基于Google Earth Engine的湖北省近35年地表水变化特征研究

闫少锋，熊 瑶，李文豪

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉430064；2.长江勘测设计研究院，武汉430010；3.天门市水文水资源勘测局，湖北天门431700）

0 引 言

湖北省位于中国中部地区，境内湖泊星罗棋布，素有“千湖之省”的美誉，长江、汉江两大河流从境内穿过，区内降水充沛，客水丰富，水资源条件较好。

进入21世纪后，随着国家对中部地区经济发展的重视，中部地区的经济发展速度逐渐加快，导致用水需求量的激增，加之三峡水库运行和南水北调中线调水等工程的影响，使得湖北省水资源情势受到了极大的影响。除此之外，人类活动对江河湖库干扰的加剧，导致地表水覆盖情况变化明显。2000年后，湖北省内河流断流、湖泊面积萎缩现象愈加明显，地表水面临问题越来越严重。目前对于湖北省地表水的研究主要侧重于生态系统及湿地植被等方面，对湖北省地表水现状变化研究较少，同时受涉及范围广，统计难度大等因素的影响，无论从空间尺度或是时序来看，未能做到全覆盖，既不够系统也不够精细［1-10］。因此，要开展湖北省地表水覆盖变化特征研究，获取地表水全方位的特征信息极其重要，而传统手段获取的地表水特征信息不够全面，往往造成水体分布数据信息统计不够全面，特别是在地表水的长时间序列的变化方面。

随着遥感技术的发展和逐渐成熟，其宏观、实时的特点使得研究大尺度、长时间序列的地表水时空分布更加便捷，因此利用遥感研究湖北省范围内地表水的时空变化特征可以更加简便、准确。谷歌地球引擎（Google Earth Engine，简称GEE）平台不仅拥有大量的历史遥感影像数据存档而且是高性能并行运算的云服务平台，研究人员可以通过随时访问网络的API（Application Programing Interface）和基于Web 的交互式开发环境实现对云端海量数据的访问、操作以及结果可视化等。凭借此优势，谷歌地球引擎已被广泛应用于数据融合、多时相影像分类、变化检测、土地覆盖与土地利用动态监测等方面［11-16］。基于GEE 平台，使用Landsat 影像合成数据，对湖北省1984-2015年与1984-2018年的地表水覆盖变化特征进行监测和评价，旨在揭示该地区的地表水覆盖时空变化特征，为该地区河湖保护提供科学依据和技术支持，促进该地区经济、社会、水资源的可持续发展。

1 研究区域以及数据资料

1.1 研究区域

湖北省（29°01′N～33°6′N、108°21′E～116°07′E）位于中国中部地区，总面积18.59 万km2，其中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖区占20%。省内地势海拔相差悬殊，介于0～3 105 m 之间。湖北省历来为水利大省，境内河湖众多，除长江、汉江外，省内各级河流河长5 km 以上的有4 228 条，现存湖泊755 个，地表水水面面积下降幅度明显［17-19］。全省除高山地区外，大部分为亚热带季风性湿润气候，降水充沛，平均降水量在800～1 600 mm之间，降水量的季节变化明显，夏季最多，冬季最少［20］。年平均气温介于15～17 ℃之间。

1.2 Google Earth Engine平台简介

Google Earth Engine，又称谷歌地球引擎，是基于云计算的地理信息处理平台［21，22］。谷歌地球引擎是世界上最先进的、专门处理卫星图像和其他地球观测数据的云端运算平台，由谷歌、卡内基梅隆大学、美国地质调查局联合开发。该平台存储了公开可用的全球尺度上的长时间序列的遥感影像（Landsat、MODIS、Sentinel 等）和其他数据的PB 级存档，并且数据不断更新。谷歌地球引擎支持复杂的地理空间分析，包括叠加、地图代数、数组运算、影像处理、分类、变化检测、时间序列分析、影像拼接、栅格矢量转换、基于矢量的图像统计提取等。相比传统方法，谷歌地球引擎易于使用和降低了使用成本，提高了地理空间数据的计算效率，可更加便捷的开展大尺度空间分析研究［23］。借由该平台开展湖北省地表水变化研究，不仅较为便利的开展大覆盖范围研究，同时还提高了研究精度，研究结果更加可靠。

1.3 数据来源

研究过程中，所有遥感数据均通过谷歌地球引擎平台在线调用、处理。本研究的数据为谷歌地球引擎平台分别利用1984-2015年、1984-2018年期间的300 余万、380 余万张30 m分辨率的Landsat 遥感影像制作的全球地表水面积变化数据集（Global Surface Water）。平台使用专家系统将每个像素单独划分为水体覆盖/非水体覆盖，并将结果整理为2000年为界限（1984-1999年、2000-2015年与1984-1999年、2000-2018年）划分为不同时间段。数据集包含地表水覆盖面积的时间、空间的变化，如地表水的历史覆盖情况、覆盖面积增减情况、覆盖形式的相互转换以及其季节性、持续性变化特征等数据［24］。

2 结果分析

分别利用1984-2015年、1984-2018年两组Global Surface Water 数据集中的occurrence、change_abs、transition、seasonality等数据，对湖北省地表水覆盖变化特征进行分析。

2.1 湖北省地表水变化情况分析

2.1.1 地表水覆盖频率及面积

图1为1984-2018年期间区域地表水历史覆盖面积的变化情况，不同颜色代表不同的地表水覆盖频率，即某区域被地表水覆盖的年数与总年数（1984-2018年，共计35年）相除的比值（例如，某区域地表水覆盖频率值为100%则表示在1984-2018年的35年中始终有水覆盖）。图1中可见，颜色较深的区域主要为省内的大型河流、湖泊、水库，如长江、汉江、长湖、洪湖、斧头湖、梁子湖、丹江口水库以及漳河水库等。

图1 地表水历史覆盖情况Fig.1 Historical surface water coverage

对湖北省地表水历史覆盖情况进行统计，如表1所示。表中可见，湖北省在过去35年中，地表水覆盖频率为1%～100%所涉及的总面积为13 837.1 km2，占湖北省国土面积的7.4%。其中，荆州市、武汉市、黄冈市、孝感市、荆门市以及襄阳市地表水覆盖面积相对较大，分别为2 930.1、2 381.0、1 239.7、905.4、896.6 以及895.4 km2。统计地表水覆盖率介于90%～100%之间的高覆盖率面积，武汉市面积最大，达到了548.0 km2，其次为荆州市、黄石市、鄂州市以及黄石市，面积分别为415.5、217.0、209.5以及208.0 km2。

表1 1984-2018年地表水历史覆盖面积 km2Tab.1 Historical surface water coverage from 1984 to 2018

分析可见，在过去35年间，湖北省地表水覆盖面积较大，地表水先天条件较好，水资源优势明显，尤其是武汉市、荆州市、黄石市等地区。

2.1.2 地表水覆盖面积变化

图2所示，湖北省地表水覆盖面积变化情况，即省内不同区域在1984-1999年与2000-2018年两个时间段之间的地表水覆盖面积的增减情况。红色、蓝色区域分别表示地表水覆盖面积呈减少、增加趋势，绿色表示地表水覆盖面积未发生变化。

图2 1984-2018年地表水覆盖面积变化百分比Fig.2 Percent change in surface water coverage in 1984-2018

分析发现：湖北省在过去几十年中，多数湖泊、河流存在萎缩现象，白鹭湖、三湖、排湖等湖泊已基本消失、洪湖、梁子湖、斧头湖、汈汊湖等湖泊面积萎缩明显；另外，河流水文情势变化导致水位下降，从而导致河流水面面积减少的现象也同样存在。

统计1984-2015 与1984-2018 数据集中地表水覆盖面积的减少、增加量，结果如表2所示。2000-2015年较1984-1999年地表水变化情况为：地表水面积减少2 922.1 km2，增加838.1 km2，总体上减少2 084 km2，宜昌市、恩施州地表水面积呈小幅度增加趋势，其余行政区均表现为减少趋势，其中荆州市、武汉市以及黄冈市地表水覆盖面积减少趋势最为明显，减少量分别为468.9、388.6 和242.7 km2；2000-2018年较1984-1999年湖北省各行政区地表水变化情况为：地表水面积减少2 805.7 km2，增加919.1 km2，总体上减少1 886.5 km2，宜昌市、恩施州以及十堰市地表水面积呈小幅度增加趋势，其余行政区均表现为减少趋势，其中荆州市、武汉市以及襄阳市地表水覆盖面积减少趋势最为明显，减少面积分别为450、364.8 和210.8 km2。基于以上统计可知：在2016-2018年期间，湖北省地表水覆盖面积呈增加趋势，增加幅度为197.6 km2，其中有14个行政区呈增加趋势，黄冈市面积增加46.1 km2，在所有行政区中增加幅度最大。孝感市、潜江市、天门市地表水面积呈持续减少趋势，减少面积分别为39.5、35.5、12.1 km2，各行政区地表水面积变化情况详见表2。

表2 湖北省各行政区地表水覆盖面积变化情况 km2Tab.2 Variation of surface water coverage in each administrative region of Hubei province

综上分析，在过去35年湖北省地表水面积呈减少趋势的大背景下，部分行政区在近几年呈现出地表水覆盖面积增加的趋势，其应该与退垸（田、渔）还湖的推进以及“共抓大保护，不搞大开发”政策的实施有关，以上行政区的工作是值得肯定与大范围推行的。对荆州市、武汉市、襄阳市、孝感市、潜江市以及天门市等地表水覆盖面积减少幅度较大或者在持续减少的行政区，宜进行重点关注以及加大水体保护工作力度。

2.1.3 地表水季节变化

图3所示，为湖北省不同区域地表水覆盖月数情况，图中不同颜色代表了区域被地表水覆盖的不同月数（不同月数的像元相互独立，不累加，如水体覆盖月数为1的像元不会被统计入覆盖月数为2 的像元范围内），颜色越深表示被地表水覆盖月数越大。

对湖北省不同月数对应的地表水覆盖面积进行统计，如表3所示。根据图3、表3可见，在月数为1～11之间，地表水覆盖月数为1 对应的面积最大，达到了1 285.6 km2，随着月数的增大，对应的地表水覆盖面积呈递减趋势，11月份达到最低，为0 km2。月数为12，即地表水覆盖达到全年时长的面积为5 197.4 km2，面积占地达到了46.4%。以上统计分析可见，湖北省地表水达到全年覆盖的面积仅不到50%，覆盖月数为1 的地表水覆盖面积占比为11.5%，省内地表水季节性覆盖特征明显。

图3 地表水覆盖月份数Fig.3 Coverage months of surface water

表3 不同地表水覆盖月数对应面积Tab.3 The corresponding area of different months of surface water coverage

2.1.4 地表水覆盖类型变化特征

图4所示，为1984年与2018年土地覆盖类型变化的分类情况，主要展示了无水覆盖、季节性覆盖以及永久性覆盖3种状态之间的相互转变。

图4 湖北省近35年水体变化情况Fig.4 Change of surface water in Hubei province in recent 35 years

表4分别统计了2015年、2018年相较1984年，地表水覆盖面积变化情况。统计显示，1984～2015年、1984-2018年期间，永久性覆盖地表水总面积为3 691.6 km2与36 72.8 km2；新增永久性水面面积分别为692.0 km2与844.8 km2；消失的永久性水面分别为48.0 km2与35.8 km2，两个时间段永久性水面统计数据相差不大；1984-2015年、1984-2018年期间，季节性覆盖地表水总面积为3 030.2 km2与3 456.2 km2；新增季节性水面面积分别为4 276.4 km2与6 924.1 km2；消失的季节性水面分别为3 842.9 km2与2 674.8 km2，两个时间段季节性水面统计数据相差较大。

表4 湖北省近35年地表水覆盖面积变化统计Tab.4 Change statistics of surface water coverage in hubei province in recent 35 years

基于以上统计数据可见，永久性水面、新增永久性水面以及消失的永久性水面远小于与之对应的季节性水面，新增、消失的季节性水面是反应洪涝灾害的指标，可见湖北省受洪涝灾害影响的严重性。对比2015年与2018年的数据显示，在2016-2018年间，湖北省永久性水面面积呈小幅度增加趋势，季节性水面面积均呈大幅度增加趋势，其分别与退垸（田、渔）还湖工作的推进以及2016年“98+”大洪水有关。

2.2 典型湖泊地表水变化情况分析

由于湖北省湖泊众多，无法一一展示，为了更加直观的展示地表水覆盖的变化情况，以具有代表性的汈汊湖、洪湖为例，展示1984-2018年近35年来汈汊湖、洪湖以及其周边地表水历史覆盖、变化特征以及季节变化等情况，如图5、图6所示。

图5 1984-2018年汈汊湖地表水变化情况Fig.5 The surface water change of Diaocha lake in 1984-2018

图5（a）、图6（a）所示为汈汊湖、洪湖地表水历史覆盖情况。统计显示，汈汊湖、洪湖地表水历史覆盖面积为89.9 km2、350.9 km2，其中，如将历史覆盖为90%～100%的区间范围定义为全时段覆盖，汈汊湖全时段覆盖面积占比为0，洪湖占比为62.7%。基于以上统计可知，目前汈汊湖已基本无全时段覆盖性水面，虽然洪湖还有较大面积的全时段覆盖性水面，而同时也还应意识到被誉为“湖北之肾”的洪湖，有面积占比近40%的湖面为非全时段覆盖性水面，湖面存在明显退化的趋势。

图5（b）所示，在过去35年中，汈汊湖减少面积约为27.9 km2，增加面积为7.5 km2，总减少幅度为21.3%；图6（b）所示，洪湖减少面积约为30.5 km2，增加面积为6.7 km2，总减少幅度为7.2%。同时还可以发现，汈汊湖上方的汉北河水面覆盖面积减少明显，部分河段断流现象较为严重，洪湖右下方的长江虽无断流现象，但是部分河道变窄现象明显，同样不容忽视。

图5（c）、图6（c）分别为汈汊湖、洪湖地表水不同覆盖月数对应面积进行统计分析。图中可见，汈汊湖地表水覆盖月份主要以短期覆盖为主，其原因主要与多年来人为影响下汈汊湖的地表覆盖变化有关。自20世纪80年代起，汈汊湖由“汛期一片汪洋，汛后芦丛草荒”的“河间洼地湖”逐渐转变为封闭型淡水湖泊，随着时间的推移，目前汈汊湖已经演变为以水产养殖为主、水面呈季节性变化的水体。对于汈汊湖来说，虽然其地表水覆盖面积的季节性特点主要与人为活动有关，但是对汈汊湖为数不多的、覆盖时长相对较大的水面的保护亦不能忽视，以及在退渔还湖的背景下，汈汊湖的保护宜重点考虑。洪湖在人类活动的影响下，约有20%的面积目前处于季节性有水的状态，对于此类的保护不容忽视，以防湖泊面积萎缩程度增加。

图5（d）、图6（d）以及表5为汈汊湖、洪湖地表水覆盖变化情况统计结果。表5中可见，汈汊湖地表水覆盖主要以季节性水面为主，季节性水面面积为29.3 km2，2018年较1984年增加43.4 km2季节性水面；洪湖地表水覆盖情况显示，永久性水面、新增永久性水面占比约为77.5%，新增季节性水面占比约为18.0%，与前文分析结果一致。

图6 1984-2018年洪湖地表水变化情况Fig.6 The surface water change of Diaocha lake in 1984-2018

表5 1984-2018年汈汊湖、洪湖地表水覆盖变化Tab.5 Surface cover change of Diaocha lake and Honghu lake in 1984-2018

3 讨论与结论

在早期的工业化、城市化进程中，因对湖泊保护不够，导致湖泊数量锐减。随着社会发展，人们对环境保护的认知程度提高，特别是大力倡导水生态文明建设以后，破解建设发展与湖泊保护的矛盾越来越受到公众关注［25］。在过去几十年来地表水覆盖情况变化与近年来水资源大保护政策逐步推进的背景下，对湖北省地表水的历史、现状以及变化情况进行了分析，并对典型湖泊进行了专门分析，旨在对地表水多年变化情况做一些探索工作，以期通过以上分析为湖北省地表水研究提供支撑。

基于Google Earth Engine 对湖北省1984-2015年、1984-2018年的地表水变化情况进行了研究，主要结论如下。

（1）对湖北省地表水历史覆盖情况进行统计的结果显示，在过去35年中，湖北省地表水历史覆盖面积较大，面积约为13 837.1 km2，占湖北省国土面积的7.4%。其中荆州市、武汉市、黄冈市、孝感市、荆门市以及襄阳市地表水覆盖面积相对较大，分别为2 930.1、2 381.0、1 239.7、905.4、896.6以及895.4 km2。湖北省地表水先天条件较好，水资源优势明显。

（2）地表水覆盖面积变化情况分析显示，在过去35年中，湖北省地表水覆盖面积减少1 886.5 km2，总体来说，面积减少幅度较大，湖北省湖泊萎缩、河流水面变窄现象明显。在湖北省地表水面积总体减少的趋势下，统计显示，2016-2018年湖北省地表水面积增加幅度为197.6 km2，其原因应与退垸（田、渔）还湖的推进以及“共抓大保护，不搞大开发”政策的实施有关，在大保护的背景下，湖北省地表水覆盖有向好趋势。

（3）地表水季节性变化情况显示，湖北省地表水覆盖月数1～11间，月数为1的地表水覆盖面积约为1 285.6 km2，随着月数的增加地表水覆盖面积呈逐级减小趋势，覆盖月数为11的地表水覆盖面积为0 km2。覆盖月数为12 个月的面积约为5 197.4 km2，占比约为46.4%，湖北省地表水季节性覆盖特征明显。

（4）地表水覆盖类型的变化情况显示，湖北省的永久性水面面积占比较小，新增、消失的季节性水面面积变化较大，其与一直以来湖北省受涝灾影响严重有关。2016-2018年的地表水覆盖类型变化显示湖北省永久性面积呈小幅度增加趋势，水生态文明保护与建设已初现成效。

（5）对典型湖泊汈汊湖、洪湖的分析结果显示，其水面面积变化情况与湖北省地表水总体变化趋势一致。不论是已经几乎完全被人为干涉的汈汊湖，还是虽然还有较大水面面积，但是退化趋势明显的洪湖，抑或是湖北省的其他河流、湖泊，在历史的进程中，不可避免地在人为、自然的影响下，面临着各种威胁，出现萎缩、退化等问题。而2016-2018年的统计结果显示，在水生态文明保护与建设的推动下，地表水覆盖呈现向好趋势。相信随着河湖保护政策推行的逐步深入，未来必将实现“千湖之省，碧水长流”的美好愿景。

4 展 望

湖北省是水利大省，同时也是洪涝灾害的重灾区。在过去几十年中，随着社会经济的发展、人类活动的影响，湖北省范围内河流、湖泊被挤占现象严重，地表水面积萎缩破坏了原有河湖水系平衡，导致蓄水能力下降、洪水位不断抬升、江湖关系改变等问题的出现，从而加重了防洪负担。在极端气候频繁出现的影响下，防汛压力变得越来越重。随着经济与社会发展水平的逐步提高，人们对防汛减灾的要求越来越高，同时，在全面建设小康社会的新形势下，防汛建设的经济效益和社会效益显得愈发突出。

在此背景下，本文开展的过去几十年湖北省地表水面积变化、地表覆盖类型变化等方面的研究，可以明确地表水面积变化规律，为防汛工作的开展提供技术支撑，保障湖北省经济快速发展。在未来，将继续深入开展此方面的研究，以期助力湖北省防汛建设和经济发展。