李景剛，李紀(jì)人，黃詩峰，臧文斌

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100048；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；3.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

1 研究背景

洞庭湖作為我國第二大淡水湖，跨湖南、湖北兩省，與長江干流直接相連，吐納松滋、太平、藕池三口，湘、資、沅、澧四水及湖區(qū)周邊中、小河流的來水。該湖的存在和穩(wěn)定，對(duì)于緩解長江中游地區(qū)洪澇災(zāi)害，減小長江干流的沖淤變遷，維系地區(qū)的洪水蓄泄和泥沙的沖淤平衡，具有不可替代的作用［1］。近年來，伴隨著全球氣候變化的加劇以及三峽工程階段性蓄水任務(wù)的相繼完成和運(yùn)行，給洞庭湖區(qū)水文特征以及“江湖”關(guān)系均帶來諸多的影響［2-3］。湖泊水面作為重要的水情信息，加強(qiáng)其動(dòng)態(tài)監(jiān)測對(duì)于全面了解洞庭湖的變化規(guī)律和演化趨勢(shì)具有重要的意義［1］。

當(dāng)前，遙感技術(shù)由于其能夠獲取大面積、宏觀的地物輻射信息，突破了傳統(tǒng)地面觀察的局限性，因此在湖泊水面監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。如趙玉靈［4］應(yīng)用MSS、TM、ETM+和CBERS-2遙感數(shù)據(jù)結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)安固里淖湖1975—2007年間近30年來的水體分布變化進(jìn)行了調(diào)查與監(jiān)測；馮鐘葵等［5］選用1986—2005年美國Landsat-5衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)對(duì)青海湖近20年的水域面積變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測；而劉瑞霞等［6］則是采用NOAA/AVHRR資料，在水體判識(shí)及混合象元處理的基礎(chǔ)上，對(duì)青海湖近20年湖水面積的變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量化估算和分析。

在眾多遙感數(shù)據(jù)源中，受時(shí)間分辨率、幅寬范圍以及氣象條件等因素限制，利用高分辨率遙感影像在時(shí)間尺度上開展高頻率、短周期、長時(shí)間序列的湖泊水面動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通常存在一定的難度；而低分辨率遙感影像，雖時(shí)間分辨率較高，但受空間分辨率的限制，其監(jiān)測精度則往往較低［7-8］。因此，出于空間分辨率和時(shí)間分辨率的雙重考慮，當(dāng)前諸多研究者開始選用中等分辨率的遙感影像來對(duì)湖泊水面開展短周期、長時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。如Andreoli R等人［9］在中歐“龍計(jì)劃”一期執(zhí)行過程中，利用ENVISAT/ASAR和ENVISAT/MERIS構(gòu)建的中分辨率長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)庫，對(duì)鄱陽湖的水面面積變化進(jìn)行了短周期、長時(shí)間的遙感監(jiān)測，取得了較好的研究成果。

本文在參照Andreoli R等人工作思路的基礎(chǔ)上，采用時(shí)間分辨率更高且完全免費(fèi)的250m Terra/MODIS數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源［10］，對(duì)氣候變化、三峽工程運(yùn)行共同作用下洞庭湖區(qū)近10年來的水面面積變化特征和趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究中，洞庭湖區(qū)范圍是在高分辨率遙感影像上勾畫的一個(gè)覆蓋東、西、南3個(gè)主要湖區(qū)，由大堤或自然岸線圍限的封閉區(qū)間（圖1）［11］，總面積為2629.23km2。

主要數(shù)據(jù)源為NASA Earth Observing System Data Gateway（EDG）網(wǎng)站提供的Terra/MODIS衛(wèi)星8d合成250m地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD09Q1）（MODIS Terra Surface Reflectance 8-Day L3 Global 250m），數(shù)據(jù)格式為最新的V005版本，時(shí)間范圍為2000年3月—2008年12月。為降低工作量，水面監(jiān)測過程中剔除了部分受云、天氣以及合成算法等因素影響而質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)。為了有效檢驗(yàn)MODIS數(shù)據(jù)湖區(qū)水面提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)收集了12期由二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司提供的空間分辨率為32m的“北京一號(hào)”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)。另外，為了對(duì)湖區(qū)水面面積變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分析，文中共收集了洞庭湖流域27個(gè)氣象觀測站點(diǎn)的月降水量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自于中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室。

對(duì)于Terra/MODIS的水面提取，本文采用的是多源信息提取的方法。該方法主要是通過對(duì)由MOD09Q1數(shù)據(jù)計(jì)算得到的NDV1指數(shù)以及第二波段反射率分別設(shè)定閾值，來最終實(shí)現(xiàn)對(duì)湖區(qū)水域面積的綜合提取。有關(guān)MOD09Q1數(shù)據(jù)的處理過程以及水面多源信息提取方法的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)［1］。而“北京一號(hào)”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的水面提取，同樣參照MODIS數(shù)據(jù)的多源信息提取方法進(jìn)行。

3 結(jié)果分析

3.1 水面面積提取精度檢驗(yàn) 由于“北京一號(hào)”小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率要遠(yuǎn)高于文中所用的MODIS數(shù)據(jù)，因此可以假定由其提取的湖區(qū)水域面積是準(zhǔn)確的，用其來對(duì)MODIS數(shù)據(jù)提取的水面結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。各期“北京一號(hào)”小衛(wèi)星多光譜提取水面與其對(duì)應(yīng)時(shí)段MODIS MOD09Q1數(shù)據(jù)提取水面進(jìn)行疊加分析（overlay），結(jié)果見表1。

表1 “北京一號(hào)”多光譜數(shù)據(jù)的MODIS水面提取精度分析

由表1可知，較“北京一號(hào)”多光譜數(shù)據(jù)，MODIS水面提取的制圖精度基本維持在70%～80%之間，漏提誤差大約在25%左右；而用戶精度則基本在80%～90%之間，部分精度甚至高達(dá)95%以上，錯(cuò)提誤差相對(duì)較小。另外，從高、低水位水面提取結(jié)果的對(duì)比來看，高水位時(shí)水面提取精度相對(duì)較高。同時(shí)，通過研究發(fā)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)水面錯(cuò)提區(qū)域主要分布在湖區(qū)的水陸分界處，由于受空間分辨率限制以及混合像元的影響，則部分陸地像元被錯(cuò)提為水體；而MODIS數(shù)據(jù)水面漏提區(qū)域則主要是湖區(qū)內(nèi)那些細(xì)條河網(wǎng)，由于像元中混合了較多的河岸周邊植被和土壤的光譜特征，所以未能被提取出來?？紤]到MODIS數(shù)據(jù)的空間分辨率以及數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素的影響，認(rèn)為該提取精度是可以接受的，可以用于洞庭湖區(qū)水域面積變化的特征分析。

3.2 水面面積變化特征分析 圖2中給出了2000年3月—2008年12月間洞庭湖區(qū)水域面積變化的動(dòng)態(tài)過程，與城陵磯水文站月最高觀測水位的變化情況具有很好的一致性，即兩者之間具有一定的線性相關(guān)性（圖3），相關(guān)系數(shù)為0.952，且通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。從圖2可知，湖區(qū)水面變化季節(jié)性特征顯著，其中枯水期11月-次年4月份間湖區(qū)水面相對(duì)較小，基本在500km2左右，而洪水期5-10月份間水面則相對(duì)較大，尤其每年的7-9月份最大，維持在2000km2左右，兩者幾乎相差了4倍。其中，2002年8月份的湖區(qū)MODIS監(jiān)測水面最大，接近2400km2?？傮w上，洞庭湖區(qū)水面表現(xiàn)為洪水期汪洋一片，枯水期僅存幾條帶狀水域的季節(jié)性變化特征［11，13］，而這些特征主要與流域內(nèi)季節(jié)性降雨的年內(nèi)分布規(guī)律以及長江主汛期的影響有關(guān)［14］。同時(shí)，從近10年監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢(shì)來看（圖2），在氣候變化、三峽工程運(yùn)行等因素的共同作用下，洞庭湖區(qū)水域面積總體上表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)。

另外，從洞庭湖區(qū)的水面面積變化監(jiān)測結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)以下2組特征：

（1）在2006年，洞庭湖夏季水面范圍明顯偏小，而且水面縮小時(shí)間也較為提前，即在8月中旬湖泊水面便開始急劇變小。這主要由2006年長江流域上游夏季大旱以及三峽工程9月20日開始的156m階段性蓄水帶來的長江入湖水量大幅減少造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2006年4-9月間，三口入湖徑流量較多年平均值偏少74.7%［15］。

（2）在2008年11月，洞庭湖經(jīng)歷了一次顯著的洪水過程，而且該過程也得到了湖泊周圍地面站點(diǎn)水文觀測記錄的印證。受長江中上游強(qiáng)降水過程的影響，2008年11月上旬沅水、資水都發(fā)生了當(dāng)年以來和歷史同期的最大洪水。根據(jù)2008年11月全國主要江河水情月報(bào)①中國水文信息網(wǎng).http：//www.hydroinfo.gov.cn/顯示，沅江控制站桃源水文站11月7日17時(shí)洪峰水位為43.97m，超過警戒水位1.47m，相應(yīng)流量18400m3/s；其下游常德水文站11月8日1時(shí)洪峰水位為 ，超過警戒水位 ，相應(yīng)流量3。

3.3 水面面積變化驅(qū)動(dòng)分析 湖泊水面作為湖泊水量的一種重要表現(xiàn)形式，其變化是所在補(bǔ)給流域水量平衡的結(jié)果。從氣候的角度來看，影響湖泊水面面積變化的主要?dú)夂蛞厥墙邓?6］。從洞庭湖流域年降水量的變化來看（表2），其在1999—2008年的近10年間總體上表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)，而流域內(nèi)的四水、區(qū)間（入湖中小河流）年徑流量也隨之呈現(xiàn)出一定量的下降。另外，洞庭湖水面面積的變化同時(shí)也受三口分泄長江干流來水量的控制。根據(jù)李景保等人的分析結(jié)果［15］，近年來荊江三口年徑流量和分流比均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，而年內(nèi)斷流天數(shù)則呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，尤其在2003年三峽水庫蓄水運(yùn)行后。

根據(jù)當(dāng)前《三峽（初期運(yùn)行期）—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》②中國長江三峽集團(tuán)公司.http：//www.ctgpc.com.cn/sxslsn/index.php?mClassId=003006：每年的6月中旬—9月底，三峽水庫按防洪限制水位145.0m運(yùn)行。因此，無論是三口汛期徑流占全年入湖徑流的百分比，還是三口汛期占汛期入湖總徑流的百分比都無明顯變化。但通過三峽水庫蓄水運(yùn)行后與蓄水運(yùn)行前比較，洞庭湖汛期多年平均徑流減少392×108m3，約占多年平均徑流減少量的77.0%。其中，三口汛期減少107.1×108m3，約占全湖汛期徑流總減少量的27.3%。這些說明，近年來洞庭湖水量減少主要發(fā)生在汛期，其主要是三口和四水汛期入湖徑流量較同期多年平均值偏小所致［15］。另外，從入湖水量的構(gòu)成來看（表2），四水及區(qū)間水量占到了整個(gè)入湖水量的80%左右，即湖區(qū)水面面積變化主要受流域內(nèi)降水帶來的入湖水量的驅(qū)動(dòng)。

表2 1999-2008年洞庭湖年降水、徑流變化

不過，從洞庭湖流域近年來月降水量的變化來看，秋季9、10月份的降水減少表現(xiàn)的較為明顯，尤其是10月份（圖4）。而此時(shí)正值三峽水庫的汛末蓄水期，這樣在流域降水偏少、三峽工程蓄水的共同作用下，必然帶來入湖水量的大幅減少，造成湖區(qū)水面銳減，加重湖區(qū)夏秋連旱程度，進(jìn)而誘發(fā)一系列生態(tài)安全問題［15］。

4 結(jié)論與討論

本文以Terra/MODIS 8d合成的250m地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD09Q1為主要數(shù)據(jù)源，采用多源信息水面提取方法對(duì)2000年3月—2008年12月間洞庭湖區(qū)水面的變化特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行了監(jiān)測研究。從與更高分辨率北京一號(hào)多光譜遙感影像的水面提取結(jié)果以及城陵磯水文站每月觀測的最高水位的比較來看，該監(jiān)測結(jié)果具有很好的可信度。

分析結(jié)果顯示，洞庭湖區(qū)水面變化的季節(jié)性特征顯著，其中枯水期11—次年4月份間湖區(qū)水面相對(duì)較小，基本在500km2左右，而洪水期5—10月份間水面則相對(duì)較大，尤其每年的7—9月份最大，維持在2000km2左右，兩者幾乎相差了4倍?？傮w上，表現(xiàn)為洪水期汪洋一片，枯水期僅存幾條帶狀水域的季節(jié)性變化特征，受流域內(nèi)季節(jié)性降雨的年內(nèi)分布規(guī)律以及長江主汛期的控制。同時(shí)，在近10年間，在氣候變化和三峽工程運(yùn)行等因素的共同作用下，洞庭湖區(qū)水域面積呈現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)。

通過流域年降水量變化分析和三峽水庫蓄水運(yùn)行前后三口年徑流量變化對(duì)比，發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)降水帶來的入湖水量偏少是近年來洞庭湖區(qū)水面面積減少的主要驅(qū)動(dòng)因子。另外，近年來9、10月份洞庭湖流域降水減少與三峽水庫汛末蓄水同期，共同造就最終入湖水量銳減，加重湖區(qū)夏秋連旱程度，進(jìn)而誘發(fā)系列生態(tài)安全問題。

［1］李景剛，李紀(jì)人，黃詩峰，等.Terra/MODIS時(shí)間序列數(shù)據(jù)在湖泊水域面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究—以洞庭湖地區(qū)為例［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（5）：923-933.

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