漏分区域人工做出修改，以此完成解译结果的修正及评价;经统计，该方法的总体分类精度高达95%，符合项目研究精度要求;③基于ArcGIS 10.4.1平台对多期水体矢量数据集进行叠加分析，得到研究区1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年共计7期湖泊面积及变化信息;④根据数据获取状况及未来持续监测研究需要，设计数据表空间、数据集、特征类、栅格目录等建库命名规范，并按照统一的数据基础，即2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，分别构建基础地理、遥感影像、水体专题三大数据库。其中，基础地理、遥感影像、水体专题等空间数据以ESRI公司的SDE命令方式进行入库，以此实现研究区多时期水体数据信息的统一集成管理[10-13，14-18]。具体水体信息提取流程见图3。

3.3 湖泊面积变化动态度

湖泊面积动态度是指某一地區一定时间范围内湖泊面积的变化，可以反映不同时期湖泊面积变化的剧烈程度，其表达式[19-20]为

式中：K为研究时段内湖泊面积动态度;Ua 和Ub 分别为研究初期和研究末期的湖泊面积，m2;T 为研究时段长，当T的时段设定为年时，K 值就是该研究区湖泊面积的年变化率。

4结果与分析

4.1 乌伦古湖水域面积年际变化特征

基于ArcGIS 10.2平台对7期乌伦古湖水域面积进行叠加分析，得到1989～2006年、2006～2017年不同时期研究区水域面积变化结果（见图4，图5，表2）。可以看出，近30 a布伦托海水域面积变化特征表现为：①1989～2002年，水域面积呈持续增加趋势，由1989年的853.03 km2增至2002年的878.13 km2，14 a间增加了25.1 km2，年均变化率为0.03%。1989～1998年水域面积增加较为显著（累计增加了13.71 km2，年际变化率为0.16%）;②2002～2006年，水域面积呈持续缩减趋势，由2002年的878.13 km2缩减至2006年的842.73 km2，累计减少35.40 km2，年均变化率为-0.8%;③2006～2015年，水域面积继续呈增加状态，由2006年的842.73 km2增至2015年的863.97 km2，10 a间水域面积增加了21.24 km2，年均变化率为0.04%。2010至2015年水域面积增加较为显著（累计增加了16.19 km2，年际变化率为0.32%）;④2015～2017年，水域面积呈小幅减小趋势，由2015年的863.97 km2减至2017年的861.79 km2，面积变化为-2.18 km2，年均变化率为-0.03%。总体而言，1989～2017年，布伦托海水域面积呈现出自然性扩张（1989～2002年）-萎缩性递减（2002～2006年）-恢复性增加（2006～2017年）的动态变化特征。

同布伦托海水域面积动态变化特征一致，1989～2006年近30 a间，吉力湖水域面积变化特征表现为：①1989～2002年，水域面积呈小幅持续增加状态，由1989年的176.65 km2增至2002年的179.21 km2，14 a间水域面积增加了2.56 km2，年均变化率为0.02%;②2002～2006年，水域面积呈持续减小趋势，由2002年的179.21 km2减至2006年的167.31 km2，面积累计减少了11.90 km2，年均变化率为-0.27%;③2006～2010年，水域面积呈持续显著增加趋势，由2006年的167.31 km2增至2010年的185.24 km2，5a间水域面积增加了17.93 km2，年均变化率为0.43%;④2010～2017年，水域面积呈小幅缩减趋势，由2010年的185.24 km2减至2017年的171.79 km2 ，水域面积减小了13.45 km2，年均变化率为-0.22%;总体而言，1989～2017年，吉力湖水域面积呈现出自然性扩张（1989～2002年）-萎缩性递减（2002～2006年）-恢复性增加扩张（2006～2015年）-波动性稳定（2015～2017年）的动态变化特征。

4.2 乌伦古湖水域面积年代际变化特征

近30 a乌伦古湖水域面积年代际变化特征见表3。20世纪90年代乌伦古湖水域平均扩展面积为20世纪90年代面积变化值的平均值，参与计算的年份为1989，1998年;21世纪与2010年以来的算法相同，其中，21世纪参与计算的年份为2002，2006年，2010年以来参与计算的年份为2010， 2015， 2017年。由表3可以看出， 20世纪90年代乌伦古湖呈扩张状态，进入21世纪至2010年之前，乌伦古湖水域面积呈持续萎缩趋势。2010年至今，由于引额补水工程，水域面积呈恢复性增长趋势至动态稳定状态。1989～2017年近30 a，乌伦古湖水域面积经历了扩张-萎缩-恢复的动态变化过程。

4.3 乌伦古湖面积动态度变化

近30 a乌伦古湖水域面积动态度变化分析结果见表4。由表4可以看出，在1989～2006年间，乌伦古湖水域面积减少了19.65 km2，缩小了2%，湖泊面积动态度为-0.11%。在2006～2017年期间，乌伦古湖水域面积增加了23.54 km2，增加了2%，湖泊面积动态度为0.21%。结合表2和图3、图4综合看，1989～2017年近30 a间，乌伦古湖先后经历了由扩张再到萎缩再到动态稳定的过程，乌伦古湖水域面积整体动态度呈稳定状态。

5结论

本文通过选取乌伦古湖1989～2017年近30a合计7期Landsat系列遥感影像，综合利用3S等技术和空间数据处理、信息提取解译、海量数据建库、集成管理分析等方法，采用改进的归一化差异水体指数法，监测分析研究区近30 a湖泊水域面积时空变化特征，主要结论如下：

（1）1989～2017年，布伦托海水域面积呈现出自然性扩张（1989～2002年）-萎缩性递减（2002～2006年）-恢复性增加（2006～2017年）的动态变化特征。2010～2015年水域面积增加最为显著，5 a间累计增加16.19 km2，年际变化率为0.48%。

（2）1989～2017年，吉力湖水域面积呈现出自然性扩张（1989～2002年）-萎缩性递减（2002～2006年）-恢复性增加（2006～2015年）-波动性稳定（2015～2017年）的动态变化特征。

（3）近30 a乌伦古湖湖泊面积的变化趋势在整体上表现为扩张-萎缩-恢复性稳定的动态变化趋势，2002～2006年为湖泊萎缩最显著的时期，与该时期乌伦古河出现季节性断流导致入湖水量急剧减少对应。

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