杞麓湖與異龍湖水體提取及湖泊面積變化動態監測

肖茜+楊昆+曹瓅+洪亮

摘 要：該文以杞麓湖和異龍湖的近30年來的TM、ETM+和OLI遙感影像為數據源，采用NDWI、MNDWI、NWI、EWI和AWEI5種水體提取指數來提取杞麓湖和異龍湖的湖泊水體，并對比各種方法的提取精度。結果顯示，杞麓湖的面積在1985年和2000年呈增長趨勢，并在2000年達到最大值37.019km2，之后逐年減少，2015年面積僅為22.408km2。異龍湖在1985—1990年異龍湖湖面面積減少了7.16km2，到1995年面積大幅度回升到34.041km2，之后幾年的面積逐年減小，至2010年，湖面面積較1985年縮小了1/3，僅有24.483km2，至2015異龍湖的面積縮小到了12.84km2。分析其面積變化的影響因素發現，氣候因素與人類活動對其影響較大。

關鍵詞：水體指數；湖泊面積；動態監測；降水量

中圖分類號 P343.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）24-0123-03

水是大自然賦予人類最寶貴的財富，它是生命的源泉，是人類賴以生存和發展不可缺少的最重要的物質資源之一[1]。云南省高原湖泊是影響區域生態環境的關鍵因子之一，其在社會經濟發展過程中占據了重要的戰略地位。云南省高原湖泊的流域生態環境十分脆弱[2]，受氣象因素及人類活動影響較大。近年來，云南省持續嚴重旱災，湖泊水質下降，杞麓湖與異龍湖表面水體面積萎縮嚴重。因此，研究杞麓湖與異龍湖水體提取及其近幾十年的變化具有十分重要的科學意義。

隨著遙感（Remote sensing，RS）和地理信息技術（Geographic Information System，GIS）的發展，遙感數據逐漸成為各類地理研究中重要的數據源。近幾年來，一些學者應用RS和GIS技術對表面水體面積進行了提取和動態檢測，最初，McFeeters在1996年提出了歸一化差值水體指數（NDWI）[3]；徐涵秋在NDWI的基礎上提出了改進型歸一化差值水體指數MNDWI[4]；陳華芳、王金亮等在提取香格里拉水體時應用差值法、多波段譜間關系法分別與閾值法結合能有效地消除山體陰影對水體提取的影響[5]；石振杰、溫興平等利用纓帽變換及密度分割技術快速準確地提取了云南省撫仙湖水體信息，分析了撫仙湖2000—2015年的面積變化及其變化的影響因素[6]；此外還有一些學者利用RS與GIS技術對湖泊的水體表面面積的變化做了一些研究[7-9]。

目前，采用水體指數法提取水體已經得到了廣泛的應用，但對于杞麓湖與異龍湖的研究較少。本文以杞麓湖和異龍湖流域作為研究區，利用遙感和GIS技術，基于TM和OLI遙感影像，采用5種水體提取指數法提取杞麓湖和異龍湖的表面水體面積，并對1985—2015年近30年湖泊表面水體面積的變化進行分析。

1 研究區概況及遙感數據

1.1 研究區概況 云南省地處祖國西南邊陲，屬于典型的山地高原地形。杞麓湖位于于云南省玉溪市通海縣，海拔約1796.62m，是玉溪市通海縣的重要水資源；異龍湖位于滇南地區紅河州石屏縣，是石屏人民的“母親河”。

1.2 數據選擇 本文采用的數據是從USGS網站上下載的杞麓湖與異龍湖的1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的Landsat數據，所有數據云量不超過5%且沒有條帶。

2 水體提取方法

2.1 不同提取方法簡介

2.1.1 歸一化水體指數NDWI McFeeters提出了Normalized Difference Water Index（NDWI），即歸一化水體指數。

[NDWI=Green-NIRGreen+NIR] （1）

2.1.2 改進歸一化水體指數MNDWI 改進型歸一化水體指數是徐涵秋將NDWI中的近紅外波段換成了中紅外波段：

[MNDWI=Green-MIRGreen+MIR] （2）

2.1.3 增強型水體指數EWI 閆霈[10]等提出了增強型水體指數EWI，公式如下：

[EWI=Green-NIR-MIRGreen+NIR+MIR] （3）

2.1.4 新型水體指數NWI 丁鳳[11]提出新型水體指數NWI，其公式如下：

[NWI=Blue-（NIR+MIR+SWIR）Blue+（NIR+MIR+SWIR）*C] （4）

式中，C為一常數，目的是拉伸NWI的數值區間，在本實驗中C取255。

2.1.5 自動化水體提取指數AWEI Feyisa等[12]提出了Automated Water Extraction Index（AWEI），其公式有2個，一個是在理想狀態下（沒有陰影）提取水體，見公式（5）；另一個是在有陰影的情況下提取水體，見公式（6）。

[AWEInsh=4*（Green-MIR）-（0.25*NIR+2.75*SWIR）] （5）

[AWEIsh=Blue+2.5*Green-1.5*（NIR+MIR）-0.25*SWIR] （6）

注：上述式中，Green代表遙感影像的綠光波段，Blue代表藍光，波段NIR代表近中外波段，MIR代表中紅外波段，SWIR代表熱紅外波段。

2.2 水體提取精度對比分析 利用遙感高分辨率影像，在每個湖泊研究區選取80～100個測試樣本點，進行混淆矩陣計算其精度，5種提取方法精度對比見表1。因此，杞麓湖選用NDWI法，異龍湖選用NWI法。

3 結果與分析

3.1 杞麓湖與異龍湖面積變化分析 杞麓湖和異龍湖1985—2015年的面積變化見圖1和圖2，杞麓湖的面積在1985年和2000年呈增長趨勢，增大了1.013km2，并在2000年達到最大值37.019km2，之后逐年減少，2000—2015年面積縮減14.611km2。異龍湖于1981年干涸，后因降雨湖水慢慢積蓄起來，到1985年達到蓄水量最大值。1985年至1990年異龍湖湖面面積減少了7.16km2，到1995年面積大幅度回升到34.041km2，之后幾年的面積逐年減小，至2005年，湖面面積較1985年縮小了1/3，僅有24.483km2，2010—2015年短短5年的時間，異龍湖面積縮小了50%，僅有12.84km2（圖2）。endprint

云南大旱導致降水量減少，工農業用水緊張，湖泊的湖水量不能滿足蒸發和人類活動的正常需要，多個水位下降至近30年來最低，其中，杞麓湖面積縮減了1/3，異龍湖面積縮減了2/3。但據氣象資料，2014—2015年降水增加，而杞麓湖和異龍湖面積仍然極速縮減，查閱相關資料得知，2個湖泊面積變化與人類活動也息息相關。由于云南省2009年底開始的大旱，導致杞麓湖幾乎干涸，周邊村民將湖面干涸部分圍湖造田，使杞麓湖面積大大減少。而異龍湖面積持續下降的原因是云南連續干旱導致異龍湖的主要水源補給—赤瑞湖的干涸，加上周圍村民圍湖養魚、提水灌田，目前異龍湖已裂成兩半，西半部已成草原。因此，盡管2013—2015年降水量增加，但異龍湖的表面水體面積還是不可遏止地大幅度減少。

4 結論

本文選用5種不同的水體指數提取法提取了杞麓湖和異龍湖的水體，經過精度對比，杞麓湖選用NDWI法，異龍湖選用NWI法。

近30年來，杞麓湖和異龍湖面積縮減均很嚴重。杞麓湖的面積在1985年和2000年呈增長趨勢，增大了1.013km2，并在2000年達到最大值37.019km2，之后逐年減少，2000—2015年面積縮減14.611km2。異龍湖在1985—1990年異龍湖湖面面積減少了7.16km2，到1995年面積大幅度回升到34.041km2，之后幾年的面積逐年減小，至2010年，湖面面積24.483km2，至2015年異龍湖的面積縮小到了12.84km2。至2015年杞麓湖面積僅為1985年面積的2/3，而異龍湖更是僅為1985年面積的1/3。分析其面積縮減的主要原因是云南省在2009—2012年長達4年的持續干旱及人類對湖泊環境的破壞。

參考文獻

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