馬晨燕 顏湘檳

1 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430079

湖泊是自然環(huán)境中極為重要的組成部分，衛(wèi)星遙感技術(shù)周期短、成本低、覆蓋面大等優(yōu)勢使其成為湖泊時空變化研究的有力手段［1］。目前，湖泊生態(tài)的研究集中于水質(zhì)環(huán)境，湖泊形態(tài)的研究占比較小。同時，對湖泊形態(tài)研究結(jié)果進行可視化的研究較少，表現(xiàn)手段停留在遙感影像地圖與湖泊示意圖這兩類，鮮有對分析結(jié)果的進一步表達。事實上，湖泊形態(tài)不僅展現(xiàn)了湖泊的形狀特征，還能夠反映湖泊的生態(tài)健康狀況［2］，為治理工作提供參考，具有重要的研究價值。

云南省的高原湖泊兼具高生態(tài)價值和高脆弱性的特點［3］。其中的杞麓湖風景秀麗，但近年來，其生態(tài)環(huán)境惡化，湖泊形態(tài)變化也較為復(fù)雜。杞麓湖作為重要的經(jīng)濟發(fā)展源，其形態(tài)時刻影響著流域居民的生活，因此，掌握湖泊的動態(tài)變化具有重要意義。

本文基于杞麓湖2010—2021年的Landsat 衛(wèi)星遙感影像，提取各年的水體，并獲取湖泊形態(tài)特征指標數(shù)值。結(jié)合各年湖岸線的具體形態(tài)，分析近些年杞麓湖形態(tài)的時空變化情況及其成因，并將研究結(jié)果進行專題地圖可視化表達，以期為杞麓湖湖岸線、生態(tài)環(huán)境的治理工作提供輔助信息，為湖泊形態(tài)專題制圖的研究提供參考。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

杞麓湖位于云南省玉溪市通?？h，屬南盤江水系。杞麓湖流域人口密集、工業(yè)集中，供養(yǎng)了通?？h絕大多數(shù)人口［4］。通?？h是重要的蔬菜培育基地，而杞麓湖是農(nóng)業(yè)用水的重要來源，需要對流域內(nèi)大面積的農(nóng)田或耕地進行灌溉。因此，杞麓湖是通海縣賴以生存的經(jīng)濟發(fā)展基礎(chǔ)。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文使用的Landsat 衛(wèi)星遙感影像來源于中國地理科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，2010—2021年共12年的遙感影像包括Landsat 4 -5 TM、Landsat 7 ETM SLC-off、Landsat 8 OLI_TIRS 三類。杞麓湖流域在11月—翌年4月降雨量較少［5］，因此盡量選擇每年1月—4月期間的影像，以降低雨水的影響，同時保證影像間的時間間隔。

對遙感影像的處理主要包括以下兩個過程：

1）水體提取。首先，在ENVI 5.3 軟件中進行處理，水體提取前先進行預(yù)處理操作，包括條帶處理、輻射定標、大氣校正等。然后，利用改進的歸一化差異水體指數(shù)提取方法來提取水體［6］，并進行水陸分離，將提取出的水體導(dǎo)出為矢量格式。

2）數(shù)據(jù)分析處理。在ArcGIS 10.2 中處理水體文件，用計算工具獲取湖泊面積、湖岸線長度、湖泊質(zhì)心的數(shù)值。為了分析湖泊具體在不同方向上的變化，利用切割工具，以2010年的湖泊質(zhì)心為劃分的中心點，將不同年份的湖泊分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個方向，并分別計算其面積。

2 湖泊形態(tài)特征指標

1）湖泊面積與湖岸線長度。湖泊面積與湖岸線長度是湖泊形態(tài)的基礎(chǔ)指標，體現(xiàn)了湖泊的區(qū)域范圍、水位和水量等內(nèi)容。得出各年份湖泊面積與湖岸線長度的數(shù)值后，進一步分析兩者的變化趨勢。

將湖泊面積劃分為八方向后，形成空間變化特征，既能得知某一方向面積的變化情況，又能比較不同方向之間面積的變化。

2）其他湖泊形態(tài)特征指標?；诤疵娣e與湖岸線長度能夠計算出其他湖泊形態(tài)特征指標的數(shù)值，可以更加具體地量化湖泊形態(tài)變化情況。

①岸線發(fā)育系數(shù)（shoreline development index，SDI）。SDI 是用來評估岸線不規(guī)則程度的指標［7］，其值越大，說明湖岸線越曲折。計算公式如下：

式中，SD表示SDI；L為湖岸線長度（單位：km）；S為湖泊面積（單位：km2）。

②湖泊圓形度R。圓形度是用來形容研究要素的形狀與圓形接近程度的指標［8］，R值的范圍為0～1，值越大，則說明湖泊形態(tài)越接近圓形。計算公式如下：

③湖泊形狀復(fù)雜程度e。不同圖形在視覺上給人的復(fù)雜感受不同，形狀復(fù)雜程度用離散數(shù)值e表示［8］，數(shù)值越大，形狀越復(fù)雜，反之則越簡單。計算公式如下：

3）湖泊質(zhì)心。本文湖泊質(zhì)心指二維平面上湖泊形狀的質(zhì)量中心。將提取出的各年質(zhì)心坐標點在平面上繪出，用方向線連接點，形成移動軌跡，清晰地展現(xiàn)湖泊質(zhì)心的移動變化特征。

3 杞麓湖形態(tài)的時空變化特征

3.1 時間變化特征

時間變化特征指的是湖泊面積、湖岸線長度及其他湖泊形態(tài)特征指標隨時間的變化情況。將提取出的湖泊面積與湖岸線長度及計算出的其他指標數(shù)值匯總，形成表1。

表1 湖泊形態(tài)特征指標Tab.1 Indexes of Lake Morphological Characteristics

將數(shù)據(jù)繪成折線圖，得到圖1。從圖1（a）中可以看出，湖泊面積的變化曲線總體呈先降后升的趨勢，大幅下降出現(xiàn)在2013年，大幅上升出現(xiàn)在2017年，后續(xù)趨于平穩(wěn)。從圖1（b）中可以看出，湖岸線長度的變化曲線較為曲折，總體上呈先降后升、再降再升的趨勢，兩次下降出現(xiàn)在2013年、2016年，兩次上升出現(xiàn)在2015年、2017年，后續(xù)趨于平穩(wěn)。從圖1（c）中可以看出，湖岸線發(fā)育系數(shù)變化曲線呈先降后升再降的趨勢，在2013年、2016年下降，在2015年上升，2016年后趨于平穩(wěn)。從圖1（d）中可以看出，圓形度變化曲線的起伏較大，總體呈先升后降、再升再降的趨勢，在2013年、2016年大幅上升，在2015年、2018年大幅下降，其他年份起伏幅度較小。從圖1（e）中可以看出，形狀復(fù)雜度的變化曲線呈先降后升再降的 趨 勢，在2013年、2016年 下降，在2015年上升，2016年后趨于平穩(wěn)。

圖1 湖泊形態(tài)特征指標變化Fig.1 Changes of Indexes of Lake Morphological Characteristics

3.2 空間變化特征

1）湖岸線空間位置變化。將提取出的湖岸線直接繪制出來，能夠直觀地看出整個湖泊的形態(tài)，在ArcGIS 中對12年的湖岸線圖形進行疊加，得到圖2，可以看出不同年份湖泊形態(tài)的細節(jié)變化。每一年的湖岸線在形態(tài)上都有差異。從方向上看，湖泊在西南、正南、正西3個方向上差異較大，2013—2016年期間，湖泊的西南方出現(xiàn)明顯內(nèi)縮，這幾年與其他年份的湖岸線差異最大，形態(tài)較為復(fù)雜、細碎。2017年湖泊開始逐漸恢復(fù)到與原來相近的形態(tài)，分析結(jié)果與數(shù)據(jù)的時間變化分析結(jié)果一致。

圖2 湖岸線變化Fig.2 Changes of Shoreline

2）湖泊八方向。對湖泊進行方位變化分析，能看出湖泊在不同方向上面積的變化。將湖泊八方向的面積數(shù)值匯總，得到表2。

將八方向的面積變化數(shù)據(jù)繪制成雷達圖，得到圖3（a）。由表2 和圖3（a）可知，杞麓湖不同方向的面積變化各有不同，西南、正西、正南這3個方向的面積變化較為明顯，2013—2017年變化幅度較大。西南、正西、正南方向的面積均是在2013年、2014年出現(xiàn)縮 減，2015年與2016年 小 幅增加，2017年大 幅增加至恢復(fù)原貌。其他方向的面積雖有變化，但幅度較小。此結(jié)論與湖岸線變化的分析結(jié)果一致。

表2 湖泊八方向面積/km2Tab.2 Areas of the Lake in Eight Directions/km2

3）湖泊質(zhì)心。使用ArcGIS 的質(zhì)心計算功能直接計算出每年杞麓湖湖泊的質(zhì)心坐標。將質(zhì)心的位置及移動軌跡繪制在平面上，得到圖3（b）。以2010年的湖泊質(zhì)心為起始點，質(zhì)心在2012年以前移動變化的幅度不大；2013—2015年期間，質(zhì)心向東北方向大幅移動；2016年開始又向西南方向移動恢復(fù)；2018年后回到原來的移動范圍內(nèi)。

圖3 湖泊八方向面積雷達圖和湖泊質(zhì)心變化Fig.3 Radar Map of Lake Area in Eight Directions and Changes of Lake Centroid

3.3 變化特征分析

1）湖泊形態(tài)變化原因。杞麓湖形態(tài)變化與2010年云南省百年一遇的特大旱災(zāi)有關(guān)［9］。云南大部分地區(qū)自2009年末開始就極少降雨，干旱的范圍廣、時間長，加上由于缺水，居民對湖泊過度開發(fā)，許多湖泊水量減少，面積大幅縮減。直至后期旱情緩和，政府采取湖泊維護、修復(fù)措施，湖泊水量才逐漸恢復(fù)。

結(jié)合湖岸線變化與湖泊形態(tài)指標的時間變化進行分析，2013年湖岸線長度隨著面積的變小而縮短，2015年開始恢復(fù)，在此期間，湖泊以不規(guī)則的形態(tài)向外擴張，導(dǎo)致湖岸線變得細碎，長度增長，湖岸線發(fā)育系數(shù)與形狀復(fù)雜度增大，圓形度減小。2016年，隨著湖泊形狀恢復(fù)規(guī)則，湖岸線變得平滑，長度縮短，后期隨著湖泊進一步擴大而恢復(fù)，湖岸線形態(tài)與湖泊形態(tài)指標逐漸恢復(fù)到原先的狀態(tài)。

2）湖泊治理建議。分析可知，近年來杞麓湖整體情況不穩(wěn)定，生態(tài)脆弱，易受干擾。在治理湖泊時，除了水質(zhì)環(huán)境，還需要時刻關(guān)注湖泊的形態(tài)特征，形態(tài)往往能夠直接反映湖泊狀態(tài)。2013—2016年間的起伏表明，湖泊隨時可能出現(xiàn)大幅變化，需要積極進行維護。可以通過加強湖岸線管理、實時監(jiān)測、定期調(diào)研和設(shè)置應(yīng)急方案等措施，合理開展治理工作。

4 專題地圖可視化

地圖制圖學(xué)是一門與地理學(xué)、地理信息系統(tǒng)、大地測量學(xué)等多門學(xué)科交叉融合的年輕科學(xué)［10］，其中，專題地圖是表達研究成果的重要可視化手段。隨著信息通信技術(shù)時代的到來，地圖表達變量、表現(xiàn)手法、展示風格都趨于多樣化［11］，為更好地表達專題內(nèi)容提供思路。

本文以杞麓湖的湖泊形態(tài)為表達對象，從“形”與“數(shù)”兩方面出發(fā)，多角度展現(xiàn)對象特征，通過選取配色、設(shè)計表達方法等，繪制杞麓湖湖泊形態(tài)研究成果專題地圖。

4.1 “形”的具體表達

1）湖岸線變化的表達。在圖2 的基礎(chǔ)上進行修飾，運用色彩使形式更加美觀，得到圖4（a）。將疊加后最外圍的湖岸線連接形成填充范圍，用藍色填充，將多年的湖岸線向上疊加。同時對重點展示的部分“開窗”，更好地表現(xiàn)出湖岸線變化的細節(jié)。

2）湖泊質(zhì)心變化的表達。在圖3（b）的基礎(chǔ)上使用反白的方法進行修飾，背景為灰黑色，質(zhì)心為白色，質(zhì)心移動軌跡線為橘色，使得整體更加具有風格，得到圖4（b）。

圖4 湖岸線變化修飾圖和湖泊質(zhì)心變化修飾圖Fig.4 Modification of Change of Shoreline and Modification of Centroid Change of the Lake

4.2 “數(shù)”的動態(tài)表達

通過科學(xué)、美觀的圖表表達分析數(shù)據(jù)，才能讓人進一步了解具體的數(shù)據(jù)情況。湖泊形態(tài)指標數(shù)據(jù)、湖泊八方向變化數(shù)據(jù)都需要利用圖表進行表達。

獨立的圖表在圖面上顯得零散且不好布設(shè)，因此，可以將5項指標統(tǒng)一成一個輻射狀圖表，內(nèi)含5個子圖與指標一一對應(yīng)，如圖5 所示。湖泊質(zhì)心變化圖位于中心，達到了形式上的統(tǒng)一，內(nèi)容更完整、美觀。

圖5 湖泊形態(tài)指標變化Fig.5 Changes of Lake Morphological Indexes

湖泊八方向面積變化使用圖6所示的一組雷達圖表達。從單個圖可以看出對應(yīng)方向的面積隨年份的變化，橫向比較多個圖則可以看出不同方向的差異。

圖6 湖泊八方向面積變化Fig.6 Area Changes of the Lake in Eight Directions

4.3 設(shè)計成果

除了“形”與“數(shù)”，還可以補充相關(guān)圖文信息，起引入、過渡作用，使圖更具邏輯性、更加完整。本文在專題圖中補充的要素包括杞麓湖的位置示意圖、流域三維俯瞰圖及相應(yīng)的文字介紹。杞麓湖湖泊形態(tài)專題圖設(shè)計成果見圖7。

圖7 杞麓湖湖泊形態(tài)專題圖Fig.7 Thematic Map of Lake Morphology of Qilu Lake

5 結(jié)束語

本文對近年來杞麓湖的形態(tài)指標數(shù)據(jù)進行了獲取加工與處理分析，得到湖泊形態(tài)的時空變化特征。建設(shè)性地提出湖泊形態(tài)主題的專題制圖“形”“數(shù)”結(jié)合的設(shè)計思路，并繪制出可視化的專題圖，為相關(guān)主題的專題地圖繪制提供參考。