李炎臻 劉小慧 李毓煒 高凡

摘要：為精準研究烏倫古湖面積變化趨勢，利用研究區(qū)1989～2017年高分辨率Landsat遙感影像，在分析不同水體提取方法優(yōu)劣的基礎上，利用改進的歸一化差異水體指數(shù)法提取烏倫古湖水體面積，識別烏倫古湖面積的時空變化特征。結(jié)果表明：烏倫古湖水體面積 2002年最大（1 045.33 km2）， 2006年最?。? 010.03 km2 ）。總體而言，近30 a烏倫古湖水域面積變化呈擴張-縮小-擴張-相對穩(wěn)定的動態(tài)變化特征。2002～2006年為湖泊萎縮最顯著的時期，與該時期烏倫古河出現(xiàn)季節(jié)性斷流導致入湖水量急劇減少的現(xiàn)象一致。

關鍵詞：面積變化;烏倫古湖;多源遙感數(shù)據(jù);歸一化差異水體指數(shù)法;干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊;新疆維吾爾自治區(qū)

中圖法分類號：P343.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.005

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0029 - 05

1 研究背景

干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊是干旱區(qū)氣候變化敏感的指示器[1]，同時是維持干旱地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境安全和綠洲經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要資源載體。干旱區(qū)湖泊的形成與演化不僅能引起區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化，更能在一定程度上反映更大區(qū)域乃至全球的氣候變化特征。系統(tǒng)開展干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊動態(tài)變化研究，有助于科學識別和正確評估氣候變化和人類活動在湖泊演化過程中的作用，為維護區(qū)域水安全及合理開發(fā)利用水資源提供科學依據(jù)，具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。國內(nèi)外專家學者基于多種方法對干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊變化展開研究，近年來，衛(wèi)星遙感技術的高速發(fā)展為大尺度水文監(jiān)測提供了有力手段，借助遙感技術可有效實現(xiàn)對大尺度湖泊水域面積的監(jiān)測研究[2]，如Chen等[3]利用 Landsat 探索了阿拉斯加州 Yokon 地區(qū)湖泊面積變化的時空格局，并建立多元線性回歸模型量化湖泊面積的時間變化;劉旭隆[4]選取1989～2018年6期Landsat系列遙感影像提取分析岱海湖泊面積。結(jié)果表明，岱海湖泊面積呈遞減趨勢。

烏倫古湖是中國十大淡水湖之一，屬典型內(nèi)陸干旱尾閭湖泊，是我國西部阿勒泰山綠洲與古爾班通古特之間的重要天然屏障，具有關鍵的生態(tài)安全功能[5]。近年來，隨著該區(qū)域高強度人類活動疊加氣候變化影響，烏倫古湖入湖河流烏倫古河出現(xiàn)了常態(tài)化季節(jié)性斷流，并由此衍生了一系列水生態(tài)與環(huán)境問題[5-6]。在此背景下，烏倫古湖作為尾閭湖泊，其面積的時空動態(tài)變化特征和趨勢研究對于指示該地區(qū)氣候變化，保障該區(qū)域水生態(tài)安全，促進該地水資源合理開發(fā)、利用與保護等具有必要性和重要意義。迪麗努爾·阿吉等[7]選用20世紀80年代后期以來不同時期的 Landsat 衛(wèi)星遙感影像，從新疆維吾爾自治區(qū)北、南、東和西北 4 個方向分別選擇了烏倫古湖、博斯騰湖、艾丁湖和艾比湖等典型湖泊做為研究對象，對其湖泊水域面積的動態(tài)變化展開了遙感監(jiān)測與研究。結(jié)果表明：自20世紀80年代后期，新疆維吾爾自治區(qū)的湖泊水域面積呈現(xiàn)不同程度的擴大趨勢，其中烏倫古湖水域面積由 1989 年的 862.1 km2 擴大到 2002 年 899.3 km2。李龍等[8]基于 2000～2014 年 Landsat TM、ETM+遙感影像，通過人工目視解譯提取中國內(nèi)流區(qū)面積大于 100 km2 的湖泊邊界矢量數(shù)據(jù)，并據(jù)此對中國內(nèi)流區(qū)主要湖泊的分布、面積變化及成因進行分析。結(jié)果表明：2000～2014 年，中國內(nèi)流區(qū)湖泊總面積以231.95 km2/a的平均速度持續(xù)增大，總計增加3 247.33 km2，其中柴達木盆地和青藏高原腹地湖泊面積持續(xù)增大，塔里木盆地和準噶爾盆地湖泊面積在 2003 年之后持續(xù)萎縮。從以往資料可以看出，現(xiàn)有烏倫古湖水域面積變化研究成果缺乏對研究區(qū)長時間序列的系統(tǒng)分析，且數(shù)據(jù)來源不一、技術參差不齊、時間序列普遍較短、監(jiān)測時相各不相同?；诖耍疚脑谇叭搜芯炕A上，選取烏倫古湖1989～2017年近30 a合計7期Landsat系列遙感影像，綜合利用3S等技術和空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫、集成管理分析等方法[9-11]，監(jiān)測分析研究區(qū)近30 a湖泊水域面積時空變化特征及演變趨勢，以期為維護區(qū)域水安全及合理開發(fā)利用水資源提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

烏倫古湖（46°51′～47°25′N，86°59′～87°34′E）是新疆維吾爾自治區(qū)準噶爾盆地額爾齊斯河與烏倫古河之間的一個斷陷湖，也是新疆第二大湖泊，位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h附近（見圖1）。烏倫古湖屬于典型內(nèi)陸干旱區(qū)半封閉型湖泊，湖區(qū)分為大湖區(qū)（布倫托海）和小湖區(qū)（吉力湖），湖泊容量分別為95.47億m3和17.20億m3，平均水位高程約479.1 m，平均水深約8 m，兩湖區(qū)由7 km長的庫依爾尕河相連[6，12-13]。烏倫古湖地處歐亞大陸腹地，屬典型中溫帶大陸性季風氣候，光照充足，熱量豐富，降水量少，蒸發(fā)量大。根據(jù)福海縣氣象資料統(tǒng)計，湖區(qū)多年平均降水量121.9 mm，多年平均蒸發(fā)量高達1 830 mm，多年平均入湖水量約0.132億m3，主要補給水源是烏倫古河和額爾齊斯河，湖區(qū)水量基本能夠維持平衡[13]。

3材料與方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取

研究選取1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年，時段在7～9月期間（云量均小于10%）的多期Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)源（見表1），來自美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http：//www.usgs.gov/）。氣象資料（降水、氣溫、蒸發(fā)）選取烏倫古湖入湖口附近的國家級氣象站（福海站）1989～2017年逐月降水、氣溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/）。

3.1.2 數(shù)據(jù)預處理

具體流程如下：①根據(jù)水體光譜特性進行多源影像假彩色合成;②進行去除條帶（個別時期影像）、輻射校正、幾何校正配準、圖像信息增強、圖像融合裁剪等處理，將數(shù)據(jù)制成統(tǒng)一坐標體系存儲的GeoTIFF格式的遙感影像圖，同時對多源遙感影像進行整合、處理等操作，為后期的水體信息提取、面積計算等分析奠定基礎;③通過野外踏勘重新布置控制點，進行多源影像數(shù)據(jù)的野外驗證及修正處理。數(shù)據(jù)預處理流程見圖2。

3.2 基于改進歸一化差異水體指數(shù)法的水體面積提取

目前，利用遙感影像提取水體面積的方法主要包括單波段閾值分析法、多波段譜間關系法、目視解譯法、歸一化差異水體指數(shù)法、改進的歸一化差異水體指數(shù)法和HIS變換法等[8，14-16 ]。研究區(qū)烏倫古湖地處福?？h與古爾班通古特沙漠過渡區(qū)域，地勢平坦、地物要素類型單一，影像數(shù)據(jù)源涉及TM、OLI兩種影像，通過對各種水體面積提取方法比較分析后，本研究采用提取效果較佳的、改進的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）進行水體信息提取，該指數(shù)可有效增大水體與建筑物之間的反差，減少二者混淆程度，有利于水體要素信息解譯提取[17]。計算公式如下：

式中：Green為綠光波段，對應TM影像的Band2或OLI影像中短波紅外Band1（SWIR1）代替;MIR為中紅外波段，對應TM影像的Band5或OLI影像的Band6;計算后水體MNDWI具有的是正值，而植被和土壤是零或者負值，因此能夠?qū)⑺w和植被土壤區(qū)分開。

研究區(qū)采用ENVI 5.3軟件提取水體信息，并輔以基礎測繪成果數(shù)據(jù)修正。具體如下：①按照水體樣區(qū)選擇、MNDWI計算、閾值調(diào)整、密度分割、斑塊去除、格式轉(zhuǎn)換、面積計算、野外踏勘、驗證修正等工作流程，通過人機交互解譯法提取完成符合精度要求和統(tǒng)一空間參考的多期水體矢量要素數(shù)據(jù)集;②選取湖泊面積變化相對較大的駱駝脖子、中海子、小海子、烏倫古河入湖口等區(qū)域為驗證中心，借助Google Earth高分辨率影像，人工選擇影像控制樣點，保證樣點均勻分布于待驗證區(qū)域當中。其中，人工檢測控制樣點殘差，確保殘差在1個像元內(nèi)，控制樣點總數(shù)不少于25個。通過控制樣點數(shù)據(jù)與GPS技術野外考察觀測點數(shù)據(jù)疊加分析，對于明顯錯分或漏分區(qū)域人工做出修改，以此完成解譯結(jié)果的修正及評價;經(jīng)統(tǒng)計，該方法的總體分類精度高達95%，符合項目研究精度要求;③基于ArcGIS 10.4.1平臺對多期水體矢量數(shù)據(jù)集進行疊加分析，得到研究區(qū)1989，1998，2002，2006，2010，2015年和2017年共計7期湖泊面積及變化信息;④根據(jù)數(shù)據(jù)獲取狀況及未來持續(xù)監(jiān)測研究需要，設計數(shù)據(jù)表空間、數(shù)據(jù)集、特征類、柵格目錄等建庫命名規(guī)范，并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎，即2000國家大地坐標系、1985國家高程基準，分別構(gòu)建基礎地理、遙感影像、水體專題三大數(shù)據(jù)庫。其中，基礎地理、遙感影像、水體專題等空間數(shù)據(jù)以ESRI公司的SDE命令方式進行入庫，以此實現(xiàn)研究區(qū)多時期水體數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一集成管理[10-13，14-18]。具體水體信息提取流程見圖3。

3.3 湖泊面積變化動態(tài)度

湖泊面積動態(tài)度是指某一地區(qū)一定時間范圍內(nèi)湖泊面積的變化，可以反映不同時期湖泊面積變化的劇烈程度，其表達式[19-20]為

式中：K為研究時段內(nèi)湖泊面積動態(tài)度;Ua 和Ub 分別為研究初期和研究末期的湖泊面積，m2;T 為研究時段長，當T的時段設定為年時，K 值就是該研究區(qū)湖泊面積的年變化率。

4結(jié)果與分析

4.1 烏倫古湖水域面積年際變化特征

基于ArcGIS 10.2平臺對7期烏倫古湖水域面積進行疊加分析，得到1989～2006年、2006～2017年不同時期研究區(qū)水域面積變化結(jié)果（見圖4，圖5，表2）。可以看出，近30 a布倫托海水域面積變化特征表現(xiàn)為：①1989～2002年，水域面積呈持續(xù)增加趨勢，由1989年的853.03 km2增至2002年的878.13 km2，14 a間增加了25.1 km2，年均變化率為0.03%。1989～1998年水域面積增加較為顯著（累計增加了13.71 km2，年際變化率為0.16%）;②2002～2006年，水域面積呈持續(xù)縮減趨勢，由2002年的878.13 km2縮減至2006年的842.73 km2，累計減少35.40 km2，年均變化率為-0.8%;③2006～2015年，水域面積繼續(xù)呈增加狀態(tài)，由2006年的842.73 km2增至2015年的863.97 km2，10 a間水域面積增加了21.24 km2，年均變化率為0.04%。2010至2015年水域面積增加較為顯著（累計增加了16.19 km2，年際變化率為0.32%）;④2015～2017年，水域面積呈小幅減小趨勢，由2015年的863.97 km2減至2017年的861.79 km2，面積變化為-2.18 km2，年均變化率為-0.03%?？傮w而言，1989～2017年，布倫托海水域面積呈現(xiàn)出自然性擴張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復性增加（2006～2017年）的動態(tài)變化特征。

同布倫托海水域面積動態(tài)變化特征一致，1989～2006年近30 a間，吉力湖水域面積變化特征表現(xiàn)為：①1989～2002年，水域面積呈小幅持續(xù)增加狀態(tài)，由1989年的176.65 km2增至2002年的179.21 km2，14 a間水域面積增加了2.56 km2，年均變化率為0.02%;②2002～2006年，水域面積呈持續(xù)減小趨勢，由2002年的179.21 km2減至2006年的167.31 km2，面積累計減少了11.90 km2，年均變化率為-0.27%;③2006～2010年，水域面積呈持續(xù)顯著增加趨勢，由2006年的167.31 km2增至2010年的185.24 km2，5a間水域面積增加了17.93 km2，年均變化率為0.43%;④2010～2017年，水域面積呈小幅縮減趨勢，由2010年的185.24 km2減至2017年的171.79 km2 ，水域面積減小了13.45 km2，年均變化率為-0.22%;總體而言，1989～2017年，吉力湖水域面積呈現(xiàn)出自然性擴張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復性增加擴張（2006～2015年）-波動性穩(wěn)定（2015～2017年）的動態(tài)變化特征。

4.2 烏倫古湖水域面積年代際變化特征

近30 a烏倫古湖水域面積年代際變化特征見表3。20世紀90年代烏倫古湖水域平均擴展面積為20世紀90年代面積變化值的平均值，參與計算的年份為1989，1998年;21世紀與2010年以來的算法相同，其中，21世紀參與計算的年份為2002，2006年，2010年以來參與計算的年份為2010， 2015， 2017年。由表3可以看出， 20世紀90年代烏倫古湖呈擴張狀態(tài)，進入21世紀至2010年之前，烏倫古湖水域面積呈持續(xù)萎縮趨勢。2010年至今，由于引額補水工程，水域面積呈恢復性增長趨勢至動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。1989～2017年近30 a，烏倫古湖水域面積經(jīng)歷了擴張-萎縮-恢復的動態(tài)變化過程。

4.3 烏倫古湖面積動態(tài)度變化

近30 a烏倫古湖水域面積動態(tài)度變化分析結(jié)果見表4。由表4可以看出，在1989～2006年間，烏倫古湖水域面積減少了19.65 km2，縮小了2%，湖泊面積動態(tài)度為-0.11%。在2006～2017年期間，烏倫古湖水域面積增加了23.54 km2，增加了2%，湖泊面積動態(tài)度為0.21%。結(jié)合表2和圖3、圖4綜合看，1989～2017年近30 a間，烏倫古湖先后經(jīng)歷了由擴張再到萎縮再到動態(tài)穩(wěn)定的過程，烏倫古湖水域面積整體動態(tài)度呈穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié) 論

本文通過選取烏倫古湖1989～2017年近30a合計7期Landsat系列遙感影像，綜合利用3S等技術和空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫、集成管理分析等方法，采用改進的歸一化差異水體指數(shù)法，監(jiān)測分析研究區(qū)近30 a湖泊水域面積時空變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）1989～2017年，布倫托海水域面積呈現(xiàn)出自然性擴張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復性增加（2006～2017年）的動態(tài)變化特征。2010～2015年水域面積增加最為顯著，5 a間累計增加16.19 km2，年際變化率為0.48%。

（2）1989～2017年，吉力湖水域面積呈現(xiàn)出自然性擴張（1989～2002年）-萎縮性遞減（2002～2006年）-恢復性增加（2006～2015年）-波動性穩(wěn)定（2015～2017年）的動態(tài)變化特征。

（3）近30 a烏倫古湖湖泊面積的變化趨勢在整體上表現(xiàn)為擴張-萎縮-恢復性穩(wěn)定的動態(tài)變化趨勢，2002～2006年為湖泊萎縮最顯著的時期，與該時期烏倫古河出現(xiàn)季節(jié)性斷流導致入湖水量急劇減少對應。

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（編輯：唐湘茜）