1990—2019年達里諾爾湖水體面積變化遙感監測

尹源 范雪松

摘要 以Landsat遙感數據資料為基礎，采用歸一化差分水體指數（NDWI）對達里諾爾湖水體進行識別和提取，使該區域形成長時間監測，研究1990—2019年達里諾爾湖的時空變化，并通過氣象數據探討水體面積與氣候變化的關系。結果表明，達里諾爾湖1990—2019年水體面積呈波浪式變化，整體呈下降趨勢，自2000年后，達里諾爾湖水體面積逐漸減少，20年間共減少41.82 km2;在湖體東北方向減少幅度最大，共減少19.89 km2。達里諾爾湖水體面積與降水量呈正相關，與氣溫呈負相關。

關鍵詞 達里諾爾湖;水體面積;歸一化差分水體指數（NDWI）;時空變化;遙感監測

中圖分類號 TP 79文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0092-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.024

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Remote Sensing Monitoring of Water Area Changes in Darinore Lake from 1990 to 2019

YIN Yuan1，FAN Xue-song2

（1.Meteorological Bureau of Keshiketeng Banner， Inner Mongolia Autonomous Region， Keshiketeng Banner， Inner Mongolia 025350;2.Meteorological Bureau of Chifeng City， Inner Mongolia Autonomous Region， Chifeng， Inner Mongolia 024000）

Abstract Based on Landsat remote sensing data， the normalized differential water index （NDWI） was used to identify and extract the water body of Dalinore， so that the area could be monitored for a long time，the temporal and spatial changes of Dalinore Lake from 1990 to 2019 were studied，andthe relationship between water area and climate change through meteorological data were explored.The results showed that from 1990 to 2019， the water area of Dalinore Lake showed a wave-like change， with an overall downward trend. Since 2000， the water area of Dalinor Lake had gradually decreased， with a total decrease of 41.82 km2 in 20 years.The largest decrease was in the northeast of the lake， with a total decrease of 19.89 km2.The water area of Dalinore Lake was positively correlated with precipitation， and negatively correlated with temperature.

Key words Dalinore Lake;Water area;Normalized differential water index （NDWI）;Temporal and spatial variation;Remote sensing monitoring

作者簡介 尹源（1994—），女，內蒙古赤峰人，助理工程師，從事大氣科學研究;范雪松（1989-），男，內蒙古赤峰人，助理工程師，碩士，從事生態學研究。尹源和范雪松是共同第一作者。

收稿日期 2021-04-13;修回日期 2021-05-31

湖泊是指湖水、湖盆和水中所含物質（有機質、無機質及水生生物）所組成的自然綜合體，湖泊參與自然界的物質和能量循環，是我國生態環境基本要素和重要資源，它是自然界水分循環的重要參與者，是大量生態信息的載體，也是湖泊流域物質存儲庫，能夠記錄湖泊各個時期氣候和環境變化的信息[1]。同時，氣候變化對湖泊也有重要影響，是湖泊水體面積變化的重要驅動因素。近幾十年來，湖泊面臨著水質惡化、水體面積減少、植被退化、旱澇急轉、土壤鹽堿化等重大問題，湖泊水體變化對周圍生態環境變化和氣候變化有著直接影響，因此對湖泊時空變化的研究有重要意義[2]。

早期對于湖泊監測的手段單一，受到人力、財力等外界因素的限制，導致研究內容較少、范圍較窄、精度不高，但是通過遙感（remote sensing）技術獲得湖泊信息，可以不受環境的限制，用戶可以在任何時候獲得所需的地理信息[3]，同時遙感資料可以連續、準確地反映地表信息特點，現如今高分辨率、高光譜遙感數據已經出現，加上水體遙感研究技術不斷深入，通過遙感數據提取水體信息，已經成為水體研究的重點，以豐富的遙感數據資料為基礎，綜合運用地理信息系統技術，可以有效地分析湖泊水體變化，目前，應用遙感技術研究水體信息的方法有水體指數法、圖像分類法、閾值法等，其中水體指數法是被廣泛使用的研究方法。

美國陸地資源衛星（Landsat）數據是遙感應用中常用的衛星數據，最早于1972年發射，Landsat系列衛星數據可以滿足全球區域內研究的需要，是進行長期監測最為有效的遙感數據之一[4]。筆者以Landsat遙感數據資料為基礎，采用歸一化差分水體指數（NDWI）對達里諾爾湖水體進行識別和提取，使該區域形成長時間監測，研究1990—2019年達里諾爾湖的時空變化，并通過氣象數據探討水體面積與氣候變化的關系，為達里諾爾湖未來保護及治理提供科學合理的支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

達里諾爾湖（116°30′～116°48′E、43°13′～43°23′N）位于內蒙古自治區赤峰市克什克騰旗，達里諾爾湖是赤峰市境內最大的湖泊（圖1），是低濃度鹽水湖，整體形狀呈海馬狀，湖體按南北分布，是封閉式蘇達型半咸水湖。達里諾爾湖屬于高原內陸湖，湖水無外瀉，湖體總儲水量是16億m3，水深平均10～13 m，最大水深13 m，總面積238 km2。此外，達里諾爾湖周圍還有很多水系流入，在東西兩畔各有一個湖泊，分別是崗更諾爾湖和多倫諾爾湖，耗來河、貢格爾河、沙里河將這3個湖泊貫穿在一起，形成高原湖區。達里諾爾湖地區受溫帶大陸性季風氣候控制，年平均氣溫2～4 ℃，年降水量250～500 mm，降水多集中在6—8月份。

1.2 數據來源及處理

該研究從美國地質調查局（USGS）網站上選取下載1990—2019年共30景達里諾爾湖區域Landsat遙感數據，由于數據的時間間隔較長，所以1990—2015年選擇Landsat5/TM遙感數據，2016—2019年選擇Landsat8/OLI遙感數據，為了使水體面積更加準確，選擇達里諾爾湖無云、無條帶的遙感影像數據，遙感影像時間均為每年7月份，對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正等一系列預處理工作，研究區的氣象數據為經棚國家氣象站，數據來自中國氣象數據網。

1.3 研究方法

衛星遙感數據是記錄地表物體反射信息以及地物自身的輻射信息，對于一般地物而言，在遙感傳感器范圍內，水體的反射率總是相對較弱的，該研究對達里諾爾湖水體面積提取采用水體指數法[5-9]，水體指數法的本質就是把地表物體最弱的反射率和最強的反射率波段分別作為分子和分母，進行波段運算，然后把兩者的差距拉大，進行歸一化處理[10]，這樣可以對背景信息抑制，能夠較好地增強水體信息[11]，歸一化差分水體指數（NDWI）[12]是一種被廣泛應用計算水體識別的研究方法（表1）。

通過遙感圖像識別1990—2019年達里諾爾湖水體面積，并對水體面積進行時空變化分析，該研究采用ENVI空間分析法，對達里諾爾湖每年的水體面積變化進行分析，分析湖體面積變化的時空變化過程，同時對達里諾爾湖面積與氣候變化進行分析。

2 結果與分析

2.1 湖體面積變化特征

對達里諾爾湖水體1990—2019年進行NDWI運算，識別出1990—2019年30景遙感影像中達里諾爾湖水體（圖2），通過ENVI處理遙感數據，得出每年達里諾爾湖水體面積（圖3）。結果顯示，達里諾爾湖水體面積變化總體呈現波浪式變化，整體呈下降趨勢，水體面積在1993、1999年2次出現變化拐點，具體變化為3個階段，其中1990—1993年達里諾爾湖水體面積逐年增加，4年期間增加了4.35 km2，1994—1999年達里諾爾湖水體面積趨于平緩基本保持不變，在1999年水體面積為223.21 km2，從2000年開始達里諾爾湖水體面積逐漸減少;第3階段2000—2019年達里諾爾湖水體面積呈下降趨勢，20年期間共減少41.82 km2。總體來看，達里諾爾湖水體面積變化程度明顯，整體上呈下降趨勢。

2.2 湖體格局時空變化

該研究通過ArcGIS對達里諾爾湖1990—2019年水體面積進行空間對比分析，進一步研究達里諾爾湖水體時空格局變化過程，從水體面積變化趨勢來看，水體整體呈下降趨勢，面積減少幅度最大的區域集中在達里諾爾湖的東北和東南方向，分別縮減了19.89和10.63 km2。

通過分析發現，由于達里諾爾湖周圍水體水深較淺，受自然環境因素影響明顯，水體邊緣變化幅度較大，在湖泊邊緣很容易出現水體干涸的情況，并且在東北方向減少幅度最大。

2.3 湖體面積與氣候變化

達里諾爾湖的湖體面積增加主要是靠降水來補給，該研究進一步探討降水量和氣溫與達里諾爾湖面積變化的關系，從圖4可以看出，近30年達里諾爾湖水體面積變化波動且不穩定，總體呈下降趨勢，利用1990—2019年經棚國家氣象站年降水量和年平均氣溫數據與達里諾爾湖水體面積進行分析比較，結果顯示，達里諾爾湖水體面積與降水量呈現一定的相關性，但是并不十分顯著，年降水量變化幅度較大，呈波浪狀，但是總體是下降趨勢，這與達里諾爾湖面積變化趨勢相一致，年平均氣溫與達里諾爾湖面積呈負相關，氣溫升高，蒸發量增多，水體面積減少。

3 結論

該研究以1990—2019年達里諾爾湖共30景Landsat遙感數據為基礎，遙感與信息系統為技術手段，采用歸一化差分水體指數（NDWI），通過對近30年達里諾爾湖水體面積變化研究，并與年降水量和年平均氣溫進行相對關聯分析。結果表明， 達里諾爾湖1990—2019年水體面積呈波浪式變化，整體呈下降趨勢，在1993、1999年出現2次拐點，自2000年后，達里諾爾湖水體面積逐漸減少，20年間共減少41.82 km2。

空間變化分析得出，在湖體東北方向減少幅度最大，共減少19.89 km2。

達里諾爾湖水體面積與降水量呈正相關，與氣溫呈負相關。

近年來，達里諾爾湖周圍生態系統恢復較好，湖體面積主要是受自然環境的影響，因此，加強生態保護、維持生態平衡是保護水資源的根本，實現達里諾爾湖發展和生態保護的發展。

參考文獻

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