基于Landsat遙感數據的洞庭湖面積變化研究

王威 隋兵 林南 陳太龍

（1 氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；2 湖南省岳陽市氣象局， 岳陽 414000）

0 引言

水體尤其是大型湖泊具有調節氣候、含蓄水源的作用，隨著全球氣候變化和人類活動的影響，湖泊生態環境發生了巨大的變化，這些變化影響著全球淡水資源的分布，甚而影響區域的可持續發展[1]。衛星遙感技術為大尺度的水文監測提供了強有力的手段，研究者借助遙感資料對湖泊面積的變化開展了很多研究。梁丁丁[2]、閭利等[3]利用Landsat影像分析了青藏高原湖泊面積變化。徐浩杰等[4]利用Landsat、MODIS、NOAA/AVHRR數據，分析了近30年柴達木盆地湖泊面積的變化及其對氣候變化的響應關系。

洞庭湖是長江中下游最大的調蓄湖泊，我國第二大淡水湖泊，它的存在對調節湖區周邊氣候具有重要的作用。目前洞庭湖由于受氣候的變化和人類因素的影響，湖泊面積呈現萎縮的趨勢。據湖南省水電勘測設計院測算，1949年洞庭湖湖泊面積為4300 km2，1983年減至2691 km2，到20世紀90年代末，面積僅為2579.2 km2[5]。崔亮等[6]通過分析1993—2010年洞庭湖水體面積動態變化，發現18年間湖面積萎縮嚴重，秋季平水期萎縮比例少于40%。田偉國等[7]、王慧等[8]發現除受氣候影像以外，三峽大壩的建立對洞庭湖面積變化影響也很大。這些研究借助的手段均比較粗略，遙感影像大多采用分辨率較低的MODIS數據，利用較高空間分辨率分析洞庭湖面積的研究相對而言較少。為了更精確地分析洞庭湖面積的變化情況，需要借助更高分辨率的遙感影像，本文利用Landsat TM/OLI數據研究洞庭湖面積的變化。

1 研究區概況

洞庭湖位于長江中下游，北接長江，西南面與湘、資、沅、澧四水相通，跨岳陽、常德、益陽三市[9]。洞庭湖主體大致可分為東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖三部分，湖體之間通過星羅密布的河網和洪道相連。洞庭湖屬于季節性湖泊，水位始漲于4月，7—8月最高，11月—翌年3月為枯水期。多年最大水位變幅，岳陽達17.76 m。素有“洪水一大片，枯水幾條線”“霜落洞庭干”之說。洞庭湖水體面積經歷了“擴張—萎縮—擴張—萎縮”的發展階段，在鼎盛時期洞庭湖曾號稱“八百里洞庭”，在近一百年內，由于人為和政策的原因，湖泊萎縮速度加劇。人類過度的干預導致洞庭湖區域洪災泛濫，尤其在經歷了1996、1998、1999年連續幾次大水災之后，洞庭湖進入了新的歷史時期，以水利建設為重點的洞庭湖治理工程相繼開展，其中尤以三峽水利工程影響最大，三峽大壩建成后，洞庭湖防洪壓力減輕，但與此同時大壩的建成也對洞庭湖水體面積變化產生了巨大影響。

2 數據來源與方法

2.1 Landsat 數據

遙感數據選取的是Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI數據，本研究使用波段的空間分辨率皆為30 m。由于豐水期（4—10月）和枯水期（11月—次年3月）的洞庭湖面積差異巨大，枯水期面積較穩定，豐水期更能體現洞庭湖面積變化趨勢，因此，本文選用1993—2017年4—10月的Landsat影像進行分析，每期影像由軌道號123/40、124/40兩幅影像經過校正、拼接而成。表1為本文所使用遙感數據詳細信息。

2.2 湖泊面積提取方法

本研究利用遙感影像提取湖泊面積的方法包括單波段閾值分析法、植被指數法、多波段譜間關系法、目視解譯法等[4]。其中，單波段閾值分析法，主要利用對水體界限反映較敏感的近紅外波段提取水體面積[10]；植被指數法分別基于歸一化植被指數（NDVI）、歸一化水體指數（NDWI），該類方法考慮水體在不同波段不同的透射性和吸收量，并利用波段數值差和數值和的比值作為水體的判識依據；多波段譜間關系法，利用水體獨特的譜間關系來提取水體的面積，本研究使用水體指數（WRI）法。各指數的具體計算公式可參考文獻[4, 10-11]。

借助上述方法對2017年豐水期的洞庭湖水體面積進行提取（圖1和圖2），5種提取水體方法均能成功提取出洞庭湖水體面積。單波段法在提取水體時需根據水體在影像中呈現的波段特征進行反復試驗，本試驗中閾值T=7200，但該方法水體信息缺失率較高。多波段譜間關系法雖然克服了利用單波段提取水體信息時造成的缺失問題，但將水田、陰影等誤判為水體的概率較高。植被指數法和歸一化植被指數法較單波段法和多波段譜間關系法誤判率較低。其中，歸一化植被指數能較準確的識別水體，但其在地物復雜地段，尤其是水體、水田、裸露灘地共存的部分，該方法也很難將水體區分，因此需要借助目視解譯法，利用豐富的專業知識從復雜地物中提取出水體。

3 結果與分析

3.1 年內湖泊面積變化

Landsat衛星重訪期為16 d，且易受云霧干擾，因此本文僅以2017年豐水期和枯水期來分析年內湖泊面積變化情況。豐水期采用2017年7月的兩幅影像、枯水期采用2017年12月的兩幅影像。分析可知，2017年豐水期洞庭湖面積約為1920 km2，枯水期面積約為607 km2，兩者相差1313 km2。洞庭湖2017年湖泊面積變化如圖3所示，可見洞庭湖湖泊面積變化受季節影響很大。在豐水期湖體豐滿、接聯成片，在枯水期湖體枯瘦、似斷似聯，這種變化與洞庭湖區域汛期和非汛期時間變化相吻合。豐水期正直洞庭湖區域雨季，全年80%以上降水集中于該時期，其次泗水及長江上游來水也多集中于該時期；枯水期恰逢湖區的非汛期，降水量減少，三峽大壩此時也處于蓄水期，導致上游來水減少，使得湖泊面積減小，因此也造就了洞庭湖“洪水一大片，枯水幾條線”的奇異景象。

表1 遙感影像詳細信息Table 1 Details of remote sensing images

圖1 利用不同方法提取的2017年豐水期洞庭湖面積Fig. 1 Dongting Lake area extracted by different methods in 2017

圖2 不同方法提取的洞庭湖水體局部對比Fig. 2 Local comparison of DDongting Lake extracted by different methods

3.2 年際湖泊面積變化

研究[7]表明，洞庭湖枯水期水體面積較穩定，豐水期水體面積年際變化比較明顯。因此，選取1994—2017年豐水期的Landsat影像分析洞庭湖水體面積年際變化。本文提取的洞庭湖水體僅為東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖和南湖部分水體。結果顯示（圖4和表2）：洞庭湖水體面積在1996年最大（2438 km2），其次是1998年（2285 km2）、2016年（2025 km2）。洞庭湖水體面積最小的3年均在2000年后，分別是2013年（1054 km2）、2011年（1217 km2）和2006年（1342 km2）。

圖3 2017年洞庭湖枯水期（a）和豐水期（b）水體面積對比Fig. 3 Comparison of water area in Dongting Lake during between the dry season (a) and the wet season (b) in 2017

圖4 1994—2017年洞庭湖面積年際變化Fig. 4 Area changes of Dongting Lake from 1994 to 2017

表2 不同遙感影像提取的洞庭湖水體面積對比（單位：km2）Table 2 Comparisons of Dongting Lake area extracted by different remote sensing images (unit: km2)

為驗證利用NDWI加目視解譯法提取Landsat影像中洞庭湖水體面積的可信度，本研究對比分析了以往利用不同遙感影像提取洞庭湖面積[12]與本文的差別，對比結果如表2所示，可以發現，本文提取的洞庭湖水體面積除1995年超過風云衛星提取的水體面積最大值外，其他年份提取的水體面積均在年最大面積和年最小面積范圍之內，說明利用NDWI加目視解譯提取Landsat中洞庭湖水體面積方法較為可靠。

3.3 年代際湖泊面積變化

表3給出了不同時期洞庭湖湖泊面積變化趨勢，其中，20世紀90年代的面積變化基于1998年與1994年的差值； 21世紀00年代的基于21世紀00年代與20世紀90年代的差值； 2010年以來與21世紀00年代的算法相同。20世紀90年代平均擴展面積為20世紀90年代面積變化值的平均值，參與計算的年份為1994、1995、1996和1998年；21世紀00年代與2010年以來的算法相同，其中21世紀00年代參與計算的年份為2000、2006和2007年，2010年以來參與計算的年份為2011、2013、2014、2016和2017年。由表3可知，1994—2017年，洞庭湖經歷了擴張—萎縮的變化過程。20世紀90年代洞庭湖呈擴張趨勢，2000年以后，湖面呈萎縮趨勢，21世紀00年代相較20世紀90年代湖泊面積縮小452 km2，2010年以來洞庭湖湖泊面積縮小40 km2。

表3 不同時期洞庭湖湖泊面積變化趨勢Table 3 Trend in Dongting Lake area between different periods

4 結論

利用5種不同水體提取方法，對 Landsat 影像中的洞庭湖面積進行了提取，分析了不同方法的優劣，并選擇NDVI加目視解譯的方式對1994—2017年間洞庭湖水體面積進行提取。結果表明：

1）單一的提取水體的方法在提取Landsat影像中的洞庭湖水體時均存在較大的誤差，選用NDVI結合目視解譯的提取方法能較準確地從復雜地物中識別出水體。

2）洞庭湖水體面積年內變化明顯，2017年洞庭湖豐水期與枯水期面積相差1313 km2。在豐水期湖體豐滿、接聯成片，在枯水期湖體枯瘦、似斷似聯。

3）洞庭湖水體面積在1996年最大（2438 km2），其次是1998年（2285 km2），2016年（2025 km2）位列第三。洞庭湖水體面積最小的3年均在2000年后，分別是2013年（1054 km2）、2011年（1217 km2）和2006年（1342 km2）。

4）1994—2017年洞庭湖湖體經歷了擴張—萎縮的變化過程，20世紀90年代洞庭湖呈擴張趨勢，2000年以后，湖面呈萎縮趨勢，21世紀00年代相較20世紀90年代湖泊面積縮小452 km2，2010年以來相較21世紀00年代洞庭湖湖泊面積縮小40 km2。