楊 柯，段功豪，牛瑞卿，黃思悅，曹 亞

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院，武漢 430074)

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基于多源遙感影像的武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷分析

楊 柯，段功豪，牛瑞卿，黃思悅，曹 亞

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院，武漢 430074)

城市湖泊作為一種重要的生態(tài)和旅游資源，其變遷趨勢對城市的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。為研究武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷情況，引入2013年6月獲取的Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合都市發(fā)展區(qū)1975—2013年近40 a 30多期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，利用NDWI和譜間關(guān)系法，結(jié)合目視解譯的方法提取區(qū)域內(nèi)68個湖泊的時空信息，詳細(xì)研究湖泊面和湖泊邊界線的變化情況，基于GIS的空間分析技術(shù)和RS的變化檢測的方法建立湖泊變遷專題圖，并利用景觀學(xué)指標(biāo)分析湖泊變化原因。結(jié)果表明：研究與武漢市政府水資源統(tǒng)計(jì)信息相符，為武漢市湖泊資源的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供了即時依據(jù)。

武漢；湖泊變遷；Landsat-8衛(wèi)星影像；GIS；專題圖

1 研究背景

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時、客觀地獲取城市中各類地貌和水體特征已成為現(xiàn)實(shí)。作為水體主要的集成形式，湖泊的形成和消失很大程度上影響著區(qū)域內(nèi)氣候變化和環(huán)境污染程度[1]，湖北是著名的“千湖之省”，武漢市自然和人工淺水湖泊密集分布，利用長時間序列遙感影像，獲得武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊水域面積和邊界變化情況將顯得尤為重要[2-3]。衛(wèi)星遙感具有瞬時覆蓋面積大和周期性重復(fù)的特點(diǎn)，在水資源調(diào)查、水文監(jiān)測、濕地保護(hù)和地災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮著極大作用。國內(nèi)外利用TM、MODIS等中分辨率傳感器影像，分析水體和非水體地物間輻射量的不同，得到相關(guān)水體差異指數(shù)[4-8]，來獲得研究區(qū)內(nèi)的水體分布。前人對湖泊變遷的研究表明，單一影像數(shù)據(jù)容易受到含云量和衛(wèi)星重訪周期的限制[9-10]，應(yīng)盡量選擇季節(jié)和月份相同的多源遙感影像數(shù)據(jù)，以保證在時向上能互補(bǔ)。

本文以武漢市都市發(fā)展區(qū)湖泊變化為研究對象，利用最新的Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)，并搜集了1975—2013年間的 Landsat 2/5/7 TM、ALOS(PRISM、AVNIR-2)等遙感影像。結(jié)合武漢市水資源公報(bào)中各湖泊的面積數(shù)據(jù)，有效利用譜間關(guān)系法、湖泊強(qiáng)度變化指數(shù)、歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)提取湖泊空間信息，結(jié)合GIS空間分析功能、目視解譯生成都市發(fā)展區(qū)內(nèi)湖泊矢量圖層。對生成結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、變化檢測，形成都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷專題圖，統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息形成各項(xiàng)指標(biāo)圖表。最終對結(jié)果進(jìn)行了合理的分析和解釋，對武漢市水資源環(huán)境重點(diǎn)治理區(qū)域和社會可持續(xù)性發(fā)展提供了參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料來源

2.1 研究區(qū)概況

武漢都市發(fā)展區(qū)包括江岸、江漢、硚口、漢陽、武昌、青山、洪山7個主城區(qū)；東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、吳家山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)3個開發(fā)區(qū)；黃陂、新洲、東西湖、蔡甸、漢南、江夏6個新城區(qū)。最北段為黃陂區(qū)呂家崗，最南端為江夏區(qū)潘大成采石場、將軍山采石場，最西端為東西湖區(qū)程家臺，最東端為新洲區(qū)張棋牌，總面積3 428.17 km2，坐標(biāo)范圍：30°15′28″N～30°52′25″N，113°53′17″E ～ 114°40′12″E。

武漢都市發(fā)展區(qū)內(nèi)統(tǒng)計(jì)共有大、小水域83個，其中湖泊68個，江河9個，水庫6個，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)資料來源

以武漢市都市發(fā)展區(qū)主要湖泊為研究對象，選取了1978—2013年間10期Landsat 遙感影像、ALOS遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，參考武漢市地理信息藍(lán)皮書等相關(guān)輔助資料，以目視解釋為主，結(jié)合ArcGIS空間分析功能，提取影像上湖泊邊界線及面圖層。所使用的影像數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 武漢市都市發(fā)展區(qū)水域情況匯總

表2 遙感影像數(shù)據(jù)來源

3 水系提取算法介紹

3.1 譜間關(guān)系法

水體的亮度值在TM影像及ETM+影像的2和3波段上，與灘涂、山體陰影有較大的區(qū)別，而與居民地、水體、林地區(qū)別不明顯；在4和5波段上，水體亮度值最小，與其它地物區(qū)別明顯。利用這種反射特性，選擇一定的波段組合方式，可以有效地將水體和其它地物區(qū)分[11]。另外，通過閾值的設(shè)置，排除山地陰影、積雪的干擾。模型公式為

(1)

式中：TM2，TM3，TM4，TM5分別為TM影像或ETM+影像的2，3，4，5波段；k1為預(yù)先設(shè)定的閾值。

3.2 歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)

模型原理為：通過波段之間的比值運(yùn)算增強(qiáng)某些地物之間的反差。將最強(qiáng)反射波段置于分子位置,將最弱反射波段置于分母,經(jīng)過圖像運(yùn)算進(jìn)一步擴(kuò)大二者的差距,這樣所研究的地物在新生成的影像上得到最大的亮度,其他地物就會相應(yīng)的被抑制,使所研究的地物從背景地物中被識別出來[12]。模型公式為

NDWI=(p(GREEN)-p(NIR))/

(2)

式中：NDWI表示歸一化差異水體指數(shù)；p(GREEN)表示遙感影像的綠波段；p(NIR)表示遙感影像的近紅外波段。

3.3 湖泊變化幅度

湖泊演變包括了湖泊的面積變化，空間變換以及質(zhì)量變化。其中面積變化首先反映在湖泊的總量變化上，通過分析湖泊的總量變化，可以了解湖泊變化總的趨勢和空間的演變。湖泊變化幅度表達(dá)式為

(3)

(4)

式中：L1為研究時段內(nèi)湖泊的變化總幅度,L1>0表示湖泊面積增加；L2為研究時段內(nèi)湖泊的年變化幅度,L2<0表示湖泊面積減小；Ua，Ub分別為研究期初和研究期末的湖泊面積；T為研究時段間隔年數(shù)。

3.4 湖泊強(qiáng)度變化指數(shù)

為了更好地描述每個湖泊在不同時期的相對變化程度，本文利用湖泊變化強(qiáng)度指數(shù)來定量分析湖泊面積變化強(qiáng)弱的相對強(qiáng)度，其表達(dá)式為

(5)

式中：C表示湖泊演變強(qiáng)度;ΔAba表示研究時段a-b內(nèi)湖泊的變化面積；Aa表示a個年份湖泊的總面積;Δt表示a，b年份間的時間差。

4 武漢市都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷趨勢研究

4.1 研究技術(shù)路線

4.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對研究區(qū)原始遙感影像按北京54坐標(biāo)系進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，根據(jù)已有標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)圖進(jìn)行影像配準(zhǔn)，以武漢市都市發(fā)展區(qū)區(qū)域面作為掩膜，裁剪出都市發(fā)展區(qū)遙感影像圖。

4.1.2 生成湖泊矢量圖層

利用譜間關(guān)系法和歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)進(jìn)行水域與非水域范圍的區(qū)分，經(jīng)過二值化和矢量化，得到研究區(qū)的水域范圍矢量信息，結(jié)合目視解譯，確定湖泊大小和空間位置，添加屬性數(shù)據(jù)，生成都市發(fā)展區(qū)湖泊矢量圖層。

4.1.3 建立專題圖、湖泊變化趨勢

將歷年湖泊矢量圖層轉(zhuǎn)化為柵格圖層，進(jìn)行湖泊范圍變化檢測，建立都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷專題圖；利用GIS的空間分析和統(tǒng)計(jì)分析功能，計(jì)算出湖泊面積變化總幅度、年變化幅度和變化強(qiáng)度指數(shù)，生成湖泊變化趨勢圖。按照上述對湖泊變化研究的思路，形成技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線流程Fig.1 Flowchart of technical route

4.2 研究成果匯總

按照圖1中技術(shù)路線的步驟，提取研究區(qū)域內(nèi)所有湖泊面積，統(tǒng)計(jì)最終結(jié)果如圖2、表3、圖3所示。

圖2 都市發(fā)展區(qū)1987—2013年湖泊面積Fig.2 Lake areas of urban development region in Wuhan (1987-2013)

根據(jù)湖泊面積變化幅度大小，計(jì)算得到武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊變化強(qiáng)度指數(shù)，如表4所示。

在對都市發(fā)展區(qū)內(nèi)湖泊變遷進(jìn)行整體評價的同時，以南湖為例，本次研究對單個湖泊在1987—2013年間的變形趨勢也進(jìn)行了相應(yīng)的分析，根據(jù)遙感影像提取的水域面積，南湖面積逐年變化情況和變化指標(biāo)圖如圖4、圖5所示。

表3 都市發(fā)展區(qū)湖泊面積總變化幅度和年變化幅度

圖3 都市發(fā)展區(qū)湖泊面積年變化幅度Fig.3 Annual variation of lake area of urbandevelopment region

年份變化強(qiáng)度指數(shù)/%年份變化強(qiáng)度指數(shù)/%1987—1994-0.652005—2009-1.991994—2001-0.712009—2013-1.262001—2005-2.50

圖4 南湖面積逐年變化情況

圖5 南湖1987—2013年面積變化Fig.5 Indicators of Nanhu lake area change (1987-2013)

綜上，在基于ArcGIS的空間分析技術(shù)和RS的變化檢測的方法背景下，詳細(xì)研究湖泊面和湖泊邊界線的變化情況，依次統(tǒng)計(jì)各個湖泊變化趨勢信息，最終建立武漢市都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷專題圖，見圖6。

圖6 1987—2013年武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷專題圖Fig.6 Thematic map of lake change of urban development region in Wuhan(1987-2013)

從研究結(jié)果中可以看出：1987—2013年都市發(fā)展區(qū)的湖泊水域面積總量總體呈減少趨勢，其變化大致經(jīng)歷了3個階段：1987—2001年的湖泊水域面積萎縮速度較慢；2001—2005年的湖泊水域面積萎縮速度較快；2005—2013年的湖泊水域面積萎縮速度逐漸減小。

查閱相關(guān)歷史資料顯示，1987—2001年水域面積萎縮的主要原因是圍湖造田和圍湖成塘使得湖泊水域向耕地面積轉(zhuǎn)化；2001—2005年水域面積萎縮較快的主要原因是城市化速度加快導(dǎo)致部分湖泊水域轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地；2005—2013年水域面積萎縮速度減緩的主要原因是政府加強(qiáng)立法保護(hù)和湖泊管理體系的完善。1978—2013年東湖、沙湖、南太子湖、后官湖的水域面積總量呈減少趨勢。1978—1987年間，4個湖泊水域面積均有一定幅度的增長；1987—2013年間，湖泊水域面積不斷減少但逐漸趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論和展望

本文是在充分收集武漢市歷史遙感影像和實(shí)際野外調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市具體的地質(zhì)特點(diǎn)，初次利用新型的LandSat-8影像數(shù)據(jù)，針對性地進(jìn)行湖泊解譯，從整體區(qū)域和個體湖泊變化趨勢上綜合分析，最終形成了武漢都市發(fā)展區(qū)湖泊變遷專題圖(1987—2013年)，從而為武漢市進(jìn)一步的河湖環(huán)境保護(hù)和治理提供了直觀的參考圖件。

需要指出，本文因受所獲資料限制，隨湖泊周邊環(huán)境條件不同，單個湖泊受外界影響的因素是不斷變化的，目前研究成果僅是從歷史資料中獲得一定的先驗(yàn)知識，下一步工作重點(diǎn)將以研究湖泊周邊具體地質(zhì)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，對單個湖泊變形趨勢做出預(yù)測分析。

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(編輯：王 慰)Analysis of Lake Changes in Wuhan Based onMulti-source Remote Sensing Data

YANG Ke, DUAN Gong-hao, NIU Rui-qing, HUANG Si-yue, CAO Ya

(Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Urban lake is an important ecological and tourism resource. Its variation has profound impact on the city’s development. The variations of lake surface and lake boundary in Wuhan are researched in detail by using NDWI and TM2+TM3> TM4+TM5 method in association with visual interpretation to extract the spatio-temporal information of 68 lakes. The research is based on Landsat 8 satellite data obtained in June 2013 and remote sensing images from 1975 to 2013 in the urban development area in Wuhan. Furthermore, thematic map of lake changes is given by using GIS spatial analysis technology and RS change detection method. The causes of lake changes are analysed through landscape indices. The research result is consistent with the government statistics of water resources in Wuhan city. It is also an instant basis for the protection and sustainable development of lake resources in Wuhan city.

Wuhan; lake change; Landsat 8; GIS; thematic map

2014-12-19；

2015-04-21

國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB710601)；國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA121303)；國土資源部重大科學(xué)研究項(xiàng)目(SXKY332)

楊 柯(1989-)，男，湖北仙桃人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)、3S與地質(zhì)災(zāi)害信息化及遙感影像數(shù)據(jù)挖掘，(電話) 027-67883425 (電子信箱) yangke_cug@163.com。

10.11988/ckyyb.20140870

2016,33(01):139-142，146

X14

A

1001-5485(2016)01-0139-04