博斯騰湖湖岸線時空變化特征

高鵬文， 李新國,3, 阿里木江·卡斯木,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學 絲綢之路經濟帶城鎮化發展研究中心, 新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室， 新疆 烏魯木齊 830054)

1 研究背景

湖泊是陸地圈、水圈、巖石圈以及大氣圈的背景下研究的一個關聯點，是全球氣候環境變化的指示器之一，對湖泊波動性變化的研究顯得異常迫切[1-2]。近幾十年來, 因為氣候變化和冰川的迅速融化，中國西部湖泊的水體積和面積都發生了顯著波動，收縮和膨脹的周期相互交替，但總體已經呈萎縮趨勢，許多湖泊甚至消失[3]。近幾年來，關于博斯騰湖的研究越來越多，但大多數都是對于博斯騰湖水文特點、水位變化、濕地、蘆葦、水質、植被等進行相關研究，對于博斯騰湖湖岸線的研究較少[4]。Lee等[5]使用諸如影像平滑、閾值的分割和跟蹤界限等技術檢測SAR影像中的海岸線；Bo等[6]使用模糊的技術將影像的灰度圖和紋理星系合并在一起，使之產生一種模糊的連接地圖，同時通過對聯鏡頭的分割實現提取海岸線的目標。在黃河三角洲土地利用動態監測和海岸帶綜合管理中，劉高煥等[7]利用漲潮提取了海岸線，取得了1976-2000年黃河入海口的海岸線變化；陸立明等[8]描述了利用SAR數據在合成孔徑雷達回波數據的基礎上，利用SAR數據從非成像狀態提取海岸線的方法；孫美仙等[9]利用TM遙感影像，完成了遙感勘測方法的研究和在福建省的應用；魏彬[3]采用landsatTM/ETM+圖像和MATLAB平臺，編寫分形維數計算程序，根據分形維數與水位及湖泊形態特征關系說明了博斯騰湖形態特征變化的影響因素的相關結論；孫占東等[10]研究得出博斯騰湖流域內的徑流變化與所在地區冰川的快速消融以及在該地區水資源的合理利用、合理配置有重要關系；陶輝等[11]研究認為開都河的源頭地表徑流所受影響因素是氣溫和降水；王俊等[12]研究認為人類活動與氣候變化對博斯騰湖的進入湖泊徑流量的影響較大，同時得出該地區入湖徑流量與人類活動的影響更加契合；高華中等[13]認為，在1958-2002年期間，博斯滕湖地區受開都河灌區灌溉和引水的影響，經歷了從弱到強再到弱的變化過程。

本文利用2006-2016年的遙感影像對博斯騰湖湖岸線做5期對比，初步探索最近10年內博斯騰湖湖岸線的時空演變，并對博斯騰湖的西北角、東南角、南岸的典型區域進行特征分析。通過對博斯騰湖湖岸線的研究有助于讓人們更直觀地了解博斯騰湖，對湖泊及其流域的合理開發提供科學建議及依據，也對博斯騰湖流域的生態環境保護有一定的參考意義[14]。

2 研究區概況、數據來源與處理

2.1 研究區概況

博斯騰湖位于東經86°40′～87°25′、北緯41°56′～42°14′之間，在新疆維吾爾自治區焉耆盆地的博湖縣，是我國面積最大的內陸淡水湖[15]。博斯騰湖有廣闊的水域面積，東西距離長約55 km，南北寬度約 20 km。由于湖盆中心較低，因此在靠近湖泊的岸邊區域，湖水的深度快速減小。博斯騰湖光照豐富，熱量充足，空氣較為干燥，全年雨量稀少，為干旱地區常見的暖溫帶干旱荒漠氣候，博斯騰湖流域年降水量平均僅為68.2 mm，但年蒸發量卻有1 800～2 000 mm。

圖1 博斯騰湖流域示意圖

博斯騰湖是焉耆盆地中多條河流的匯集地，其主要的匯入河流是開都河，其他河流則是從天山南坡流下來的烏拉斯臺河以及哈爾烏遜河等，博斯騰湖的出湖河流為孔雀河，孔雀河的唯一水源也是博斯騰湖。在博斯騰湖流域的西北部是和靜縣，北部是和碩縣，中心區域在焉耆回族自治縣。

2.2 數據來源與處理

2.2.1 遙感影像數據 本文所使用的是landsat數據，來源于中國地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)以及美國地質勘探局的陸地衛星網站(https://landsatlook.usgs.gov/viewer.html)，選取2006-2016年共5期遙感影像，具體信息見表1。

表1 遙感影像信息

2.2.2 數據處理 將遙感圖像用于ENVI5.1環境中進行操作，選擇7、4、3波段，生成RGB圖像，保存成TIF格式，因為第7波段的遙感影像對水體最為敏感，可以更好地反映水體特征。本文主要用歸一化水體差異指數(NDWI)來分離水體和陸地。歸一化水體差異指數(NDWI)[16]和改進的歸一化水體差異指數(MNDWI)[17]的計算公式為：

NDWI= (Green-NIR) /(Green+NIR)

(1)

式中:Green為綠色波段的反射率；NIR為近紅外波段反射率。

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

式中:Green為綠色波段反射率；MIR為中紅外波段反射率。

圖2即為博斯騰湖湖岸線提取過程圖，先在ENVI中對遙感影像進行先期的預處理，包括圖像合成、圖像校正、圖像裁剪以及圖像拼接。之后利用水體指數通過bandmath進行波段計算，生成單波段的影像，然后在Arcgis中建立矢量圖層以生成的影像圖做岸線的提取，同時計算周長和面積。最后通過特征信息的提取分析時間和空間尺度的變化情況。

圖2 博斯騰湖湖岸線提取流程圖

3 研究方法

3.1 岸線發育系數

岸線發育系數(Shoreline Development Index，SDI)D描述海岸線的不規則程度，D值越大，則湖岸線越不規則，D值越小，則岸線的發育越規則，該系數被廣泛運用于對不同湖泊的分類及評價其沿岸帶的重要性[18]，其計算公式為：

(3)

式中：L為湖泊的岸線長度，km；A為湖泊的面積，km2。

3.2 圓形度R

圓形度R用來形容研究要素的形狀與圓形接近的程度，R的取值在0～1之間，R值越大，表明圖形更加接近圓形，其公式表達為：

R=4πS/L2

(4)

式中：S為圖形面積，km2；L為圖形周長，km。

3.3 形狀復雜性e

形狀復雜性即用離散指數e表示，e數值越大，表明研究要素的邊界形狀越復雜，反之越簡單，其計算公式為：

e=L2/S

(5)

4 結果與分析

4.1 博斯騰湖湖岸線特征值的提取和計算

本文在湖岸線的處理上利用基于GIS的手動矢量法，通過對2006-2016年的5景不同的影像進行手動的描邊，統計出如表2所示的湖岸線在研究時段內的基本數據。

表2 2006-2016年博斯騰湖5景影像岸線特征值

從表2中可以看出，2006-2016年博斯騰湖的面積呈現出先減小后增加的變化過程，其周長的變化與面積的變化出現了同步的變化特征，因此計算出的岸線發育系數與形狀復雜性共同反映出了先減小后增加的變化過程，并且與圓形度的計算結果也是相吻合的。

4.2 博斯騰湖湖岸線時間尺度變化特征

為更加直觀地研究博斯騰湖湖岸線隨時間的變化，對其周長和面積做如圖3所示的折線圖，以顯示變化趨勢，分析變化過程。

圖3 博斯騰湖湖岸線周長面積變化圖

由圖3可以看出，近10年內博斯騰湖面積和周長均為先下降后增長的過程。其中2013年的面積和周長均降到最低，該年度為轉折點，2015-2016年的增長較為迅速，出現了較大的轉折。

為了更好地說明這個轉折變化，將變化的整個過程分成2006-2013年和2013-2016年兩個時間段，分別計算兩個時間段內的變化差、變化速率以及變化的百分比。如表3所示。

表3 2006-2016年博斯騰湖湖岸線面積和周長變化表

通過表3的計算統計結果可以發現，2006-2013年間博斯騰湖湖岸線的面積從990.78 km2減少到902.25 km2，減少了88.53 km2，每年以12.65 km2的速率在減小，面積變化的占比達到了2006年的8.93%； 2013-2016年期間博斯騰湖湖岸線面積從902.25 km2增加到963.48 km2，增加了61.24 km2，每年以20.41 km2的速率在不斷的增加，面積變化的占比達到了2013年的6.79%。博斯騰湖湖岸線的周長也是在不斷變化，從2006年的325.32 km到2013年269.33 km，減少了55.99 km，在這7 a間以每年7.99 km的速度減少，7 a間減少的岸線長度占2006年的17.2%；2013-2016年湖岸線的周長呈增加趨勢，從2013年的269.33 km增加到2016年的331.93 km，增加了62.6 km，這3 a期間以每年20.87 km的速率在增加，3 a間增加的岸線長度占2013年的23.24%。

4.3 博斯騰湖湖岸線空間尺度變化特征

在博斯騰湖地區的遙感影像上，利用水體指數NDWI來分割水體，針對不同的數據源，采用了不同的波段組合的方式來進行計算，對于2013-2016年的lansat8影像，所采用的計算方法是NDWI提取水體。最后將在ENVI5.1中所得的分離水體的影像保存為TIFF格式，并將其在Arcgis中打開，通過在cotalog數據庫中建立shapefile矢量文件來存儲多邊形矢量。 在shapefile里構建面要素文件，用上文的TIFF文件作為底圖來進行矢量化過程。通過對博斯騰湖地區手動矢量化得出了2006-2016年的5期遙感數據的博斯騰湖湖岸線空間變化圖，如圖4所示。為了便于表述和研究，將博斯騰湖湖岸線劃分為5個區域，如圖5所示。

圖4 2006-2016年博斯騰湖湖岸線空間變化

圖5 博斯騰湖湖岸線研究區域劃分

從圖4中可以看到，2006-2016年博斯騰湖湖岸線變化顯著，尤其是在西北地區的濕地地帶，即為圖5所示的區域1，其次為區域4即博斯騰湖的南岸。 2006年岸線最靠南邊，其次是2011年的岸線，然后是2013年的岸線最靠北面，表明2006-2013年期間博斯騰湖南岸岸線為收縮趨勢，從圖4的南岸即圖5中的區域4可以看出，2015和2016年的南岸岸線均在2013年的南面，即說明2013-2016年博斯騰湖湖岸線又為擴大趨勢。

下面對5期數據中每相鄰兩年份的博斯騰湖湖岸線各劃分區域進行對比，以進一步分析2006-2016年博斯騰湖湖岸線的變化過程，對比結果見圖6。

圖6 2006-2016年博斯騰湖5期影像數據每相鄰兩年份湖岸線位置對比

圖 6(a)為2006與2011年的岸線位置對比圖。由圖 6(a)可以看出，在圖5中區域1位置，2011年較2006年變化很大，在該區域2006年的大面積濕地已經基本上沒有了，從表2中湖岸線特征值來看，這一期間湖岸線發育系數及形狀復雜性值均大幅減小。而在區域2中可以很明顯地看到2011年的岸線上有幾個突出來的岸灘，而在2006年的岸線并無這些岸灘；在區域3中可以看到2006年的岸線比較破碎、分散，而在2011年的岸線較為規整；在區域4即南岸區域，2011年的岸線有很多破碎的湖中灘地，但在2006年岸線上看不到這些岸灘，因為2006年的湖水量大，岸線靠南一些；在區域5中可以看到該地區相較于前幾個區域變化較小，但還是可以看出2011年的岸線相較于2006年在向東延伸，岸線在縮小。總的來說2011年相對于2006年的5個岸線研究區域均在減小。

圖 6 (b)為2011與2013年的岸線位置對比圖。從圖6(b)中可以看到區域1對應的岸線已經較為穩定，在這兩年間沒有明顯改變；在區域2中，可以看到2011年的湖岸灘仍在擴大，一直到了2013年的界限；在區域3中可以看出2013年的湖岸線都是一直在內收的狀態；區域4為該兩年中變化最大的地區，2013年的岸線相較于2011年向北拓展明顯，而且有兩處“湖中沙灘”也是被南岸的陸地連接起來，岸線的復雜程度也在提高；在區域5中，開都河與博斯騰湖大湖口相連的地方的變化比較大。總體而言，2013年比2011的岸線長度更短，圍成的面積也相對較小。

圖 6 (c)為2013與2015年的岸線位置比對圖。從圖6(c)中可以看到區域1的變化不大，但是在區域2中的2013年岸灘在2015年向北收縮了，即2015年的岸線相對于2013年是減小的；區域3與區域1相同，岸線基本維持不變；區域4中 2015年的岸線向南拓展，表明在該地區湖岸線是呈增加趨勢；區域5中岸線變化也不大，2013與2015年的岸線基本為重合狀態。綜上所述，2015年的岸線相對于2013年呈拓展趨勢，同時周長和面積也在增加。

圖 6 (d)為2015與2016年的岸線位置對比圖。從區域1中可以觀察到2016年的岸線較2015年向外擴展；在區域2中，2015年的幾個岸灘在2016年的岸線中已經消失了，這表明2016年的岸線在擴大，在該區域向北擴展；在區域3中也可以很清楚地看到2016年的岸線在向東外擴，而且出現了幾個新的岸灘；區域4中的岸線也在擴展。所以，2016年的岸線相較于2015年向外明顯擴展。

4.4 博斯騰湖湖岸線發育系數、圓形度、形狀復雜度分析

通過對博斯騰湖岸線的周長和面積的計算，可以知道博斯騰湖2006-2016年的10年間湖岸線的變化特別明顯。例如在從2013年到2016年這3年內，面積以每年20.41 km2的速率在不斷的增加，面積變化的占比達到了2013年的6.79%。增長了61.24km2；周長的變化也非常顯著，周長以每年20.87 km的速度在增加，總共增加了62.6 km，將近占到2013年岸線長度的1/4。僅通過面積和周長來說明岸線的變化是不夠的，這里引進與面積和周長有密切關系的岸線發育系數、圓形度、形狀復雜度來更好地說明博斯騰湖湖岸線的變化情況，根據表2的計算結果，利用origin軟件作出博湖湖岸線3個特征值的變化趨勢圖，見圖7。

圖7 2006-2016年博湖湖岸線特征值變化趨勢

形狀復雜性用離散指數e表示，e數值越大，表明研究要素的形狀邊界越復雜，e值越小，對應的圖形就越簡單[19]。從圖7中可以看出該指數也是一個先減小后增大的過程，最小值出現在2011年，為82.3，最大值為2016年的114.35。

岸線發育指數是指岸線的規則與否的程度指數，岸線越不規則，則岸線發育指數就越大。從圖7可以看出，2013年的岸線發育指數最小，僅為2.53，為近10年來的最小值，而在2016年該指數達到3.02，為近10年以來的最大值。同時也可以看出該指數的變化過程也是先減小后增大。

圓形度表示圖形與圓形的相似程度，當值為1時,該圖形即為圓形，當該值越小于1表示選擇的圖形越不規律，與圓形的差距越大[20]。從圖7中看出該指數為先增大再減小的過程，最大值為2013年的0.16，表明在近10年的變化里2013年博湖湖岸線萎縮較大，相比較而言與圓形最為相似，而最小值為2016年的0.11，表明岸線相對不規則，即岸線向外擴張了。

博斯騰湖湖岸線的發育系數在2006-2016年的10年間經歷了由大到小再到大的變化過程，從圓形度和復雜程度的角度上來說是經歷了“復雜——簡單——復雜”的變化過程。即近10年內博斯騰湖湖岸線經歷了“復雜——簡單——復雜”的變化過程。

5 結論與展望

5.1 結 論

(1)2006-2013年博湖岸線的面積從990.78 km2減少到902.25 km2，2013-2016年博湖湖岸線面積從902.25 km2增加到963.48 km2。博斯騰湖湖岸線的面積呈現先減少后增加的過程；博斯騰湖岸線的周長也是不斷變化的，從2006年的325.32 km減小到2013年269.33 km，又從2013年269.33 km增加到2016年的331.93 km。博斯騰湖湖岸線的周長呈現出先減少后增加的過程，其岸線的岸線發育指數和形狀復雜度也相應地呈現先減少后增加的過程。

(2)博斯騰湖湖岸線從2006年到2016年間岸線變化較大的區域有圖5中的區域1、區域3、區域4，分別為博斯騰湖的西北濕地地帶、東南較為破碎的湖區、南部的整條岸線。在區域1和區域3中，2006-2013年均表現為收縮的趨勢，2013-2016年表現穩定，沒有明顯收縮和擴張趨勢。在區域4中，從2006-2013年表現為向北收縮的趨勢，而2013-2016年該區域表現為向南擴張的趨勢。

(3)在本文中博斯騰湖湖岸線的3個特征值即：岸線發育指數、圓形度、形狀復雜度，能夠更好更全面地反映出博斯騰湖湖岸線時空演變的趨勢即岸線先減少后增加的趨勢。

5.2 不足與展望

在本文中涉及到2016年的博斯騰湖面積的計算，通過計算得2016年湖泊面積為963.49 km2，較2015年的面積931.63 km2增加了31.86 km2，增加率為3.4%，增加數值較大。阿依努爾·買買提等[21]預測博斯騰湖面積在2015-2030將呈減小趨勢，張一瓊[22]對博斯騰湖面積的定量遙感中也分析到博斯騰湖從1972到2011年經歷了先減小再增大又減小的趨勢。但從實地調查可知，在2015年的區域5中，博斯騰湖大湖區與小湖區相接連的地方僅有很少的不連續水體，而在同一區域的2016年經實地調研可知，在該地區已經有大片的連成一體的水體。為更嚴謹、更科學地分析博斯騰湖湖岸線的變化需要更進一步的研究。

本文所使用的遙感數據的數據源較為單一，僅為lansat8的影像，雖然該影像的分辨率較高，為30 m，但還是可以通過modis以及其他數據源對2016年的數據加以佐證。

希望可以通過博斯騰湖最新時間段的蒸發量、降雨量、溫度、水位及開都河徑流量等的變化來做更加詳細的驗證。