李景剛，李紀人，黃詩峰，臧文斌

（1.中國水利水電科學研究院 遙感技術應用中心，北京 100048；2.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038；3.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038）

1 研究背景

洞庭湖作為我國第二大淡水湖，跨湖南、湖北兩省，與長江干流直接相連，吐納松滋、太平、藕池三口，湘、資、沅、澧四水及湖區(qū)周邊中、小河流的來水。該湖的存在和穩(wěn)定，對于緩解長江中游地區(qū)洪澇災害，減小長江干流的沖淤變遷，維系地區(qū)的洪水蓄泄和泥沙的沖淤平衡，具有不可替代的作用［1］。近年來，伴隨著全球氣候變化的加劇以及三峽工程階段性蓄水任務的相繼完成和運行，給洞庭湖區(qū)水文特征以及“江湖”關系均帶來諸多的影響［2-3］。湖泊水面作為重要的水情信息，加強其動態(tài)監(jiān)測對于全面了解洞庭湖的變化規(guī)律和演化趨勢具有重要的意義［1］。

當前，遙感技術由于其能夠獲取大面積、宏觀的地物輻射信息，突破了傳統(tǒng)地面觀察的局限性，因此在湖泊水面監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。如趙玉靈［4］應用MSS、TM、ETM+和CBERS-2遙感數(shù)據(jù)結合GIS技術對安固里淖湖1975—2007年間近30年來的水體分布變化進行了調查與監(jiān)測；馮鐘葵等［5］選用1986—2005年美國Landsat-5衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)對青海湖近20年的水域面積變化進行跟蹤監(jiān)測；而劉瑞霞等［6］則是采用NOAA/AVHRR資料，在水體判識及混合象元處理的基礎上，對青海湖近20年湖水面積的變化趨勢進行了定量化估算和分析。

在眾多遙感數(shù)據(jù)源中，受時間分辨率、幅寬范圍以及氣象條件等因素限制，利用高分辨率遙感影像在時間尺度上開展高頻率、短周期、長時間序列的湖泊水面動態(tài)監(jiān)測，通常存在一定的難度；而低分辨率遙感影像，雖時間分辨率較高，但受空間分辨率的限制，其監(jiān)測精度則往往較低［7-8］。因此，出于空間分辨率和時間分辨率的雙重考慮，當前諸多研究者開始選用中等分辨率的遙感影像來對湖泊水面開展短周期、長時間序列的動態(tài)監(jiān)測。如Andreoli R等人［9］在中歐“龍計劃”一期執(zhí)行過程中，利用ENVISAT/ASAR和ENVISAT/MERIS構建的中分辨率長時間序列遙感數(shù)據(jù)庫，對鄱陽湖的水面面積變化進行了短周期、長時間的遙感監(jiān)測，取得了較好的研究成果。

本文在參照Andreoli R等人工作思路的基礎上，采用時間分辨率更高且完全免費的250m Terra/MODIS數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源［10］，對氣候變化、三峽工程運行共同作用下洞庭湖區(qū)近10年來的水面面積變化特征和趨勢進行監(jiān)測研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究中，洞庭湖區(qū)范圍是在高分辨率遙感影像上勾畫的一個覆蓋東、西、南3個主要湖區(qū)，由大堤或自然岸線圍限的封閉區(qū)間（圖1）［11］，總面積為2629.23km2。

主要數(shù)據(jù)源為NASA Earth Observing System Data Gateway（EDG）網(wǎng)站提供的Terra/MODIS衛(wèi)星8d合成250m地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD09Q1）（MODIS Terra Surface Reflectance 8-Day L3 Global 250m），數(shù)據(jù)格式為最新的V005版本，時間范圍為2000年3月—2008年12月。為降低工作量，水面監(jiān)測過程中剔除了部分受云、天氣以及合成算法等因素影響而質量較差的數(shù)據(jù)。為了有效檢驗MODIS數(shù)據(jù)湖區(qū)水面提取結果的準確性，同時收集了12期由二十一世紀空間技術應用股份有限公司提供的空間分辨率為32m的“北京一號”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)。另外，為了對湖區(qū)水面面積變化進行驅動分析，文中共收集了洞庭湖流域27個氣象觀測站點的月降水量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自于中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室。

對于Terra/MODIS的水面提取，本文采用的是多源信息提取的方法。該方法主要是通過對由MOD09Q1數(shù)據(jù)計算得到的NDV1指數(shù)以及第二波段反射率分別設定閾值，來最終實現(xiàn)對湖區(qū)水域面積的綜合提取。有關MOD09Q1數(shù)據(jù)的處理過程以及水面多源信息提取方法的詳細介紹可參見文獻［1］。而“北京一號”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的水面提取，同樣參照MODIS數(shù)據(jù)的多源信息提取方法進行。

3 結果分析

3.1 水面面積提取精度檢驗 由于“北京一號”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率要遠高于文中所用的MODIS數(shù)據(jù)，因此可以假定由其提取的湖區(qū)水域面積是準確的，用其來對MODIS數(shù)據(jù)提取的水面結果進行精度驗證。各期“北京一號”小衛(wèi)星多光譜提取水面與其對應時段MODIS MOD09Q1數(shù)據(jù)提取水面進行疊加分析（overlay），結果見表1。

表1 “北京一號”多光譜數(shù)據(jù)的MODIS水面提取精度分析

由表1可知，較“北京一號”多光譜數(shù)據(jù)，MODIS水面提取的制圖精度基本維持在70%～80%之間，漏提誤差大約在25%左右；而用戶精度則基本在80%～90%之間，部分精度甚至高達95%以上，錯提誤差相對較小。另外，從高、低水位水面提取結果的對比來看，高水位時水面提取精度相對較高。同時，通過研究發(fā)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)水面錯提區(qū)域主要分布在湖區(qū)的水陸分界處，由于受空間分辨率限制以及混合像元的影響，則部分陸地像元被錯提為水體；而MODIS數(shù)據(jù)水面漏提區(qū)域則主要是湖區(qū)內那些細條河網(wǎng)，由于像元中混合了較多的河岸周邊植被和土壤的光譜特征，所以未能被提取出來?？紤]到MODIS數(shù)據(jù)的空間分辨率以及數(shù)據(jù)質量等因素的影響，認為該提取精度是可以接受的，可以用于洞庭湖區(qū)水域面積變化的特征分析。

3.2 水面面積變化特征分析 圖2中給出了2000年3月—2008年12月間洞庭湖區(qū)水域面積變化的動態(tài)過程，與城陵磯水文站月最高觀測水位的變化情況具有很好的一致性，即兩者之間具有一定的線性相關性（圖3），相關系數(shù)為0.952，且通過了α=0.01的顯著性檢驗。從圖2可知，湖區(qū)水面變化季節(jié)性特征顯著，其中枯水期11月-次年4月份間湖區(qū)水面相對較小，基本在500km2左右，而洪水期5-10月份間水面則相對較大，尤其每年的7-9月份最大，維持在2000km2左右，兩者幾乎相差了4倍。其中，2002年8月份的湖區(qū)MODIS監(jiān)測水面最大，接近2400km2。總體上，洞庭湖區(qū)水面表現(xiàn)為洪水期汪洋一片，枯水期僅存幾條帶狀水域的季節(jié)性變化特征［11，13］，而這些特征主要與流域內季節(jié)性降雨的年內分布規(guī)律以及長江主汛期的影響有關［14］。同時，從近10年監(jiān)測結果的變化趨勢來看（圖2），在氣候變化、三峽工程運行等因素的共同作用下，洞庭湖區(qū)水域面積總體上表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢。

另外，從洞庭湖區(qū)的水面面積變化監(jiān)測結果中還可以發(fā)現(xiàn)以下2組特征：

（1）在2006年，洞庭湖夏季水面范圍明顯偏小，而且水面縮小時間也較為提前，即在8月中旬湖泊水面便開始急劇變小。這主要由2006年長江流域上游夏季大旱以及三峽工程9月20日開始的156m階段性蓄水帶來的長江入湖水量大幅減少造成的。據(jù)統(tǒng)計，在2006年4-9月間，三口入湖徑流量較多年平均值偏少74.7%［15］。

（2）在2008年11月，洞庭湖經(jīng)歷了一次顯著的洪水過程，而且該過程也得到了湖泊周圍地面站點水文觀測記錄的印證。受長江中上游強降水過程的影響，2008年11月上旬沅水、資水都發(fā)生了當年以來和歷史同期的最大洪水。根據(jù)2008年11月全國主要江河水情月報①中國水文信息網(wǎng).http：//www.hydroinfo.gov.cn/顯示，沅江控制站桃源水文站11月7日17時洪峰水位為43.97m，超過警戒水位1.47m，相應流量18400m3/s；其下游常德水文站11月8日1時洪峰水位為 ，超過警戒水位 ，相應流量3。

3.3 水面面積變化驅動分析 湖泊水面作為湖泊水量的一種重要表現(xiàn)形式，其變化是所在補給流域水量平衡的結果。從氣候的角度來看，影響湖泊水面面積變化的主要氣候要素是降水［16］。從洞庭湖流域年降水量的變化來看（表2），其在1999—2008年的近10年間總體上表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢，而流域內的四水、區(qū)間（入湖中小河流）年徑流量也隨之呈現(xiàn)出一定量的下降。另外，洞庭湖水面面積的變化同時也受三口分泄長江干流來水量的控制。根據(jù)李景保等人的分析結果［15］，近年來荊江三口年徑流量和分流比均呈現(xiàn)出減少的趨勢，而年內斷流天數(shù)則呈現(xiàn)出增加的趨勢，尤其在2003年三峽水庫蓄水運行后。

根據(jù)當前《三峽（初期運行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程》②中國長江三峽集團公司.http：//www.ctgpc.com.cn/sxslsn/index.php?mClassId=003006：每年的6月中旬—9月底，三峽水庫按防洪限制水位145.0m運行。因此，無論是三口汛期徑流占全年入湖徑流的百分比，還是三口汛期占汛期入湖總徑流的百分比都無明顯變化。但通過三峽水庫蓄水運行后與蓄水運行前比較，洞庭湖汛期多年平均徑流減少392×108m3，約占多年平均徑流減少量的77.0%。其中，三口汛期減少107.1×108m3，約占全湖汛期徑流總減少量的27.3%。這些說明，近年來洞庭湖水量減少主要發(fā)生在汛期，其主要是三口和四水汛期入湖徑流量較同期多年平均值偏小所致［15］。另外，從入湖水量的構成來看（表2），四水及區(qū)間水量占到了整個入湖水量的80%左右，即湖區(qū)水面面積變化主要受流域內降水帶來的入湖水量的驅動。

表2 1999-2008年洞庭湖年降水、徑流變化

不過，從洞庭湖流域近年來月降水量的變化來看，秋季9、10月份的降水減少表現(xiàn)的較為明顯，尤其是10月份（圖4）。而此時正值三峽水庫的汛末蓄水期，這樣在流域降水偏少、三峽工程蓄水的共同作用下，必然帶來入湖水量的大幅減少，造成湖區(qū)水面銳減，加重湖區(qū)夏秋連旱程度，進而誘發(fā)一系列生態(tài)安全問題［15］。

4 結論與討論

本文以Terra/MODIS 8d合成的250m地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD09Q1為主要數(shù)據(jù)源，采用多源信息水面提取方法對2000年3月—2008年12月間洞庭湖區(qū)水面的變化特征和變化趨勢進行了監(jiān)測研究。從與更高分辨率北京一號多光譜遙感影像的水面提取結果以及城陵磯水文站每月觀測的最高水位的比較來看，該監(jiān)測結果具有很好的可信度。

分析結果顯示，洞庭湖區(qū)水面變化的季節(jié)性特征顯著，其中枯水期11—次年4月份間湖區(qū)水面相對較小，基本在500km2左右，而洪水期5—10月份間水面則相對較大，尤其每年的7—9月份最大，維持在2000km2左右，兩者幾乎相差了4倍。總體上，表現(xiàn)為洪水期汪洋一片，枯水期僅存幾條帶狀水域的季節(jié)性變化特征，受流域內季節(jié)性降雨的年內分布規(guī)律以及長江主汛期的控制。同時，在近10年間，在氣候變化和三峽工程運行等因素的共同作用下，洞庭湖區(qū)水域面積呈現(xiàn)出一定程度的下降趨勢。

通過流域年降水量變化分析和三峽水庫蓄水運行前后三口年徑流量變化對比，發(fā)現(xiàn)流域內降水帶來的入湖水量偏少是近年來洞庭湖區(qū)水面面積減少的主要驅動因子。另外，近年來9、10月份洞庭湖流域降水減少與三峽水庫汛末蓄水同期，共同造就最終入湖水量銳減，加重湖區(qū)夏秋連旱程度，進而誘發(fā)系列生態(tài)安全問題。

［1］李景剛，李紀人，黃詩峰，等.Terra/MODIS時間序列數(shù)據(jù)在湖泊水域面積動態(tài)監(jiān)測中的應用研究—以洞庭湖地區(qū)為例［J］.自然資源學報，2009，24（5）：923-933.

［2］方春明，鐘正琴.洞庭湖容積減小對洞庭湖和長江洪水位的影響［J］.水利學報，2001（11）：70-74.

［3］賀清云，朱翔.三峽工程建設背景下的洞庭湖地區(qū)治水方略探討［J］.地理研究，2003，22（2）：1-9.

［4］趙玉靈.近30年來安固里淖湖面監(jiān)測與變化分析［J］.地球信息科學學報，2009，11（3）：312-318.

［5］馮鐘葵，李曉輝.青海湖近20年水域變化及湖岸演變遙感監(jiān)測研究［J］.古地理學報，2006，8（1）：131-141.

［6］劉瑞霞，劉玉潔.近20年青海湖湖水面積變化遙感［J］.湖泊科學，2008，20（1）：135-138.

［7］吳賽，張秋文.基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的水體提取方法及模型研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2005，33（7）：1-4.

［8］丁莉東，吳昊，王長健，等.MODIS圖像湖泊水體信息的快速識別與制圖［J］.海洋測繪，2006，26（6）：31-34.

［9］Andreoli R，Yesou Y，Li J R，et al.Poyang Hu（Jiangxi province，P.R.of China）area variations between January 2004 and June 2006 using ENVISAT low and medium resolution time series［J］.Geographic Information Sciences，2007，13（1-2）：24-35.

［10］彭定志，徐高洪，胡彩虹，等.基于MODIS的洞庭湖面積變化對洪水位的影響［J］.人民長江，2004，35（4）：14-16.

［11］余德清，皮建高.洞庭湖區(qū)洲土變化特征與地殼沉降遙感研究［J］.湖南地質，2002，21（1）：46-50，76.

［12］趙英時.遙感應用分析原理與方法［M］.北京：科學出版社，2004.

［13］胡旭躍.洞庭湖湖泊環(huán)境系統(tǒng)的演變及驅動因子研究［D］.長沙：湖南大學，2006.

［14］李景保.洞庭湖地區(qū)1996年特大洪澇災害的特點與成因分析［J］.地理學報，1998，53（2）：166-173.

［15］李景保，常疆，呂殿青，等.三峽水庫調度運行初期荊江與洞庭湖區(qū)的水文效應［J］.地理學報，2009，64（11）：1342-1352.

［16］丁永健，劉時銀，葉柏生，等.近50a中國寒區(qū)與旱區(qū)湖波變化的氣候因素分析［J］.冰川凍土，2006，28（5）：623-632.