基于四种水体指数的艾比湖水面提取及时空变化分析

希丽娜依·多来提，阿里木江·卡斯木，2，如克亚·热合曼，梁洪武

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054； 2.新疆师范大学 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054)

1 研究背景

湖泊是江河水系重要组成部分，对生态环境和人类生活至关重要[1]。在“绿水青山就是金山银山”的时代背景下，其重要性更加凸显。随着社会迅速发展，人口和工业的大规模增加，引起水资源严重短缺，越来越多的湖泊面积急速缩减、水量大量减少等问题日益突出。这些水资源问题对区域可持续发展产生一定的影响。但受技术和环境条件的限制，传统的检测手段很难做到湖泊面积变化信息的准确提取[2]。

遥感技术可以快速、精确地提取湖泊水体信息，可以进行湖泊水资源调查、水环境监测及防洪抗旱等[3]。目前广泛应用的水体提取方法有单波段法、谱间关系法、水体指数法、面向对象法、决策树法、SVM法、基于BP神经网络、基于MRF随机场、基于深度学习等[4]。1996年，Mcfeeters[5]利用TM影像特定波段进行归一化差值运算，构建了归一化差异水体指数NDWI；2005年，徐涵秋[6]在NDWI指数基础上对波长组合进行改进，构建了改进的归一化差异水体指数MNDWI；2007年，闫霈等[7]提出了增强型水体指数EWI；2009年，马延辉等[8]对混合水体指数CIWI与常用的水体信息提取方法进行对比；2013年，沈占峰等[9]采用高斯归一化水体指数GNDWI实现遥感影像河流的高精度提取；2014年，Feyisa等[10]在不同地区选取不同水体进行反复试验，提出了能够较准确提取的自动水体提取指数AWEI；聂亚文等[11]2019年在AWEI的基础上，研究不同条件下的湖泊及河流水体的波谱特点，通过大量试验提出了改进的水体自动提取指数MAWEI。

本文以Landsat为数据源，以新疆艾比湖为研究区，采用NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI共4种水体指数，分析不同水体指数的提取精度，利用精度最高指数获取艾比湖面积，对近20 a艾比湖面积变化及驱动因素进行分析。随着过度开发利用湖泊资源及艾比湖周围人口和工业密度增长，生态环境问题日益突显，尤其是在流域气候和人类双重影响下，湖泊面积变化极其不稳定[12]。艾比湖作为天山北坡经济带的生态屏障[13]，湖泊面积萎缩对其流域环境和社会经济可持续健康发展有严重影响，因此分析艾比湖面积时空变化及驱动因素对其生态环境保护有一定参考意义。

2 研究区概况

艾比湖是新疆最大的咸水湖，其经纬度为44°43′N—45°12′N、82°35′E—83°11′E，位于精河县城以北35 km处，是准葛尔盆地最大的湖泊[14]，年平均气温7.5 ℃，年平均降水量105.17 mm，年蒸发量1 315 mm左右。湖盆西北部为大风口-阿拉山口，最大风速55 m/s。湖泊主要依靠地表径流与冰雪融水补给，由于人口增加和大规模水土开发，使艾比湖流域的奎屯河、四棵树河、古尔图河被截流，目前主要依靠博尔塔拉河和精河补给[15]。研究区如图1所示。

图1 研究区示意图Fig.1 Location of study area

3 数据来源与预处理

本文选用Landsat5/7/8系列遥感影像，数据成像时间均在5月份，图像清晰、影像云量<10%，能够满足应用需求，从地理空间数据云(http：∥www.gscloud.cn/)获取，研究区示意图如图1所示，数据来源如表 1所示。为了消除传感器本身的误差并确定传感器入口的准确辐射值，对遥感影像进行辐射定标，再进行大气校正，最后按照研究区的范围进行影像裁剪，得到研究区的遥感影像。同时，从中国气象科学数据共享服务网(http：∥cdc.cma.gov.cn/)获取精河县降雨量、蒸发量、气温等数据。人口数量、灌溉面积、水资源等数据源于新疆统计年鉴。

表1 数据来源

4 研究指标

4.1 水体指数

水体指数构建形式很多，主要根据水体在不同波段的波谱特征，采用波段比值运算的方法分割水体和非水体[16]。本文选用的4种水体指数计算公式如表2所示。公式中，Green波段在 TM/ETM+影像中是波段2的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段3的反射率；NIR波段在TM/ETM+影像中是波段4的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段5的反射率；MIR 波段在 TM/ETM+中为波段5的反射率，在 OLI＿TIRS中为波段6的反射率；SWIR2为第7波段的反射率，分别将其运用于水体信息提取中[17]。水体指数中NDWI可以很好地识别出水体和其他地物之间差异，但是提取结果包含少许陆地；MNDWI提取城镇范围内的水体效果比较好；AWEI水体指数可以应用于阴影区域和无阴影区域，根据应用区域而选用对应的公式，AWEIsh、AWEInsh分别为阴影区域和无阴影区域AWEI水体指数；MAWEI指数以自动水体指数为基础，结合水体各波段波谱特征，再乘以系数，进一步增大水体与非水体的区别[18]。4种水体指数均可以有效提取水体，各有优劣如表3所示。

表2 水体指数计算公式

表3 各水体指数优缺点

4.2 精度评价

通过目视解译，划定水体边界的灰度值范围，通过大量试验确定阈值，保证水体分割结果的准确性[19]。通过混淆矩阵对NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4种水体指数的提取结果进行评价，根据公式可以得出总体精度OA、漏分误差、错分误差、Kappa系数[20]来进行分析，其中Kappa系数和总体精度的公式分别为：

(1)

(2)

式中：K是Kappa系数；OA为总体精度；x是误差矩阵的行数；Xii是i行i列x值；Xi+和X+i分别是第i行的和与第i列的和；N是样点总数。

4.3 湖泊面积及动态度

将已分割水体的结果导入ArcGIS软件进行分析，利用转换工具栅格转面并进行融合，再用栅格计算器计算面积[21]，计算面积公式为

S=nR2。

(3)

式中：S为湖泊面积；n为湖泊像元数；R为影像分辨率。

最后，采用湖泊面积动态度分析湖泊面积变化特征[22]。其表达式为

(4)

式中：L为湖泊面积动态度；Ua为研究初期湖泊面积；Ub为研究末期湖泊面积；T为研究时段长。

5 研究成果与分析

5.1 水体提取结果分析

首先利用2000年、2010年、2020年三期影像对4种水体指数提取结果进行对比，结果如图2所示。NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4种水体指数均有效分割水体与非水体，通过波段运算均较好地提取了艾比湖主要轮廓部分水体，但是在细长、干涸湖底及过渡带区域的提取上容易产生错分及漏分情况，如图3红色区域所示。NDWI对于季节性湖区与永久性湖区之间过渡带水体部分有漏分情况；MNDWI对干涸湖体敏感度较低，误分为水体；AWEI提取结果包含部分干涸湖底；MAWEI可以较好地提取出季节性湖区与永久性湖区之间的过渡带，同时受干涸湖底影响小，误分情况相对较少。经过对比分析可知MAWEI提取结果比其余3个指数理想。

图2 不同水体指数识别水体结果Fig.2 Results of identifying water body by using different indicators

图3 艾比湖水体提取结果对比Fig.3 Comparison of extration results among different indicators for water body of Ebinur Lake

5.2 精度评价

混淆矩阵是用来表示精度评价的一种标准格式[23]。因此通过混淆矩阵计算出各水体指数总体精度OA、Kappa系数、错分误差、漏分误差等进行精度评价，结果如表4所示。4种水体提取指数OA指标均在90%以上；Kappa系数由高到低依次为MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。就错分误差而言，AWEI的错分误差最高达到29.17%，而MAWEI的错分误差最低仅为1.12%，其次为NDWI。而漏分误差上，MNDWI最高。MAWEI和NDWI对容易误分区域均能准确提取，其中MAWEI效果较好。整体而言，水体指数提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

表4 各水体指数提取水体结果精度系数

为进一步验证上述水体提取精度评价结果，本文将湖面边界叠加在原始影像上进行验证，结果如图4所示，湖泊内的水体都能够正确提取，水体提取时的较小误差主要分布在湖区边界周围，湖面边界也呈现出先扩大再缩减的特征，因此，验证了前述水体提取精度评价结果有一定可信度。

图4 近20 a湖面边界线与原始影像叠加效果Fig.4 Overlapping of lake boundary and the original image for the past two decades

5.3 2000—2020年艾比湖面积变化及其动态度分析

湖泊面积动态度可以反映不同时期面积变化的剧烈程度[24]，本文采用湖泊面积动态度分析湖泊的变化特征。经上述对比分析，利用精度最高的MAWEI分别提取近20 a来典型年份的艾比湖水体，根据式(3)和式(4)计算出湖泊面积及动态度，结果如表5所示。2003年湖泊面积达到最高，最小湖泊面积出现在2014年，2018年湖泊面积再次扩张，因此以2003年、2014年及2018年为转折点分4个阶段进行分析。在2000—2003年期间，艾比湖面积从2000年的768.93 km2增加至2003年的982.27 km2，湖泊面积增加27.74%、动态度为9.24%，此阶段湖泊面积呈现扩张趋势；2003—2014年期间，湖泊面积持续退缩，2014年减至447.08 km2，湖泊面积退缩54.48%、动态度为-4.95%，此阶段湖泊面积呈现退缩趋势；2014—2018年期间，湖泊面积再次增加至852.77 km2，湖泊面积增加90.74%、动态度为22.68%，此阶段湖泊面积呈现出扩张趋势；2018—2020年期间，湖泊面积减至593.79 km2，湖泊面积减少30.36%、动态度为-15.18%，此阶段湖泊面积呈现退缩趋势。结果表明近20 a艾比湖面积变化呈现出先扩张再退缩的趋势。

表5 艾比湖面积百分比及动态度

6 驱动因素分析

6.1 降水量、气温、蒸发量、径流量的影响

基于2000—2020年期间精河县年均降水量、蒸发量、径流量等数据，对艾比湖面积变化的驱动因素进行分析。结合精河县年均降水量数据分析艾比湖面积与降水量变化关系，如图5(a)所示。随着降水量减少，艾比湖面积呈现退缩的趋势；降水量增加，艾比湖面积呈现出扩张趋势。降水量和湖泊面积呈正相关，降水量是引起艾比湖面积变化的自然因素之一。区域气候的湿润和干燥程度是由降水和气温决定的[25]，因此为进一步分析艾比湖湖面积变化原因，统计精河县近20 a的气温数据并分析了年均气温与降水量的相关性，如图5(b)所示。由图5(b)可知，精河县气温较稳定，气温对降水量影响不显著。同时蒸发量对艾比湖面积变化有直接影响，蒸发量总体上呈现出缓慢增加的趋势、与湖泊面积负相关，如图5(c)所示。蒸发量增大，降水量减小，降水量和蒸发量呈现出负相关，如图5(d)所示，对湖泊面积的变化有一定影响。

图5 降水量、气温、蒸发量对艾比湖面积的影响分析Fig.5 Effects of precipitation，temperature and evaporation on area of Ebinur Lake

径流量也是湖泊面积变化的影响因素之一[26]，因此收集了博尔塔拉河和精河的年径流量等水文站实测数据，进一步分析了博尔塔拉河和精河的年径流量与年降水量之间的关系，如图6(a)和图6(b)所示。2002—2008年期间，博尔塔拉河降水量呈下降趋势，2009—2016年呈上升趋势，2008年降水量急剧减少低至104.3 mm，直到2016年再一次达到顶峰，降水量达到 204.6 mm。2016年精河年降水量最大，达到201.7 mm。精河的年径流量最大值同样出现在2016年，达到5.9×108m3。2008年降水量急剧减少低至68.1 mm，精河的年径流量也呈现减小趋势。降水量呈现减少趋势时径流量也呈现减少趋势，降水量增加趋势时径流量也呈现增加趋势，即河流径流量的变化与年降水量的变化趋势大致相同。因此，降水量对径流量有一定的影响，进而影响艾比湖湖面积的变化。博尔塔拉河与精河径流量大部分变化呈现出同样趋势，博尔塔拉河径流量上升明显，从2002—2016年虽有波动，但变化不大，2002年最大值达到7.8×108m3，2014年最小值达到4.6×108m3；精河径流量2013年出现最小值，为3.4×108m3，2016年径流量增大到5.9×108m3。径流量变化与湖泊面积变化情况相符，如图6(c)和图6(d)所示。地表径流的增加使地表水源的补给增加，从而促使艾比湖面积增加。通过对比分析可知，博尔塔拉河相对于精河而言对艾比湖面积变化影响更大。

图6 博尔塔拉河和精河年径流量与年降水量及艾比湖面积关系Fig.6 Relations of annual runoff in Bortala River and Jinghe River versus annual precipitation and surface area of Ebinur Lake

6.2 社会用水量的影响

随着人口、经济和社会发展过程中用水量的增加，导致流入艾比湖的水量持续减少，对湖泊面积影响较大[27]。博尔塔拉蒙古自治州人口由2000年的42.3万增至2013年的49.38万，增长率为16.73%；有效灌溉面积从2000年107.19×103hm2增至2020年186.94×103hm2，全州总水资源从2000年28.1×108m3减少至2018年15.43×108m3，如图7所示。同时，2020年生产总值增至377.1亿元，生产用水量随之增加。水资源的减少，人口、有效灌溉面积及生产值持续增长引起社会总用水量的激增，进而对艾比湖的面积变化有一定影响。

图7 人口、灌溉面积及水资源关系Fig.7 Relationship among population，irrigated area，and water resource

7 结论与讨论

本文以Landsat系列遥感影像为数据源，以新疆艾比湖为研究区，选择NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4种水体指数，对比不同水体指数的提取精度，利用精度最高水体指数获取艾比湖面积，对2000—2020年艾比湖面积变化及驱动因素进行分析。得出以下结论：

(1)NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4种水体指数通过波段运算均较好地提取了艾比湖主要轮廓部分水体，但是在细长、干涸及过渡带部分提取上，相比其余3个指数，MAWEI提取结果较理想，能够很好地提取出了季节性湖区与永久性湖区之间的过渡带，同时受干涸湖底干扰小，提取出来的水体在空间分布上更接近目视解译影像。。

(2)4种水体指数总体分类精度都在90%以上；Kappa系数由高到低依次为MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI；就错分误差而言，AWEI的错分误差最高达到29.17%，而MAWEI的错分误差最低，仅为1.12%，其次为NDWI。而漏分误差上，MNDWI最高，整体而言，水体指数提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

(3)在2000—2003年期间，艾比湖面积增加至982.27 km2，湖泊面积增加27.74%、动态度为9.24%；2003—2014年期间，湖泊面积持续退缩，2014年减至447.08 km2，湖泊面积退缩54.48%、动态度为-4.95%；2014—2018年期间，湖泊面积再次增加至852.77 km2，湖泊面积增加90.74%、动态度为22.68%；2018—2020年期间，湖泊面积减至593.79 km2，湖泊面积减少30.36%、动态度为-15.18%。结果表明近20 a艾比湖面积变化呈现先扩张再退缩的趋势。

(4)结合2000—2020年期间精河县年均降水量、蒸发量、径流量等数据，对艾比湖面积变化的驱动因素进行分析。发现降水量、蒸发量、径流量均对湖泊面积产生一定的影响。艾比湖面积变化与降水量呈正相关、与蒸发量呈负相关、与径流量呈正相关。精河县年均降水量逐年减小，蒸发量缓慢增加，降水量减少的年份径流量也减少，艾比湖面积也呈现出退缩的趋势。同时，水资源的减少并与其周围人口、灌溉面积及生产值持续增长引起经济社会总用水量的激增，对湖泊面积变化产生一定的影响。

本文选用的遥感数据及研究区较为单一，不同环境条件下的湖泊水体光谱特征、水体指数提取效果均会有所不同。湖泊面积变化的驱动因素可以结合土地利用、冰川融化等方面综合考虑，在今后研究中做更详细的验证。