王威 隋兵 林南 陳太龍

（1 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118；2 湖南省岳陽市氣象局， 岳陽 414000）

0 引言

水體尤其是大型湖泊具有調(diào)節(jié)氣候、含蓄水源的作用，隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，湖泊生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，這些變化影響著全球淡水資源的分布，甚而影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。衛(wèi)星遙感技術(shù)為大尺度的水文監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的手段，研究者借助遙感資料對湖泊面積的變化開展了很多研究。梁丁丁[2]、閭利等[3]利用Landsat影像分析了青藏高原湖泊面積變化。徐浩杰等[4]利用Landsat、MODIS、NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，分析了近30年柴達(dá)木盆地湖泊面積的變化及其對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。

洞庭湖是長江中下游最大的調(diào)蓄湖泊，我國第二大淡水湖泊，它的存在對調(diào)節(jié)湖區(qū)周邊氣候具有重要的作用。目前洞庭湖由于受氣候的變化和人類因素的影響，湖泊面積呈現(xiàn)萎縮的趨勢。據(jù)湖南省水電勘測設(shè)計(jì)院測算，1949年洞庭湖湖泊面積為4300 km2，1983年減至2691 km2，到20世紀(jì)90年代末，面積僅為2579.2 km2[5]。崔亮等[6]通過分析1993—2010年洞庭湖水體面積動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)18年間湖面積萎縮嚴(yán)重，秋季平水期萎縮比例少于40%。田偉國等[7]、王慧等[8]發(fā)現(xiàn)除受氣候影像以外，三峽大壩的建立對洞庭湖面積變化影響也很大。這些研究借助的手段均比較粗略，遙感影像大多采用分辨率較低的MODIS數(shù)據(jù)，利用較高空間分辨率分析洞庭湖面積的研究相對而言較少。為了更精確地分析洞庭湖面積的變化情況，需要借助更高分辨率的遙感影像，本文利用Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)研究洞庭湖面積的變化。

1 研究區(qū)概況

洞庭湖位于長江中下游，北接長江，西南面與湘、資、沅、澧四水相通，跨岳陽、常德、益陽三市[9]。洞庭湖主體大致可分為東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖三部分，湖體之間通過星羅密布的河網(wǎng)和洪道相連。洞庭湖屬于季節(jié)性湖泊，水位始漲于4月，7—8月最高，11月—翌年3月為枯水期。多年最大水位變幅，岳陽達(dá)17.76 m。素有“洪水一大片，枯水幾條線”“霜落洞庭干”之說。洞庭湖水體面積經(jīng)歷了“擴(kuò)張—萎縮—擴(kuò)張—萎縮”的發(fā)展階段，在鼎盛時(shí)期洞庭湖曾號稱“八百里洞庭”，在近一百年內(nèi)，由于人為和政策的原因，湖泊萎縮速度加劇。人類過度的干預(yù)導(dǎo)致洞庭湖區(qū)域洪災(zāi)泛濫，尤其在經(jīng)歷了1996、1998、1999年連續(xù)幾次大水災(zāi)之后，洞庭湖進(jìn)入了新的歷史時(shí)期，以水利建設(shè)為重點(diǎn)的洞庭湖治理工程相繼開展，其中尤以三峽水利工程影響最大，三峽大壩建成后，洞庭湖防洪壓力減輕，但與此同時(shí)大壩的建成也對洞庭湖水體面積變化產(chǎn)生了巨大影響。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 Landsat 數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)選取的是Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，本研究使用波段的空間分辨率皆為30 m。由于豐水期（4—10月）和枯水期（11月—次年3月）的洞庭湖面積差異巨大，枯水期面積較穩(wěn)定，豐水期更能體現(xiàn)洞庭湖面積變化趨勢，因此，本文選用1993—2017年4—10月的Landsat影像進(jìn)行分析，每期影像由軌道號123/40、124/40兩幅影像經(jīng)過校正、拼接而成。表1為本文所使用遙感數(shù)據(jù)詳細(xì)信息。

2.2 湖泊面積提取方法

本研究利用遙感影像提取湖泊面積的方法包括單波段閾值分析法、植被指數(shù)法、多波段譜間關(guān)系法、目視解譯法等[4]。其中，單波段閾值分析法，主要利用對水體界限反映較敏感的近紅外波段提取水體面積[10]；植被指數(shù)法分別基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI），該類方法考慮水體在不同波段不同的透射性和吸收量，并利用波段數(shù)值差和數(shù)值和的比值作為水體的判識依據(jù)；多波段譜間關(guān)系法，利用水體獨(dú)特的譜間關(guān)系來提取水體的面積，本研究使用水體指數(shù)（WRI）法。各指數(shù)的具體計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[4, 10-11]。

借助上述方法對2017年豐水期的洞庭湖水體面積進(jìn)行提?。▓D1和圖2），5種提取水體方法均能成功提取出洞庭湖水體面積。單波段法在提取水體時(shí)需根據(jù)水體在影像中呈現(xiàn)的波段特征進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，本試驗(yàn)中閾值T=7200，但該方法水體信息缺失率較高。多波段譜間關(guān)系法雖然克服了利用單波段提取水體信息時(shí)造成的缺失問題，但將水田、陰影等誤判為水體的概率較高。植被指數(shù)法和歸一化植被指數(shù)法較單波段法和多波段譜間關(guān)系法誤判率較低。其中，歸一化植被指數(shù)能較準(zhǔn)確的識別水體，但其在地物復(fù)雜地段，尤其是水體、水田、裸露灘地共存的部分，該方法也很難將水體區(qū)分，因此需要借助目視解譯法，利用豐富的專業(yè)知識從復(fù)雜地物中提取出水體。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)湖泊面積變化

Landsat衛(wèi)星重訪期為16 d，且易受云霧干擾，因此本文僅以2017年豐水期和枯水期來分析年內(nèi)湖泊面積變化情況。豐水期采用2017年7月的兩幅影像、枯水期采用2017年12月的兩幅影像。分析可知，2017年豐水期洞庭湖面積約為1920 km2，枯水期面積約為607 km2，兩者相差1313 km2。洞庭湖2017年湖泊面積變化如圖3所示，可見洞庭湖湖泊面積變化受季節(jié)影響很大。在豐水期湖體豐滿、接聯(lián)成片，在枯水期湖體枯瘦、似斷似聯(lián)，這種變化與洞庭湖區(qū)域汛期和非汛期時(shí)間變化相吻合。豐水期正直洞庭湖區(qū)域雨季，全年80%以上降水集中于該時(shí)期，其次泗水及長江上游來水也多集中于該時(shí)期；枯水期恰逢湖區(qū)的非汛期，降水量減少，三峽大壩此時(shí)也處于蓄水期，導(dǎo)致上游來水減少，使得湖泊面積減小，因此也造就了洞庭湖“洪水一大片，枯水幾條線”的奇異景象。

表1 遙感影像詳細(xì)信息Table 1 Details of remote sensing images

圖1 利用不同方法提取的2017年豐水期洞庭湖面積Fig. 1 Dongting Lake area extracted by different methods in 2017

圖2 不同方法提取的洞庭湖水體局部對比Fig. 2 Local comparison of DDongting Lake extracted by different methods

3.2 年際湖泊面積變化

研究[7]表明，洞庭湖枯水期水體面積較穩(wěn)定，豐水期水體面積年際變化比較明顯。因此，選取1994—2017年豐水期的Landsat影像分析洞庭湖水體面積年際變化。本文提取的洞庭湖水體僅為東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖和南湖部分水體。結(jié)果顯示（圖4和表2）：洞庭湖水體面積在1996年最大（2438 km2），其次是1998年（2285 km2）、2016年（2025 km2）。洞庭湖水體面積最小的3年均在2000年后，分別是2013年（1054 km2）、2011年（1217 km2）和2006年（1342 km2）。

圖3 2017年洞庭湖枯水期（a）和豐水期（b）水體面積對比Fig. 3 Comparison of water area in Dongting Lake during between the dry season (a) and the wet season (b) in 2017

圖4 1994—2017年洞庭湖面積年際變化Fig. 4 Area changes of Dongting Lake from 1994 to 2017

表2 不同遙感影像提取的洞庭湖水體面積對比（單位：km2）Table 2 Comparisons of Dongting Lake area extracted by different remote sensing images (unit: km2)

為驗(yàn)證利用NDWI加目視解譯法提取Landsat影像中洞庭湖水體面積的可信度，本研究對比分析了以往利用不同遙感影像提取洞庭湖面積[12]與本文的差別，對比結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)，本文提取的洞庭湖水體面積除1995年超過風(fēng)云衛(wèi)星提取的水體面積最大值外，其他年份提取的水體面積均在年最大面積和年最小面積范圍之內(nèi)，說明利用NDWI加目視解譯提取Landsat中洞庭湖水體面積方法較為可靠。

3.3 年代際湖泊面積變化

表3給出了不同時(shí)期洞庭湖湖泊面積變化趨勢，其中，20世紀(jì)90年代的面積變化基于1998年與1994年的差值； 21世紀(jì)00年代的基于21世紀(jì)00年代與20世紀(jì)90年代的差值； 2010年以來與21世紀(jì)00年代的算法相同。20世紀(jì)90年代平均擴(kuò)展面積為20世紀(jì)90年代面積變化值的平均值，參與計(jì)算的年份為1994、1995、1996和1998年；21世紀(jì)00年代與2010年以來的算法相同，其中21世紀(jì)00年代參與計(jì)算的年份為2000、2006和2007年，2010年以來參與計(jì)算的年份為2011、2013、2014、2016和2017年。由表3可知，1994—2017年，洞庭湖經(jīng)歷了擴(kuò)張—萎縮的變化過程。20世紀(jì)90年代洞庭湖呈擴(kuò)張趨勢，2000年以后，湖面呈萎縮趨勢，21世紀(jì)00年代相較20世紀(jì)90年代湖泊面積縮小452 km2，2010年以來洞庭湖湖泊面積縮小40 km2。

表3 不同時(shí)期洞庭湖湖泊面積變化趨勢Table 3 Trend in Dongting Lake area between different periods

4 結(jié)論

利用5種不同水體提取方法，對 Landsat 影像中的洞庭湖面積進(jìn)行了提取，分析了不同方法的優(yōu)劣，并選擇NDVI加目視解譯的方式對1994—2017年間洞庭湖水體面積進(jìn)行提取。結(jié)果表明：

1）單一的提取水體的方法在提取Landsat影像中的洞庭湖水體時(shí)均存在較大的誤差，選用NDVI結(jié)合目視解譯的提取方法能較準(zhǔn)確地從復(fù)雜地物中識別出水體。

2）洞庭湖水體面積年內(nèi)變化明顯，2017年洞庭湖豐水期與枯水期面積相差1313 km2。在豐水期湖體豐滿、接聯(lián)成片，在枯水期湖體枯瘦、似斷似聯(lián)。

3）洞庭湖水體面積在1996年最大（2438 km2），其次是1998年（2285 km2），2016年（2025 km2）位列第三。洞庭湖水體面積最小的3年均在2000年后，分別是2013年（1054 km2）、2011年（1217 km2）和2006年（1342 km2）。

4）1994—2017年洞庭湖湖體經(jīng)歷了擴(kuò)張—萎縮的變化過程，20世紀(jì)90年代洞庭湖呈擴(kuò)張趨勢，2000年以后，湖面呈萎縮趨勢，21世紀(jì)00年代相較20世紀(jì)90年代湖泊面積縮小452 km2，2010年以來相較21世紀(jì)00年代洞庭湖湖泊面積縮小40 km2。