2006-2020年南四湖水体面积变化分析

周 石，李英冰

（武汉大学测绘学院，武汉430072）

南四湖位于山东省西南部，是华北地区最大的淡水湖泊，是南水北调东线工程主要调蓄枢纽之一，在维护经济发展和区域生态平衡方面，具有重要的战略意义［1］。但是自20世纪80年代以来，由于各类污染型中小企业无节制发展，沿湖群众对湖区湿地盲目围垦及对湖区资源的掠夺性开发，致使南四湖湖区的生态环境明显恶化，水域面积也不断缩小［2］。目前国内学者对南四湖的景观格局［3］、生态［4，5］、气候［6-8］、水质［9-11］及水位变化［12］做了大量研究，为南四湖环境的改善做出了巨大贡献。遥感监测手段因其感测范围大、更新时间快、实时动态且对被调查对象不产生破坏等一系列优势，被广泛用于湖泊等水体的信息提取和水资源的监测与保护，骆成凤［13］利用长时间序列中分辨率遥感影像数据，通过人工提取湖岸水涯线信息，对青海湖水面面积进行监测；刘晓雪［14］利用多年遥感影像，运用目视解译和改进的归一化差异水体指数方法提取可鲁克湖和托素湖的面积，分析其变化特征及降水、气温、蒸发、径流、农业灌溉耗水等因素的影响；马艳敏［15］等利用2000年以来的MODIS 数据，采用目视解译的方法提取吉林省西部主要水体分布及面积数据，对年际、年内变化规律及影响因素进行了分析；高耶［16］等则选择了1979-2016年间多时期、多类型、多光谱遥感数据，分析评价洞庭湖区内湖近40年的面积变化。

以往南四湖面积监测受遥感影像分辨率和获取时间的限制［17，18］，对不同季度的长时间序列监测和年内面积变化监测相对缺乏。为了研究最新的南四湖水体面积的动态变化状况，寻找其面积变化规律，为恢复其生态环境与湖域面积的相关措施做出决策参考，本文收集2006-2020年美国陆地卫星（Land⁃sat5、7、8）获取的95 景遥感影像，进行南四湖水体变化动态监测。

1 研究区概况

南四湖是山东省最大的天然地表水资源，是南阳、昭阳、独山和微山4 湖的总称，位于山东省济宁市南部，地跨济宁市、枣庄市、徐州市3 个地级市（图1）。南四湖具有大量水资源和丰富的湿地资源，属于水库型湖泊，湿地保护区总面积1 266.47 km2，包括南四湖整个湖泊及其滩地、周边农地、山林等。随着经济社会的发展，南四湖水质逐年恶化，生物群落负向演替速度加快，富营养化、沼泽化问题严重，水旱灾害频发［19］，大大影响了当地生态环境。

图1 研究区域位置Fig.1 The location of study area

2 数据与方法

2.1 数据源

本文从美国地质勘探局官网（USGS）收集2006-2020年南四湖地区（东经116°34'～117°24'，北纬34°27～35°20'）Landsat卫星（Landsat5 TM、Landsat7 ETM、Landsat8 OLI）95 景影像作为数据源进行研究（表1）。

为消除大气影响，获得地物真实反射率，影像在ENVI 软件中经过了辐射定标和FLAASH 大气校正等预处理，ETM 影像需要进行额外的Gapfill处理。同时从欧洲航天局（ESA）官网下载2 景同区域的Sentinal-2 影像，并利用Sen2Cor 插件对其进行辐射定标和大气校正。该影像具有10 m空间分辨率，用于辅助目视解译和精度评定。山东省年鉴数据来自山东省统计局官网，降雨数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心（CPC）的全球降雨插值数据集。

2.2 方法

2.2.1 水体指数

利用遥感影像进行水体提取的基本依据就是水体和其他地物在可见光和近红外波段存在光谱反射差异［20］。水体指数是常用的水体自动提取方法，本文分别利用目前广泛使用的NDVI［21］、NDWI［22］、MNDVI［23］、AWEI_sh［24］、NWI［25］对2017年12月10日的南四湖Landsat8 OLI 影像进行水体信息提取，提取的水体类型包括湖泊、河流、沼泽湿地、坑塘水田、台田鱼塘和人工水渠。各水体指数计算公式如表2。

表2 典型水体指数Tab.2 Typical water indexes

式中：ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分别表示遥感影像的蓝光、绿光、红光、近红外、中红外和远红外波段。

使用统一的0 作为阈值，对水体指数图像进行分割，得到Landsat8 OLI影像基于5种水体指数的水体分布，结合时间间隔相差1天的同期Sentinal-2影像辅助目视解译，将各方法提取结果进行叠加，放大并比较水体信息差异较大的局部区域，对比选取最佳的水体指数用于本文实验，结果如图2。

图2 不同水体指数提取结果Fig.2 Comparison of the extraction results with different water indexes

5 种方法基本可以提取南四湖整体的水体信息，但是在局部地区，结合Sentinal-2 影像叠加提取结果进行目视解译可以看出，AWEI_sh的提取结果存在较大范围的漏分情况，NDWI 和MNDWI 可以较大程度提取水体，但也将部分裸地和旱田错分成了水体，NDVI 也存在部分漏分情况，并且不能很好地识别水田田埂等非水体信息，而NWI 可以较好的进行水体提取，很少出现漏分和错分的情况，综上所述，本文选取NWI 指数作为南四湖的水体提取方法。

2.2.2 水体面积计算

选取NWI需要的对应影像波段进行波段计算，并对NWI提取结果按0阈值进行影像分割得到水体与非水体，利用ENVI统计水体的像元个数N，并利用下式计算水体面积：

Area=N R2

式中：R为影像空间分辨率。

春季水体提取结果如图3所示。

图3 南四湖2006年到2020年春季水体提取结果Fig.3 The water area in Spring in the Nansihu from 2006 to 2020

2.2.3 计算结果验证

在能准确区分水体和陆地的前提下，分辨率越高，岸线部分水与陆地混合像元中涉及的水体面积就越小，监测得到的湖泊面积就约接近实际值［13］。Sentinal-2 MSI 影像空间分辨率为10 m，整体提取效果优于Landsat8影像［26］，本文将2017/12/11和2019/11/11 的Sentinal-2 MSI 影像水体提取结果作为地面参考，对2017/12/10 和2019/11/14 的Landsat8 OLI 影像基于NWI 得到的水体分布进行精度评价，利用ENVI 的Confusion Matrix 工具建立混淆矩阵，计算总体精度和Kappa系数等定量评价指标（表3）。从表3 中可以看出，两期Landsat8 OLI 影像的总体精度均在90%以上，能够满足水体面积提取的精度需求。

表3 水体提取结果精度指标Tab.3 Precision index of water extraction results

3 结果与分析

3.1 水体年际变化

3.1.1 年际变化

南四湖水面积受季节影响，为了更全面探究不同季节南四湖水体面积的年际变化情况，对南四湖水体面积分春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-11月）、冬（12-2月）四季进行变化分析，结果如图4。

从图4 可以看出，总体上水体面积变化分为两个阶段，2006-2015年，水体面积呈下降趋势，减少幅度28.768%，年均减少33.854 km2，2015-2020年，水体面积逐渐回升，回升幅度7.682%，年均增加14.488 km2。其中，夏季多年变化最不稳定，多年最大面积（1 195.209 km2）和最小面积（503.256 km2）均出现在夏季，部分年份夏季水体面积可能高于当年各季度水体面积，如2006年，也可能低于当年各季度水体面积，如2014年。其他各季多年变化较为平稳，但冬季水体变化幅度最大，2019年较2006年减少面积248.998 km2，变化幅度达24.284%。

图4 南四湖15年间水体面积变化趋势Fig.4 Changes of water surface area in the Nansihu during the past 15 years

各季度具体的年际变化情况如表4 的所示，各季年际变化差异明显，以春季年际变为例，最大面积为2006年4月16日的1 130.627 km2，最小面积为2014年3月21日的775.345 km2，十五年间面积减少334.123 km2，减少幅度18.264%，年平均减少13.767 km2。

表4 南四湖水体面积年际变化Tab.4 The annual variation of the water area of the Nansihu

3.1.2 影响因素分析

湖泊面积变化跟自然因素和人为因素有关。对研究区年降雨总量和南四湖年平均面积进行相关性分析（图5），两者相关系数为0.583，并呈现0.05 水平的显著性，说明南四湖水体面积在2006-2020年间整体上有所减少跟当地多年来降雨变化具有一定关系。同时有研究表明南四湖年平均气温每年上升0.24 ℃，蒸发量增大，一定程度上也减少了湖泊的面积［17］；但水体面积下降至2015年后逐渐回升，这主要得益于南水北调东线一期工程的人为因素影响，该工程自2013年11月通水后，截至2020年度，分别向山东境内调水1.7、3.28、6.02、8.89、10.88、8.44、7.03 亿m3，累计向南四湖、东平湖及南水北调工程调蓄水库进行生态补水3.74 亿m3［27］，为维持和恢复南四湖水体面积提供了重要水源。

图5 年降雨和年均水体面积变化Fig.5 Annual rainfall and annual average water area change

需要注意的是，2014年南四湖地区降雨持续偏少，特别是入汛以后降水偏少近五成，湖区蓄水不足历年同期的二成，湖区渔业损失巨大，航运严重受阻生态濒临危机，有关部门于7月中旬先后开启“引黄补湖”和“引江补湖”工作，历时48 d，共向南四湖补水1.45 亿m3［28］。所以图4 中出现了2014年7月11 号水体面积达到研究期最低值后，当年秋季又恢复到正常水平的现象。

南四湖作为山东省最大的天然地表水资源，是济宁市地表水的主要来源［29］，济宁市多年地表水资源的变化可以从侧面反映南四湖水体面积的变化情况。从山东省多年年鉴中选取济宁市地表水资源数据，分析其多年变化情况（图6）。

图6 济宁市地表水资源变化Fig.6 Changes of surface water resources in Jining

从图6 中可以看出，本文研究期间济宁市地表水资源的变化情况与南四湖多年水体面积年际变化较为一致，均呈现先下降后回升的趋势，且两者的拐点时间（2014年和2015年）也相近，这在一定程度上验证了南四湖水体面积年际变化规律的正确性。

3.2 水体年内变化

3.2.1 年内变化

本文选取数据较多的年份制作水体的年内变化图［图7（a）］，同时统计研究期内所有年份能采集的数据制作各月水体面积箱线图［图7（b）］。从图7（a）中可以看出，南四湖水体面积表现出明显的年内周期变化规律：由冬入春时，水体面积逐渐增大，往往在5-6月达到最大值；入夏后水体面积开始减小，8-9月下降至最低水平；秋冬季水体面积有所回升，但波动面积不大，这也与年际变化分析中，春季的线性回归线始终高于秋冬两季的线性回归线且后两者基本重叠相吻合。图7（b）反映的是多年各月水体面积的年内分布情况，可以看出，各月中位数、上下四分位数的分布规律与图7（a）基本保持一致；1、2、5月获取的数据有限以及2014年7月南四湖地区旱情严重水体面体降至近年最低值，导致了图中异常值的出现。

图7 南四湖水体面积年内变化Fig.7 Monthly variations of water area of the Nansihu

3.2.2 影响因素分析

湖泊面积反映蓄水量，年内蓄水量变化和降雨、湖区工农业用水量、水利工程建设等因素有关［12］。鉴于研究资料获取的限制，本文仅对年内降雨这一因素进行讨论。考虑到夏季能获取的部分影像往往是在晴天，此时受高温高蒸发以及大面积绿潮覆盖影响（图8），难以获得夏季真实水面面积数据。在ArcMap中通过人工数字化绿潮覆盖面要素并计算其面积，其值占比当年平均面积达23.4%，故在进行相关分析时，去掉夏季月份的数据，以减少异常值的影响。选取可获得影像较多的年份探究年内降雨和水体面积变化的关系（图9），计算年内月平均降雨和水体面积的相关系数，结果如表5所示。

图8 夏季绿潮覆盖Fig.8 Green tide coverage in Summer

图9 部分年份月均降雨和年内水体面积变化Fig.9 Monthly rainfall and annual water area change in some years

从表5 可以看出：2013年以前，降雨量和该年内水体面积呈正相关关系，均通过0.05的显著性检验，且2010、2013年通过0.01 的显著性检验；而2013年以后的年份，虽然部分年份的正相关系数超过0.5，但均未能通过0.05 的显著性检验，说明降雨量和该年内水体面积没有明显的相关关系。这再一次说明在南水北调东线一期工程2013年11月通水后，除了降雨之外，人工调水也在一定程度上影响着南四湖的水体面积变化。

表5 部分年份降雨和水体面积相关系数Tab.5 Correlation coefficient between rainfall and water area in some years

需要注意的是，在2014年之前，秋冬季的南四湖在夏季高温蒸发量大的基础上面积可能会进一步下降，如图中2006年的变化情况。但在2013年11月南水北调东线第一期工程通水后，受人为调水影响，各年秋冬季的水体面积均为浮动上升变化。

4 结论

本文收集了2006-2020年美国陆地卫星获取的95 幅遥感影像，利用NWI 水体指数方法提取南四湖水体面积，分析其在部分年内和十五年间的动态变化过程，主要研究工作和创新有。

（1）采用NWI进行水体面积提取：对比多种水体指数，选取最适合南四湖水体提取的NWI水体指数进行水体提取，采用长时间序列Landsat遥感影像数据进行水体面积变化分析；

（2）分季度进行水体面积变化和影响因素的分析：南四湖水体面积呈现先下降后逐年回升的趋势，2006-2015年间呈下降趋势，年平均减少33.854 km2，此后转为上升趋势，年平均增长14.488 km2；各季节年际变化差异明显，其中夏季多年变化最不稳定，多年最大面积（1 195.209 km2）和最小面积（503.256 km2）均出现在夏季；年内表现出明显的季节性变化规律，即由冬入春，水体面积逐渐增大，入夏后开始减小，秋冬季则有所回升，但波动面积不大；2006-2013年间降雨量和该年内水体面积呈正相关关系，但2013年以后，受南水北调的引水工程影响，南四湖水体面积变化与降雨关系减弱；水体面积在2015年开始回升，说明当地政府和水利部门加强了对南四湖的管理，水体面积逐渐恢复；

（3）采用Sentinal-2 影像和济宁市地表水数据进行结果验证：10 m 高分辨率的Sentinal-2 影像作为真实水体对水体提取结果进行对比验证，总体精度在90%以上，能够满足水体面积提取的精度需求；济宁年鉴水资源变化规律在一定程度上说明了南四湖水体面积变化规律的正确性。

本研究通过分析近年来南四湖水体面积变化规律以期为南四湖水资源保护和生态管理提供科学支持。但南四湖水体面积的变化受降雨、蒸发、出入湖水量已经取用水量等众多自然和人为因素影响，为更全面探究南四湖水体面积变化的原因，文章后续将在这方面进行深入研究。□