2000-2015年布爾哈通河河道變遷分析

王晴宇 侯焱臻

摘要：基于2000-2015年多時序Landsat遙感數據，通過計算機自動提取以及人工目視解譯法對研究區內的水體進行提取。通過ArcGIS10.0，分別從河面信息變化以及河岸線長度變化兩方面，對2000-2015年布爾哈通河河道變遷規律做了分析研究。利用ENVI4.7，通過監督分類提取研究區內的河岸土地利用狀況。結果表明：在研究的時間范圍內，河面信息中的平均岸線和曲折系數呈下降趨勢;河岸信息中的變遷速度和變遷率呈上升趨勢;河岸土地類型中，旱田和林地增加，水田和未利用土地減少。最后，結合收集到的氣候資料、地形資料，從高程因素、氣象因素和河流自身因素等自然因素，以及河岸土地利用變化和護岸工程的建設等人為因素對河道變遷的影響因素進行探討。

關鍵詞：河道變遷;Landsat影像;GIS;監督分類;布爾哈通河

隨著全球環境變暖和中國經濟的發展，由于自然因素及人類活動的干預，許多河段存在河道變遷問題。通過對國內外的學者利用遙感影像進行河道變遷的研究方法進行探索，發現河道變遷的研究從水文學研究轉向其動力機制的研究，人文因子同其他因子如氣候、地形等一并進入研究范圍。隨著地理信息技術的發展，地理信息技術與傳統方法相結合成為主流。劉偉等（2005）采用歸一化水體指數法和面向對象分類方法對現代黃河三角洲地區的遙感影像進行分析[1]。王文種等（2006）討論了ENVI/IDL環境下的CBERS批處理模式的建立和應用[2]。慎利等提出使用空間像素模板來獲取空間之間鄰域的相關關系，并結合Adaboost集成學習算法來提取高分辨率影像上的河流信息[3]。黃河等（2015）利用遺傳算法實現了遙感影像的河道信息自動提取[4]。

一、研究區與數據來源

（一）研究區概況

布爾哈通河發源于安圖縣哈爾巴嶺東麓沼澤地，流經安圖、龍井、延吉、圖們四縣市與嘎呀河交匯，東注于圖們江，在自然條件和社會經濟發展方面都有較高的研究價值。本研究通過遙感影像了解布爾哈通河河道變遷的現狀特征，從高程、氣象和河流自身因素分析河道變遷的自然因素，從土地類型改變和護岸工程的建設分析河道變遷的人文因素，分析河道變遷的影響因子。對加強護岸工程建設，以及對保護沿岸城鎮、村屯、堤防、道路、農田及水域資源的合理開發利用提供科學依據，便于城市的發展。

（二）數據來源

本研究所用遙感數據來源于地理空間數據云網站2000、2006、2010年三期LandsatTM遙感影像和2015年Landsat OLI遙感影像。柵格單元大小均為30m×30m。本文選取了由中國氣象數據共享平臺下載的延吉市1999-2016年的氣象資料。土地利用類型參照國家土地利用分類系統及研究區域實際情況，劃分為林地（針葉林、闊葉林、混交林）、水田、早田、水體、草地、建設用地（采礦場）、未利用地（裸地、冰雪、濕地）。

二、研究過程

參考國內學者的對河道變遷的研究方法，梁文瓊等（2013）提出了一種面向對象的遙感圖像增強處理方法[5]，陳文濤采用最大似然法監督分類提取水體信息回，趙水霞（2016）對研究區域的遙感影像分別進行最佳波段組合、線性增強、圖像整飾、特征提取、最大似然分類等預處理，并結合野外實地觀測和定位在河道矢量圖中的大地坐標進行分析[7]，對遙感圖像進行增強處理、河道信息提取以及監督分類。

（一）遙感影像數據預處理

1.投影變換

根據獲取數據的便利及數據源的統一，本文遙感數據坐標系統一為WGS-84.投影方式為UTM南極洲極地投影。

2.圖像增強

對錯位的影像圖利用遙感影像進行配準，利用雙線性法進行重采樣;采用線性拉伸方法對圖像進行增強處理。

3.波段組合

將遙感影像的波段進行不同類型的組合，可以得到不同地物的增強，為更好地識別水體和土地利用信息，根據不同數據選取不同波段緝合，基本要求是波段信息量豐富，能充分顯示各種地物的影像特征差異，特別是水體信息與其他地物類型影像特征區別明顯，此外影像類似于自然色彩，符合人們視覺習慣。Landsat TM采用信息量最豐富的543波段組合配以紅綠藍生成假彩色合成影像，Landsat OLI采用564波段組合。

4.遙感圖像拼接

由于布爾哈通河主河道較長，處于兩幅遙感影像之中，因此運用ENV14.7基于地理坐標鑲嵌的原理，對屬于一個衛星周期的兩幅遙感影像進行拼接。

（二）河道信息提取原則及解譯標志（見表1、表2）

（三）河道變遷研究方法

本研究的數據源為遙感數據源，以5年為時間間隔，通過前后5年的比較研究可以更好的了解河道的河流流域面積變化以及河流岸線變化。

1.河面信息計算

河面信息主要包括河流面積、平均水面寬和曲折系數。利用四期已解譯的布爾哈通河數據進行統計分析得到河流面積，通過兩側的岸線得到平均岸線長，通過河流面積與平均岸線長計算平均河面寬，最后通過河道中心線與河流起始點之間的直線長度之比求算河流曲折系數，最后對河面信息的變化情況進行分析。

式中，ALr（Average length）為平均岸線長，Lr與Lr分別為兩側的岸線長，單位統一為千米。

式中，Sr（Averge weight）為平均河面寬，Sr為河流面積，Alr為平均河岸長，單位統一為千米。

式中，Sc為曲折系數，Lr為實際河岸長度，LI為河流起點到終點的直線距離。

2.岸線信息計算

岸線信息主要包括岸線長度、岸線變遷率以及岸線變遷速度，利用四期己解譯的布爾哈通河數據進行統計分析可得到河流兩側岸線長度，通過岸線現期量與基期量的差值和基期量之比可求算岸線變遷率，通過岸線變化量與變化時間之比可求算岸線變迀速度。

式中，CS（Change speed）為變遷速度，AL為岸線長度變化量，T為變化時間間隔，單位為m/y。

式中，CR（Change rate）為變遷率，Ln為現期岸線長度，Lp為基期岸線長度，單位為百分數，有正變遷和負變遷之分。

三、研究結果分析

（一）河面信息變化研究

以 2000、2006、2010、2015年遙感影像為基準的布爾哈通河河面信息統計結果，如表3。

由統計數據可知，21世紀以來，布爾哈通河的河流面積、平均寬度呈現“減-增-減”的趨勢，2006-2010的變化量最大。而河流的平均岸線長度在2000-2006年小幅度增加，2006年以后呈下降的趨勢，2010-2015的變化量最大，達到2.18696km。河流的曲折系數呈先平穩再下降的趨勢，2000-2006年穩定在1.82， 2010-2015的變化量最大，達到0.03。

（二）岸線信息變化研究

對布爾哈通河的岸線長度信息統計分析結果如表4所不。

由數據統計可知，布爾哈通河岸線長度右岸長于左岸，且左岸的岸線長度的增減變化與右岸的岸線長度的增減變化趨勢總體一致，但在不同的年份，兩岸的變化程度不同。從年紀變化來看，近20年來，兩側的岸線長度總體減少，其中，右側的岸線長度較少的幅度更大，達到4.318161km;從變遷率來看，2000-2006年兩岸的變遷率均為正值，左岸變遷率的變化幅度在2010-2015達到最大，而右岸變遷率的變化幅度在2006-2010達到最大;從變遷速度來看，左岸的變遷速度的變化幅度均在2010-2015年達到最大，右岸的變遷速度的變化幅度均在2006-2010年達到最大，變化程度高于其他兩個階段。對比左、右兩岸的變化速度，右岸的變化速度大于左岸。

四、討論影響變遷的因素

引起這些變遷的因子主要包括自然因子和人為因子。通過實地考察和總結其他學者經驗發現，引起界河變遷的自然因子主要包括地形海拔，氣候條件，以及河流自身因素;引起界河變遷的人為因子主要包括土地利用變化，河岸堤壩修建，對水域資源開發等。下面本文將對逐個影響因子進行分析。

（一）自然因素

1.高程分析

研究區地勢西高東低，高程差為651m，上游位于安圖縣內，此段多山地分布，海拔較高，河流下切形成河谷。海拔最高處位于哈爾巴嶺，高程為692m。中游位于延吉市內，受護岸工程影響，河道彎曲度較小;下游地區與海蘭江和嘎呀河交匯，海拔最低，最低高程僅41m，河道彎曲分布于河谷之中，河道彎曲度較大，河流的側蝕和堆積作用發生在此段。（見圖1）

2.氣象因素

本文考慮布爾哈通河所處地理位置的特點，選取降水量與溫度作對河道變遷產生影響的氣象因素進行分析，河流的水源主要來自氣候降水，包括降雨、地下水的補給和冰雪的消融等。以年降水量400mm分界，可以把河流分為東南流水作用區和西北風沙作用區，布爾哈通河地區年降水量均大于400mm，應劃分到東南流水作用區。以0℃和16℃的年平均氣溫分界，可以把河流劃分為多年凍土的凍融作用區，季節凍融作用區和非凍融區，布爾哈通河地區處于季節凍融區，在冬春季節，地表結冰，地表徑流和地下徑流的交換有所減弱，河流中水沙的運移和河床的變形都會受到溫度不同程度的影響。因此，本文選取了由中國氣象數據共享平臺下載的延吉市1999-2016年的氣象資料，研究氣溫和降水對界河變遷的關系。（見圖2）

根據布爾哈通河地區年平均降水量數據，布爾哈通河四個時期的降水平均趨勢是“減一增”。具體分析遙感影像所選年份，大致呈先減少后增加的趨勢，其中2000年降水量達到852.5mm，是所選年段內的最高值，這可能與極端天氣有關。2005、2010.2015三個年份的降水量呈增長趨勢。

根據布爾哈通河地區年平均氣溫數據，該地區四個時期的氣溫趨勢是“增一減”。具體分析遙感影像所選年份，大致呈增加的趨勢，其中2015年氣溫達到6.6℃，是所選年段內的最高值，2010-2015年期間的氣溫變化量比較大，達到1.1℃。

綜上所述，降水量的差異影響了河流面積和河岸寬度的變化。降水量增加，河流的流量也增加，使河流面積增加、河岸寬度增加，進一步影響河道的變遷。1996-2000年時期的降水量較大，2000年遙感影像卜所反映的河流面積和河道寬度較大。溫度變化也在一定程度上影響了河岸岸線的長度、變遷率以及變遷速度的變化。分析原因，由于布爾哈通河地區處于季節性凍土區，溫度升高，導致地下凍土消融，增大河流的水量，隨著水量的增大，河流所裹挾的沙量也會隨之增加，導致河流的淤積量增大，從而影響河道的變遷。

3.河流自身因素

河流本身的條件同樣會對其變遷造成一定的影響，如河床的巖性及河床巖石的可侵蝕性等特性與河流泥沙及河岸侵蝕等變化關系密切，河道類型同樣會對河流變遷造成影響。

根據朱風禧的實地勘探結果，布爾哈通河河谷兩側巖性為灰黃色、灰色含礫砂巖、粉砂巖與棕褐色、灰色泥巖，河床主要由松散堆積物和軟弱一中硬巖構成，一般巖體越松散軟弱，河床越不穩定。此外，河床底層為強風化層和中等風化層巖石，巖石結構大部分破壞、裂隙發育、等粒結構，塊狀構造，因此容易受到侵蝕[8]。

一般來說，彎曲河道的變遷強度應該大于順直河道，因為河流的側蝕作用是產生岸線變遷的主要外營力，側蝕作用主要發生在河道彎曲處。發生在河道彎曲處的橫向環流，不斷地對凹岸進行侵蝕，從凹岸侵蝕下來的泥沙被帶到凸岸沉積。雖然護岸工程對布爾哈通河河道彎曲度有一定影響，但是河谷很深，水流湍急，還是會發生下蝕作用。

（二）人為因素

1.土地利用

利用四期遙感影像使用監督分類對于布爾哈通河進行土地利用分類，獲取四期遙感影像分類圖。采用生成隨機點評價解譯精度，經檢驗，四期土地利用分類圖精度均達到90%以上，滿足分類精度要求。通過遙感解譯，獲取了布爾哈通河的4個時期的土地利用遙感解譯圖。

由表5，布爾哈通河兩岸主要分布著早田、水田、建筑用地和林地，旱田、林地的面積皇增加趨勢，建筑用地和未利用地呈減小趨勢。林地主要分布在上游地區，具有一定的生態作用，可以涵養水源。但是近些年來，沿河居民開發未利用士地為早田，將水田改為旱田，會人為修改河道;同時種植作物改變，也會影響水流速度，降低河流侵蝕的能力，使河道發生變化。這種土地利用結構的變化，增加了水土流失的可能性。

2.護岸工程

護岸工程是指為防止河流側向侵蝕以及因河道局部沖刷而導致的河岸坍塌等災害而使主流線偏離被沖刷地段的保護工程。

2012年5月，龍井市布爾哈通河防護工程建設管理處公開招標“布爾哈通河干流龍井市老頭溝鎮防洪工程，，，工程防洪標準為20年一遇洪水標準，建設等級為IV等，建設護岸長2130米，主要有基礎漿砌石、土方開挖、土方填筑、砼護坡等。

2015年7月，龍井市布爾哈通河防護建設管理處公開招標，“嘎呀河治理工程（含布爾哈通河）龍井市老頭溝鎮下段廉明鐵路橋—泗水橋段左岸工程”，本次工程位于龍井市市內，護岸長2609米，混凝土角槽、雷諾護墊護坡等。

由表3，2015年的河流面積、平均岸線、平均寬度和曲折系數等數值均減小，因此，護岸工程對河道變遷的影響十分顯著。

五、結論

（1）在研究的時間范圍內，布爾哈通河的河流面積、平均寬度均呈現“減一增一減”的趨勢;布爾哈通河岸線長度右岸長于左岸，且左岸的岸線長度的增減變化趨勢與右岸總體一致，均呈現“增一減”的趨勢;河流的曲折系數呈先平穩再下降的趨勢。

（2）降水量的增加以及氣溫升高引起的動土消融導致河流流量增大，使河流面積、河岸寬度增加，從而影響河道的變遷;彎曲河道的側蝕作用也對河流變遷造成影響。兩岸土地利用類型中，旱田和林地增加，水田和未利用地減少，人為因素導致的河岸土地利用結構的變化大大增加了水土流失的可能。護岸工程的實施改變了河流兩岸自然的構造，對河道變遷的作用明顯，對河流的防洪、治理工作起到重要意義。

參考文獻：

[1]劉偉，現代黃河三角洲演變及其對土地利用景觀格局的影響[D].山東師范大學，2015.

[2]王文種，劉九夫.遙感技術在全國第一次河流湖泊普查中的應用[J].中國科學，2011（41）：177-186.

[3]慎利，唐宏，王世東，張露.結合空間像素模板和Adaboost算法的高分辮率遙感影像河流提取[J].測繪學報，2013，42：344-350.

[4]黃河，利用遺傳算法實現不同遙感影像的河道信息自動提取[J].計算機系統應用，24（2）：140-145.

[5]梁文瓊，趙志芳，田淑芳，等，基于RapidEye瀾滄江西雙版納段河流淤積變化信息[J].云南地質，2013。32：68-71.

[6]陳文濤.基于遙感技術的地表水系信息提取研究[J].北京測繪，2013（4）：54-56.

[7]趙水霞，基于3S技術的黃河內蒙古段河道演變特性分析[J].1006 7647.2016.04.013.

[8]朱風禧，斜坡場地巖土工程勘察實例分析與評價[J]，城市建設理論研究（電子版），2013（22）.

作者簡介：王晴宇（1999-），女，吉林白山人，延邊大學地理與海洋科學學院地理信息科學專業在讀學士。