基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同的遙感動態(tài)監(jiān)測

李根軍，楊雪松，李得林，劉錦秀，杜 程

（1.青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810012；2.青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810012）

近年來，國產(chǎn)衛(wèi)星快速發(fā)展，使較短時(shí)期的湖泊遙感動態(tài)監(jiān)測成為可能。基于此，本文利用國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)等開展可可西里鹽湖遙感動態(tài)監(jiān)測[1-7]，及時(shí)了解鹽湖水域變化情況，為可可西里地區(qū)重大工程設(shè)施及生態(tài)環(huán)境的防治工作提供可靠的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省西部的可可西里腹地，行政區(qū)劃屬青海省玉樹藏族自治州治多縣管轄。研究區(qū)中心坐標(biāo)為 35°32′N， 93°25′E。鹽湖形成于昆侖山中段第三紀(jì)陸相斷陷盆地內(nèi)，盆地外圍為第三系上新統(tǒng)陸相地層構(gòu)成的殘丘，濱湖為第四系全新統(tǒng)湖沼沉積，湖泊主要靠南北兩側(cè)的季節(jié)性河流補(bǔ)給[3]。該區(qū)域位于生態(tài)極為脆弱的可可西里地區(qū)，人工監(jiān)測極為困難，且成本高，對區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境還有一定的影響。而遙感技術(shù)的發(fā)展為可可西里地區(qū)湖泊的動態(tài)監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段，如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)GF-1 遙感影像

2 數(shù)據(jù)與技術(shù)方法

2.1 數(shù)據(jù)源

根據(jù)本文研究的需求，選取2015-2020 年GF-1、ZY01 02C 數(shù)據(jù)以及2017-2018 年Sentinel-1 數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)， Landsat OLI 數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行本次研究工作。

1）高分一號和資源一號02C 數(shù)據(jù)。可可西里鹽湖地區(qū)海拔高，云、雪等因素對獲取合格數(shù)據(jù)影響極大，GF-1 和ZY01 02C 數(shù)據(jù)空間分辨率接近，2 種數(shù)據(jù)交叉使用，可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)動態(tài)監(jiān)測工作。其數(shù)據(jù)獲取情況如表1 所示。

表1 高分遙感數(shù)據(jù)獲取情況統(tǒng)計(jì)表

2）Sentinel-1 數(shù)據(jù)。本文選用IW 模式下的Sentinel-1 單視復(fù)數(shù)（SLC）產(chǎn)品（見圖2）4 景（見表2），配合對應(yīng)日期的精密軌數(shù)據(jù)進(jìn)行鹽湖動態(tài)監(jiān)測。用于地理編碼的DEM 數(shù)據(jù)為空間分辨率30 m 的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)。

表2 Sentinel-1 影像數(shù)據(jù)

圖2 研究區(qū)Sentinel-1 遙感影像圖（時(shí)相為2017-09-29）

2.2 基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同的遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法

本文旨在利用多期次高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)遙感技術(shù)相結(jié)合的方法開展可可西里鹽湖遙感動態(tài)監(jiān)測工作。

1）基于高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的鹽湖水域邊界遙感解譯。在水體增強(qiáng)處理的彩色合成影像上，采用目視判讀的方法對多期次鹽湖水域邊界進(jìn)行精確解譯，為鹽湖水體面積的統(tǒng)計(jì)分析提供基礎(chǔ)資料。

2）基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析處理。利用ENVI SARscape 軟件中Intesity Time Series Workflow 工具對2017-09-29 和2018-09-24 Sentinel-1 數(shù)據(jù)進(jìn)行多視處理、圖像配準(zhǔn)、De Grandi 濾波、地理編碼和輻射定標(biāo)以及多時(shí)相特征提取等處理過程，提取研究區(qū)變化信息，形成變化系數(shù)圖[8-12]。

3）基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同的遙感動態(tài)監(jiān)測。利用GF-1 和ZY01 02C 高分遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行鹽湖水域邊界信息提取，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，明確可可西里鹽湖時(shí)空變化情況。在此基礎(chǔ)上，選用Sentinel-1 數(shù)據(jù)提取該區(qū)變化信息，結(jié)合Landsat-8 數(shù)據(jù)獲取的該區(qū)湖水補(bǔ)給結(jié)果,綜合分析可可西里鹽湖湖水外溢情況及驅(qū)動力特征,為青藏高原湖泊的有效監(jiān)測工作提供參考。

3 結(jié)果分析

3.1 可可西里鹽湖時(shí)空變化特征

1）2015-2020 年水體面積變化分析。采用5 期鹽湖地區(qū)GF1 數(shù)據(jù)，利用目視判讀的方法進(jìn)行鹽湖水體面積圈定（見圖3）。從鹽湖水體面積動態(tài)變化圖（見圖4）[14]中可以看出近5 a 內(nèi)，鹽湖水體面積穩(wěn)步增長，從143.23 km2（2015 年10 月）增長到211.77 km2（2020 年5 月），其中2018-2019 年期間，鹽湖面積增長最快，增長了26.98 km2，之后鹽湖面積增長速度有所放緩，至2020 年5 月，鹽湖面積增長了7.65 km2。

圖3 2015-2020 年6 期可可西里鹽湖面積分布圖

圖4 2015-2020 年可可西里鹽湖面積變化圖

2）2019-2020 年可可西里鹽湖動態(tài)巡查。采用10 期GF-1 和ZY1 02C 數(shù)據(jù)對可可西里鹽湖進(jìn)行解譯，發(fā)現(xiàn)自2019 年2 月以來水域面積變化信息（見圖5）呈現(xiàn)增長的趨勢，但到了2019-11-14，鹽湖面積增長已極為緩慢。2019-02-21 湖泊面積約為196.04 km2，2019-08-30 湖泊面積約為207.46 km2，增加了約11.42 km2。而整個(gè)變化過程不是簡單的增加，而是呈現(xiàn)波動性變化，在不同的時(shí)間段呈現(xiàn)不同的變化特點(diǎn)，2 月至4 月期間，湖水處于凍結(jié)狀態(tài)，并開始慢慢解凍，所以湖泊面積增長速率較低，2 個(gè)月面積增加1.44 km2。2019-04～2019-07-11 期間，其增長速率較高，總面積增加6.64 km2；2019-07-11～2019-07-24期間，增長速率有所降低。8 月是水位上升較快的月份，2019-07-24～2019-08-15 期間，湖泊面積呈直線型增長，直至2019-08-30，引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程的使用，致使湖泊面積增加速率有所降低；在2019-10-17～2020-05-01，湖泊面積僅增加了約0.21 km2。

圖5 2019-2020 年可可西里鹽湖面積動態(tài)變化曲線

3.2 可可西里鹽湖湖水外溢情況分析

通過計(jì)算2019-2020 年各時(shí)間段的鹽湖面積變化速率[13]，顯示出從2019-02-21～2019-08-08 期間鹽湖面積變化速率整體上處于上升態(tài)勢，并在2019-08-08～2019-08-15 期間達(dá)到最高值（0.093 km/t）。之后其變化速率呈明顯的下降趨勢，直至2019-11-14，其變化速率降到了0.011 km/t。2019-12～2020-05 期間鹽湖處于冰凍狀態(tài)，故鹽湖面積沒有變化（見圖6）。

圖6 2019-2020 年可可西里鹽湖面積變化速率曲線

依據(jù)多期次遙感數(shù)據(jù)，2019-08-15 鹽湖東側(cè)的引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程內(nèi)尚未引入湖水，而到了2019-08-30，引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程內(nèi)已經(jīng)注滿了湖水，說明2019-08-15～2019-08-30 期間已經(jīng)使用引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程開始泄水（見圖7），結(jié)合鹽湖面積變化速率情況及相關(guān)資料，鹽湖每年的水位上漲均發(fā)生在8 月中旬至12 月下旬期間，而自引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程開始引水以來，鹽湖面積變化速率大致呈直線型下降，直至11 月14 日，其變化速率降到了0.011 km/t，說明使用引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程泄水，可以減緩鹽湖水位上漲，并致使鹽湖水位趨于穩(wěn)定，湖水漫溢現(xiàn)象已經(jīng)得到遏制。

圖7 鹽湖地區(qū)引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程動態(tài)監(jiān)測

4 驅(qū)動力分析

4.1 研究區(qū)湖泊水力聯(lián)系分析

2011-09-11 卓乃湖發(fā)生潰決，大量湖水沿東側(cè)出水口外泄，并通過河流向東進(jìn)入到庫賽湖，由庫賽湖東側(cè)出水口流入海丁諾爾湖，最后由鹽湖西側(cè)注入，導(dǎo)致4 個(gè)湖泊連成一體，形成了此消彼長的聯(lián)動水力體系（見圖8）。近年來卓乃湖湖水持續(xù)外泄，成為鹽湖面積急劇增加的主要原因之一。

圖8 研究區(qū)湖泊水力聯(lián)系圖

4.2 鹽湖湖水補(bǔ)給分析

鹽湖的湖水補(bǔ)給來源主要有2 個(gè)方面:一是地表徑流補(bǔ)給，1、2、3、8、9 為主要的入水口，分布在鹽湖的南北兩側(cè)；二是上游湖泊外泄補(bǔ)給，4、5、6、7為主要的入水口，分布在鹽湖西側(cè)（見圖9）。結(jié)合鹽湖變化系數(shù)圖（見圖10），顯示出鹽湖西北側(cè)和西南側(cè)湖水面積變化最大，說明上游湖水外泄和地表徑流均已成為鹽湖的主要補(bǔ)給水源，其中地表徑流水流量增大是由于溫室效應(yīng)的影響，致使鹽湖周邊常年積雪及冰川融化速率加快所致。

圖9 鹽湖湖水補(bǔ)給入水口分布圖

圖10 鹽湖地區(qū)變化系數(shù)圖

5 結(jié) 語

本文利用GF-1、ZY1 02C 以及Sentinel-1 數(shù)據(jù)協(xié)同的遙感監(jiān)測方法，對可可西里鹽湖地區(qū)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。研究證明基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同的遙感動態(tài)監(jiān)測對青藏高原湖泊的監(jiān)測工作具有較好的實(shí)用性，結(jié)論如下:

1）2015-2020 年期間可可西里鹽湖水體面積持續(xù)增長，其中2018-2019 年間湖水面積增長最快，增長了26.98 km2，之后鹽湖面積增長速度有所放緩，至2020 年5 月，鹽湖面積增長了7.65 km2。結(jié)合2019-2020 年鹽湖動態(tài)巡查結(jié)果，自2019-08-30 引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程引水以來，鹽湖面積變化速率大致呈直線型下降，直至11 月14 日，其變化速率降到了0.011 km/t，說明使用人工渠泄水，可以減緩鹽湖水位上漲，并致使鹽湖水位趨于穩(wěn)定，湖水漫溢現(xiàn)象已經(jīng)得到遏制。

2）可可西里鹽湖水體面積急劇增加的主要原因之一是由于其上游卓乃湖的潰決，致使湖水東側(cè)出水口外泄，并通過河流向東進(jìn)入到庫賽湖，由庫賽湖東側(cè)出水口流入海丁諾爾湖，最后由鹽湖西側(cè)注入；另一個(gè)原因是由于溫室效應(yīng)的影響，致使鹽湖周邊常年積雪及冰川融化速率加快，地表徑流水流量增大，從而補(bǔ)給鹽湖的水流量隨之增加。