石振杰，溫興平* ，馬 威，沈 攀

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明650093;2.云南省礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650093)

湖泊萎縮，是人類面臨的重要湖泊環(huán)境問題之一。遙感技術(shù)因其覆蓋面廣、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)被廣泛用于湖泊的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及影響因素研究，對(duì)于水資源合理配置與開發(fā)、湖泊水域生態(tài)保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估等具有重要的指導(dǎo)意義。光學(xué)遙感水體自動(dòng)提取技術(shù)主要依據(jù)在可見光和近紅外波段內(nèi)水體與其他地物的光譜反射差異，常用的方法有單波段閾值法、譜間關(guān)系法、波段運(yùn)算等，其中比值法、差值法、水體指數(shù)法等應(yīng)用較多，且在不斷改進(jìn)。如McFeeters S K［1］和 Gao B C［2］提出的歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)，徐涵秋［3］、曹榮龍等［4］分別進(jìn)行改進(jìn)的水體指數(shù)(MNDWI、RNDWI)。K-T變換(纓帽變換)，是Kauth等于1976年提出的一種線性變換，它使坐標(biāo)空間發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)軸指向與植物生長(zhǎng)過程及土壤有密切關(guān)系的方向;該方法主要集中在MSS、TM和ETM+等遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，變換后第三分量濕度(Wetness)也能很好地提取水體信息［5］。

湖泊水域面積的長(zhǎng)時(shí)間序列變化能夠反映氣候變化狀況，特別是內(nèi)陸湖或較封閉的湖泊，對(duì)于區(qū)域氣候變化尤為敏感［6－9］。撫仙湖是我國(guó)少有的Ⅰ類水質(zhì)大型湖泊，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人類活動(dòng)不合理開發(fā)給撫仙湖水域生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力，水質(zhì)也面臨惡化的局面。關(guān)于撫仙湖的研究主要集中于生物多樣性［10］和水質(zhì)變化［11－12］等問題，對(duì)撫仙湖面積、水量變化等研究相對(duì)較少。自2010年云南大旱以來，全省降水量減少，地表徑流、庫(kù)存等水資源量較往年下降很多，各湖泊也有不同程度萎縮，受到廣泛關(guān)注。撫仙湖面積廣、儲(chǔ)量大、水質(zhì)優(yōu)良，在云南省水資源利用中占有重要地位，尤其在近幾年旱情持續(xù)背景下，利用遙感技術(shù)對(duì)撫仙湖的面積變化，以及與氣候相關(guān)關(guān)系研究，對(duì)于了解區(qū)域氣候變化及云南旱情發(fā)展?fàn)顩r具有重要意義。

筆者利用Landsat ETM+和OLI影像數(shù)據(jù)，基于纓帽變換后第三波段圖像進(jìn)行密度分割提取撫仙湖水面邊界，總結(jié)了2000～2015年撫仙湖水面面積變化特征，并結(jié)合研究區(qū)氣候資料分析水面面積變化與氣候變化的相關(guān)性，反映湖泊與氣候的響應(yīng)關(guān)系，以期探討撫仙湖水面變化的原因。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

撫仙湖位于云南省澄江、江川和華寧縣之間(圖1)，屬珠江流域南盤江水系，湖面面積約為212 km2，平均水深87 m，總?cè)莘e為185億m3，占云南9省大高原湖泊總蓄水量的72.8%。2007年底星云湖—撫仙湖出流改道工程建成，撫仙湖東面唯一的出水口——?？诤右脖环庾?，湖水開始倒流進(jìn)入星云湖。因此撫仙湖水源主要靠降水補(bǔ)給，與當(dāng)?shù)貧夂蜿P(guān)系密切，其水資源的合理開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)更成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

該研究以2000～2015年撫仙湖水面面積變化為對(duì)象，利用的影像數(shù)據(jù)有:2000、2005、2011年的 ETM+影像和2014、2015年的OLI影像?？紤]到夏季是主汛期，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)取水量和湖面蒸發(fā)量大，入湖水量和湖面變化波動(dòng)較大，年際間的可比性不高;而春秋季屬于湖泊平水期，人類活動(dòng)干擾較少，可以減少由于氣候或人類活動(dòng)造成的徑流突變誤差［8］。因此所選數(shù)據(jù)時(shí)相都集中在3、4月份，研究區(qū)云量為0，便于湖泊信息的提取和年際面積變化特征對(duì)比。經(jīng)過裁剪和幾何校正等預(yù)處理最終獲取5景遙感影像。澄江、江川、華寧3縣的歷年氣候資料(年平均氣溫、年降水量)來自2001 ～2014 年《云南統(tǒng)計(jì)年鑒》［13］及玉溪?dú)庀缶W(wǎng)站［14］。

2 研究方法

纓帽變換(K-T變換)是一種經(jīng)驗(yàn)性的線性變換圖像處理方法，可以將光譜空間變換到幾個(gè)有物理意義的方向上去，組成新的特征空間。變換公式如下［5］:

式中，X為變換前多光譜空間的像元矢量;Y為變換后的新坐標(biāo)空間的像元矢量;B為變換矩陣。纓帽變換主要針對(duì)廣泛使用的MSS、TM和ETM+數(shù)據(jù)，變換后輸出的亮度(Brightness)、綠度(Greenness)和濕度(Wetness)分量包含了地表大多的土壤、植被和濕度信息，且相互獨(dú)立，地物特征明顯，能夠很好地分離植被、土壤和水分信息。此次主要利用ETM+數(shù)據(jù)變換輸出的第三組分濕度將水體與其他地物區(qū)分的特點(diǎn)，通過假彩色密度分割，人工調(diào)整閾值以完整精確地提取水體信息。密度分割彩圖可直觀地顯示出撫仙湖水域分布范圍，湖面邊界特別清晰，利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取，也便于后續(xù)各年份湖泊面積計(jì)算和邊界疊加對(duì)比研究。

因較新的Landsat8 OLI傳感器目前還沒有廣泛認(rèn)可的纓帽變換系數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，發(fā)現(xiàn)OLI b2－b7和ETM+b1－b7(b6除外)波段范圍相似(表1)，空間分辨率都為30m;ETM+的輻射分辨率為8bit，灰度區(qū)間為0～255，而OLI為12 bit，灰度區(qū)間為0～65535，將撫仙湖OLI(2014年)影像b2－b7進(jìn)行波段運(yùn)算，分別比上256進(jìn)行灰度降級(jí)，然后合成新的影像與ETM+(2000年)影像置于同一輻射分辨率(8bit)下對(duì)灰度值的像元分布進(jìn)行對(duì)比研究。

表1 OLI與ETM+傳感器參數(shù)對(duì)比

通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)ETM+和OLI影像各波段的灰度級(jí)別及像元分布，得出灰度－像元直方圖(圖2)。其中橫坐標(biāo)為灰度值(0～255)，縱坐標(biāo)為各灰度值的像元個(gè)數(shù)，即出現(xiàn)的頻度。如圖2顯示，ETM+圖像的灰度級(jí)別覆蓋范圍為0～255，各波段之間的灰度值、像元個(gè)數(shù)差異較明顯;OLI圖像灰度級(jí)覆蓋范圍較小，主要分布范圍為20～100，因此各波段的灰度值、像元分布相對(duì)集中，但仍可區(qū)分。經(jīng)對(duì)比研究，OLI各波段的灰度分布曲線與ETM+對(duì)應(yīng)的波段灰度分布曲線形態(tài)相似，如OLI b2與ETM+b1灰度分布曲線皆呈單峰式正態(tài)分布，OLI b3～b7灰度曲線近似雙峰式正態(tài)分布，與ETM+相應(yīng)各波段曲線形態(tài)一致，且偏度接近?？芍狾LI b2～b7與ETM+b1～b7(b6除外)波段范圍接近，而且各波段的灰度值分布形式相似，分析表明可利用ETM+變換矩陣計(jì)算OLI圖像纓帽變換像元矢量，即把ETM+纓帽變換模型應(yīng)用于OLI圖像變換處理。變換輸出后，同樣生成有亮度、綠度和濕度等分量，表示為公式(2)，其系數(shù)為ETM+纓帽變換系數(shù)［15］。對(duì)2014、2015年撫仙湖影像纓帽變換處理后，其第三分量濕度圖像通過密度分割及閾值調(diào)整，水體信息提取效果良好，可作為湖泊面積監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 湖泊水面變化及影響因子分析

3.1 面積及邊界變化 此次研究?jī)H限于撫仙湖湖面面積動(dòng)態(tài)變化，經(jīng)計(jì)算，去除湖泊周圍小范圍水體，保留最大面積的湖面邊界，統(tǒng)計(jì)各年份湖面面積。圖3顯示，2000～2015年撫仙湖湖面面積總體呈縮小趨勢(shì)，2000～2005年面積減小程度較大，之后趨于穩(wěn)定;2011～2014年又出現(xiàn)較大幅度下降趨勢(shì)，直至2015年才有所增加，但仍未達(dá)到2011年以前的面積大小。

為了直觀地顯示撫仙湖邊緣空間變化情況，將各年份湖泊邊界進(jìn)行疊加分析，結(jié)果見圖4。如圖4所示，2005年湖泊面積較2000年縮小較多，主要集中在撫仙湖北部和東北部，以東北部減小尤為明顯。經(jīng)資料分析及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域分布的酒店、娛樂場(chǎng)所等人工設(shè)施較多，應(yīng)是人為開發(fā)建造等因素導(dǎo)致湖泊局部萎縮。2014年湖泊邊界總體比2011年縮小較均勻，表明因氣候原因湖泊水量減少，水位下降，導(dǎo)致面積減小。2015較2014年有所增加，局部擴(kuò)張明顯，經(jīng)2014年底至2015年氣象資料研究，該段時(shí)間較同期降水增多，致使湖泊水量增大;而且近幾年對(duì)于撫仙湖水域開發(fā)利用和保護(hù)尤為重視，人為活動(dòng)影響較少，產(chǎn)生了一定的效用。

3.2 氣候影響因子 湖泊水域?qū)夂蜃兓^為敏感，合理分析湖泊與氣候變化的相關(guān)性，是探討湖泊面積變化的良好途徑。撫仙湖由于面積較大，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，多半入湖水量會(huì)被蒸發(fā)掉，因此研究撫仙湖面積變化氣候影響因子具有重要意義。該研究中氣候影響因子主要為氣溫和降水，統(tǒng)計(jì)2000～2014年澄江、江川、華寧3縣的年平均氣溫和降水量的平均值作為研究區(qū)氣溫和降水指標(biāo)，并用距平曲線表示，分析撫仙湖面積變化與氣溫、降水的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖5。

如圖5a所示，撫仙湖地區(qū)年平均氣溫變化總體呈上升趨勢(shì)，2002～2003年與2006～2009年氣溫變化波動(dòng)較大，之后趨于穩(wěn)定，2014年略有下降;趨勢(shì)線方程斜率大于0，說明氣溫逐年上升，增暖比較明顯。圖5b顯示，湖區(qū)年降水量變化呈下降趨勢(shì)，2002～2003年與2006～2009年以及2014年變化波動(dòng)較大，其他年份較平穩(wěn);趨勢(shì)線方程斜率小于0，表明降水量近十幾年來逐年減少，尤其是2009～2013年為歷年最低，2014年增幅較大。

研究發(fā)現(xiàn)，撫仙湖面積與年平均氣溫及降水量相關(guān)性較顯著，氣溫升高引起蒸發(fā)加速，降水量下降直接導(dǎo)致水量減少、水位降低;可見撫仙湖水面不斷縮小，與逐年上升的氣溫呈負(fù)相關(guān)，與逐年減少的降水量呈正相關(guān)。尤其是自2011年以來面積縮小明顯，這與2010年持續(xù)至今的云南大旱有著直接的關(guān)系。云南大旱降水量減少，工農(nóng)業(yè)用水緊張，撫仙湖入湖水量不能滿足蒸發(fā)和人類活動(dòng)的正常需要，甚至水位下降至近10年來最低。據(jù)氣象資料，2014～2015年1月降水偏多，這與撫仙湖2015年面積增大情況具有良好的一致性，可見云南旱情有所緩解，但仍須重視水資源合理利用及保護(hù)問題。

4 結(jié)語

通過對(duì)ETM+和OLI遙感影像進(jìn)行纓帽變換及密度分割處理，可以完整準(zhǔn)確地提取水體信息，效果良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2000～2014年撫仙湖水面面積總體在縮小，直至2015年才有所增大，并且與研究區(qū)年平均氣溫、年降水量變化趨勢(shì)一致，說明撫仙湖水面逐年萎縮與氣溫、降水有著顯著的關(guān)系，尤其是近幾年云南省大旱對(duì)撫仙湖水域面積影響較大;2015年撫仙湖面積增大反映了降水增多、旱情緩解的氣候變化狀況，也論證了湖泊對(duì)于氣候變化的敏感性。綜合表明，氣候因子對(duì)撫仙湖水面面積變化影響較大，但人類活動(dòng)影響也不容忽視;利用遙感技術(shù)進(jìn)行水域面積監(jiān)測(cè)對(duì)湖泊合理開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)等具有重要意義。

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