近30年岱海湖泊面積變化遙感監(jiān)測及驅(qū)動力分析

孟慶吉 高戰(zhàn)武 吳海曼 耿忌非 范春燕 劉金霖 鄢上欽

摘 要：岱海處于農(nóng)牧交錯地帶，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，湖泊的變化易受自然和人為因素的影響。該研究以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，以岱海為研究區(qū)，運用歸一化水體指數(shù)，分析了1990—2020年岱海湖泊面積的變化狀況，并探討了產(chǎn)生變化的驅(qū)動力因素。結(jié)果表明，1990—2020年岱海湖泊面積呈持續(xù)減小態(tài)勢，其中1990—1999年湖泊面積萎縮最為顯著，縮減面積達(dá)25.05km2。岱海湖泊面積縮減的自然因素為多年來降水量減少和氣溫升高導(dǎo)致的蒸發(fā)量增大，致使入湖水量不斷減少;人為因素為人類活動對自然環(huán)境干擾程度的加深，以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得需水量增加，對湖泊面積造成了巨大影響。

關(guān)鍵詞：岱海;湖泊;歸一化水體指數(shù);遙感;監(jiān)測

中圖分類號 S127 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）24-0106-04

Remote Sensing Monitoring and Driving Force Analysis of Daihai Lake Area Change in the Past 30 Years

MENG Qingji1 et al.

（1Baicheng Teachers College， Baicheng 137000， China）

Abstract： Daihai is located in the agricultural and pastoral transition zone， the ecological environment is relatively fragile， and the changes of the lake are easily affected by natural and human factors. Therefore， this paper uses Landsat remote sensing image as the data source， Daihai as the research area， and uses the normalized water body Index to analyze the changes in the area of Daihai Lake from 1990 to 2020， and explore the driving forces for the changes. Studies have shown that the area of Daihai lakes has continued to decrease from 1990 to 2020. The area of lakes has shrunk most significantly from 1990 to 1999， with a reduced area of 25.05 km2. The natural factors for the reduction in the area of Daihai Lake are the increase in evaporation caused by the decrease in precipitation and the increase in temperature over the years， resulting in the continuous decrease of the amount of water entering the lake; the human factors are the deepening of the interference of human activities on the natural environment， and the economic Development has increased water demand and has had a huge impact on the area of the lake.

Key words： Daihai; Lake; Normalized water index; Remote sensing; Monitoring

湖泊作為地表水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)河川徑流、發(fā)展灌溉、提供工業(yè)和飲用的水源等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。對湖泊的開發(fā)和利用需要持有可持續(xù)發(fā)展的理念，尤其是對于處于農(nóng)牧交錯地帶的湖泊，更加需要關(guān)注對其合理利用。

近些年來，學(xué)者們應(yīng)用遙感技術(shù)對湖泊的變化進(jìn)行了大量的研究。研究表明，2000—2018年期間，岱海湖泊面積持續(xù)縮減且多轉(zhuǎn)化為內(nèi)陸灘涂和沼澤草地[2];運用人工目視解譯方法，分析得出1976—2015年岱海湖面持續(xù)萎縮，其中1995—2000年湖面萎縮最顯著[3];通過對近50年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，岱海湖泊面積不斷縮小且礦化度升高較快[4];受自然和人為因素的影響，2002—2012年岱海面積持續(xù)減小，其重心逐漸向偏北方向移動[5];1989—2018年期間岱海湖面面積呈現(xiàn)為遞減趨勢，其中人類活動是其變化的主要原因[6]。

以上學(xué)者雖然對岱海湖泊變化做出了一定的研究，但對湖泊變化原因的分析還不夠細(xì)致。鑒于此，本研究以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，以岱海為研究區(qū)，利用歸一化水體指數(shù)作為研究方法，分析了1990—2020年岱海湖泊面積變化狀況，研究影響變化的驅(qū)動因素，以期為岱海湖泊的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

岱海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣東北部，為內(nèi)陸封閉型微咸湖泊，是內(nèi)蒙古第三大內(nèi)陸湖。岱海整體呈長橢圓形，為東北-西南走向，湖泊面積約70km2，平均水深9m。該地地處我國季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)交界地帶，屬農(nóng)牧交錯帶，即生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，年降水量在204～547mm，降水主要集中在夏季且多暴雨，多年平均氣溫為5.2℃，多年平均蒸發(fā)量1938mm。湖泊水量補(bǔ)給主要來源于弓壩河、五號河、目花河和天成河等河流[7]，水生生物及植物種類豐富多樣。近些年來，受到自然因素變化和人類活動加劇的雙重干擾，致使湖區(qū)面積持續(xù)萎縮、濕地嚴(yán)重退化、生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱。2000年、2002年，岱海濕地和岱海分別被評為我國重要濕地和自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)[8]，整體受保護(hù)程度逐漸提高，2016年以來更是對岱海流域進(jìn)行了綜合治理。

2 岱海水體提取

2.1 遙感數(shù)據(jù) 本研究根據(jù)研究區(qū)的實際情況，考慮水體自身的特性，并依據(jù)遙感影像的空間分辨率、時間分辨率等特征，最終選擇由美國航空航天局（NASA）發(fā)射的Landsat系列衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源，分別選取1990年、1999年和2010年的Landsat TM數(shù)據(jù)以及2020年的Landsat ETM+數(shù)據(jù)，分辨率均為30m，共4景。

2.2 水體信息提取方法 提取水體的方法有很多[9]，通過對本研究區(qū)水體的不同水體提取方法的試驗后，選擇了歸一化水體指數(shù)（NDWI）[10]、閾值法[11]和決策樹法3種方法相結(jié)合的方式來提取水體，其中，歸一化水體指數(shù)是應(yīng)用范圍較廣且經(jīng)多次試驗后認(rèn)為適合本研究區(qū)的水體指數(shù)，能夠最大限度地區(qū)分遙感影像中的水體和非水體信息，但是如何細(xì)致的將水體信息提取出，這就需要將決策樹法和閾值法相結(jié)合并作用到經(jīng)NDWI處理后的結(jié)果之上，并通過調(diào)控閾值范圍來最大限度地將水體信息提取出來。水提信息提取的具體步驟如下所示，首先在Envi軟件中進(jìn)行波段運算（Band Math）并插入NDWI計算公式，分別選取第2和第4波段進(jìn)行計算，在得到水體提取結(jié)果后，再通過多次比較和目視判讀的方法來進(jìn)一步確定提取水體的閾值，使閾值提取的湖泊范圍和目視判讀的范圍一致;然后通過建立新的決策樹，并輸入相關(guān)閾值數(shù)值來提取湖泊的范圍，其中4期影像的閾值分別設(shè)定為0.07、0.11、0.07和0.12（見圖1）。NDWI的公式如下所示：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

式中：Green波段代表綠光波段，即TM和ETM+中的第2波段;NIR波段代表近紅外波段，即TM和ETM+中的第4波段。

2.3 處理過程 首先，對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理;其次，在Envi中應(yīng)用相應(yīng)的水體信息提取方法將正確的水體范圍提取出來;再次，將提取的范圍在Envi中轉(zhuǎn)化成矢量文件，并將矢量文件在Arcgis中打開并計算湖泊面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 面積變化 從表1、圖2和圖3可以看出，1990—2020年岱海湖泊面積呈持續(xù)縮減態(tài)勢，由1990年的114.23km2減少到2020年的57.93km2，平均每年減少1.88km2，且湖泊縮減面積最大的部分為湖泊的西南和南部，北部縮減面積最小。其中，1990—1999年湖泊面積縮減25.05km2，平均每年縮減2.78km2，縮減率為21.93%;1999—2010年湖泊面積縮減20.99km2，平均每年縮減1.91km2，占湖泊面積的23.54%;2010—2020年湖泊面積縮減10.26km2，平均每年縮減1.03km2，占湖泊面積的15.05%，此時段面積縮減速度明顯下降。湖泊面積的持續(xù)減少，表明岱海流域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的脆弱程度正逐漸增大、抗干擾能力在逐漸減弱。

3.2 驅(qū)動力因素分析

3.2.1 自然因素 從圖4可以看出，1990—2019年岱海年降水量呈微弱下降態(tài)勢，多年平均值為363.56mm，降水量年際變化較大且極不穩(wěn)定，29年間降水量的最大值出現(xiàn)在2012年為547.7mm、最小值出現(xiàn)在1997年為204mm。從圖5可以看出，1990—2019年岱海多年平均氣溫呈增長態(tài)勢，氣溫多年平均值為5.05℃，90年代氣溫增長較快且波動性較大，氣溫多年平均值為4.89℃;2000年以后氣溫繼續(xù)增長，但整體較為平穩(wěn)，氣溫多年平均值為5.1℃;2010年以后氣溫持續(xù)增長，但波動性較大，氣溫多年平均值為5.17℃，每個時段的氣溫平均值在增長。從圖6可以看出，1990—2019年岱海相對濕度呈減少態(tài)勢且下降幅度較大，多年平均相對濕度為51.28%。研究區(qū)的氣溫持續(xù)升高導(dǎo)致蒸發(fā)量逐漸增大，加之降水量的不斷減少，使得岱海的水量補(bǔ)給量減少，補(bǔ)給來源受到威脅，從而致使湖泊進(jìn)一步萎縮，同時導(dǎo)致研究區(qū)的空氣相對濕度逐漸降低，生態(tài)系統(tǒng)變得更加脆弱。

3.2.2 人為因素 人類活動進(jìn)一步加劇了湖泊退化的速度，本研究在分析人類活動對湖泊面積變化的影響方面，主要選取耕地面積、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和人口數(shù)量等3個指標(biāo)來進(jìn)行分析。研究區(qū)耕地面積由1990年的81240hm2變?yōu)?019年的74810hm2，最大值出現(xiàn)在1999年為95720hm2，耕地面積在1990—1999年的快速增長與湖泊縮減速度最快的時間相吻合，表明耕地面積擴(kuò)大與湖泊面積縮小有很大的關(guān)系。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值由1990年的1.41億元變?yōu)?019年的48.3億元，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展必然會消耗大量的水資源，使得處于半干旱地區(qū)的岱海水源補(bǔ)給量逐漸減少，致使研究區(qū)內(nèi)更加干旱、生態(tài)壓力增大。涼城縣人口數(shù)量在1990—2019年期間的變化幅度較小，由23.62萬人變?yōu)?3.25萬人，雖然人口數(shù)量變化不大，但隨著人類生產(chǎn)技術(shù)的提高，單位經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所消耗的資源也在增加，使得對生態(tài)環(huán)境的干預(yù)能力和影響層次持續(xù)加深，從而導(dǎo)致對岱海流域的影響程度不斷加強(qiáng)，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境變得更加破碎，整體的抗干擾能力減弱。

4 結(jié)論

1990—2020年岱海湖泊面積呈持續(xù)縮減態(tài)勢，1990—1999年湖泊面積縮減25.05km2，縮減率為21.93%;1999—2010年和2010—2020年湖泊面積分別縮減20.99km2、10.26km2。湖泊面積的持續(xù)縮小，表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱，且抗干擾能力減弱。

湖泊面積變化受自然因素和人類活動的共同影響。自然因素方面，氣溫的逐漸升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，多年來降水量的減少導(dǎo)致湖泊的水源補(bǔ)給量在減少，兩者共同的作用使得岱海的湖泊面積受到了一定程度的影響。人為因素方面，隨著人類活動對自然環(huán)境干擾程度的加深以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得各方面的需水量顯著增加，從而增加了人類活動對湖泊面積變化的影響程度。

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（責(zé)編：張宏民）