2009-2018年内蒙古地表水面积的时空变化及其影响因素

顺布日， 青 松，2， 包玉海，2， 赵文静

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院， 内蒙古 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， 内蒙古 呼和浩特 010022；3.生态环境部华南环境科学研究所近岸海域环境研究中心， 广东 广州 510535)

地表水是地球上重要的淡水资源[1]。据上世纪80年代统计内蒙古自治区境内有1 500余个湖泊及千余条河流[2]。近年来，入湖径流量补给不足，加上气候引起的降水量减少、气温升高，人为活动引起的矿产面积和灌溉面积的增加，导致湖泊面积与数量急剧减少[3-5]。几百年以来，湖泊水资源一直维持着内蒙古草原区湖泊及其周边的湿地生态系统，发挥着重要的作用[6-7]。快速而精确地监测湖泊面积变化，对水资源监测和管理具有重要意义[8]。

近年来遥感技术的飞速发展和普及，越来越多的国内外研究人员通过遥感影像监测水体。在目前的光学遥感中，地表水主要分类方法如下：单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法等。单波段阈值法：通过多光谱遥感影像中对水体高吸收的波段，将水体与其他地物区分，最后利用最佳阈值将水体分离出来[9]。陆家驹等[10]基于Landsat TM影像的近红外波段在清流河流域提取了地表水。结果发现单波段阈值法只能提取面积大于4 000 m2的大型水体，无法区分水体和山区的阴影。多波段谱间关系法：利用遥感影像的两个或两个以上的波段参与运算，分析各个波段之间存在的关系、水体与其他地物的光谱特征，从而建立反映地物特征的逻辑关系式，提取水体[11]。汪金花等[11]基于Landsat TM影像利用谱间关系法提取了唐山市陡河水库中部水体。结果表明, 该算法精度高于一般的阈值分类法。水体指数法：通过比值运算，对遥感影像中对水体反射率低的波段作为分母，对水体反射率高的波段作为分子，从而提高水体和其周围地物差别，建立关系式对水体进行提取的方法。Mcfeeters等[12]利用Landsat MSS影像的绿色波段和近红外波段进行比值运算，建立了归一化差异水体指数(normalized difference water index, NDWI)，该指数可以较好地消除山体产生的阴影。徐涵秋[13]利用ETM+遥感影像的绿光波段和中红外波段进行比值运算，提出了修正的归一化差异水体指数(modified normalized difference water index, MNDWI)，该指数能很好地区分城镇地区中的水体，且水体提取精度高。Sun等[14]基于HJ-1A/B卫星利用面向对象的分类方法对上海市部分区域的水体进行了提取，该方法分类结果优于单一的光谱分类方法。Lu等[15]利用HJ-1A/B卫星影像的近红外波段和NDVI，NDWI指数以及地形坡度数据相结合，建立了水体综合提取方法，并应用到3个复杂的水域当中。Liu等[16]在中国与亚洲戈壁沙漠接壤的半干旱地区，基于Landsat卫星监测了从1975—2009年期间湖泊面积变化。研究发现241个湖泊中有121个完全干涸。

基于水体指数法的提取精度和遥感影像的波段数量的增加，加上全球对水资源研究的需求不断增加，大尺度范围提取水体成为热点。Tao等[4]将每3 a或5 a Landsat遥感影像合为一期影像，研究了蒙古高原1976年至2010年湖泊数量和面积变化。结果表明，研究期间整个蒙古高原湖泊面积急剧减少，其中内蒙古地区最为明显。Tao等进一步定量分析了自然因素和人类活动的影响之后发现，在内蒙古的草原地区，煤炭的开采直接导致湖泊资源减少，而在农业生产区，灌溉成为湖泊资源减少的主要因素。Zhang等[5]利用Landsat遥感数据，1970—2013年期间的蒙古高原和青藏高原湖泊进行了对比研究。研究表明，这两个高原湖泊面积和数量向相反的方向变化，即蒙古高原由于温度升高与降水量的减少导致湖泊面积急剧缩小并且有208个湖泊消失。相反青藏高原由于气温升高导致冰冻圈融化及降水量的增加，新增了99个湖泊。Zhou Y等[3]基于Google Earth Engine平台，利用 Landsat遥感影像绘制了蒙古高原1991—2017年期间湖泊面积变化和数量变化图。通过分析发现内蒙古的湖泊变化比蒙古国更为剧烈，在2009年之前，自然和人为因素对湖泊动态都有显著影响，但在2009年之后，降水量对湖泊的恢复起着越来越重要的作用。

HJ-1 A/B遥感影像具有高时间分辨率和大范围监测特点，是对大尺度动态监测的理想数据源[14,17-18]。因此，本文以HJ-1A/B遥感影像作为数据源，对内蒙古自治区地表水面积进行动态监测，以期为内蒙古地区生态环境保护以及修复研究和水资源管理提供依据。

1 研究区概况

内蒙古自治区属于蒙古高原的一部分，位于中国北部边疆。有9个地级市和3个盟，共12个盟(市)。境内有嫩江、西辽河、黄河和额尔古纳河四大水系，大小河流千余条。有近千个湖泊，如岱海、达里诺尔湖、呼日查干淖尔、呼伦湖、贝尔湖等[2,19]。大多数湖泊属内陆湖泊，近年来湖泊数量与面积急剧减少[3-5]。图1为研究区概况。在研究区范围内均匀地选取了4景HJ-1A/B影像，把1景HJ-1A/B影像作为一个实验区，一共A，B，C，D 4个实验区，用于选取地物纯像元，得到光谱箱型图。4个实验区包含4个GF-2 PMS影像，用于HJ-1A/B影像选取纯像元时作参考以及验证地表水提取算法精度。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。

图1 研究区及4个实验区地形图

表1 4个典型子区的详细描述

2 数据与方法

2.1 遥感数据

研究使用的数据为从2009—2018年，共217景无云覆盖或云量少、数据质量好的HJ-1A/B 影像(从中国资源卫星应用中心获取，http:∥www.cresda.com/CN/)。由于遥感影像的成像时间会直接影响地表水面积，因此，本文挑选的影像成像时间在6到9月汛期(丰水期)。HJ-1A/B遥感数据预处理方法步骤如下所述。

首先，利用公式(1)将遥感影像DN值转为辐射亮度值。

(1)

式中：LTOA为辐射亮度值(W/m2·μm·sr)；a和L0分别为HJ-1A/B数据绝对定标系数增益和绝对定标系数偏移量。

其次，利用公式(2)获取大气层顶反射率：

(2)

式中：ρTOA为大气层顶反射率(sr)；d为日地距离；F0为波段平均的大气层外太阳辐照度(W/m2·μm)；θ0为太阳高度角。

此外，本文使用了4景GF-2 PMS影像(从中国资源卫星应用中心获取，http:∥www.cresda.com/CN/)用于选取纯像元及HJ-1A/B分类结果精度验证。成像时间准同步于4个实验区。

2.2 气象数据

气象数据由国家气象科学数据中心(http:∥data.cma.cn/)提供。在内蒙古范围内共选115个气象站点。通过年降水量和年月均温度来研究内蒙古2009—2018年间气象变化。

2.3 人为因素数据

在本次研究中，将煤炭产量、有效灌溉面积作为人类活动的两个指标，分析其在内蒙古地表水变化过程中的影响。其中，内蒙古自治区的煤炭产量数据(2009—2016年)、农田灌溉数据(2009—2017年)来源于内蒙古统计年鉴。

2.4 方 法

2.4.1 光谱建立及阈值确定 本文利用HJ-1A/B影像的近红外波段对水体高吸收的特征，采用NDWI(normalized difference water index)水体指数对地表水进行提取。计算公式如下：

(3)

式中：ρGreen和ρNIR分别为HJ-1A/B影像的绿色波段和红外波段。NDWI可以突出水体信息并且有效地减少植被的影响[11]。

图2a为NDWI光谱指数箱型图。在每个实验区内选取水体、云、阴影、建筑物、耕地、裸地、露天矿等7类地物的样点，每个地物分别取500个纯像元(样点)。通过计算7种类型地物NDWI光谱指数的统计量，以确定其取值范围，从而确定初始阈值。初始阈值为四个实验区阈值的平均值(T=0.14)。如果在初始阈值下提取地表水误差较大，那么对初始阈值进行调整，再确定最佳阈值。在最佳阈值下仍然有误差，是因为把干扰因素(如露天矿)错分成水体，那么需要对干扰因素进行掩膜。图2b为第二波段的箱型图，通过HJ-1A/B影像的第二波段可以对云进行剔除，阈值为4个实验区的平均值(T≈0.36)。可以利用简单的决策树方法将云剔除，提取地表水。对4景GF-2 PMS影像进行目视解译，提取地表水，作为HJ-1A/B影像分类结果的验证依据。

图2 NDWI及第二波段光谱指数箱型图

2.4.2 精度验证 图3为GF-2 PMS目视解译结果与HJ-1A/B自动提取结果的地表水面积散点图。

从图3a可以看出，散点在1∶1线周围有较好的分布，湖泊面积大于0.15 km2时，多数散点在1∶1线下方，湖泊面积小于0.15 km2时，较多散点在1∶1线上方。这是由GF-2 PMS高分辨率数据能提取小面积湖泊和细小的河流，然而HJ-1A/B数据对细小的河流和小面积湖泊的提取能力较差，因此把混合像元错分为水体所造成，精度R2为0.96；从图3b可知，散点分布于1∶1线上方且较少，这是因为黄旗海为季节性内陆湖，常年干涸或积水较少，影像的成像日期恰好处于湖泊干涸状态，因此提取的水体较少，R2为0.82。而图3c和图3d显示，散点整体分布于1∶1线上方。这是HJ-1A/B数据提取细小的河流和湖泊浅水区域面积较少，GF-2 PMS影像提取的水体面积较多导致，R2分别为0.98和0.97。

图3 实验区地表水面积目视解泽结果和自动提取结果精度对比散点图

由此可知，本文所选取NDWI水体指数方法可用于内蒙古地表水的提取。

3 结果与分析

3.1 内蒙古2009-2018年地表水面积时空分布特征

图4a显示了2009—2018年间内蒙古地表水面积变化趋势。2009—2018年期间内蒙古地表水面积为增长趋势，增长的速率为72 km2/a。2009年的面积为3 682.19 km2，2018年的面积为4 893.20 km2，增加了1 211.01 km2；2009—2013年期间内蒙古地表水面积以每年247 km2速率持续增长，增加了913.23 km2；2013—2017年期间地表水面积以每年150 km2减少，面积减少了752.12 km2；2018年地表水面积增长到最高点，为4 872.12 km2。图4b为内蒙古各盟(市)地表水面积变化图。研究发现2009—2018年期间各盟(市)地表水变化有不同的趋势。通过MK趋势检验和回归分析，4个盟(市)地表水面积显著增加，即阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市和呼伦贝尔市，增加的面积分别为129.96，75.83，92.09，350.48 km2。对于内蒙古地表水面积来说，在各盟(市)中呼伦贝尔市地表水占据比重最大，占内蒙古地表水总面积的50%以上。其次为鄂尔多斯市，占11%左右。乌海市占最少，约1%。

图4 内蒙古全区和分区地表水面积变化特征

为了便于研究影响内蒙古各盟(市)地表水面积变化的驱动力，我们以影响因素的相似性将各盟(市)分为两大部分，即：自然因素影响地表水变化的盟(市)和人类活动影响地表水变化的盟(市)。

3.2 地表水变化影响因素分析

研究区自然因素选取了月平均温度和月距平降水两个指标，将农田有效灌溉面积和煤炭产量作为人类活动两个指标。另外还考虑了径流量和土地利用变化。通过一元线性回归模型来分析内蒙古地表水面积变化与当地气象变化和人类活动的相关性(详见表2)。年降水量和河流的径流量两个自然因素是内蒙古部分盟(市)地表水变化的主要原因之一。建造水库，填埋、截流河流进行耕地是主要的人为因素。

表2 内蒙古各盟(市)驱动力(P值)分析

由表2及图5—7可知，受年降水量影响的盟(市)鄂尔多斯市地表水面积在研究期间有轻微增加趋势。通过回归分析得到年降水量对地表水变化显著(p<0.05)。包头市经过2009，2010，2011年3年的干旱，从2012年起降水量开始逐步增加，从而包头市南部和达茂旗境内湖泊群及艾不盖河面积增加[22-23]，降水量对地表水显著(p<0.05)。赤峰市地表水面积2009—2013年期间增加，2013—2018年期间快速减少。红山水库和达里诺尔面积变化对赤峰市地表水面积变化显著。而降水量影响着红山水库和达里诺尔面积。受径流量变化变化影响的盟(市)：兴安盟地表水面积在2009—2013年期间持续增加，2014年开始面积减少。绰尔河和洮儿河径流量变化对兴安盟地表水变化显著。

图5 内蒙古主要湖泊呼伦湖2009-2018年间面积变化

然而部分盟(市)受年降水量和河流径流量两个自然因素的影响。如阿拉善盟地表水面积逐年增加主要由年降水量和居延海面积增加所导致(p<0.05)。居延海面积是由2009—2018年期间黑河径流量连续增加而增加[20]。巴彦淖尔市地表水面积在2009—2013年期间缓慢增加，在2014—2018年期间急剧增加，两个阶段的地表水面积增加跟年降水量和黄河径流量有关[21]。呼伦贝尔市地表水面积在2009—2014年期间持续增长，在2014—2018年期间缓慢减少。地表水面积主要由呼伦湖(图5)面积变化导致。呼伦湖面积变化是由入湖径流的克鲁伦河和乌尔逊河以及地下水补给和年降雨量有关[24]。通过回归分析发现年均温度对年均温度显著(p<0.05)。这结果可能随着气温的上升呼伦贝尔地区地表水蒸发量增加，从而导致面积减少。

建造水库导致地表水发生剧烈变化的盟(市)：乌海市地表水面积在2009—2018年期间持续增加，2014年地表水面积急剧增加是由乌海市建造乌海湖引入黄河水导致[25]。锡林郭勒盟地表水面积在2009—2013年期间增加，2013—2018年期间快速减少。主要原因是在东查干淖尔东湖(图6)上养殖渔业，将西湖的水源阻断，导致西湖干涸。在乌拉盖湖上游建立水库导致湖面干涸。

图6 内蒙古主要湖泊呼日查干淖尔2009-2018年间面积变化

部分盟(市)因填埋、截流河流进行耕地使地表水面积发生变化。如呼和浩特市地表水面积变化趋势复杂，即2009—2011年期间地表水面积减少，到2012面积急剧增加，在2012—2015期间面积又开始减少，随后再增加。通过遥感影像对比发现在部分水库和河流里填土进行耕地减少了地表水面积，如和林格尔县石咀子水库。反而对大黑河进行综合整治规划管理增加了地表水面积[26]。乌兰察布市地表水在2009—2012年期间增加，2012—2017年期间减少，到2018年开始回升。地表水面积减少跟把流入岱海(图7)和黄旗海的径流截流耕地有关[27-30]。

图7 内蒙古主要湖泊岱海2009-2018年间面积变化

通辽市地表水面积在2009—2011年期间连续减少，2012年出现增加的趋势，到2013年地表水面积急剧增加，2013—2018年期间减少。把原有的水库或自然湖泊填土进行耕作是地表水面积减少的主要原因，如莫力庙和水库、他拉干水库。已有的研究发现当水资源已成为超采状态[30]。人为强烈活动是内蒙古部分盟(市)地表水面积发生变化的主要原因。

4 结 论

(1) 根据HJ-1A/B遥感数据，利用NDWI水体指数能很好地提取地表水，精度较高。

(2) 内蒙古地表水面积在2009-2018年期间整体呈现出增加趋势(slope=72 km2/a)；2009—2013年阶段地表水面积连续增加(slope=247 km2/a)； 2013—2017年期间地表水面积急剧减少(slope=150 km2/a)；到了2018年地表水面积回升到最高点。

(3) 2009—2018年10 a期间内蒙古各盟(市)地表水面积变化趋势有所不同，整体增加的盟(市)有阿拉善盟、巴彦淖尔市和乌海市；以2012年为拐点，地表水面积在2009—2012年期间增加，2012—2017年期间减少，到2018年回升的盟(市)分别为包头市和乌兰察布市；以2013年为拐点，地表水面积在2009—2013年期间增加，2013—2018年期间减少的盟(市)有锡林郭勒盟、赤峰市和兴安盟。

(4) 本文将影响地表水面积变化的驱动力分为两大部分，即：自然因素影响地表水变化的盟(市)和人类活动影响地表水变化的盟(市)。主要有年降水量和河流的径流量两个自然因素影响的内蒙古部分盟(市)，如阿拉善盟、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市、赤峰市、兴安盟及呼伦贝尔市；建造水库，填埋、截流河流进行耕地是主要的人为因素。如乌海市、呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟及通辽市。