馬艷敏, 郭春明， 王 穎, 李建平, 唐曉玲, 陳立文

(1.吉林省氣象科學(xué)研究所, 吉林 長春 130062; 2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春 130062)

水資源是一種非常重要的資源，也是一個(gè)獨(dú)立的環(huán)境因子，受到人們格外的重視[1]。水體動態(tài)監(jiān)測是當(dāng)今資源與環(huán)境變化研究的一個(gè)熱點(diǎn)與重點(diǎn)。及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得水體變化信息是對水資源保護(hù)、利用和可持續(xù)發(fā)展的有力支持，而遙感技術(shù)的快速、周期性等特點(diǎn)為水體變化監(jiān)測提供了技術(shù)手段[2]。水體面積的監(jiān)測是調(diào)查水資源的一個(gè)重要方面，也是洪水監(jiān)測的重要內(nèi)容。因此利用遙感影像的波普特征和水體在影像上的特征提取水體信息，獲取它的范圍甚至其他特征，是十分有意義的工作[1]。目前，許多學(xué)者基于多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)水體進(jìn)行了監(jiān)測和分析，例如臧菁菁等[3]監(jiān)測了1975—2014年巴爾喀什湖水體面積的變化，文雄飛等[4]基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)對洪湖水體進(jìn)行遙感監(jiān)測，雷璇等[5]基于SPOT-VGT數(shù)據(jù)對洞庭湖水體面積進(jìn)行變化分析，李輝等[6]基于MODIS影像對鄱陽湖湖面積及與水位關(guān)系進(jìn)行研究，常利等[7]基于資源三號衛(wèi)星對丹江口水庫面積季節(jié)變化進(jìn)行遙感監(jiān)測，張行清等[8]基于HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對廣西水庫面積進(jìn)行了監(jiān)測，劉寶康等[9]基于環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星對青海湖面積進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，郭鵬[10]和梁文廣等[11]分別基于MODIS，HJ和航片對宿鴨湖水庫、江蘇省水域的面積變化進(jìn)行遙感監(jiān)測。吉林省西部自然資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，草原退化、鹽堿化和沙化問題比較突出，水資源是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，但針對吉林省西部水體的動態(tài)監(jiān)測還不多見，因此，對吉林省西部主要水體面積進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析有著重要的意義。本文擬利用2000年以來的MODIS數(shù)據(jù)，采用目視解譯等方法獲取研究區(qū)水體分布以及面積變化信息，并從自然和人為兩方面原因?qū)础⑺畮斓淖兓绊懸蛩剡M(jìn)行探討，以期及時(shí)了解西部生態(tài)環(huán)境動態(tài)及生態(tài)治理效果。

1 研究區(qū)概況

吉林省西部的主要水體包括查干湖、向海水庫和月亮泡水庫。查干湖大部位于前郭爾羅斯蒙古族自治縣境內(nèi)，是吉林省內(nèi)最大的天然湖泊，也是全國十大淡水湖之一，為國家級自然保護(hù)區(qū)。向海水庫位于白城市通榆縣境內(nèi)，是向海自然保護(hù)區(qū)內(nèi)唯一的大型蓄水工程，也是向海濕地的水源儲備庫。月亮泡水庫位于大安市月亮泡鎮(zhèn)，為白城內(nèi)流區(qū)最大調(diào)蓄水利樞紐及淡水魚主要產(chǎn)區(qū)。這些湖泊水庫大大降低了洪水對下游的損害，排澇灌溉，同時(shí)改善了西部的生態(tài)環(huán)境。

2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用美國 NASA 對地觀測系統(tǒng)(EOS)系列遙感衛(wèi)星中上午星Terra星MODIS數(shù)據(jù)，MODIS 為中等分辨率成像儀，是平臺上的主要傳感器，能提供250，500，1 000 m這3種空間分辨率、分布在0.4～14.3 μm電磁波譜范圍內(nèi)36個(gè)通道的數(shù)據(jù)，掃描寬度為2 330 km，兩顆衛(wèi)星每天可對地球上同一個(gè)地方提供四景影像，時(shí)間分辨率高，并且免費(fèi)提供各級產(chǎn)品。Terra衛(wèi)星于1999年12月18日發(fā)射成功，已經(jīng)獲取了連續(xù)18 a的地球綜合信息，為水體動態(tài)監(jiān)測提供了長時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)來自吉林省DVB-S接收系統(tǒng)接收及NASA官方網(wǎng)站下載的Terra星2000—2017年的MODIS遙感影像，空間分辨率為250 m。其中年際變化分析數(shù)據(jù)選擇2000—2017年期間各年8月底至9月初(水面為每年最大值)的晴空數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度不超過15 d，共18景。年內(nèi)變化數(shù)據(jù)選取了2007—2017年每年5月末和8月末的晴空數(shù)據(jù)，2007和2016年1—12月的晴空數(shù)據(jù)，所用影像共計(jì)49景。

對MODIS遙感數(shù)據(jù)處理主要通過極軌衛(wèi)星遙感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測軟件和ENVI軟件進(jìn)行，經(jīng)過幾何校正、投影、裁剪、圖像增強(qiáng)，最后輸出TIFF格式。其中投影方式選擇面積變形較小的Albers等面積圓錐投影，利于后續(xù)湖泊水庫面積的計(jì)算提取。根據(jù)吉林省的地理位置設(shè)置投影參數(shù)第1條標(biāo)準(zhǔn)緯線為42°N，第2條標(biāo)準(zhǔn)緯線為46°N。

氣象觀測數(shù)據(jù)包括1961—2017年吉林省自動觀測站觀測的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)。月亮泡水庫選取大安站和鎮(zhèn)賚站觀測值的平均、向海水庫選取通榆站的觀測值、查干湖選取前郭站的觀測值。面積及氣象觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析主要采用趨勢線分析、變異系數(shù)和相關(guān)分析方法。變異系數(shù)的計(jì)算公式為:變異系數(shù)CV=(標(biāo)準(zhǔn)偏差SD/平均值Mean)×100%。

2.2 水體提取

2.2.1 水體提取原理與方法 不同地物由于自身對太陽光的吸收和反射程度不同以及地物間性質(zhì)的差異，導(dǎo)致了它們在衛(wèi)星傳感器上記錄的電磁波譜信息也各不相同。天然水體在0.4～2.5 μm的吸收明顯高于大多數(shù)其他地物，因此其反射率在這個(gè)波段范圍都很低，可見光范圍大都在3%左右，在彩色遙感影像上表現(xiàn)為暗色調(diào)；在紅外波段，水體吸收的能量高于可見光波段，即使水很淺，水體也幾乎全部吸收了全部入射能量，所以水體在近紅外及中紅外波段的反射能量很少，而植被、土壤在這兩個(gè)波段內(nèi)有較高的反射特性，這使得水體在這兩個(gè)波段上與植被和土壤有明顯的區(qū)別。反映在影像上，水體呈現(xiàn)出暗色調(diào)，而土壤植被則相對較亮[12]。水體的這種光譜特性是遙感提取水體的重要依據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)的第1波段是紅光區(qū)，第2波段是近紅外區(qū)。在第2波段內(nèi)，植被的反射率明顯高于水體；而在第1波段內(nèi)，水體的反射率高于植被。因此對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行121波段組合，采用人機(jī)交互式目視解譯的分類方法，主要通過ArcGIS軟件的Editor工具解譯出查干湖、月亮泡水庫、向海水庫水面的矢量數(shù)據(jù)集。

2.2.2 解譯精度檢驗(yàn) 分類精度是指所獲得的圖像分類與現(xiàn)實(shí)吻合的程度，利用高分辨率影像進(jìn)行檢驗(yàn)是常用的一種方式，目前所用的Google Earth采用的是Landsat數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，向海水庫為2012年5月15日影像，查干湖為2015年7月31日影像，月亮泡水庫為2015年5月和2017年3月，5月影像拼接而成。因此選取向海水庫2012年5月28日解譯結(jié)果和查干湖2015年7月31日解譯結(jié)果進(jìn)行精度的檢驗(yàn)。在解譯出的矢量文件中選取檢驗(yàn)點(diǎn)：向海水庫50個(gè)，查干湖65個(gè)，并計(jì)算經(jīng)緯度,利用GoogleEarth查詢，檢驗(yàn)點(diǎn)落在相應(yīng)的水體區(qū)域內(nèi)，視為該點(diǎn)正確。經(jīng)計(jì)算向海水庫和查干湖的精度在76%和80%左右，能夠滿足水體面積動態(tài)變化特征分析要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 吉林省西部主要水體的年際變化特征

3.1.1 空間變化 對解譯出的水體進(jìn)行空間疊加，得到2000—2006，2006—2017和2000—2017年的水域面積空間變化情況(圖1)。2000年以來的17 a期間，月亮泡水庫、向海水庫和查干湖均表現(xiàn)出向北部推進(jìn)的趨勢。變化明顯區(qū)于位于水庫和湖泊的北岸和西南岸，北部以擴(kuò)展為主、西南部則有明顯的縮減。2000—2006年期間，3個(gè)水體均表現(xiàn)出空間上的縮減趨勢，主要表現(xiàn)在月亮泡水庫的西部、向海水庫一場泡的西、南側(cè)和二場泡的西部、查干湖的西南岸和東北角。2006—2017年的近10 a間，3個(gè)水體均表現(xiàn)出向北部推進(jìn)的趨勢，面積均有所擴(kuò)大。

圖1 2000-2017年吉林省西部湖泊水庫空間變化監(jiān)測

3.1.2 時(shí)間變化 對2000—2017年吉林省西部3個(gè)主要水體面積進(jìn)行年際統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2和表1所示。由圖2可以看出近18 a來吉林省西部3個(gè)水體的水域面積總體均呈增加趨勢。增加趨勢最明顯的是月亮泡水庫，其次是向海水庫、查干湖。2000—2017年，水域面積均有所增加，增加面積由大到小依次為向海水庫32.6 km2，月亮泡水庫8.3 km2，查干湖2.6 km2。對3個(gè)水體2000—2017年面積的變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，向海水庫的變異系數(shù)最大，達(dá)到37.83%，離散程度較大。其次是月亮泡水庫29.33%。查干湖最小，只有3.58%，從趨勢線也可以看出，總體變化幅度比較小，面積相對穩(wěn)定。

從表1可以看出，月亮泡水庫與前一年相比面積增加最明顯的年份為2003年，其次為2015,2011年，面積減少最明顯的是2014和2001年；向海水庫與前一年相比面積增加最明顯的年份為2011年，其次為2015年，面積減少最明顯的是2009年和2014年；查干湖與前一年相比面積增加最明顯的年份為2011年，面積減少最明顯的是2014年；2011年3個(gè)水體面積均較上一年明顯增加，2014年則均表現(xiàn)出明顯的減少，主要是由于2011年降水量均較上一年增加顯著，而2014年7—8月吉林省西部發(fā)生比較嚴(yán)重的伏旱，特別是月亮泡水庫所在的大安旱情顯著。

圖2 2000-2017年吉林省西部湖泊水庫面積變化趨勢表1 2000-2017年吉林省西部湖泊水庫面積年變化幅度及年波動度統(tǒng)計(jì)

水 體項(xiàng) 目2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年查干湖 年變幅 -6.402.50-2.90-10.7-0.10-0.7019.504.700.40年波動度-0.020.01-0.01-0.040.000.000.070.020.00月亮泡水庫年變幅 -68.20-14.90116.80-52.80-19.90-0.1033.30-6.70-14.60年波動度-0.40-0.090.69-0.31-0.120.000.20-0.04-0.09向海水庫 年變幅 -9.00-4.80-3.204.80-5.5014.203.7012.60-16.50年波動度-0.20-0.11-0.070.10-0.120.310.080.28-0.36水 體項(xiàng) 目2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年查干湖 年變幅 -19.8024.90-14.70-3.30-13.6019.50-9.8013.10年波動度-0.080.10-0.06-0.01-0.050.07-0.040.05月亮泡水庫年變幅 32.5058.70-16.5061.60-69.7016.50-7.10-40.70年波動度0.190.35-0.100.36-0.410.10-0.04-0.24向海水庫 年變幅 -10.7022.606.5012.10-14.1021.20-11.3010.00年波動度-0.240.500.140.27-0.310.47-0.250.22

3.2 吉林省西部主要水體的年內(nèi)變化

3.2.1 月際變化 選取2007與2016年各月水體面積數(shù)據(jù)，由于11—3月，水面處于全部和部分結(jié)冰狀態(tài)，因此主要分析4—10月的面積變化情況(如圖3所示)。湖泊和水庫的面積表現(xiàn)出明顯的年周期變化規(guī)律：4和10月水面面積一般相近，相對較小，5月開始呈緩慢增加趨勢，一般到9月達(dá)到最大值，10月有所下降。

雨季期間及后期一般會出現(xiàn)較大的水域面積，形成了與季節(jié)性氣候相適應(yīng)的年周期變化狀態(tài)。2007年月亮泡水庫降水少，有干旱發(fā)生，7月面積明顯減少，8月恢復(fù)到春季水平，后期面積又明顯減少。

對2007—2017年吉林省西部3個(gè)湖泊水庫5和8月的水域面積情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，受汛期降水的影響8月的水域面積一般均較5月有明顯的增加，只有少數(shù)年份會出現(xiàn)水域面積減小的情況。通過查閱相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，這些年份基本有干旱發(fā)生、降水量較少。8與5月相比差值較大的年份，一般是降水量多，甚至是發(fā)生洪澇災(zāi)害的年份。

3.2.2 季節(jié)變化 對2016年逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行分季節(jié)統(tǒng)計(jì)，4，5月平均作為春季的數(shù)據(jù)，6，7，8月數(shù)據(jù)作為夏季的數(shù)據(jù)，9，10月數(shù)據(jù)作為秋季的數(shù)據(jù)。春、夏、秋3個(gè)季節(jié)中春季的水域面積最小，主要是由于此時(shí)氣溫較低，降水量較少，所處流域支流水流量最小，春耕時(shí)期農(nóng)業(yè)用水增加；夏季氣溫升高，進(jìn)入汛期，降水增多，月亮泡水庫、向海水庫和查干湖比春季的水域面積分別增加了9.3，6.8，9.8 km2；秋季兩個(gè)水庫的水域面積繼續(xù)有所增加，主要是由于水庫面積在9月達(dá)到最大值，月亮泡水庫增加5.6 km2，向海水庫增加0.7 km2，查干湖的面積較夏季有所減小，減小了1.5 km2。

圖3 吉林省西部主要湖泊水庫月際變化與5，8月面積比較

將2016年4,7,10和1月矢量數(shù)據(jù)疊加反映水體水域面積的季節(jié)空間變化，冬季，湖泊水庫水面基本結(jié)冰、向海有部分水面。月亮泡水庫從春季開始面積的變化主要體現(xiàn)在北岸，其次南岸和東岸有小幅變化；查干湖空間變化不顯著，只是整體沿岸的小幅度擴(kuò)展與縮減；向海水庫的擴(kuò)展主要體現(xiàn)在一場泡的東南側(cè)和二場泡的西北側(cè)。

3.3 吉林省西部主要水體面積變化的影響因素分析

水體面積的變化是受自然因素和人為因素相互作用、共同影響的結(jié)果。自然因素如大氣降水、水汽蒸發(fā)和植被水源涵養(yǎng)等；人為因素主要包括工程建設(shè)、水庫的調(diào)蓄、人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響等。

3.3.1 氣候變化趨勢的影響 受全球氣候變暖趨勢的影響，1961—2017年吉林省西部氣候變化呈現(xiàn)出氣溫升高，降水略有增加的趨勢。平均氣溫在以每0.29 ℃/10 a的速率遞增，降水量增幅為每10 a增加 2.19 mm，2000—2017年降水量的增加趨勢尤其明顯(如圖4所示)。

圖4 1961-2017年吉林省西部湖泊水庫所在區(qū)域年平均氣溫與年平均降水量變化

將2000—2017年月亮泡水庫、向海水庫、查干湖水庫面積變化曲線分別與大安和鎮(zhèn)賚站的平均、通榆站、前郭站的年降水量變化曲線進(jìn)行疊加分析(圖5)，可以看出，水域面積與降水量的變化有一定的變化一致性。對水域面積與當(dāng)年降水進(jìn)行相關(guān)性分析，月亮泡水庫、向海水庫、查干湖相關(guān)系數(shù)分別為0.539，0.439，0.100，其中月亮泡水庫通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。對水域面積與前一年降水進(jìn)行相關(guān)性分析，月亮泡水庫、向海水庫、查干湖相關(guān)系數(shù)分別為0.525，0.614，0.008，其中月亮泡水庫通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，向海水庫通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。說明上一年的的降水對水庫蓄水有一定的影響。同時(shí)，從前文3.1，3.2的分析中也可以看出年際變化中年變幅、年波動度、極值的特征及年內(nèi)面積變化規(guī)律均表現(xiàn)出與降水的密切聯(lián)系。降水量是影響湖泊水庫面積的重要和直接的因素之一。

圖5 2000-2017年吉林省西部水體面積與年平均降水量關(guān)系

3.3.2 入湖、入庫徑流的影響 入湖入庫徑流主要受氣候背景、特別是降水量的影響，降水量的增加導(dǎo)致入湖入庫流量的增加，有研究利用歷史數(shù)據(jù)分析得出，松花江、嫩江、遼河三流域夏季徑流和夏季降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.78，0.85，0.81，均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明降水是影響徑流變化的一個(gè)重要?dú)夂蛞蜃覽13]，同時(shí)，降水量達(dá)到一定水平所在流域發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，要進(jìn)行泄洪。對于水庫來說人為因素主要是指水庫排水，包括常態(tài)性和非常態(tài)性放水蓄水，非常態(tài)性放水蓄水包括汛期泄洪、非汛期攔蓄、水庫維修加固的放水和蓄水，以及灌溉、人畜用水控制等調(diào)水。

月亮泡水庫位于洮兒河下游，嫩江西北側(cè)，對洮兒河、嫩江有調(diào)洪作用。向海水庫是洮兒河、霍林河的重要分洪工程，洮兒河洪水經(jīng)引洮工程從二場泡東北部進(jìn)入水庫，霍林河洪水經(jīng)引霍工程由一場泡西側(cè)的東風(fēng)口入庫，該工程于2002年始建，2005年完成。查干湖的主要水源為引松花江水通過引松工程自流水和前郭灌區(qū)排水，以及天然降水，霍林河、洮兒河來水、深重澇區(qū)排水、嫩江洪水倒灌等。前郭灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積3.79×104hm2，實(shí)際灌溉面積達(dá)到3.00×104hm2，其80%的灌溉回歸水通過引松干渠排入查干湖，多年平均回歸水量1.31×108m3。幾年來雖然罐區(qū)不斷進(jìn)行節(jié)水改造工程，但隨著灌區(qū)灌溉面積的擴(kuò)大，回歸水量仍有增加趨勢[14]。

3.3.3 人類活動的影響 長期以來，人類活動對吉林省西部生態(tài)環(huán)境有一定的影響，特別是在短缺經(jīng)濟(jì)條件下，過度開墾、過度放牧、過度開采，致使草原退化、鹽堿化和沙化的‘三化’現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，同時(shí)抽水灌溉減少了水體的水量補(bǔ)給。長期下去，對全省乃至東北亞地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展也將構(gòu)成嚴(yán)重威脅[15-16]。近年來，隨著退耕還草、退耕還林等生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的大力實(shí)施，綜合治理西部鹽堿地發(fā)展鹽堿地生態(tài)經(jīng)濟(jì)的西部治堿工程的實(shí)施，河湖連通工程的實(shí)施，西部生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，人類活動對生態(tài)環(huán)境的不利影響進(jìn)一步減緩。人類活動趨緩減少了流域農(nóng)業(yè)、生活用水，從而有利于河流徑流量對湖泊的補(bǔ)給，對面積的增大有推動作用。研究表明，在不考慮蒸散和地下水變化可能的影響下，1999年以來人類活動對松花江徑流量的貢獻(xiàn)率為57%～75%，可見人類活動是最主要的影響因素，貢獻(xiàn)率明顯小于前一時(shí)段，不過仍大于降水量的影響程度。表明自然與人類之間的矛盾有所緩解，期間的和諧程度已顯著提升[17]。

4 結(jié)論與討論

基于MODIS數(shù)據(jù)對吉林省西部水體進(jìn)行遙感動態(tài)監(jiān)測，MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率高，每天可獲取，時(shí)間序列也較長，空間分辨率也可滿足水體監(jiān)測需要。研究得到3個(gè)水體2000—2017年的面積數(shù)據(jù)，并分析了年際、年內(nèi)變化特征，初步分析動態(tài)變化的影響因素。

(1) 2000年以來的17 a期間，月亮泡水庫、向海水庫和查干湖均表現(xiàn)出向北部推進(jìn)和水域面積增加的趨勢。增加趨勢最明顯的是月亮泡水庫，其次是向海水庫、查干湖。增加面積由大到小依次為向海水庫、月亮泡水庫、查干湖，向海水庫的變異系數(shù)最大，其次是月亮泡水庫，查干湖最小總體變化幅度比較小，面積相對穩(wěn)定。

(2) 湖泊和水庫的面積表現(xiàn)出明顯的年周期變化規(guī)律：4和10月水面面積一般相近，相對較小，5月開始呈緩慢增加趨勢，一般到9月達(dá)到最大值，10月有所下降。雨季期間及后期一般會出現(xiàn)較大的水域面積，形成了與季節(jié)性氣候相適應(yīng)的年周期變化狀態(tài)。

(3) 水體面積的變化是受自然因素和人為因素相互作用、共同影響的結(jié)果。氣候變化趨勢，特別是降水的影響較為顯著。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的大力實(shí)施，人類活動對生態(tài)環(huán)境的不利影響進(jìn)一步減緩。

在今后的研究中需進(jìn)一步加強(qiáng)對高分?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，加強(qiáng)地面驗(yàn)證工作。擴(kuò)展除面積以外的研究內(nèi)容，例如水面監(jiān)測分析結(jié)合高程觀測、分析蓄水量或水位等水體信息，能更好地滿足動態(tài)管理需要，促進(jìn)水庫科學(xué)管理。