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        纓帽變換在撫仙湖水面變化分析中的應(yīng)用

        2015-12-22 06:21:38石振杰溫興平
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年25期
        關(guān)鍵詞:研究

        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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