基于衛星遙感的40年洪湖水面變化及驅動力分析

梁益同 夏智宏 文雄飛 柳晶輝 張麗文 鄧艷君

（1 武漢區域氣候中心，武漢 430074；2 荊州市氣象局，荊州 434020；3 江漢平原生態氣象遙感監測技術協同創新中心，荊州 434025；4 長江科學院空間信息技術應用研究所，武漢 430010）

0 引言

湖泊是陸地表層系統各要素相互作用的節點，是地球上重要的淡水資源庫、洪水調蓄庫和物種基因庫，在維護流域生態平衡、滿足生產生活用水、減輕洪澇災害和提供豐富水產品等方面發揮著不可替代的作用。中國湖泊數量多、類型全、分布廣、變化復雜，據《中國湖泊志》記載，全國共有面積大于1.0km2的湖泊2759個，總面積91019.6 km2[1]，廣泛分布于東部平原、青藏高原、云貴高原、蒙新高原、東北平原與山地等五大湖區。近幾十年來，隨著區域氣候環境變化和人類活動干擾加劇，湖泊數量、形態和分布發生了巨大變化，嚴重影響流域經濟社會可持續發展和居民生活安定，受到各級政府和社會各界的廣泛關注。

盡管在不同時期和不同區域湖泊面積變化的原因各不相同，但一般認為是人類活動和氣候變化共同作用的結果，但人類活動和氣候變化哪個是主因，各有多大影響力至今仍存在較大爭議[2]。王樹基[3]認為，1949年以來我國西北干旱地區湖泊面積減少是人類活動所為；楊桂山等[4]指出，由于人類圍墾活動，長江中下游湖泊數量及面積均大幅減少；方金琪[5]研究表明，氣候的波動變化對湖泊的變化會產生重要影響，如青藏高原地區、山東半島和云南東部地區等；許詩等[6]認為，吉林省湖泊面積萎縮受氣候干旱化、人口增加帶來的壓力、水利工程修建等因素影響。

20世紀中期以來長江流域中下游出現湖泊水域變遷與水面萎縮現象[7-9]，洪湖也不例外，近年來遭遇一系列水面萎縮、水體干涸、水質惡化、濕地退化、旱澇急轉等一系列水文與生態問題[9-11]。有關洪湖水文、生態環境的研究不少，如王學雷等[12]研究了洪湖濕地恢復中生態水位控制；胡學玉等[13]分析洪湖水體環境質量演變；朱明勇等[14]對洪湖水環境承載力進行了初步研究；楊凱等[15]利用遙感技術進行洪湖水生植物分布狀況調查；陳世儉等[16]分析了洪湖的水資源與水位調控之間關系，但對導致洪湖環境變化的主要因子進行定量分析的研究并不多見。遙感作為一種新興的對地觀測技術，具有觀測范圍大、時效性強、成本低廉等其他技術手段無法比擬的優勢，是進行湖泊動態監測的一種行之有效的手段[17]。本文利用20世紀70年代以來不同時期的Landsat/MSS、TM、ETM+和HJCCD衛星影像數據，分析洪湖水體面積的變化，并利用氣候數據、人類活動代表數據定量分析洪湖水面變化中各驅動力因子作用力的大小。

1 研究區域及研究數據

1.1 研究區域

洪湖是湖北省最大的淡水湖，也是全國第七大淡水湖，其地處湖北省南部長江與東荊河間的洼地中，是長江中游江漢平原上的一個大型淺水湖泊，湖盆極為平坦，湖底平均高程海拔23 m。洪湖湖區為“四湖”（長湖、三湖、白露湖、洪湖）流域下游，地跨洪湖、監利2個市（縣），流域面積3314 km2。洪湖原為通江湖泊，水位隨長江水位漲落，生物資源與長江基本相同。在20世紀50—60年代洪湖經歷了3次大的圍墾，1955年修筑洪湖圍堤，1958年建成新灘口節制閘，1970年修建新堤排水閘，阻斷了洪湖與長江的天然聯系，限制了長江水倒灌?，F存湖體面積348.2km2，東西長23.4 km，南北寬20.8 km，底部高程為22.5～22.8 m。

1.2 研究數據及處理

1.2.1 遙感影像數據

收集覆蓋洪湖地區的多期Landsat/MSS、TM、ETM+及HJ-CDD衛星遙感影像數據（表1），用于提取洪湖水體面積，影像生成時間除了1999年的一景在12月外，其余都集中在9，10和11月里，基本上為洪湖平水期，能夠較客觀地反映當年洪湖水面變化。

表1 衛星遙感影像數據明細Table 1 Remote sensing imagery data list

對遙感數據首先進行輻射定標、幾何精糾正等預處理。

不同影像數據提取水體信息方法不同。針對Landsat/MSS數據分辨率比較低的特點，而植被與水體在MSS數據第5波段難以區分，土壤和植被在第7波段難以區分，引入生物量指標變換[18]

式中，Ibio為生物量變化后的亮度值，IB7和IB5分別為MSS-7和MSS-5圖像的像元亮度值；H1和H0為一階哈達瑪變換后的新影像分量[18]

Ibio在光譜特征空間中的幾何意義是類別集群沿輻射線方向在H1＝1的直線上的投影（圖1）。由圖1中典型土壤、水體和綠色植物在特征空間中分布的位置可見，利用Ibio能夠有效地將水體從其他兩種地物類型區分，利用生物量指標變換特征圖像，配合MSS第4、6波段數據應用ISODATA聚類分析算法進行水體提取[18]。

圖1 生物量指標變換Fig. 1 The biomass index transformations

對于空間分辨率達到30 m×30 m的Landsat/TM、ETM+和HJ/CCD數據，通過PCA主成分變換，提取主成分變換后的第一主分量，結合可見光（TM/ETM+/CCD第3波段）和近紅外（TM/ETM+/CCD第4波段）數據構建的歸一化植被指數（NDVI）特征參數，以及徐涵秋[19]提出的改進的歸一化水體指數（MNDWI）特征參數，通過選擇植被、水體、城鎮等感興趣地理區域（ROI）樣本，采用最大似然法進行分類，并對分類結果進行小斑點剔除、孤島過濾等分類后處理，得到洪湖水體分布信息，圖2是部分時次的不同衛星影像水體信息空間分布圖。

1.2.2 其他數據

收集洪湖市1∶50000的數字地形圖用于遙感影像精糾正和輔助解譯。

圖2 部分不同時次的衛星洪湖水體信息（藍色部分）空間分布Fig. 2 Spatial distribution of Honghu Lake’s water surface observed by multi-temporal satellite(Where the blue parts are the water surface in Honghu Lake)

收集洪湖氣象站1971年以來逐日降水和蒸發觀測資料，整理計算出洪湖1—8月降水量、降水距平、降水日數（日降水量大于0.1 mm的天數）、降水日數距平和蒸發量，其中，對于降水距平和降水日數距平的計算，所用的數據為1971—2010年的平均值。

到湖北省統計局查閱《荊州五十年（1949—1999）》及2000—2012年后《荊州統計年鑒》等文獻，通過按價格換算等處理，得出1971年以來的洪湖市GDP數據（按1990年價格計算）。

2 結果分析

經過收集、換算或提取處理后獲得的洪湖不同年份的水體面積、1—8月降水數據（降水量及其距平、降水日數及其距平）、蒸發和GDP數據。繪制水體面積、降水量、降水日數、蒸發量和GDP隨年份變化曲線（圖3）。

圖3 洪湖水體面積（a）、降水和蒸發（b）、降水日數（c）和GDP（d）年際變化Fig. 3 The annual variation of Honghu Lake water surface area(a), precipitation and evaporation (b), precipitation days (c), and GDP (d)

2.1 洪湖水體面積年際變化

由圖3a可見，不同年份的洪湖水體面積有較大差異，面積最大是1996年的2.81萬 hm2，最小是2006年的1.31萬 hm2，兩個年份相差1倍多；趨勢分析表明，洪湖水體面積總體為下降趨勢；20世紀10年代中后期洪湖水體面積一直處于較低值。

2.2 洪湖水體面積變化驅動力分析

湖泊的面積變化由湖泊水量的收支決定，而氣候變化和人類活動均對湖泊水量的收支產生影響。氣候方面，降水是湖泊水量的主要來源，蒸發則導致湖泊水量自然減少；人類活動方面，人口增加、經濟發展、土地利用類型改變等需要消耗大量水資源，同時又會削弱湖泊的調蓄功能。為了分析洪湖水體面積變化驅動力，將洪湖水體面積與氣候因子（降水和蒸發）、人類活動因子（為了研究方便，以GDP為代表）進行回歸分析，定量分析各因子影響力的大小。

2.2.1 氣候因子對洪湖水體面積的影響分析

降水可以補充洪湖水量。繪制洪湖水體面積與降水的相關關系圖（圖4a），洪湖水體面積與降水有較高的相關性，相關系數（r）達0.7382（P＜0.05），表明降水對洪湖水體面積的影響非常明顯。分析發現洪湖降水年際變化（圖3b）為略增加趨勢，而洪湖水體面積年際變化呈下降趨勢，特別是20世紀10年代中后期一直處于較低值。為了解釋這個現象，對1973—2002年和2003—2011年兩時段的水體面積和降水量做相關性分析（圖4b～4c）發現，1973—2002年洪湖水體面積和降水量的相關系數為0.8950，而2003—2011年的R只有0.5857，表明2002年之后除降水之外另有其他因素對洪湖水體面積產生較大影響。

圖4 不同時段1973—2011年（a）、1973—2002年（b）和2003—2011年（c）的面積與降水相關關系Fig. 4 The correlations between area and precipitation between the periods of 1973-2011 (a), 1973-2002 (b) and 2003-2011 (c)

除降水量的直接影響外，降水的時間分布對洪湖水體面積的影響也不可忽視。分析發現，洪湖降水年際變化為略增加趨勢（圖3b），但降水日數呈減少趨勢（圖3c）。有研究表明[20-21]降水日數減少會加劇降水時間分布不均的現象，導致地區旱澇風險增大。洪湖本就存在來水過度集中而形成洪澇災害或來水不足而形成干旱威脅的矛盾[11]，降水日數的減少將加劇這種矛盾。比較典型的例子是1994和2010年。1994年降水量只有927.6mm，降水距平為－17.2%，但降水日數卻達108 d，距平為10.7 d，因而洪湖水體面積達到較高的2.12萬hm2；2010年，降水量高達1583.8mm，降水距平為41.3%，但降水日數為105 d，距平7.7 d，因而在降水較多的情況下洪湖水體面積只有2.01萬 hm2。相關分析（圖5）表明，面積與降水日數相關系數為0.6914（P＜0.05）。

圖5 面積與降水日數相關關系Fig. 5 The correlation between lake area and precipitation days

水面蒸發使洪湖水量減少。洪湖蒸發年際變化為略減少趨勢（圖3b），對洪湖水體面積與蒸發量做相關性分析（圖6）發現，二者相關系數為—0.2010（P＜0.05），表明蒸發對洪湖水體面積的影響不明顯。

圖6 面積與蒸發相關關系Fig. 6 The correlation between lake area and evaporation

2.2.2 人類活動對洪湖水體面積的影響分析

人類活動對洪湖生態環境帶來較大影響。肖飛等[10]認為，從20世紀50年代以來，洪湖濕地類型的面積變化經歷四個階段：第一階段是20世紀50年代以來的大規模水利建設和大規模圍墾活動，濕地面積有很大程度縮減；第二階段是從20世紀70年代末開始，圍墾基本停止，濕地總面積略有增加；第三階段是，從20世紀80年代末期，洪湖開始水面大開發，圍網養魚迅速發展，使自然淺水湖泊面積稍有減小；第四階段是濕地格局相對穩定的階段．隨著濕地保護工作的加強，洪湖濕地面積總體穩定。盧山等[11]認為，大面積的圍湖造田，以及養殖業、旅游業的興起，洪湖湖區經濟得到很大發展，但同時帶來了生態環境惡化和洪湖面積減少等問題。

分析洪湖市GDP逐年變化（圖3d）發現，洪湖市GDP一直呈增長趨勢，特別從2000年起，GDP增速明顯加快。這說明2000年后人類活動對洪湖水體面積的影響開始逐步凸顯。這就不難解釋洪湖水體面積在2000年后處于低值的原因，除降水之外，人類活動也是一個重要因素。

2.2.3 洪湖水面變化各種影響因子影響力分析

為了分析各因子對洪湖水體面積變化的影響力，將洪湖水體面積與各因子進行多元回歸分析，以確定各因子影響力大小。由于降水量和降水日數存在較好的相關關系，所以降水因素方面只選擇了降水量這個因子。分別將水體面積、降水量、蒸發量和GDP數據進行按標準差方法進行標準化處理

標準化后，以降水量（x1）、蒸發量（x2）和GDP（x3）為輸入，水體面積（y）為輸出，進行多元回歸分析，可得到回歸模型

根據式（4）計算得到的復相關系數為0.8805。將降水量、降水日數和蒸發量回歸系數分別取絕對值后相加，可得氣候因子的影響系數為0.78，而人類活動的影響系數為0.50，表明40年來，氣候因子對洪湖水體面積影響大于人類活動，但值得注意的是，2000年以來人類活動影響呈快速上升趨勢，如果不加以控制，未來對洪湖水面影響也逐漸加大。

3 小結

利用20世紀70年代以來的多種衛星（Landsat/MSS、TM、ETM+及HJ-CCD）影像、氣象觀測和GDP資料，定量分析40年來洪湖水體面積變化以及氣候變化和人類活動對洪湖水體面積的影響。主要得出以下結論：

1）不同年份的洪湖水體面積有較大差異，面積最大是1996年的2.81萬 hm2，最小是2006年的1.31萬 hm2；洪湖水體面積年際變化總體為下降趨勢，特別是20世紀10年代中后期面積一直處于低值。

2）洪湖水體面積與降水有較高的相關性，r達0.7382，表明洪湖水體面積受降水影響非常明顯。

3）40年來，洪湖降水年際變化為略增加趨勢，洪湖降水日數為減少趨勢。這種降水在時間分布上更加不均勻的特點加大了旱澇發生頻率，導致洪湖水體面積減少。

4）分析顯示，氣候和人類活動對洪湖水體面積影響系數分別為0.78和0.50，表明氣候對洪湖水體面積影響大于人類活動。但值得注意的是，2000年以來人類活動影響呈快速上升趨勢，對洪湖水體面積影響也逐漸加大；20世紀10年代中后期洪湖水體面積處于低值的主因是降水連續偏少和人類活動加劇。

在人類活動中，影響洪湖面積的因素是極其復雜的，由于資料收集的困難，本文僅以GDP為代表，另外，在分析各因子對洪湖水體面積的影響時，本文所用的模型為線性統計模型，因此所得的結論需進一步探討、驗證。今后將在全面收集人類活動（人口增長、經濟發展、土地利用改變）數據基礎上，嘗試采用物理模型（如SWAT模型），探討各種因子對洪湖水面變化的影響。