近30年岱海湖泊面積變化遙感監測及驅動力分析

孟慶吉 高戰武 吳海曼 耿忌非 范春燕 劉金霖 鄢上欽

摘 要：岱海處于農牧交錯地帶，生態環境較為脆弱，湖泊的變化易受自然和人為因素的影響。該研究以Landsat遙感影像為數據源，以岱海為研究區，運用歸一化水體指數，分析了1990—2020年岱海湖泊面積的變化狀況，并探討了產生變化的驅動力因素。結果表明，1990—2020年岱海湖泊面積呈持續減小態勢，其中1990—1999年湖泊面積萎縮最為顯著，縮減面積達25.05km2。岱海湖泊面積縮減的自然因素為多年來降水量減少和氣溫升高導致的蒸發量增大，致使入湖水量不斷減少;人為因素為人類活動對自然環境干擾程度的加深，以及經濟的發展使得需水量增加，對湖泊面積造成了巨大影響。

關鍵詞：岱海;湖泊;歸一化水體指數;遙感;監測

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）24-0106-04

Remote Sensing Monitoring and Driving Force Analysis of Daihai Lake Area Change in the Past 30 Years

MENG Qingji1 et al.

（1Baicheng Teachers College， Baicheng 137000， China）

Abstract： Daihai is located in the agricultural and pastoral transition zone， the ecological environment is relatively fragile， and the changes of the lake are easily affected by natural and human factors. Therefore， this paper uses Landsat remote sensing image as the data source， Daihai as the research area， and uses the normalized water body Index to analyze the changes in the area of Daihai Lake from 1990 to 2020， and explore the driving forces for the changes. Studies have shown that the area of Daihai lakes has continued to decrease from 1990 to 2020. The area of lakes has shrunk most significantly from 1990 to 1999， with a reduced area of 25.05 km2. The natural factors for the reduction in the area of Daihai Lake are the increase in evaporation caused by the decrease in precipitation and the increase in temperature over the years， resulting in the continuous decrease of the amount of water entering the lake; the human factors are the deepening of the interference of human activities on the natural environment， and the economic Development has increased water demand and has had a huge impact on the area of the lake.

Key words： Daihai; Lake; Normalized water index; Remote sensing; Monitoring

湖泊作為地表水生生態系統的重要組成部分，在調節河川徑流、發展灌溉、提供工業和飲用的水源等方面發揮著重要的作用[1]。對湖泊的開發和利用需要持有可持續發展的理念，尤其是對于處于農牧交錯地帶的湖泊，更加需要關注對其合理利用。

近些年來，學者們應用遙感技術對湖泊的變化進行了大量的研究。研究表明，2000—2018年期間，岱海湖泊面積持續縮減且多轉化為內陸灘涂和沼澤草地[2];運用人工目視解譯方法，分析得出1976—2015年岱海湖面持續萎縮，其中1995—2000年湖面萎縮最顯著[3];通過對近50年數據進行分析得出，岱海湖泊面積不斷縮小且礦化度升高較快[4];受自然和人為因素的影響，2002—2012年岱海面積持續減小，其重心逐漸向偏北方向移動[5];1989—2018年期間岱海湖面面積呈現為遞減趨勢，其中人類活動是其變化的主要原因[6]。

以上學者雖然對岱海湖泊變化做出了一定的研究，但對湖泊變化原因的分析還不夠細致。鑒于此，本研究以Landsat遙感影像為數據源，以岱海為研究區，利用歸一化水體指數作為研究方法，分析了1990—2020年岱海湖泊面積變化狀況，研究影響變化的驅動因素，以期為岱海湖泊的保護提供科學依據。

1 研究區概況

岱海位于內蒙古自治區烏蘭察布市涼城縣東北部，為內陸封閉型微咸湖泊，是內蒙古第三大內陸湖。岱海整體呈長橢圓形，為東北-西南走向，湖泊面積約70km2，平均水深9m。該地地處我國季風區和非季風區交界地帶，屬農牧交錯帶，即生態環境脆弱地帶，年降水量在204～547mm，降水主要集中在夏季且多暴雨，多年平均氣溫為5.2℃，多年平均蒸發量1938mm。湖泊水量補給主要來源于弓壩河、五號河、目花河和天成河等河流[7]，水生生物及植物種類豐富多樣。近些年來，受到自然因素變化和人類活動加劇的雙重干擾，致使湖區面積持續萎縮、濕地嚴重退化、生態環境變得更加脆弱。2000年、2002年，岱海濕地和岱海分別被評為我國重要濕地和自治區級自然保護區[8]，整體受保護程度逐漸提高，2016年以來更是對岱海流域進行了綜合治理。

2 岱海水體提取

2.1 遙感數據 本研究根據研究區的實際情況，考慮水體自身的特性，并依據遙感影像的空間分辨率、時間分辨率等特征，最終選擇由美國航空航天局（NASA）發射的Landsat系列衛星作為數據源，分別選取1990年、1999年和2010年的Landsat TM數據以及2020年的Landsat ETM+數據，分辨率均為30m，共4景。

2.2 水體信息提取方法 提取水體的方法有很多[9]，通過對本研究區水體的不同水體提取方法的試驗后，選擇了歸一化水體指數（NDWI）[10]、閾值法[11]和決策樹法3種方法相結合的方式來提取水體，其中，歸一化水體指數是應用范圍較廣且經多次試驗后認為適合本研究區的水體指數，能夠最大限度地區分遙感影像中的水體和非水體信息，但是如何細致的將水體信息提取出，這就需要將決策樹法和閾值法相結合并作用到經NDWI處理后的結果之上，并通過調控閾值范圍來最大限度地將水體信息提取出來。水提信息提取的具體步驟如下所示，首先在Envi軟件中進行波段運算（Band Math）并插入NDWI計算公式，分別選取第2和第4波段進行計算，在得到水體提取結果后，再通過多次比較和目視判讀的方法來進一步確定提取水體的閾值，使閾值提取的湖泊范圍和目視判讀的范圍一致;然后通過建立新的決策樹，并輸入相關閾值數值來提取湖泊的范圍，其中4期影像的閾值分別設定為0.07、0.11、0.07和0.12（見圖1）。NDWI的公式如下所示：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

式中：Green波段代表綠光波段，即TM和ETM+中的第2波段;NIR波段代表近紅外波段，即TM和ETM+中的第4波段。

2.3 處理過程 首先，對遙感影像進行預處理;其次，在Envi中應用相應的水體信息提取方法將正確的水體范圍提取出來;再次，將提取的范圍在Envi中轉化成矢量文件，并將矢量文件在Arcgis中打開并計算湖泊面積。

3 結果與分析

3.1 面積變化 從表1、圖2和圖3可以看出，1990—2020年岱海湖泊面積呈持續縮減態勢，由1990年的114.23km2減少到2020年的57.93km2，平均每年減少1.88km2，且湖泊縮減面積最大的部分為湖泊的西南和南部，北部縮減面積最小。其中，1990—1999年湖泊面積縮減25.05km2，平均每年縮減2.78km2，縮減率為21.93%;1999—2010年湖泊面積縮減20.99km2，平均每年縮減1.91km2，占湖泊面積的23.54%;2010—2020年湖泊面積縮減10.26km2，平均每年縮減1.03km2，占湖泊面積的15.05%，此時段面積縮減速度明顯下降。湖泊面積的持續減少，表明岱海流域范圍內生態環境的脆弱程度正逐漸增大、抗干擾能力在逐漸減弱。

3.2 驅動力因素分析

3.2.1 自然因素 從圖4可以看出，1990—2019年岱海年降水量呈微弱下降態勢，多年平均值為363.56mm，降水量年際變化較大且極不穩定，29年間降水量的最大值出現在2012年為547.7mm、最小值出現在1997年為204mm。從圖5可以看出，1990—2019年岱海多年平均氣溫呈增長態勢，氣溫多年平均值為5.05℃，90年代氣溫增長較快且波動性較大，氣溫多年平均值為4.89℃;2000年以后氣溫繼續增長，但整體較為平穩，氣溫多年平均值為5.1℃;2010年以后氣溫持續增長，但波動性較大，氣溫多年平均值為5.17℃，每個時段的氣溫平均值在增長。從圖6可以看出，1990—2019年岱海相對濕度呈減少態勢且下降幅度較大，多年平均相對濕度為51.28%。研究區的氣溫持續升高導致蒸發量逐漸增大，加之降水量的不斷減少，使得岱海的水量補給量減少，補給來源受到威脅，從而致使湖泊進一步萎縮，同時導致研究區的空氣相對濕度逐漸降低，生態系統變得更加脆弱。

3.2.2 人為因素 人類活動進一步加劇了湖泊退化的速度，本研究在分析人類活動對湖泊面積變化的影響方面，主要選取耕地面積、工農業生產總值和人口數量等3個指標來進行分析。研究區耕地面積由1990年的81240hm2變為2019年的74810hm2，最大值出現在1999年為95720hm2，耕地面積在1990—1999年的快速增長與湖泊縮減速度最快的時間相吻合，表明耕地面積擴大與湖泊面積縮小有很大的關系。工農業生產總值由1990年的1.41億元變為2019年的48.3億元，經濟的持續發展必然會消耗大量的水資源，使得處于半干旱地區的岱海水源補給量逐漸減少，致使研究區內更加干旱、生態壓力增大。涼城縣人口數量在1990—2019年期間的變化幅度較小，由23.62萬人變為23.25萬人，雖然人口數量變化不大，但隨著人類生產技術的提高，單位經濟生產所消耗的資源也在增加，使得對生態環境的干預能力和影響層次持續加深，從而導致對岱海流域的影響程度不斷加強，研究區的生態環境變得更加破碎，整體的抗干擾能力減弱。

4 結論

1990—2020年岱海湖泊面積呈持續縮減態勢，1990—1999年湖泊面積縮減25.05km2，縮減率為21.93%;1999—2010年和2010—2020年湖泊面積分別縮減20.99km2、10.26km2。湖泊面積的持續縮小，表明研究區生態環境變得更加脆弱，且抗干擾能力減弱。

湖泊面積變化受自然因素和人類活動的共同影響。自然因素方面，氣溫的逐漸升高導致蒸發量增大，多年來降水量的減少導致湖泊的水源補給量在減少，兩者共同的作用使得岱海的湖泊面積受到了一定程度的影響。人為因素方面，隨著人類活動對自然環境干擾程度的加深以及經濟的發展，使得各方面的需水量顯著增加，從而增加了人類活動對湖泊面積變化的影響程度。

參考文獻

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（責編：張宏民）