李 岳，王毓乾,2,3*

(1.東華理工大學測繪工程學院，330013，南昌；2.自然資源部環(huán)鄱陽湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測與治理重點實驗室，330013，南昌；3.東華理工大學江西省數字國土重點實驗室，330013，南昌)

0 引言

鄱陽湖是中國最大的淡水湖，鄱陽湖水體平均21 d左右更新一次，作為吞吐型過水湖泊，頻繁的水體交換使得湖泊水環(huán)境特征變化較快。對鄱陽湖水域進行長時間序列的動態(tài)監(jiān)測和時空變化趨勢分析對于鄱陽湖及周邊區(qū)域的水資源調查、災害監(jiān)測和預防、生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。遙感技術具有探測范圍廣、數據獲取快、信息量豐富等特點，同時衛(wèi)星遙感觀測已經積累了豐富的歷史數據資源，這為鄱陽湖的水資源動態(tài)監(jiān)測以及時序分析提供可能。

水體遙感信息提取的實質就是將水體信息和其余信息區(qū)分開來，很多學者利用不同類型的傳感器及水體提取的方法來實現對湖泊的提取。McFetters(1996)提出了一種歸一化差異水體指數(Normalize Difference Water Index, NDWI)，可以較好地消除山體陰影對水體提取的影響。楊存建[1]等提出一種譜間關系法，認為在綠光和紅光波段的反射率和大于近紅外和短波紅外反射率和的地表覆蓋應該是水體。徐涵秋[2]提出一種改進的歸一化差異水體指數(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)，以TM第5波段代替NDWI中的近紅外波段。由于水體指數法和譜間關系法提取水體關鍵在于如何確定一個恰當的閾值將水體與非水體區(qū)分開來。目前遙感影像閾值分割常用的算法有最大熵法、最大類間方差法(OTSU)等[3]。OTSU法獲取的閾值是閾值分割后前景和背景類灰度均值的平均值，目前被認為是閾值選取的最優(yōu)方法之一。大部分水體提取方法受閾值選擇的影響，為了改善這一情況，Feyisa[4]通過TM數據處理分析提出了自動的水體提取指數(AWEI)模型，使水體與背景陰影之間更容易區(qū)分，該模型包括AWEInsh、AWEIsh2種指數。萬建鵬[5]等提出綜合權重水體指數(CWWI)在鄱陽湖水域提取上取得了一定的效果。

通過以上水體提取方法，眾多學者利用時序遙感影像對鄱陽湖水域進行了變化監(jiān)測。張克祥[6]等利用MODIS影像監(jiān)測研究得出鄱陽湖季節(jié)性變化明顯的結論。李鵬[7]利用Landsat TM/ETM+影像數據，采用指數法提取了鄱陽湖水域面積，并深入挖掘了鄱陽湖水域面積與水位之間的相互關系。研究表明鄱陽湖水域季節(jié)性變化明顯，不同季節(jié)鄱陽湖水體的水位、成分含量都有較大的變化，其水體光譜也產生了較大的變化。但是目前的研究都趨向于用同一種方法去提取時序影像中的水體信息，沒有考慮不同季節(jié)下不同水體提取方法的適用性。本文將利用Landsat的TM、ETM+、OLI影像，考慮鄱陽湖水體在豐水期和枯水期NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關系法5種常用水體指數法的水體提取性能，在不同的季節(jié)分別選擇最佳的水體提取方法對2009—2018年間的鄱陽湖水體進行信息提取，最后對鄱陽湖水域面積的動態(tài)變化進行了季節(jié)性分析和年際分析。

1 研究區(qū)域及數據

本文的研究區(qū)域鄱陽湖位于長江中下游，江西省的北部。所使用的數據包括：1)TM、ETM+、OLI數據，本文使用的是NASA提供的2009—2018年的鄱陽湖Landsat衛(wèi)星遙感影像數據；2)鄱陽湖矢量邊界數據集，該數據集由國家地球系統(tǒng)科學數據共享平臺湖泊-流域科學數據中心提供。

2 研究方法

水體指數法的構建思路為首先分析水體的光譜特征，找到水體在不同波段反射率的差異，通過波段運算增強水體信息而抑制其他地物信息。本文采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關系法5種水體指數法進行水體提取。鄱陽湖時序水體信息提取技術總路線如圖1所示。首先對鄱陽湖2018年1月枯水期和2016年7月豐水期Landsat影像數據分別采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關系法5種水體指數法對其進行水體信息提取。同時根據OTSU法計算閾值獲取水體信息結果圖。再根據該月份高精度最大似然法監(jiān)督分類結果進行精度評定。得出鄱陽湖水域枯水期和豐水期的最優(yōu)水體提取方法。通過獲取的2009—2018近10年鄱陽湖遙感影像數據，分別在枯水期和豐水期采用對應的最優(yōu)水體提取方法，得出各月水體范圍，然后對鄱陽湖面積進行年際及季節(jié)性的時序分析。

圖1 技術路線圖

3 實驗與分析

3.1 鄱陽湖水體信息提取

鄱陽湖是一個季節(jié)性變化較大的水域，可以將整個年份分為枯水期和豐水期。每年4—9月為鄱陽湖豐水期，10—3月為枯水期(如圖5所示)。為了在不同時期選取更好的水體提取方法，本文選用數據質量較好，云量小于1%的2018年1月Landsat7枯水期影像和2016年7月Landsat8豐水期影像對以上所介紹的各種水體提取方法進行對比分析，從而得出不同時期所應選用的最優(yōu)水體提取方法。

人工目視判讀分類的精度最高，本文將其作為精度檢驗圖驗證指數法水體提取的精度。精度檢驗圖制作的具體過程為首先對影像進行目視判讀，大體了解研究區(qū)的地物類別。然后通過ISODATA非監(jiān)督法進行初分類，再結合與原始影像的對比分析，對初分類結果進一步目視解譯確定研究區(qū)地物的類別為水體、植被、城區(qū)及其他4類。再選取高精度樣本，通過最大似然法獲得監(jiān)督分類結果，樣本之間的可分離程度均大于1.9。最后在影像上疊加最大似然監(jiān)督分類結果，對分類結果進行人工檢查和修訂得到最終的分類圖作為精度檢驗圖。

3.1.1 枯水期對比分析 對鄱陽湖2018年1月Landsat7 數據進行水體提取處理，結果如圖2所示，從對比圖目視解譯可以看出，NDWI存在明顯的漏提現象，譜間關系法提取的水體十分破碎，其余水體提取方法結果比較近似。利用最大似然分類結果作為精度檢驗圖進行定量評價，如表1所示。通過表1可以看出，MNDWI水體提取方法不論是從總體精度還是Kappa系數來看都是最高，而NDWI對水體存在較大的漏提現象，譜間關系法、AWEInsh和AWEIsh對水體存在較大的多分現象。因此本文在枯水期選用MNDWI水體提取方法。

圖2 枯水期各種方法水體提取對比圖

表1 枯水期各水體提取方法精度

3.1.2 豐水期對比分析 對鄱陽湖流域2016年7月Landsat8 數據進行水體提取，結果如圖3所示。從對比圖上目視解譯可以看出，MNDWI和AWEInsh相比其他方法存在嚴重的多提現象，譜間關系法和AWEIsh也存在一定的多提現象。定量精度評價如表2，AWEIsh水體提取方法不論是從總體精度還是Kappa系數來看都是最高的，而NDWI與MNDWI對水體存在較大的漏提現象，其他2種方法對非水體存在一定程度的多分及漏分現象。因此本文在豐水期選用AWEIsh水體提取方法。

圖3 豐水期各種方法水體提取對比圖

表2 豐水期各水體提取方法精度

3.2 鄱陽湖水域面積變化時序分析

3.2.1 鄱陽湖水域面積季節(jié)性變化分析 利用上節(jié)確定的水體提取方法提取水體信息，然后利用鄱陽湖矢量邊界數據集對其進行裁剪，得到鄱陽湖的水體信息，并統(tǒng)計鄱陽湖水域面積。圖4顯示了2009—2018年鄱陽湖水體面積的季節(jié)性變化，可以看出鄱陽湖水域面積季節(jié)性變化非常大，在夏季和秋季水量較高，春季和冬季水量較少。通過各年每月份的水體提取結果(圖5以2016年為例)可以得到枯水期的鄱陽湖會形成一南北窄長的線條湖泊體，鄱陽湖被其周圍的濕地分割成多個、連續(xù)和不連續(xù)的子湖區(qū)域，甚至在個別月份鄱陽湖的主體湖泊會成為全裸露地；而每年5月份隨著梅雨季節(jié)的到來，降雨量劇增，引起鄱陽湖水體面積的急劇增加，湖泊形態(tài)在6月、7月份趨于穩(wěn)定，整個湖面基本上連成一片。即使在豐水期較小的水體面積2011年7月及2018年7月，鄱陽湖北邊的入江水道以及湖區(qū)主體約65%以上也被水覆蓋；豐水期會一直持續(xù)到每年的10月左右，之后進入枯水期，水體面積發(fā)生陡降。因此，鄱陽湖存在明顯的季節(jié)性變化，進一步證明了豐水期為4—9月，枯水期為10—3月，其中枯水期的水體面積波動較小，而豐水期受降雨量、氣候等的影響波動較大，水位變化也受五河來水和長江干流水位的影響，從而形成了“高水成湖，低水成河”“洪水成片，枯水一線”的特有景觀。

圖4 2009—2018年鄱陽湖水體面積季節(jié)性變化

圖5 鄱陽湖2016年每月份的水體信息

3.2.2 鄱陽湖水域面積年際性變化分析 進一步分析鄱陽湖水體面積年際變化，表3為2009—2018年近10 年鄱陽湖水體面積的最大值、最小值及各年的平均值及標準差。水體面積的最大值基本出現在6—8月份，其中6月份占到50%；水體面積的最小值基本出現在12—2月，其中2月份占到50%。10年間鄱陽湖水體面積的最大值、最小值、平均值變化趨勢大體上是一致的，同時年際間最大水體面積也為最小水體面積的2倍以上，這也充分體現了鄱陽湖年際變化的顯著特征。

表3 2009—2018年各年鄱陽湖面積最值、平均值、標準差

鄱陽湖區(qū)域降雨主要集中在該年的3—8月，期間占全年降雨量的73.74%。鄱陽湖區(qū)域在3月份前后因氣溫回升及降雨量的增加導致水體面積逐月增加，而后隨季節(jié)變化導致水體面積發(fā)生一系列變化。2011年出現了10年內最小的水體面積，根據查閱新聞及資料得知，該年鄱陽湖出現了罕見的干旱；2015年12月鄱陽湖水體面積明顯增大，根據歷史記載，該年鄱陽湖受到厄爾尼諾事件的影響，冬季出現罕見汛情，全省降雨量高達303.5 mm，是同期的2.1倍，此時鄱陽湖的水體面積達到2 243.75 km2；2016年水體面積標準差為近10年最高，同時該年有10年內最大水體面積的最大值；2018年出現10年內最大水體面積的最小值，根據新聞記載，本年的平均降雨量相較往年的平均值減少了22%，長時間的高溫少雨天氣使鄱陽湖流域周圍水位持續(xù)下降。由此可見降雨量是鄱陽湖水域面積的顯著性變化的主要影響因素之一。

圖6顯示了10年間鄱陽湖每個月份的水體面積。從圖6可以看出，在每年11—2月鄱陽湖的水體面積達到最小值，并且10年來面積相對穩(wěn)定(2015年除外)。但其他不同月份，鄱陽湖水體面積的年際變化較為顯著，如在每年9月，水體面積的變化差值高達1 556.30 km2。

圖6 2009—2018年鄱陽湖每月的水體面積

4 結論

本文利用2009—2018年Landsat時序遙感影像數據，研究了鄱陽湖不同季節(jié)下的最優(yōu)水體提取方法，同時分析了其季節(jié)性及年際變化規(guī)律，結論如下。

1)鄱陽湖水體具有明顯的季節(jié)性變化特征，通過對單波段閾值法、NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關系法的對比分析，本文認為，在枯水期選擇MNDWI水體指數模型，在豐水期選擇AWEIsh水體提取模型可以最有效識別鄱陽湖水體信息，獲得較為準確的水體面積。

2)鄱陽湖水體面積隨季節(jié)變化，并存在明顯規(guī)律，每年4—9月為豐水期，10—3月為枯水期，豐水期面積接近枯水期面積的2倍。

3)鄱陽湖面積的最大值、最小值和平均值年際變化趨勢一致。在枯水期各個月份，鄱陽湖面積年際變化較小，但是在豐水期各個月份，鄱陽湖面積年際變化較大。2009—2018年的10年鄱陽湖水域面積并沒有明顯增大或減小的趨勢，鄱陽湖水域處于穩(wěn)定期。