袁瑞強(qiáng)，青 松,2*

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010022；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010022）

0 引 言

【研究意義】陸地地表水為陸地生命提供了基礎(chǔ)資源，對(duì)于氣候平衡、水循環(huán)和生態(tài)平衡具有重要意義。地表水的長(zhǎng)期演化過(guò)程是氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水資源影響的綜合體現(xiàn)[1]。內(nèi)蒙古地處歐亞大陸中部干旱和半干旱氣候區(qū)，擁有眾多的湖泊、河流、水庫(kù)等地表水資源，這些水資源對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)具有重要的意義。然而，由于人類活動(dòng)和氣候變化的影響，近年來(lái)一些湖泊等地表水顯著縮減，區(qū)域環(huán)境的惡化，直接威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩玔2]。因此，探究?jī)?nèi)蒙古地區(qū)地表水時(shí)空變化特征及其影響因素，分析對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)水資源管理、水生態(tài)修復(fù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

【研究進(jìn)展】由于遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、可重復(fù)觀測(cè)和多波段等特性，為地表水監(jiān)測(cè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)源[3]。在眾多的衛(wèi)星傳感器中，由于Landsat系列衛(wèi)星從1972年至今數(shù)據(jù)的可用性和連續(xù)性，被頻繁地用于探測(cè)陸地資源長(zhǎng)期時(shí)空變化中[4]。常見的水體自動(dòng)識(shí)別與提取方法大致可分為4 類：①單波段密度分割技術(shù)，盡管它有簡(jiǎn)單性和時(shí)間效率高的優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)常受原始光譜的異質(zhì)假信號(hào)的影響；②監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，前者在很大程度上依賴于先驗(yàn)知識(shí)，而后者受光學(xué)復(fù)合圖像分類精度差的阻礙；③數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和面向?qū)ο蠓治?，盡管可以得到令人滿意的結(jié)果，但在不同情景下收集的參數(shù)和訓(xùn)練樣本之間存在顯著的不一致性，從而影響提取精度[5]。④水體指數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)比率將2 個(gè)或多個(gè)波段組合在一起，被證明是有效且方便的方法。在上述方法中，相比于其他3種方法，水體指數(shù)法效率高，性能好，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的地表水自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)測(cè)[6-8]。【切入點(diǎn)】近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用水體指數(shù)法對(duì)地表水提取和識(shí)別進(jìn)行了一系列研究[9-12]。但對(duì)不同水體指數(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析的相關(guān)研究較少，而且目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)蒙古地表水動(dòng)態(tài)變化的研究及影響因素的分析較少，難以為內(nèi)蒙古地區(qū)水資源保護(hù)和水生態(tài)修復(fù)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以往研究對(duì)蒙古高原地表水的研究?jī)H限于一些大的湖泊，尚未對(duì)內(nèi)蒙古地表水進(jìn)行詳細(xì)研究。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文基于Landsat 系列數(shù)據(jù)對(duì)1990—2015年內(nèi)蒙古地表水進(jìn)行時(shí)空變化特征及影響因素進(jìn)行分析。利用4 個(gè)典型子區(qū)域，評(píng)估6種光譜水體指數(shù)的性能和穩(wěn)定性，將確定的最優(yōu)水體指數(shù)應(yīng)用于整個(gè)內(nèi)蒙古地表水的提取與識(shí)別。通過(guò)分析研究區(qū)各盟市的地表水年際變化特征和趨勢(shì)，并結(jié)合內(nèi)蒙古空間差異和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等諸多因素，初步分析其主要的影響因素。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國(guó)的北部，是我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障。全區(qū)地勢(shì)較高，平均海拔高度1 000 m左右。其位于歐亞大陸內(nèi)部，受東亞季風(fēng)的影響，屬于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與干旱半干旱氣候之間的過(guò)渡帶。1990—2015年平均氣溫為3～6 ℃，由南向北逐漸下降。年降水量由東北向西南呈梯度遞減，幅度為50～550 mm，其中75%的降雨發(fā)生在7—9月[13]。內(nèi)蒙古地表水大多屬內(nèi)陸湖泊，氣候干旱少雨，地表徑流補(bǔ)給不豐，蒸發(fā)強(qiáng)度大，超過(guò)湖水的補(bǔ)給量，湖泊和濕地逐漸萎縮[14]。在研究區(qū)范圍內(nèi)選取了4 個(gè)典型子區(qū)域用來(lái)測(cè)試水體指數(shù)的性能，其詳細(xì)信息如表1 所示。所選的區(qū)域具有不同的地表水類型，包括水生環(huán)境復(fù)雜程度各異的湖泊、不規(guī)則的線狀河流、人工水渠通道等。同時(shí)充分考慮了影響地表水提取精度的影響因素。

表1 研究區(qū)4 個(gè)典型子區(qū)域詳細(xì)信息Table 1 Details of four typical sub-regions in the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

將Landsat-5、Landsat-7 和Landsat-8 衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源，通過(guò)篩選，最終采用無(wú)云覆蓋或云量少、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的576 景影像。遙感影像的調(diào)查日期（如干季和濕季）會(huì)影響地表水面積的提取精度，所以本文選擇的所有影像具有一致調(diào)查日期（7、8月）。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何配準(zhǔn)、拼接與鑲嵌。對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和FLAAH 大氣校正，以消除大氣傳輸過(guò)程的影響。選擇GF-2 PMS高分辨率遙感影像作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，本文在a、b、c 和d 分別選取了4 景GF-2 PMS 數(shù)據(jù)，成像日期分別為：a（20170822）、b（20170818）、c（20170921）、d（20170628）。利用二次多項(xiàng)式模型，將GF-2 PMS遙感影像與其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)同步Landsat8 OLI 數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，配準(zhǔn)總的均方根誤差小于0.5 個(gè)像元。

1.3 水體指數(shù)及閾值確定

評(píng)估了如下6 種光譜水體指數(shù)，計(jì)算式如表2 所示。首先，基于研究區(qū)典型子區(qū)域所對(duì)應(yīng)的GF-2 PMS高分辨率影像，在同時(shí)期的Landsat8 OLI 影像上選取樣本。針對(duì)水體、陰影、植被、云、裸地和建筑等6種不同類型分別選取120 個(gè)樣點(diǎn)（像元）?；谝堰x擇的樣點(diǎn)，計(jì)算所有類型各光譜指數(shù)的統(tǒng)計(jì)量，以確定其取值范圍。對(duì)于每個(gè)水體指數(shù)，找出取值范圍與水體不重疊的且最接近的類型，取其最大值與最小值的均值作為初始閾值?；诖耍瑢?duì)各個(gè)影像上的水像元進(jìn)行自動(dòng)提取與初步分離。然后將每個(gè)識(shí)別出來(lái)的地表水類型作為對(duì)象利用局部直方圖分割來(lái)調(diào)整閾值，確定適合于每景影像的最佳閾值。此方法可以有效提高在各種不同的、復(fù)雜的水環(huán)境條件下的地表水提取精度。

表2 6 種光譜水體指數(shù)Table 2 6 spectral water index

1.4 精度驗(yàn)證

利用Olthof 等[15]的方法對(duì)GF-2 PMS 影像進(jìn)行目視判讀，得到GF-2PMS 影像地表水提取結(jié)果圖，利用格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證Landsat8 OLI 地表水提取精度。基于格網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)方法為：利用ArcGIS 軟件在各個(gè)典型子區(qū)域內(nèi)建立450 個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為600 m×600 m。對(duì)Landsat8 OLI 地表水提取結(jié)果和GF-2 PMS 處理結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格內(nèi)的地表水面積，通過(guò)計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差等統(tǒng)計(jì)量，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光譜指數(shù)的對(duì)比

圖1 為6 種水體指數(shù)在典型子區(qū)域的閾值穩(wěn)定性和閾值波動(dòng)情況。水體指數(shù)會(huì)突出水體的信息，抑制其他地物的信息，所以代表水體信息的箱體一般分布在圖中的上方區(qū)域，而其他地物集中分布在下方區(qū)域。在垂直方向上，代表水體信息的箱體與其他5 種地物的箱體之間無(wú)交集的區(qū)域，表示水體與其他地物可分離的閾值波動(dòng)區(qū)間。本文利用a、b、c 和d 區(qū)的閾值偏離他們的平均閾值的程度來(lái)表征閾值的穩(wěn)定性。從圖1 可以清晰看出，WI2015和TCW在b 區(qū)域?qū)λw和云區(qū)分能力較差。MNDWI的閾值從a 區(qū)的0.61 變動(dòng)到d 區(qū)的0.45，NDWI的閾值從b 區(qū)的0.17 變動(dòng)到c區(qū)的0.26，MNDWI和NDWI在4 個(gè)區(qū)域的平均閾值與各個(gè)區(qū)域的局部閾值相差較大，說(shuō)明以上2 個(gè)指數(shù)的閾值在不同的區(qū)域出現(xiàn)較大的波動(dòng)，閾值穩(wěn)定性較差。而且MNDWI的閾值波動(dòng)區(qū)間比較大，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)間范圍會(huì)集中大量的混合像元，說(shuō)明MNDWI對(duì)于混合像元的處理存在不確定性，從而影響地表水的提取精度。雖然MBWI閾值較穩(wěn)定，但是閾值波動(dòng)區(qū)間很小，容易造成水體信息錯(cuò)分為其他地物信息。而AWEI的平均閾值與各個(gè)區(qū)域的局部閾值比較接近，閾值穩(wěn)定性較好，其閾值僅僅從a 區(qū)的0.11 變動(dòng)到c 區(qū)的0.08。而且AWEI閾值波動(dòng)區(qū)間較小，這也是其具有較好實(shí)用性和穩(wěn)定性的另外一種表現(xiàn)形式。

圖1 不同地物的光譜指數(shù)閾值的波動(dòng)及分布對(duì)比Fig.1 Comparison of the fluctuation and distribution of the spectral index threshold of different features

2.2 基于Landsat8 OLI 與GF-2 PMS 的分類結(jié)果

通過(guò)對(duì)4 個(gè)典型子區(qū)域定量精度評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，提取結(jié)果與GF-2 PMS 影像目視解譯結(jié)果整體上較一致，區(qū)域a、b、c、d 中，R2分別為0.993 8、0.959 4、0.996 2 和0.993 2（圖2）。

圖2 典型子區(qū)域精度評(píng)價(jià)Fig.2 Scatter plot of accuracy evaluation of typical sub-regions

2.3 地表水的變化趨勢(shì)及影響因素

2.3.1 變化趨勢(shì)

表3 顯示了1990—2015年內(nèi)蒙古地表水面積的變化趨勢(shì)。由表3 可知，1990—2010年內(nèi)蒙古的地表水面積急劇下降，以2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在2010—2015年內(nèi)蒙古地表水面積有所增加和回升。1990—2010年內(nèi)蒙古地表水面積嚴(yán)重縮減，減少面積為2 144.57 km2，2010—2015年內(nèi)蒙古地表水有所恢復(fù)，增加面積為692.68 km2，地表水的總面積從20世紀(jì)90年代到2015年減少了1 451.89 km2。

從表3 可以看出，興安盟、呼和浩特市、烏海市的地表水面積在1990—2015年，分別以年均1.57、0.24 和0.57 km2緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而在其他的9 個(gè)盟市，水體面積均有下降的趨勢(shì)。1990—2015年每個(gè)盟（市）的水體面積變化趨勢(shì)不盡相同，但都表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，而且大多數(shù)都在2010年前后面積縮減到最小，然后在2010—2015年有所恢復(fù)和增加。

表3 1990—2015年2 個(gè)階段的內(nèi)蒙古各盟市地表水面積變化及比例Table 3 Changes and proportions of surface water area in Inner Mongolian League cities in two stages from 1990 to 2015

2.3.2 影響因素

內(nèi)蒙古地表水面積減少是由氣候和人類活動(dòng)雙重因素所致。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古各個(gè)盟（市）驅(qū)動(dòng)力機(jī)制各不相同，影響因素復(fù)雜多樣。在氣候暖干化背景下，人為強(qiáng)烈擾動(dòng)是內(nèi)蒙古及各盟市地表水面積減少、湖泊萎縮的主要影響因素。

農(nóng)業(yè)灌溉、地下水的開發(fā)利用是導(dǎo)致研究區(qū)地表水面積縮減的主要原因之一。灌溉的抽取造成了地下水和河流的迅速枯竭。如內(nèi)蒙古東南部通遼市的地下水深度從1980年的2.5 m 下降到2009年的5.2 m[2]。通遼的灌溉面積呈逐年上升的趨勢(shì)，灌溉面積從1990年的28.83 萬(wàn)hm2增加到2015年的66.44 萬(wàn)hm2。內(nèi)蒙古大部分的草地和濕地湖泊被開墾成農(nóng)田。如奈曼西湖由于人為的圍湖造田，在2005年變成了農(nóng)田（圖3（j））。烏梁素海是河套灌區(qū)排灌水系的重要組成部分，農(nóng)田排水經(jīng)烏加河匯入烏梁素海，由西山嘴的河口排入黃河，影響著烏梁素海的水量，因此灌溉用水的退入對(duì)烏梁素海面積變化具有重要的作用（圖3（b））。

煤礦的開采也是內(nèi)蒙古地表水下降的主要原因之一。20 世紀(jì)90年代末以來(lái)，煤炭開采在內(nèi)蒙古各地廣泛開展，特別是在草原地區(qū)。如鄂爾多斯大量地開采煤礦，消耗了大量地下水資源，導(dǎo)致地下水位急劇下降，導(dǎo)致許多湖泊萎縮甚至干涸[2]。研究期間紅堿淖爾的面積逐年下降（圖3（h）），其附近的采礦活動(dòng)已經(jīng)排干了當(dāng)?shù)氐牡叵滤?，從而?dǎo)致湖水滲入地下[16]。

截流和大量興建水庫(kù)也是內(nèi)蒙古地表水下降的主要原因之一。例如：呼倫湖面積的收縮與流入湖區(qū)地表徑流的下降有關(guān)（圖3（a））。先前的研究表明流入呼倫湖的2 條河流（克魯倫河和烏爾遜河）徑流量從1999年的17.5 億m3下降到2011年的2.5 億m3。內(nèi)蒙古烏拉蓋湖的縮減是由于烏拉蓋河的中上游修建烏拉蓋水庫(kù)（圖3（g）），導(dǎo)致湖區(qū)面積持續(xù)縮減[17]。查干淖爾東湖和西湖原本由天然堤壩相連，雨季時(shí)，其中東湖的湖水會(huì)越過(guò)兩湖中間的天然土壩從西湖泄水（圖3（f）），20 世紀(jì)90年代，人們?yōu)榱艘脰|湖的水以及在東湖建立漁場(chǎng)，在土壩上修筑水閘，阻斷了西湖的水源[18]，造成西湖逐漸萎縮甚至干涸。隨著以農(nóng)業(yè)為主的中游社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)水資源的需求不斷增加，截流和抽取地表及地下水導(dǎo)致黑河流入下流的水量減少，居延海東部1992年干涸[19]（圖3（i））。黃旗海和岱海也是由于大量的入湖徑流被截留利用，湖泊的補(bǔ)給水量急劇減少（圖3（e）），導(dǎo)致湖水的礦化度不斷升高隨后縮小[20]。達(dá)里諾爾無(wú)外流河（圖3（c）），水源補(bǔ)給主要靠自然降水和貢格爾河、耗來(lái)河、沙里河等地表徑流。貢格爾河是達(dá)里諾爾湖的主要補(bǔ)給水源，其年徑流量占達(dá)里諾爾地表徑流補(bǔ)給量的50%以上，據(jù)資料記載，在暖干氣候影響下，2000—2006年每年的7月貢格爾河都出現(xiàn)不同程度的斷流，貢格爾河的徑流量不容樂(lè)觀。沙里河和耗來(lái)河由于不合理的人類活動(dòng)生產(chǎn)，徑流量也在不斷的減少[21]。

圖3 1990—2015年內(nèi)蒙古主要湖泊地表水變化情況Fig.3 Changes in surface water of major lakes in Inner Mongolia from 1990 to 2015

3 討論

地表水提取的性能通常受到各種水體條件和環(huán)境的影響，不同的地表覆蓋類型在各波段的響應(yīng)不同，各個(gè)水體指數(shù)具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性[10]，應(yīng)全面的考慮各光譜水體指數(shù)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。本文對(duì)比了6 種常用的水體指數(shù)，最終選擇表現(xiàn)最穩(wěn)定的AWEI應(yīng)用于內(nèi)蒙古地表水的識(shí)別和提取。1990—2010年，內(nèi)蒙古地表水呈急劇下降的趨勢(shì)，其中2010年前后地表水的面積出現(xiàn)較大幅度的下降，是由于2010年發(fā)生的極端氣候事件[22]，極小的降水對(duì)地表水的影響很大。2010—2015年地表水的面積有所增加和回升，表明當(dāng)?shù)厝藗冮_始注重水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，進(jìn)行了一系列生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程。1990—2015年，內(nèi)蒙古主要的湖泊面積整體呈逐漸下降的趨勢(shì)。呼倫湖、岱海、黃旗海、呼日查干淖爾、紅堿淖爾下降趨勢(shì)較為明顯，甚至烏拉蓋湖和奈曼西湖逐漸縮減直至消失。烏梁素海由于受農(nóng)業(yè)退水與排灌工程的影響面積較為穩(wěn)定。人為的截流使居延海從1992年以后干涸，由于當(dāng)?shù)卣畯?002年將黑河水調(diào)到東居延海，居延海經(jīng)歷了先縮減后恢復(fù)的過(guò)程。內(nèi)蒙古屬于典型的干旱半干旱區(qū)域，陸地水資源的保護(hù)和水生態(tài)的修復(fù)對(duì)于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。內(nèi)蒙古地域遼闊，氣候類型各異，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也有很大的差異，地表水存在很大的空間差異，因此在未來(lái)的生態(tài)保護(hù)中應(yīng)采取分區(qū)治理的模式。在農(nóng)業(yè)地區(qū)，應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)的灌溉方式，提高水資源利用率。減少對(duì)地表徑流的截流，生態(tài)脆弱區(qū)退耕還林還草等。在草原地區(qū)，應(yīng)降低放牧強(qiáng)度，防止草地退化，同時(shí)劃定生態(tài)保護(hù)紅線，禁止圍湖造田、破壞濕地等。

之前大量學(xué)者已經(jīng)對(duì)內(nèi)蒙古地表水的變化及影響因素進(jìn)行了研究，但主要關(guān)注于大型湖泊，對(duì)于研究區(qū)地表水的分析主要依據(jù)這些大型湖泊而開展，忽略了小型的湖泊及水庫(kù)等地表水的變化情況。本研究對(duì)內(nèi)蒙古的地表水（湖泊、河流、池塘、水庫(kù)）進(jìn)行了全面的提取與識(shí)別，并進(jìn)一步分析了影響內(nèi)蒙古地表水變化的主要因素。研究表明，內(nèi)蒙古地表水在氣候和人類活動(dòng)的雙重作用下，面積變化快速且頻繁，其中人為擾動(dòng)巨大，對(duì)水資源環(huán)境及其區(qū)域生態(tài)產(chǎn)生重大影響。

4 結(jié)論

1）AWEI水體指數(shù)閾值較穩(wěn)定，有很好的實(shí)用性，更適合于研究區(qū)的地表水識(shí)別和提取。

2）在1990—2010年，地表水面積急劇下降，面積由1990年的6 717.11 km2減少到2010年的4 572.54 km2，減少面積為2 144.57 km2。2010—2015年，地表水面積有所增加，面積由2010年的4 572.54 km2增加到2015年的5 265.22 km2，增加面積為692.68 km2。興安盟、呼和浩特市、烏海市的地表水面積在1990—2015年分別以年均1.57、0.24 和0.57 km2呈緩慢增加趨勢(shì)。然而其他的9 個(gè)盟市，其水體面積都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

3）影響地表水變化的因素復(fù)雜多樣，在氣候暖干化的背景下，強(qiáng)烈的人為擾動(dòng)是內(nèi)蒙古及其各盟市地表水面積減少、湖泊萎縮的主要影響因素。