近35年贵州威宁草海国家级自然保护区水域面积变化遥感监测*

宋善海，李慧璇，黄林峰，石 悦，李 雪

(贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002)

湿地兼有水域和陆地生态系统特点，是维持生态平衡和水平衡的重要调节器，对气候的波动变化极为敏感，对维持和调节区域生态环境可持续发展具有不可替代的作用[1]，受到广泛关注和重视。威宁草海是国家一级重要保护湿地，是一个完整的、典型的喀斯特高原湿地生态系统[2]，草海历史上多次经历了消亡、复苏的过程[3]，是一个典型的自然历史的综合体草海。随着城镇化的快速发展，对草海的保护显得极为重要，对水位的监测是草海保护工作的重中之重。因此，采取效率高、适用性强的方法对草海进行监测必不可少。卫星遥感技术快速发展的背景下，利用遥感技术提取水域信息，掌握湖泊动态变化已成常态，其具有速度快、监测周期短、信息量大等优点，监测结果对湖泊、湿地的保护与可持续发展有着极其重要的作用[4-6]。

遥感技术可获取客观、大面积、连续性的当下与历史上的地表信息[7]，利用遥感影像数据，综合运用地理信息系统技术空间提取分析功能可以有效地获取和分析湖泊水域变化信息[8-9]，为揭示湖泊的动态变化特征提供数据与技术支撑。如李均力等[10]利用Landsat长时间序列遥感数据，得到青藏高原1970—2009年四个时段的湖泊变化图，分析了三十多年来高原内陆封闭流域内湖泊变化的时空特征；牛沂芳等[11]采用中巴资源卫星自1999年至2007年长时间序列的影像数据，绘制了西藏玛旁雍错、纳木错、普莫雍错三大湖泊湖面变化解译图，并对其与水位数据、气象特征因子的相关性进行了分析。刘瑞霞等[12]利用NOAA/AVHRR气象卫星数据，定量估算了近20年青海湖湖水面积并分析了变化趋势，得到了青海湖地区降水减少、气温升高、蒸发量增加是青海湖湖水面积逐年减少的主要原因。基于遥感技术的湖泊湿地水体监测的应用还有很多[13-17]，但对贵州威宁草海地区的遥感动态监测还较欠缺，因此，有必要进行威宁草海水域面积的研究，以期为草海的生态环境保护与可持续发展以及行业相关研究提供参考。

研究以Landsat5、高分1号遥感影像为基础数据，选取6期Landsat5数据和2期高分1号影像为数据源，运用PIE、ENVI、ARCGIS等软件对草海不同时期的水域范围进行提取，并探讨草海水域面积的时空变化特征。

1 研究区概况

威宁草海国家级自然保护区位于云贵高原中部顶端的乌蒙山麓腹地，地处贵州省西北边缘威宁县城西南隅[18]，地理坐标为北纬26°47′32″～26°52′52″，东经104°10′16″～104°20′40″，中心湖区东西长约9 km，南北宽约4 km。海拔2171 m，气候为亚热带半湿润季风气候，夏季凉爽湿润，冬季温暖干燥。当地年平均气温10.6 ℃，年平均降水量约950.9 mm，相对湿度为79%。由于草海湖盆开阔、湖水浅，当地日照时数高，光照充足，生物多样性极为丰富，栖息着100多种珍奇水鸟，也是中国特有的高原候鸟黑颈鹤的越冬地，素有“鸟的王国”之称，成为我国重要的生物多样性保护区域之一，也是湿地保护区科学研究的重要基地[19-20]。草海湿地及其流域生态系统是中国西南地区极其重要的高原高寒湿地生态系统，对西南地区气候变化、区域生态安全以及社区经济发展都有重要影响。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

2 研究数据与预处理

研究数据优先选取草海冬春季节的影像，因为冬春季是鸟类在草海最为活跃的时段，社会各界对草海湿地的关注最高，再加上贵州属于中国自东向西地势抬升的特殊地理位置上，阴雨天气日数较多，在冬春季的影像质量会优于其他季节。研究共获取了Landsat与高分1号两颗卫星8期数据，Landsat是美国陆地探测卫星系统，1972年开始发射第一颗卫星Landsat-1，目前已经发射了8颗卫星，积累了大量的对地历史的观测数据，选取其1986—2010年间6期影像，数据来自中科院的对地观测数据共享计划网站(http：//ids.ceode.ac.cn/Index.aspx)，空间分辨率为30 m；高分1号是我国“高分系列”中的首颗星，2013年发射并投入使用，空间分辨率16 m，研究选取2015年、2019年2期卫星数据。卫星具体参数见表1、表2。除1986年的影像存在坏道情况外，其余筛选出来的影像质量完好，云量低，能够清晰地识别出水域范围。对研究数据进行辐射定标、大气校正、几何校正、裁剪、地理配准等一系列预处理过程，结果如图2所示。

表1 波段参数表Tab.1 Band parameter table

表2 遥感影像数据Tab.2 Remote sensing image data

3 草海湿地水域边界快速提取

传统的提取水域分布的方法多是基于ENVI或ARCGIS软件，计算水体指数，确定阈值后，进行提取，再将其转换为矢量数据，步骤繁琐，耗时较长。研究利用北京航天宏图公司开发的国产遥感软件PIE Basic 6.0开展水域提取工作，可直接针对水体像元进行运算、提取水体范围并生成矢量数据，一步到位，操作简便，以草海一景数据为例，通常2～3 s即可完成提取。

图2 遥感影像预处理结果Fig.2 Image preprocessing results

具体实现过程如下：加载裁剪之后的草海影像，在PIE菜单的信息提取模块调用魔术棒工具，在草海水体像元上点击鼠标进行水体信息采集，软件会自动进行检索。其原理是以当前标记的中心点为准，不断向周边进行标记搜索，将中心点的RGB均值与周边像素RGB均值做差，当差值在设定的阈值范围内时，水域则被提取出来，进而实现对草海水域范围的精确提取。因此，不同的RGB组合方式会对水域提取的结果影响显著，为了找到最佳的提取水域的波段组合方式，对比了高分1号4个波段几种常用的波段组合方式提取效果，见图3。

图3 不同波段RGB组合水域提取结果对比图Fig.3 Comparison of water extraction results of RGB combination of different bands

通过对比高分1号数据4个波段的不同组合方式提取结果发现：1)RGB通道为1-2-3与RGB通道3-2-1结果是一致的，因此不同的波段顺序只会改变其显示的色调差异，不会对水域提取产生影响；2)高分1号卫星的组合方式存在1-2-3、1-2-4、1-3-4、2-3-4四种情况，对比分析发现，1-3-4组合方式没有将东北部的湿地完全提取出来，1-2-3、2-3-4组合方式将大量的植被区错分为水域；效果最佳的1-2-4组合方式，能准确地把水域范围提取出来，其对应的波段范围是近红外波段、绿波段、蓝波段。Landsat-5波段在近红外波段、绿波段、蓝波段的设置与高分卫星波段的设置十分相近，同样均基于此3个波段的组合方式进行水域边界的提取。

4 结果分析

根据上述方法，快速得到威宁草海国家自然保护区1986年4月、1990年1月、1995年12月、2000年1月、2005年2月、2010年2月、2015年11月、2019年12月的水域边界信息，如图4。

4.1 草海水域面积数量变化

对提取的水域矢量边界加载投影信息并计算水域范围大小，定量分析草海的水域面积变化情况，得出草海1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年水域面积分别为：15.45 km2、16.64 km2、26.27 km2、25.84 km2、24.85 km2、23.15 km2、29.76 km2、29.91 km2。

图4 1986—2019年水域提取结果Fig.4 Results of water extraction from 1986 to 2019

表3 1986—2019年草海水域面积及其动态变化度Tab.3 Water area of Caohai and its dynamic change degree from 1986 to 2019

可以看出：1)草海水域面积整体呈现“阶梯状”的上升趋势，1986年冬季的水域面积仅为15.45 km2，2019年面积达到了29.91 km2，增加了近一倍，总体动态变化度为82.32%，表明草海湿地40年来的保护成效显著，水域面积增加明显，水环境得到较好的保护和恢复。2)从图5中可以看出，40年中草海上水域面积变化可大致划分为五个阶段，1986—1990年为第一个平稳恢复区，该阶段的威宁草海的生态价值被重新认识，建立了自然保护区，各界都在积极探索草海湿地的恢复之路，此刻的草海正处在一个缓慢的恢复时期，水域面积略微增加，但整体的增速并不十分显著；1990—1995年是草海水域面积迅速增加时期，是典型的面积上升期，从1990年的16.64 km2升至26.27 km2，增加了9.63 km2；1995年至2010年草海水域面积进入第二个平稳期，水域面积最大值与最小值只差3.12 km2，平均水域面积为25.03 km2；2010年至2015年，草海水域面积再次进入上升期，从23.15 km2增加至29.76 km2；2015年到2019年草海进入第三个平稳区，冬季水域面积均在29 km2以上，保持一个较稳定的水平。

图5 1986—2019年草海水域面积变化图Fig.5 Changes of water area of Caohai from 1986 to 2019

4.2 草海水域面积空间变化

不同时期的草海水域空间上也存在显著的变化特征，由图6可知，1986年到2019年的35年间，水域范围向四周均有不同程度的扩张，且东西向的扩张程度远大于南北向，是一个典型的东西向扩张型湖泊。1986—2005年，水域扩张的面积约9.5 km2，集中在东部和西部，水域范围向东部延伸了2.6 km，向西部延伸0.8 km，南北扩张不显著。2005—2019年草海的水域扩张程度有所降低，扩张面积为5.06 km2，扩张区域还是东部与西部，南北向仍不显著。究其原因，扩张现象一方面与草海地形地势密切相关，草海湖盆南北向坡度大、坡长短，东西向坡度小、坡长长，在水位缓慢抬升过程中，水域范围会优先往东西向扩张。另一方面草海南北向距离居民点十分接近，受修建护栏、堤坝工程等影响，导致南北向水域变化不明显，东西向人-湖之间有较长的浅滩、沼泽作为缓冲地带，成为影响草海扩张一个重要因素。

图6 1986—2019年草海水域面积变化图Fig.6 Changes of water area of Caohai from 1986 to 2019

4.3 不同时期草海保护政策对水位变化的影响分析

草海历史上多次经历了消亡、复苏的过程，是一个典型的自然历史的综合体草海。草海湿地的生态状况受人类活动、政策取向等社会因素的影响极大。为解决人民的温饱，1950年草海开始大规模的人为排水，围湖造田，给草海造成近乎毁灭性的破坏，水域面积急剧缩小，到了1972年，草海仅存5 km2水域及部分沼泽，周边的森林覆盖率极速下降，草海生态系统濒临崩溃。1981年7月，对于草海的重要性各界形成共识，决定开始恢复草海自然保护区。1982年，首期蓄水工程竣工，设计水位高程2171.7 m，相应水域面积为19.80 km2。1985年，决定建立草海综合自然保护区，并列为省级重点自然保护区，成立保护区管理处进行管理，这也标志着草海进入了生态恢复的新时期。这与研究结果中草海1986—1990年草海进入第一个恢复区的结论一致。到1992年，草海被批准为国家级自然保护区，也使得草海在1990—1995年间水域面积迅速提升，对应着进入第一个显著上升期。在1995—2010年的15年间，草海几乎处于一个较为稳定的状态，期间水域面积变化并不显著。2010年之后，“绿水青山就是金山银山”等新的生态发展理念的提出，草海也再次迎来了水域面积的第二个显著上升期，这与研究结果高度吻合。2015年启动的贵州草海生态环境保护与综合治理工程[21]，草海的保护与治理开始走向规范化；2017年贵州省科技重大专项计划项目“草海流域生态保护与综合治理工程支撑技术集成示范”启动，保护力度的加强也使得草海进入了新的稳定期，2015年至2019年草海冬季水域面积都能维持在29 km2以上。综上所述，草海是一个受自然、人类活动影响十分显著的自然综合体，其水域面积与各时期的政策实施、保护力度息息相关，人类活动在草海的生态环境保护、发展演化中也扮演着重要的角色。

5 结论

遥感数据的优势在于客观的记录着地表的历史，通过分析时序的遥感卫片，就能实现动态监测，对于揭示地表演化过程意义重大。研究利用8期遥感影像数据，运用PIE软件快速提取草海各时期冬春季节的水域范围，并分析近35年来威宁草海水域的变化特征，主要结论如下：

1)PIE软件可以快速对草海水域面积进行提取，单景数据提取效果精度高、速度快，相较于传统的方式，步骤简单，大大提高工作效率。不同的RGB组合方式对水域结果不同，通过分析高分1号卫星的提取效果，得到1-2-4即近红外波段、绿波段、蓝波段的RGB是最佳的组合方式，水域提起效果最佳。

2)草海水域面积近35年来呈现显著的增加趋势，呈现“阶梯状”的上升姿态，1986年冬季的水域面积仅为15.45 km2，2019年面积达到了29.91 km2。1986—1990年是恢复稳定期，水域面积略微增加，但并不显著，平均水域面积为16.04 km2；1990—1995年是显著的上升期，1995—2010年再次进入稳定期，平均水域面积为25.03 km2；2010—2015年进入第二个上升期，2015年至2019年进入新的稳定期，面积维持在29 km2以上的较高水平。

3)从空间上看，1986年到2019年的35年间，水域范围向四周均有不同程度的扩张，但东西向的扩张远大于南北向，是一个典型的东西向扩张型湖泊。

4)草海水域面积变化在不同的时期均受到人类活动与政策指向的影响，早期的“围湖造田”对草海的破坏显著，随着生态保护意识的不断强化，草海生态地位的不断提高，一系列的如省级自然保护区成立、国家级自然保护区成立、生态保护措施实施、综合治理工程启动等等，都积极的推动着草海的水环境朝着良性的方向发展，与研究提取的水域变化特征结果吻合。