劉寶康，衛(wèi)旭麗，杜玉娥，馮蜀青，梅 朵，李昌玉，劉玉子，張加昆

(1.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001； 2.蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020；3.青海省都蘭縣氣象局，青海 都蘭 816100； 4.甘肅省自然能源研究所，甘肅 蘭州 730020；5.青海省西寧市氣象局，青海 西寧810003； 6.甘肅省清水縣第六中學，甘肅 清水 741400)

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星是我國于2008年9月成功發(fā)射的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座，是繼氣象、海洋、國土資源衛(wèi)星之后的一個全新的民用衛(wèi)星。它攜帶光學、熱紅外、超光譜和雷達等多種類型遙感探測設(shè)備，是國內(nèi)民用衛(wèi)星中技術(shù)最復(fù)雜、指標最先進的對地觀測系統(tǒng)之一。環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星的發(fā)射能夠提高我國環(huán)境監(jiān)測和綜合減災(zāi)能力，實現(xiàn)大范圍、全天候和全天時動態(tài)的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測[1]。

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星具有以下特點：攜帶光學、熱紅外、超光譜和雷達等多種類型遙感探測設(shè)備；空間分辨率為30 m，影像幅寬700 km，過境周期2 d，時間分辨率高于TM、SPOT和QUICKBIRD等國外高分辨率衛(wèi)星影像；數(shù)據(jù)可免費下載，災(zāi)害發(fā)生后，能通過國家減災(zāi)中心及時調(diào)整衛(wèi)星參數(shù)而獲得受災(zāi)地區(qū)每天的過境資料；最新研究表明，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星在青藏高原地區(qū)的晴空資料遠高于目前常見的其他衛(wèi)星資料。

國內(nèi)外許多學者利用不同衛(wèi)星影像資料和多種方法進行水體模式識別研究。馮鐘葵和李曉輝[2]選用1986-2005年的美國Landsat-5 TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用監(jiān)督分類法對青海湖地區(qū)進行長達20年的跟蹤監(jiān)測研究；曹榮龍等[3]基于RNDWI法利用TM影像監(jiān)測了密云水庫近20年的水面面積動態(tài)變化；李文波等[4]以ETM+影像為數(shù)據(jù)源，采用兩種歸一化水體指數(shù)分別從遙感數(shù)據(jù)中定量提取水域面積，并將提取結(jié)果和監(jiān)督分類提取結(jié)果做比較；都金康等[4]利用決策樹方法從SPOT遙感影像中提取水域面積信息；趙書何等[5]、田慧云和周克勤[6]利用MODIS影像進行湖泊水體識別，并分別對艾比湖和青海湖的面積動態(tài)進行了研究。韓芳等[7]采用NOAA/AVHRR資料，對達里諾爾湖進行水體判識，并估算了2000-2005年4-9月湖水面積變化趨勢。馬明國等[8]應(yīng)用1973―2006年Landsat MSS、TM、ETM+以及中巴衛(wèi)星等高分辨率的遙感數(shù)據(jù)和250 m分辨率的MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測湖泊群動態(tài)變化特征。但是，目前利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星進行年、季和月動態(tài)變化的研究，還不多見。

青海湖作為我國最大的內(nèi)陸咸水湖，是維系青藏高原生態(tài)安全的重要水體和阻擋西部荒漠化“東進”的天然屏障[10]。近年來，由于氣候變化和人類活動加劇，導(dǎo)致環(huán)湖地區(qū)草地退化，沙化嚴重，入湖河流來水減少，蒸發(fā)量增加，過去多年青海湖水體面積不斷萎縮[2，10]。青海湖流域生態(tài)環(huán)境引起社會各方關(guān)注，青海當?shù)卣前亚嗪：饔虻纳鷳B(tài)環(huán)境治理作為政府部門的重點工作來抓，并多次組織全國和當?shù)乜蒲性核鶎＜覟榍嗪：饔虻纳鷳B(tài)環(huán)境治理出謀劃策。通過各方10多年來的不懈努力，青海湖及周邊生態(tài)環(huán)境有了進一步的改善，呈現(xiàn)持續(xù)良性循環(huán)的發(fā)展趨勢。因此，通過環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星進行青海湖面積動態(tài)監(jiān)測，對于及時了解青海湖流域的生態(tài)環(huán)境動態(tài)及治理效果具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 青海湖地處青藏高原東北部，位于99°36′～100°16′ E，36°32′～37°15′ N。根據(jù)青海湖流域衛(wèi)星影像及地形圖，湖區(qū)東北部為大通山和日月山，南部為青海南山，西面是布哈河。青海湖流域面積29 660 km2，湖面海拔3 200 m，湖泊形狀近似向西北張開的喇叭，長約109 km，南北最寬為65 km，西寬東窄，最狹窄處約20 km。湖泊周長為360 km，面積約為4 300 km2，總蓄水量為7.38×108m3，平均水深21 m，最大水深25 m，呈弱堿性，pH值為9.23[2]。注入青海湖的主要河流有布哈河、烏哈阿蘭河、沙柳河、哈爾蓋河、倒淌河及黑馬河。流域氣候為典型的高原大陸性氣候，以寒冷、干旱和多風為主要特征。環(huán)湖流域天然草地面積3 860萬hm2，其中可利用面積3 347萬hm2，草地主要以高寒草原和高寒草甸為主[10]。

1.2數(shù)據(jù)來源 本項研究所用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品共享服務(wù)網(wǎng)站(http://www.secmep.cn)。選取環(huán)青海湖地區(qū)自環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星發(fā)射以來2008年9月至2011年11月期間、青海湖解凍后到封凍前4―11月的晴空CCD數(shù)據(jù)(表1)。

表1 環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)特征參數(shù)Table 1 CCD data characteristic parameters of the environmental mitigation satellite

1.3數(shù)據(jù)處理方法 首先選取晴空環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在ENVI 4.8下加載影像數(shù)據(jù)，根據(jù)不同地物在環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星各波段的光譜特性，分別賦予通道4、3、2 為紅、綠、藍3種顏色進行假彩色合成，可達到較好的圖像顯示效果，能定性地觀測水體邊界位置，大致區(qū)分水體、地表及云區(qū)[10-12]。然后把這3個波段進行波段合成，再依次進行影像幾何校正、輻射校正和大氣校正。最后，在校正好的衛(wèi)星影像上疊加青海湖流域邊界，裁切研究區(qū)域所在影像數(shù)據(jù)。由于該數(shù)據(jù)幅寬較大，為了提高影像處理的速度，裁切有利于提高數(shù)據(jù)處理速度。水體識別模型表達式為：CH4/CH2

圖1 環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Processing flow of environmental mitigation satellite data

2 結(jié)果與分析

2.1青海湖面積年際變化 由于2008年只有9-11月數(shù)據(jù)，因此，在進行青海湖面積年際比較時，選取2008-2011年11月的數(shù)據(jù)進行比較。數(shù)據(jù)分析表明，2008―2011年，青海湖面積呈持續(xù)增大趨勢，且2011年較2008、2009和2010年同期分別增大了44.48、42.46和37.32 km2，表明2008―2010年青海湖面積增幅較小，但2011年青海湖面積增幅明顯(圖2)。

2.2青海湖面積季節(jié)變化 把青海湖開湖后的4、5月面積的平均值作為春季面積，6、7、8月的平均值作為夏季面積，9、10月的平均值作為秋季面積，而把11月的面積作為冬季面積。2009―2011年，春季到夏季青海湖面積增減幅度較小，而從夏季到秋季，面積增幅較大，秋季至冬季的面積減幅較春季顯著，但不及夏季至秋季的變化幅度(圖3)。這主要是因為冬季環(huán)湖流域降水量較夏季大幅減少，導(dǎo)致入湖徑流量顯著減小，而且環(huán)湖流域秋冬季節(jié)晴空天氣較多，蒸發(fā)量較大。另外，從2009年開始，青海湖各季節(jié)面積均呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢，其中2011年各季節(jié)青海湖面積均高于前3年同期，且2011年秋季面積較2008、2009和2010年的同期面積分別增大了13.44、44.2和38.52 km2，冬季面積較2008、2009和2010年的同期面積分別增加了32.85、38.99和34.94 km2。此外，自2009年開始，全年各季節(jié)青海湖面積最大和最小值之差分別達30.23、17.03和34.12 km2。

圖2 青海湖面積年際變化Fig.2 The interannual variation of Qinghai Lake area

圖3 青海湖面積季節(jié)變化Fig.3 The seasonal changes of Qinghai Lake area

2.3青海湖面積月際變化 根據(jù)2008―2011年各月青海湖面積數(shù)據(jù)的分析(圖4)，自2008年9月以來，青海湖在4-11月期間，面積呈現(xiàn)有規(guī)律的波動。2009―2011年，青海湖月面積最大和最小之間的差值分別為46.87、53.5和52.43 km2。但2011年與前3年相比，青海湖面積除7月與2010年同期大致相當外，其余各月面積明顯偏大，且湖面至10月才出現(xiàn)最大值。根據(jù)數(shù)據(jù)較為完整的9、10和11月同期青海湖面積相比，2008年9月-2011年11月，青海湖面積均呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，其中2009年青海湖面積最小。2011年10、11月青海湖面積均較前3年同期面積大，且10月的青海湖面積達到近4年來的月最大值，為4 400.1 km2。

2.4青海湖空間分布動態(tài) 對比2008年10月和2001年同期的衛(wèi)星資料，結(jié)果表明，2008年10月以來的3年期間，青海湖變化較明顯的區(qū)域位于青海湖的東岸和西岸(圖5)。西岸、東岸湖岸線分別向西、向東推進。其中，西岸向西推進100～600 m，東岸向東推進130～630 m，東岸沙島湖季節(jié)性地與青海湖連通，自2009年，通常每年7月開始通過其南部的河道與青海湖相近，11月中、下旬隨著青海湖水位的下降而與青海湖斷開連接。其面積也從2008年9月的9.99 km2增加到2011年9月的21.7 km2，沙島湖湖岸線向東、向西擴展非常顯著，向東推進1 600 m，向西推進1 700 m。另外，隨著東岸不斷向東推進，青海湖東岸形似大熊貓右眼(左眼為尕海湖，沙島湖為鼻子)的海晏彎湖(位于東南部)與青海湖之間的一道長沙梁逐漸變窄，河道變得更寬更深，該河道入口處一露出水面的小島于2010年8月隨青海湖水位的上升而被淹沒。

圖4 青海湖面積月際變化Fig.4 Monthly changes of Qinghai Lake area

3 近幾年青海湖面積持續(xù)增大的原因

3.1氣候暖濕化的影響 受全球氣候變暖和高原季風趨強的共同影響，1961-2010年青海湖流域氣候變化表現(xiàn)出氣溫升高和降水增多的暖濕化趨勢，這一變化趨勢在進入21世紀后顯得尤為突出[17-18]。其中，年平均氣溫在以每10年0.36 ℃的速率遞增，50年間上升了1.8 ℃；年降水量增幅為每10年8.4 mm，夏季降水量增加尤為顯著(圖6)。2004―2010年青海湖流域平均降水量為407.2 mm，比1961―2003年增加了13.5%，比1971―2000年的平均值增加了12.3%。

3.2入湖徑流量的影響 入湖徑流量是影響湖泊水位的主要因子。進入21世紀以來，流域氣溫升高、降水量增加導(dǎo)致布哈河冰雪融水補給量和雨水補給量增加，致使入湖徑流量明顯增加，并且入湖徑流升幅明顯大于水位上升幅度，入湖徑流的增加對水位上升具有顯著的“拉動作用”，最終使青海湖水位近50年來連續(xù)上升6次(圖7)。

圖5 2008―2011年青海湖及其東岸和西岸空間動態(tài)Fig.5 The spatial dynamics of east and west coast of Qinghai Lake from 2008 to 2011

圖6 1961―2010年青海湖流域年平均氣溫(a)、年平均降水量(b)變化曲線Fig.6 Change curve of annual average temperature (a) and annual precipitation (b) of Qinghai Lake Basin from 1961 to 2010

圖7 1960―2009年青海湖水位累積上升值與入湖徑流深累積距平變化Fig.7 Water level cumulative appreciation and anomaly change of runoff depth cumulation into the lake in Qinghai Lake from 1960 to 2009

3.3人類活動的影響 長期以來，環(huán)青海湖地區(qū)濫墾濫耕對青海湖水位的下降也造成一定的影響，這是因為人為抽水灌溉減少了湖水的補給。20世紀80年代中期，湖周圍水澆地面積約有2萬hm2，草地灌溉面積4 000 hm2，年灌溉量0.8億m3，人畜飲用水量0.1億m3，年虧損水量約4.5億m3，人類耗用水僅占1/5；20世紀90年代，隨著湖周圍大量耕地的棄耕，青海湖多年虧損水量約4.36億m3，人類耗用水占虧損水量的比重降至8.7%；近年來，隨著青海湖流域退牧還草、退耕還林等生態(tài)環(huán)境保護政策的大力實施，人類活動對生態(tài)環(huán)境的不利影響進一步減緩。因此，人類活動趨緩減少了青海湖流域農(nóng)業(yè)、生活用水，從而有利于河流徑流量對湖泊的補給，對青海湖面積的持續(xù)增大有助推作用。

4 結(jié)論

近年來，遙感技術(shù)已成為快速準確獲取湖泊、水庫等水體面積動態(tài)不可或缺的手段，通過遙感和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，能夠大大節(jié)省人力和財力，利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星能夠準確及時獲取青海湖面積的年際、季節(jié)和月際動態(tài)，甚至旬動態(tài)，還有湖岸線的時空動態(tài)。本研究表明，2008-2011年期間，青海湖面積年際變化呈持續(xù)增大趨勢，且2008-2010年期間增幅較小，而2011年青海湖面積增幅顯著；從季節(jié)變化來看，2009-2011年期間，春季到夏季青海湖面積基本不變，而從夏季到秋季，面積增幅較大，秋季至冬季的面積減幅較大。但2011年各個季節(jié)青海湖面積均大于前3年同期；月際變化情況也呈一定的規(guī)律性，青海湖通常每年從9月開始至封凍前，面積逐月減小，大多年份青海湖面積在9月達到最大值。但2011年青海湖各月面積與前3年同期相比，普遍較大，且湖面至10月才出現(xiàn)最大值。 另外，2008年10月至2011年10月，青海湖空間變化較明顯的區(qū)域位于青海湖的東岸和西岸，湖岸線分別向東、向西推進了130～630 m和100～600 m ，且東岸沙島湖季節(jié)性地與青海湖連通。根據(jù)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星監(jiān)測的青海湖面積動態(tài)，結(jié)合青海省氣象科研所近10年來利用MODIS衛(wèi)星資料對青海湖的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，分析近年來青海湖面積持續(xù)增大的主要原因有青海湖流域氣候呈現(xiàn)暖濕化趨勢、青海湖周邊河流的入湖徑流量增加以及青海湖周邊人類生產(chǎn)活動趨緩3個方面。

雖然環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星在水體遙感監(jiān)測中，特別是在日常業(yè)務(wù)化運行中監(jiān)測小于10 km2的水域面積時優(yōu)勢明顯，但環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星受水體混濁度、季節(jié)、天氣和周邊環(huán)境、CCD傳感器各通道波段波長較長等因素的影響較大，需要根據(jù)上述諸多因素來設(shè)置水體識別模式的閾值；環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星影像在水草和藻類密度較大的區(qū)域存在閾值突變現(xiàn)象，單純利用比值識別模式難以精確提取水體面積，必須綜合運用多種水體識別模式進行綜合比較，從中選出最優(yōu)水體識別方法，另外，還應(yīng)考慮運用更高分辨率，且不受天氣影響的雷達數(shù)據(jù)提取的青海湖面積訂正該模型，以進一步提高水體面積的識別精度。

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