基于Google Earth Engine的北江清城區(qū)河段河道形態(tài)及土地覆蓋變化監(jiān)測分析

高旖姍，呂浩萍，孟慶魁，羅朝林，陳武奮

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510610)

1 概述

河道并非是一成不變的，它在相關(guān)變量的影響下不斷發(fā)生變遷[1]。要了解河道變遷過程和規(guī)律，通過固定時間間隔監(jiān)測河道變化和模擬演變過程顯得尤為重要[2]。Google Earth Engine (GEE) 提供全球時空范圍的衛(wèi)星影像和用戶友好的內(nèi)置算法[3-4]，能夠在云平臺上對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析和計算[5]，快速獲得平面河道長期連續(xù)變化的監(jiān)測結(jié)果[6]。Broothroyd等已成功使用GEE監(jiān)測和量化大型熱帶河流的形態(tài)變化并計算河道遷移速率[7]，Castao等則對蜿蜒型河道進(jìn)行侵蝕和堆積檢測[8]，Li等已對河漫灘進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測評估[9]，這些研究推動了GEE在河流地貌學(xué)中的應(yīng)用[10]。

本文在GEE和Landsat影像的支持下，選取北江清城區(qū)30 km河段(北江清遠(yuǎn)水利樞紐工程至北江特大橋)為研究河段，沿河岸生成2 km緩沖區(qū)作為研究區(qū)，倫洲島位于河道中央。研究區(qū)可分為2個部分：上游8 km河段流經(jīng)無人山區(qū)，下游22 km河段貫穿主城區(qū)(見圖1)，面積分別為40 km2和143 km2。劃分研究區(qū)域的目的是研究對比山區(qū)河道和平原河道的變化規(guī)律，采用基于像素的方法分析評估河道和土地覆蓋變化。研究目的：① 提取常流河道范圍，對土地覆被類型進(jìn)行分類；② 分析驅(qū)動河道和土地覆蓋類型變化的因素。

圖1 研究區(qū)范圍示意

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及獲取

為了定期監(jiān)測河道變化，選擇Landsat影像集合作為數(shù)據(jù)源，考慮影像的可用性和監(jiān)測間隔時長，將觀測時間分為8個節(jié)點，分別為1986年，1990年，1995年，2000年，2005年，2010年，2015和2020年。利用1986—2010年的Landsat 5，2000年的Landsat 7和2015—2020年的Landsat 8的地表反射率數(shù)據(jù)(Tier 1級別)，影像總共253景，分辨率為30 m。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)源及觀測時間節(jié)點

2.2 研究方法

為突出城市變化與河道變化之間的關(guān)系，結(jié)合研究區(qū)域特征，將土地覆蓋類型簡化為水體、植被、建筑物和沉積物4種類型。土地轉(zhuǎn)移矩陣是以表格形式明確量化土地時空轉(zhuǎn)換的方法之一[11]，能夠揭示2種地物類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1) 技術(shù)流程(見圖2)包括：① 提取二值常流河道；② 利用GEE內(nèi)置的Classifier算法將土地覆蓋分為4類，并使用多源獨立驗證樣本評估分類誤差；③ 利用Python將河道范圍與土地覆蓋結(jié)果相結(jié)合；④ 量化平面河道變化；⑤ 利用GIS工具和土地轉(zhuǎn)移矩陣評估土地覆蓋變化。

圖2 技術(shù)流程示意

2) 河道提取：① 輸入ROI和觀測時間間隔，以 5 a 為觀測期，使用所有可用的Landsat地表反射率影像，這些影像已經(jīng)完成大氣校正，能夠更好地比較地物間光譜反射率的測量值；② 使用CFmask算法對云層遮擋的像素進(jìn)行去云處理[12]；③ 使用GEE內(nèi)置的Median Reducer算法對去云影像進(jìn)行中值聚合，生成特定時間段內(nèi)帶有所有光譜信息的單幅合成影像；④ 使用多個遙感經(jīng)驗指數(shù)，包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)、修正歸一化植被指數(shù)(MNDVI)和增強植被指數(shù)(EVI)對水體像素進(jìn)行分類，生成二值水體掩膜[13]；⑤ 通過去除植被像素，對沉積物進(jìn)行分類，生成二值常流河道；⑥ 合成二值水體掩膜和二值常流河道，以GeoTIFF格式導(dǎo)出到Google Drive。

3) 土地覆蓋分類：① 采集訓(xùn)練樣本，將地物分為4種類型；② 使用GEE內(nèi)置算法ee.Classifier從樣本數(shù)據(jù)中提取分類器訓(xùn)練的特征值；③ 訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)；④ 使用決策樹算法(CART)對地物進(jìn)行分類，采用自上而下的方式構(gòu)建根節(jié)點，對不同樣本數(shù)據(jù)的像元值進(jìn)行遞歸劃分并展開到葉節(jié)點，直至所有樣本數(shù)據(jù)都分到了明確的類；⑤ 在GEE中導(dǎo)入多源獨立驗證樣本評估地物分類誤差。

4) 數(shù)據(jù)融合：① 通過批處理柵格計算交換河道二進(jìn)制編碼的值，“0”表示河道，“1”表示非河道；② 去除水面船只，將常流河道結(jié)果和土地覆蓋分類結(jié)果融合，輸出研究區(qū)土地覆蓋分布圖。

5) 河道平面變化監(jiān)測：通過柵格計算將不同時期的二值河道影像相減，得到河道變化結(jié)果：從水體變?yōu)殛懙?，從陸地變?yōu)樗w和沒有發(fā)生變化的水體面積。

6) 土地覆蓋變化監(jiān)測：通過相交分析，得到不同觀測期的土地轉(zhuǎn)換類型和面積。將這些數(shù)據(jù)填入表格，得到土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣，用于揭示地物轉(zhuǎn)換的時空變化。

3 主要成果

3.1 精度評估

本研究得到的土地覆蓋分類總體準(zhǔn)確率在90%～98%之間，表明分類結(jié)果是高度可靠的(見表2)。水體分類精度高，用戶精度和生產(chǎn)者精度分別大于96%和95%。相較于其他地物分類精度，建筑物分類精度較低，用戶精度和生產(chǎn)者精度分別大于70%和79%。這是由于建成區(qū)分布較為分散，產(chǎn)生混合像元多，較難從植被和沉積物中區(qū)分出建筑物。雖然建筑物分類精度較低，但對于整個研究區(qū)土地覆蓋分類結(jié)果來說，總體準(zhǔn)確率相對較高，說明這4種地物與其獨立驗證樣本數(shù)據(jù)具有高度一致性?？偟膩碚f，分類精度滿足土地覆蓋變化監(jiān)測需求。

表2 土地覆蓋分類結(jié)果精度評價

3.2 河道時空變化

1986—2020年，常流河道面積34 a來略有擴大，變化率為12.42%。2000年以前，河道面積保持穩(wěn)定，但在2000—2010年面積有所下降，2010—2015年面積大幅增加，2015年后河道面積再次保持穩(wěn)定(見圖3)。

圖3 1986—2020年常流河道面積變化示意

2000—2010年，北江下游主航道變窄和破碎化；2015—2020年，河道平面形態(tài)趨于穩(wěn)定(見圖4)。最明顯的變化是2015年倫洲島左岸沉積物疏浚，左支河道暢通并成為北江的一條重要航道。總體來說，平原河道略有拓寬，河岸邊緣逐漸清晰，山區(qū)河道無明顯變化。

1986年

1990年

1995年

2000年

2005年

2010年

2015年

2020年圖4 1986—2020年常流河道變化

河道變化監(jiān)測結(jié)果見圖5。平原河段水域變化較多，山區(qū)河段變化小。從2000—2010年，常流河道面積不斷減?。坏?010—2015年，河道面積顯著拓寬，倫洲島左支流出現(xiàn)；2015—2020年，河道形態(tài)趨于穩(wěn)定。由于河道寬度過窄及像元大小原因，GEE沒有準(zhǔn)確檢測到部分小支流的變化。

1986—1990年

1990—1995年

1995—2000年

2000—2005年

2005—2010年

2010—2015年

2015—2020年圖5 河道變化監(jiān)測結(jié)果

3.3 土地覆蓋時空變化

土地覆蓋最顯著的變化是建成區(qū)的擴大(見圖6)。1986年，建成區(qū)僅集中分布在北江右岸，后來迅速沿兩岸擴張。相應(yīng)地植被面積向建成區(qū)大幅度轉(zhuǎn)移從而逐年減少。2010年以前，沉積物主要分布在倫洲島周圍，但之后幾乎全部消失。與其地類相比，水體面積趨于不變。

1986年

1990年

1995年

2000年

2005年

2010年

2015年>

2020年圖6 1986—2020年土地覆蓋監(jiān)督分類結(jié)果

過去30 a以來，研究區(qū)內(nèi)的建成區(qū)面積逐漸擴大，從10.5 km2增長到45.83 km2，尤其是1986—1990年和2015—2020年，增速分別為70.75%和29.35%。植被面積減少了35.41 km2，負(fù)增長率高。沉積物在各地類中所占面積最小，且變化不規(guī)律(見表3)，土地覆蓋類型占比見圖7所示。

表3 1986—2020年土地覆蓋變化監(jiān)測

圖7 1986—2020年土地覆蓋占比變化示意

1986—2020年的土地覆蓋轉(zhuǎn)移變化如圖8所示，土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣見表4所示。近30 a來，建筑物主要沿河兩岸擴建，土地覆蓋最顯著的變化是植被向建成區(qū)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移總面積為39.8 km2，研究區(qū)域內(nèi)仍有102.58 km2的植被和21.96 km2的水體面積沒有發(fā)生變化。

圖8 土地覆蓋轉(zhuǎn)移示意(1986—2020年)

表4 土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣(1986—2020年)km2

4 成果分析

4.1 河道平面變化分析

北江流域是一個成熟的大型河流生態(tài)系統(tǒng)，河道遷移是一個長期地貌過程，因此,研究區(qū)近30 a來沒有出現(xiàn)明顯的河道遷移現(xiàn)象。北江河道最顯著的變化是在2015年后，河道略有拓寬，倫洲島左支流沉積物疏浚和兩岸河道輪廓逐漸變得平滑。這是因為清遠(yuǎn)市政府投資建設(shè)加固清遠(yuǎn)水利樞紐工程、清東圍、清西圍、清北圍、清城聯(lián)圍和飛水圍等一大批水利工程，航道建設(shè)得到明顯加強，清淤疏浚治理工作開展，完成了大北江航道改造任務(wù)，河道形態(tài)趨于穩(wěn)定。

本研究主要根據(jù)Landsat影像的可用性設(shè)置河道變化監(jiān)測時間節(jié)點，然而這并未考慮到研究區(qū)當(dāng)?shù)貙嶋H情況。北江流域的年徑流量分布不均，汛期(4—9月)水量占全年水量的75%，枯水期(10—3月)水量僅占全年水量的25%。河流季節(jié)變化明顯，因此將觀測時間節(jié)點細(xì)分為汛期和枯水期顯然更為合理。但在1999年Landsat 7發(fā)射之前，研究區(qū)可用且公開的歷史影像數(shù)量有限，不足以支撐河道季節(jié)性變化監(jiān)測研究。

4.2 土地覆蓋變化分析

影響建成區(qū)面積擴大的社會經(jīng)濟因素復(fù)雜。城鎮(zhèn)化率通常與人口、經(jīng)濟增長和城市發(fā)展政策相關(guān)。清城區(qū)在1988年設(shè)立行政區(qū)時人口僅有40.3萬，2020年人口迅速增長到112萬。因此，政府必須提供更多住宅用地容納不斷涌入的常住居民。建成區(qū)面積與總?cè)丝诤偷诙?、三產(chǎn)業(yè)比重呈正相關(guān)[14]。1986年，建成區(qū)僅分布在研究區(qū)河段的右岸，經(jīng)過30多a的發(fā)展，建成區(qū)沿河兩岸分布并逐步分散向郊區(qū)擴張，大量植被轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，位于城市中心的傳統(tǒng)行業(yè)，特別是污染較重、勞動密集型的工廠在政府政策的引導(dǎo)下向郊區(qū)轉(zhuǎn)移。

在建成區(qū)面積不斷擴張，人口激增和高度城鎮(zhèn)化的背景下，研究區(qū)域內(nèi)的植被面積在不斷縮減。植被面積與人口、固定資產(chǎn)投資總額呈負(fù)相關(guān)，與GDP略微呈正相關(guān)[7]。自2003年以來，清城區(qū)第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過第一產(chǎn)業(yè)，因此農(nóng)林業(yè)不再是清城區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。政府更傾向于發(fā)展生產(chǎn)總值高的產(chǎn)業(yè)，例如制造業(yè)、房地產(chǎn)和旅游業(yè)。因此大量土地由植被向建成區(qū)轉(zhuǎn)移，分析結(jié)果與土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果一致。

5 結(jié)語

本研究通過GEE平臺監(jiān)測北江清城區(qū)河段1986—2020年的河流平面形態(tài)變化和土地覆蓋變化。結(jié)果表明，山區(qū)河道變化不大，平原河道略有拓寬，大面積植被轉(zhuǎn)化為建成區(qū)。河道形態(tài)變化與水利工程建設(shè)有直接關(guān)系，與城鎮(zhèn)化率沒有直接關(guān)系。本研究還結(jié)合了清城區(qū)的社會經(jīng)濟因素及水利工程建設(shè)情況，豐富了研究區(qū)河道變化及土地覆蓋變化的背景，為決策者在城市河流管理和土地管理提供思路。