基于GEE的湖北省近30年湖泊及其岸线演变分析

廖文秀，陈奕云，2，赵 曦，温旭昶

（1.武汉大学，a.资源与环境科学学院；b.测绘学院，武汉 430079；2.剑桥大学发展研究中心，英国 剑桥CB3 9DT）

湖泊作为山水林田湖草生命共同体的组成部分，既能调节气候环境，又是抵御洪水灾害、减轻干旱的一道天然屏障［1］。中国湖泊众多，湖泊被占用日益严重与淤积导致其调蓄洪水能力下降，抵抗干旱能力薄弱［2］。湖泊岸线是湖泊水陆边界线周边或两侧的带状区域，有着行洪、保障湖泊水生态环境的重要作用［3］。为加强对湖泊及其岸线的管理，2016年12月，国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，2017年11月又印发了《关于全面推行河长制的意见》，均提出要加强河湖水域岸线管理与保护；2019年3月，水利部印发了《河湖岸线保护与利用规划编制指南（试行）》，针对常年水面面积1 km2以上湖泊，明确了其岸线边界线分为临水边界线和外缘边界线。湖北省地处长江中游，是重要的湖泊分布区。20世纪50年代全省有百亩以上的天然湖泊1 332个，“千湖之省”由此得名。然而，2012年“一湖一勘”摸底调查时仅存755个，减少接近50%，同年湖北省颁布《湖泊保护条例》，将湖泊保护上升到省级战略；2014年湖北省实行湖长制，到2017年在全国率先建立河湖长制体系，健全了湖泊保护的机制。

遥感技术的发展促进了湖泊的监测与管控，利用遥感技术提取湖泊水域边界和面积等信息已成为研究湖泊的重要方法之一［4］。在利用卫星影像提取湖泊岸线进行分析方面，国内学者进行了大量研究。对于遥感数据的选择，考虑到获取的范围、时效性及成本，主要利用Landsat系列卫星数据［5］，根据研究需要也可选取MODIS数据作为数据源［6］；为提高提取准确性，近年来一些高分辨率遥感数据也开始投入研究，如国产GF-1、GF-2卫星遥感影像［7，8］、Sentinel-2卫星遥感影像［9］等。传统的湖泊边界提取方法包括单波段阈值法［10］、归一化差异水体指数（NDWI）法［11］、改进的归一化差异水体指数（MNDWI）法［12］、谱间关系法［13］等。湖泊岸线的形态指标常使用岸线长度［14］、岸线的发育系数（Shoreline development index，SDI）［15］、分形维数（D）［16，17］等。研究湖泊岸线的演变是由于国内长期以来湖泊的岸线范围不明、功能界定不清、管理缺乏依据使得湖泊行洪带不便，甚至严重破坏湖泊生态环境，国外湖泊岸线方面的研究较少。Bayram等［18］利用Landsat卫星影像，分析了Terkos湖岸线和流域土地利用的组合岸线和土地利用的变化，以及土地利用变化对湖岸线变化的影响。Taher等［19］利用了35个时期TM和ETM+传感器的陆地卫星图像，以及MODIS卫星的影像作为辅助数据，研究了1976—2012年Urumia湖泊岸线的变化，表明该湖泊岸线呈现先稳定后增加，然后加剧减少的趋势。Duru［20］借助Landsat卫星图像，监测Sapanca湖泊岸线位置和估算沿岸地带的变化率，利用归一化差异水体指数、修正归一化差异水体指数和监督分类提取了不同的海岸线，结果显示大部分湖泊岸线保持稳定，人类活动、降雨的周期性变化以及周边河流输沙的沉积是控制该地区岸线时空变化的主要因素。在当前“数据丰富而信息贫乏”的背景下，如何充分挖掘遥感大数据的价值，服务河湖岸线保护与利用，是国土资源管理的重要议题［21，22］。

传统的遥感数据处理方法不利于大范围、长时序的研究，近年来高性能云计算平台的发展为遥感数据的存储、计算及可视化提供了技术支持与平台支撑［23］。Google Earth Engine（后文简称GEE）平台是由Google、美国地质调查局以及卡内基梅隆大学在2010年共同开发［24］，包含40多年的历史影像以及气候等数据集，并且每天进行更新和扩展，这使得其适合用来进行大范围、长时间序列的遥感分析处理。国内也有类似的云计算平台如遥感空间计算云服务平台（PIE-Engine），但目前数据集较少且时间范围短，应用潜力有待挖掘［25］。凭借海量数据及云处理的优势，GEE已被广泛应用于数据融合［26］、多时相影像分类［27］、变化检测［28］、土地覆盖与土地利用动态监测［29］等方面。国内学者对于GEE云平台的使用主要集中在植被覆盖变化［30-35］、景观格局演变［36，37］、生物量估算［38］、土地利用变化［39-41］、生境质量评估［42-44］等方面，在湖泊及其岸线变化方面的研究较少［45］。因此，本研究借助GEE，利用湖北省1989—2020年3 152景Landsat 5 TM影像和1 934景Landsat 8 OLI影像提取230个大中型湖泊，得到各项形态指标以进行湖泊及其岸线演变规律的分析，再结合GEE监督分类分析湖泊区域土地利用类型变化，进而对湖泊及其岸线演变的驱动机制进行定量和定性分析。

1 研究数据与方法

1.1 数据来源

研究年份选取1990、1995、2000、2005、2010、2015、2019年，卫星影像数据通过编写代码调用GEE数据库中的数据，其他数据部分通过中国知网和中国气象数据服务中心等途径获取，主要数据来源如表1所示。

表1 主要数据来源

1.2 湖泊水体信息的提取

1.2.1 最小云量合成法 为合成简单的无云Landsat影像，Earth Engine提供了ee.Algorithms.Landsat.sim⁃pleComposite（）方法，该方法在GEE中为可直接调用的内置程序包。最小云量合成法在每个像元位置形成一个子集，转换为TOA反射率，通过简单的云评分获取最少云像素的中值。该方法输入的是原始图像的集合，如“USGSLandsat5 TM Collection 1 Tier 1 Raw Scenes”数据集。

1.2.2 水体指数法 水体指数法是通过对水体的光谱特征进行分析，选取与识别水体有关的波段构建水体指数模型并进行计算，然后选择合适的阈值，从而实现水体信息的提取［46］。归一化差异水体指数能最大程度地抑制植被信息，突出水体特征。其公式如下。

式中，Green为绿波段，在Landsat 5 TM中为2波段的反射率，在Landsat 8 OLI中为3波段的反射率；NIR为近红外波段，在Landsat 5 TM中为4波段的反射率，在Landsat 8 OLI中为5波段的反射率。

1.3 岸线特征指标

1.3.1 岸线发育系数 湖泊岸线发育系数（SDI）是描述岸线不规则性的指标，具有一定的生态学含义，岸线发育系数越大，反映该湖泊的岸线越不规则，越有利于动植物的生长［47］。

式中，SL为湖泊的岸线长度；A为湖泊面积。

1.3.2 分形维数 分形和分维的概念最早由美籍法国数学家曼德布罗（B.B.Mandelbrot）提出，用来描述大自然中一些不规则的现象。常用周长-面积关系的分形维数对多个湖泊岸线的形态进行计算［48］。

式中，P是湖泊周长；A是湖泊面积；α是推绎指数；k是待定系数。取自然对数变换得：

式中，C是待定常数，分形维数可通过斜率乘以2求得，即D等于2α，该值一般在1～2，越接近1.5越不稳定［48］。

1.4 GEE土地利用分类

GEE实现监督分类是通过API（程序编程接口）界面中通过JavaScript编程运行传统的机器学习算法处理，分类器种类包括CART（分类回归树）、Random Fores（t随机森林）、Naive Bayes（朴素贝叶斯）和SVM（支持向量机）4种。进行监督分类一般流程包括收集训练数据、选择分类器、使用训练分类器对图像或要素集合进行分类、使用独立的验证数据估算分类误差。国内学者何昭欣等［49］利用4种分类器分别对农作物进行提取，平均验证精度分别为89%、92%、61%、87%，可见随机森林分类法的精度较高，且已被学者们应用到土地利用分类中［50-52］。随机森林法由Breiman［53］提出，它是决策树组合而成的一种集成分类算法。该方法在GEE中通过编程调用ee.Classifier中的“ee.Classifier.smileRandomForest（）”代码进行修改实现。

为评估分类的精度，本研究将目视解译的样本点70%用作分类，30%用作验证，结合二者分类结果计算混淆矩阵；然后通过GEE内部JavaScript编程代 码“overall accuracy”“kappa accuracy”“producers Accuracy”“consumers Accuracy”分别输出总体精度、Kappa系数、制图精度、用户精度等评价指标。

1.5 驱动机制分析

自然影响因素的分析选择研究区域气象站点年平均温度、年平均最高气温、年平均最低气温、年降水量及年蒸发量5个因子，在ArcGIS中使用克里金插值方法，进行分区统计得到湖泊所在区域相应的值。

人为影响因素的分析选择常住人口、农业生产总值及建成区面积信息3个因子。其中常住人口、农业生产总值为湖泊所在区域13个市总值，建成区面积统计范围为10个市区。

利用SPSS19.0软件对各因子与湖泊面积、湖泊岸线的双变量相关性进行分析。

1.6 数据处理

1.6.1 湖泊岸线提取 每期卫星影像的时间选取9—12月，大致为湖泊的枯水期［54］，有利于湖泊岸线的提取；考虑到影像质量等问题，每期选取前后2年共3年的数据进行合成［42］。

GEE导出的NDWI影像在ENVI中采用阈值法（阈值大于0）进行水体的提取，为保证部分影像上像元值较小湖泊的岸线能被提取到，利用多段阈值对该部分进行提取；ENVI生成面文件后在ArcGIS中打开，利用从《湖北省湖泊志》中获取的水面面积1 km2以上的230个（大九湖除外）大中型湖泊的地理坐标（图1）和未进行NDWI计算的原始影像，结合目视解译进行精确修正。

1.6.2 GEE土地利用分类 使用随机森林法进行监督分类，样本点的选取根据Google Earth原始影像以及GEE合成的原始影像进行目视解译，每期选取990个样本点，将土地类型分为耕地、水域、草地、林地、建设用地及未利用地6类，结合中国科学院全国土地利用分类数据中各类型面积确定样本点的数目（表2）。分类后的图像在ArcGIS中结合原始影像及NDWI提取后目视解译出的高精度湖泊岸线对湖泊区域进行修正，统计各土地利用类型的面积及其变化。

图1 湖北省大中型湖泊中心经纬度坐标

表2 土地利用类型及对应样本点数目

2 结果与分析

2.1 湖泊及其岸线的时空演变

利用GEE进行NDWI计算，结合目视解译提取湖北省7期湖泊图像，如图2所示。根据面积和周长计算岸线发育系数及分形维数，得到总面积、总周长、岸线发育系数范围、岸线发育系数均值、分形维数及其R2。

图2 近30年湖北省湖泊动态演变

由表3可知，1990—2019年湖泊面积共减少361.64 km2，呈现出先减少然后增加最后减少的趋势。其中，1990—2005年湖泊面积减少了423.10 km2，2005—2010年湖泊面积增加了345.75 km2，2010—2019年湖泊面积减少了284.29 km2。根据《湖北省湖泊志》记载，230个湖泊的总面积为2 550.92 km2，该数据为“一湖一勘”成果，大部分为2010年测得，对比可知2010年NDWI提取湖泊效果较好。

表3 湖泊的各项指标

面积增加的湖泊有42个，面积减小的湖泊有188个；其中，面积减少大于10 km2的湖泊有梁子湖、洪湖、斧头湖、西凉湖、武湖、四海湖、豹澥湖、童家湖；面积增加大于1 km2的湖泊有汈汊湖、王家涉、赤射垸、张家大湖、菱角湖、南湖（钟祥）、北湖（武汉）。部分湖泊1990年与2019年的对比见图3。

图3 部分湖泊1990年与2019年对比

岸线长度波动变化但规律不明显，1990—2019年整体呈变小的趋势，共缩短2 436.77 km。岸线长度增加的湖泊有53个，减少的有177个，其中，汈汊湖、赤射垸、黄垱湖、冯家湖、张家大湖岸线长度增加大于20 km，洪湖、梁子湖、后官湖、豹澥湖的岸线长度减少大于80 km。岸线发育系数均值的变化与岸线长度趋势大致相同，共减小0.54。1990—2019年有67个湖泊岸线发育系数增大，163个湖泊岸线发育系数减小，其中，赤射垸、冯家湖、里湖、黄天湖、周城垸、汈汊湖岸线发育系数增加值大于3.5，五湖、外黄泥港、梁子湖、洪湖、后官湖、南太子湖岸线发育系数减小值大于3.5。

对7期湖泊的岸线发育系数数据进行比较，选取6个岸线发育系数较大和较小的湖泊进行分析。岸线发育系数较小的湖泊（表4）有莫愁湖、涨渡湖、东湖、鸭子湖、郝家湖和玉湖，其不规则程度小，岸线单调，不利于营养物质的流入。莫愁湖沿岸有进出水闸口两处，平时会依据湖水水位和来水进行调节；涨渡湖于1972年兴建调洪、排涝、围垦工程后，岸线也基本趋于稳定；枝江县于1983年完成东湖高排水闸，减轻了湖区的洪涝灾害；鸭子湖于1975年成湖，东升镇的居民围湖而居；郝家湖湖区在1952—2013年建成了孟家溪闸、中河口进水闸和邹郝垸电排站、大至岗电灌站；1973年冬，玉湖沿湖按照“田湖分家，一渠两堤，高水入湖，低水入渠，等高截流，蓄排结合”的方案进行治理，治理后玉湖面积由29 km2缩小至6.83 km2。由此可见，岸线发育系数较小的湖泊大都是前期灾害较多，影响到人类正常生产生活而被改造，导致其岸线趋于单调，不利于动植物的生长和湖泊的自然演化。

表4 岸线发育系数较小的湖泊

岸线发育系数较大的湖泊（表5）有汈汊湖、赤东湖、梁子湖、黄垱湖、西凉湖、洪湖，其曲折程度大，有利于营养物质的流入，能提供良好的生物环境。汈汊湖为河间洼地湖，整个湖区地势西北高东南低，流域来水顺地表倾向，自北而南，由西向东汇入洼地；赤东湖湖区北部为大别山南麓伸延的丘陵地带，南部为长江泛滥平原，具有侵蚀与堆积的地貌特征；梁子湖地处江汉平原边缘，属河谷沉溺构造湖；黄荡湖在300多年前是一片洼地，由于地质变化，汉江水灌入形成湖泊；西凉湖流域水系发育良好，以河谷沉溺湖类为主，属常年积水自然湖泊；洪湖为河间洼地湖。由此可见，岸线发育系数较大的湖泊多由大面积洼地演变而来，淤泥肥沃，有活水水源，岸线形态不规则，水生和陆生生物种类都极为丰富。

表5 岸线发育系数较大的湖泊

根据式（4）计算湖泊岸线的分形维数，如图4所示，分形维数是直线斜率的2倍。由表6可知，1990—2019年分形维数下降了0.07，波动变化但整体呈现变小的趋势；R2在0.83～0.87，表明lnP与lnA之间线性关系显著，湖泊岸线具有一定的自相似性。2010年分形维数最大，为1.37，2019年分形维数最小，为1.28；而分形维数越接近1.5，其稳定性越差，故2010年湖泊岸线的稳定性最差，最容易受外界因素影响，而2019年的岸线较为稳定，不易改变。

图4 分形维数计算

表6 1990—2019年分形维数

2.2 湖泊土地利用变化分析

为分析湖泊与其他用地类型的转换，运用GEE进行土地利用监督分类。GEE随机森林法分类后的栅格图像像元拥有属性值，其中，1990年和2019年GEE监督分类结果如图5所示。

图5 1990年与2019年GEE监督分类

从谷歌云盘中下载监督分类后的土地利用分类图，利用NDWI提取与目视解译的高精度湖泊图像对其进行湖泊区域的修正，然后进行叠加分析。GEE监督分类的总体精度、Kappa系数、水域制图精度、水域用户精度及所提取湖泊区域对比NDWI提取湖泊区域的精度如表7所示。7期GEE监督分类的水域制图精度及水域用户精度较高，且都高于94%，表明水域部分选取的样本点质量较好；以NDWI高精度湖泊图像为参照，6期GEE监督分类提取的湖泊精度大到90%以上，2000年由于卫星影像质量问题，导致其提取精度只有87.43%。

将7期土地利用分类图分别进行叠加分析，可得湖泊区域土地利用类型变化，如表8所示。由表8可以看出，湖泊与耕地、水塘之间的转变为湖泊面积变化的主要类型，其他用地影响由大到小依次为建设用地、林地、未利用地和草地。

表7 监督分类精度

表8 湖泊区域土地利用类型变化 （单位：km2）

总体来看，1990—2019年耕地转入湖泊的面积为49.31 km2，湖泊转入耕地的面积为247.83 km2，净出量为198.52 km2；水塘转入湖泊的面积为47.55 km2，湖泊转为水塘的面积为188.59 km2，净出量为141.04 km2。湖泊在1995—2000年转为耕地的面积最大，为213.50 km2，净转出量为148.68 km2，表明该时期农业的发展对耕地的需求增加；2005—2010年耕地转为湖泊的面积最大，为137.60 km2，净转入量为110.59 km2，此后湖泊转为耕地的净转化量开始变小，这可能是实施一些退耕政策的成效。从1995年开始湖泊转为建设用地的净值均大于0，2015—2019年净转出值为17.73 km2，表明人类活动及建设用地扩张对湖泊一直有影响且在该时期强度较大。

2.3 湖泊演变驱动机制分析

为进一步探究湖泊面积及其岸线演变的原因，对其驱动机制进行定量和定性分析。

2.3.1 湖泊演变的定量分析 研究选取3个人为影响因子、5个自然影响因子，各影响因子与湖泊面积及岸线的Pearson相关系数如表9所示，P1和P2分别表示湖泊岸线和湖泊面积的Pearson相关系数。常住人口、农林牧渔业总产值、建设用地面积及温度（年平均温度、年平均高温、年平均低温）与湖泊岸线和面积呈负相关，年降水量和年蒸发量与两者均呈正相关。对于湖泊岸线而言，年降水量和年蒸发量在0.05水平上与其呈显著正相关，表明降水量和蒸发量对湖泊岸线形态的演变影响较大。对于湖泊面积而言，常住人口与年平均温度在0.05水平上与其呈显著负相关，表明常住人口和温度的变化对湖泊面积的演变影响较大。

表9 各影响因子与Pearson相关系数

2.3.2 湖泊演变的定性分析 结合《湖北省湖泊志》及本研究对湖泊演变进行定性分析。本研究中湖泊面积呈先减少然后增加最后减少的趋势，1990—2005年湖泊面积减少速度为28.20 km2/年，从表9来看，人口不断增加、耕地需求上升，可能是湖泊面积减少的原因之一；结合本研究土地利用变化数据来看，2000—2005年湖泊转为耕地和耕地转为湖泊的面积大致相等，分别为80.79、78.05 km2，这表明国家从1999年开始实施的退耕政策有了一定的成效。2005—2010年湖泊面积增加速度为69.15 km2/年，为快速增长阶段，这一阶段各项政策法规逐步完善；2005年5月，武汉市水务局发布《武汉市中心城区湖泊保护规划（2004—2020）》，这是武汉市第一部比较全面的湖泊保护规划性文件；2009年1月，《湖北省湖泊保护条例》通过省人大常委会2009年度立法计划，被纳入年度争取审议项目，政策法规的不断完善加强了湖泊保护管理的力量。2010—2019年面积减少速度为31.59 km2/年，减小的速度较前期略有升高，可能源于这一阶段常住人口总数较多且不断增加，农业迅速发展和城市扩张没有得到妥善的管理，导致湖泊面积又呈下降趋势。

3 小结

本研究以1989—2020年5 086景Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像为数据源，结合GEE遥感数据处理云平台和NDWI进行湖泊提取，获取了7个不同时段湖北省230个大中型湖泊的各项形态指标，以此为基础对湖泊及其岸线演变的驱动机制进行了分析，结论如下。

1）1990—2019年湖泊面积变化经历了3个时段，1990—2005年湖泊面积减少速度为28.20 km2/年，2005—2010年湖泊面积快速增加，增加速度为69.15 km2/年，2010—2019年湖泊面积减少速度为31.59 km2/年；湖泊岸线的演变规律不明显，整体呈变小的趋势，岸线长度缩短2 406.77 km，湖泊整体的岸线发育系数均值和分形维数变化规律不明显。

2）由岸线发育系数较大和较小湖泊的规律可知，岸线越不规则，岸线周边生态环境越好，故应减少对湖泊的围垦、保护湖泊水源，以保持其自然不规则的状态。

3）造成湖泊区域改变的土地利用类型由大到小依次为耕地、水塘、建设用地、林地、未利用地和草地，其中草地和未利用地对湖泊区域的影响可以忽略不计。

4）人为影响因子与湖泊面积、岸线均呈负相关，降水量和蒸发量与湖泊岸线呈正相关且对其影响较大，常住人口与年平均温度与湖泊面积呈负相关且对其影响较大，因此在人口密集区应划定相应的岸线保护区。

运用GEE等云计算平台进行遥感大数据的处理和信息获取，可以极大减少数据传输时间、存储空间和计算耗时，让科研工作者和政策制定者摆脱“数据丰富而信息贫乏”的困境，从而更加聚焦于科学问题的回答以及科学政策的制定，进而提升国土资源科技管理水平，助力美丽中国建设。