基于Google Earth Engine的湖北省近35年地表水變化特征研究

閆少鋒，熊 瑤，李文豪

（1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢430064；2.長江勘測設計研究院，武漢430010；3.天門市水文水資源勘測局，湖北天門431700）

0 引 言

湖北省位于中國中部地區，境內湖泊星羅棋布，素有“千湖之省”的美譽，長江、漢江兩大河流從境內穿過，區內降水充沛，客水豐富，水資源條件較好。

進入21世紀后，隨著國家對中部地區經濟發展的重視，中部地區的經濟發展速度逐漸加快，導致用水需求量的激增，加之三峽水庫運行和南水北調中線調水等工程的影響，使得湖北省水資源情勢受到了極大的影響。除此之外，人類活動對江河湖庫干擾的加劇，導致地表水覆蓋情況變化明顯。2000年后，湖北省內河流斷流、湖泊面積萎縮現象愈加明顯，地表水面臨問題越來越嚴重。目前對于湖北省地表水的研究主要側重于生態系統及濕地植被等方面，對湖北省地表水現狀變化研究較少，同時受涉及范圍廣，統計難度大等因素的影響，無論從空間尺度或是時序來看，未能做到全覆蓋，既不夠系統也不夠精細［1-10］。因此，要開展湖北省地表水覆蓋變化特征研究，獲取地表水全方位的特征信息極其重要，而傳統手段獲取的地表水特征信息不夠全面，往往造成水體分布數據信息統計不夠全面，特別是在地表水的長時間序列的變化方面。

隨著遙感技術的發展和逐漸成熟，其宏觀、實時的特點使得研究大尺度、長時間序列的地表水時空分布更加便捷，因此利用遙感研究湖北省范圍內地表水的時空變化特征可以更加簡便、準確。谷歌地球引擎（Google Earth Engine，簡稱GEE）平臺不僅擁有大量的歷史遙感影像數據存檔而且是高性能并行運算的云服務平臺，研究人員可以通過隨時訪問網絡的API（Application Programing Interface）和基于Web 的交互式開發環境實現對云端海量數據的訪問、操作以及結果可視化等。憑借此優勢，谷歌地球引擎已被廣泛應用于數據融合、多時相影像分類、變化檢測、土地覆蓋與土地利用動態監測等方面［11-16］?；贕EE 平臺，使用Landsat 影像合成數據，對湖北省1984-2015年與1984-2018年的地表水覆蓋變化特征進行監測和評價，旨在揭示該地區的地表水覆蓋時空變化特征，為該地區河湖保護提供科學依據和技術支持，促進該地區經濟、社會、水資源的可持續發展。

1 研究區域以及數據資料

1.1 研究區域

湖北?。?9°01′N～33°6′N、108°21′E～116°07′E）位于中國中部地區，總面積18.59 萬km2，其中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區占20%。省內地勢海拔相差懸殊，介于0～3 105 m 之間。湖北省歷來為水利大省，境內河湖眾多，除長江、漢江外，省內各級河流河長5 km 以上的有4 228 條，現存湖泊755 個，地表水水面面積下降幅度明顯［17-19］。全省除高山地區外，大部分為亞熱帶季風性濕潤氣候，降水充沛，平均降水量在800～1 600 mm之間，降水量的季節變化明顯，夏季最多，冬季最少［20］。年平均氣溫介于15～17 ℃之間。

1.2 Google Earth Engine平臺簡介

Google Earth Engine，又稱谷歌地球引擎，是基于云計算的地理信息處理平臺［21，22］。谷歌地球引擎是世界上最先進的、專門處理衛星圖像和其他地球觀測數據的云端運算平臺，由谷歌、卡內基梅隆大學、美國地質調查局聯合開發。該平臺存儲了公開可用的全球尺度上的長時間序列的遙感影像（Landsat、MODIS、Sentinel 等）和其他數據的PB 級存檔，并且數據不斷更新。谷歌地球引擎支持復雜的地理空間分析，包括疊加、地圖代數、數組運算、影像處理、分類、變化檢測、時間序列分析、影像拼接、柵格矢量轉換、基于矢量的圖像統計提取等。相比傳統方法，谷歌地球引擎易于使用和降低了使用成本，提高了地理空間數據的計算效率，可更加便捷的開展大尺度空間分析研究［23］。借由該平臺開展湖北省地表水變化研究，不僅較為便利的開展大覆蓋范圍研究，同時還提高了研究精度，研究結果更加可靠。

1.3 數據來源

研究過程中，所有遙感數據均通過谷歌地球引擎平臺在線調用、處理。本研究的數據為谷歌地球引擎平臺分別利用1984-2015年、1984-2018年期間的300 余萬、380 余萬張30 m分辨率的Landsat 遙感影像制作的全球地表水面積變化數據集（Global Surface Water）。平臺使用專家系統將每個像素單獨劃分為水體覆蓋/非水體覆蓋，并將結果整理為2000年為界限（1984-1999年、2000-2015年與1984-1999年、2000-2018年）劃分為不同時間段。數據集包含地表水覆蓋面積的時間、空間的變化，如地表水的歷史覆蓋情況、覆蓋面積增減情況、覆蓋形式的相互轉換以及其季節性、持續性變化特征等數據［24］。

2 結果分析

分別利用1984-2015年、1984-2018年兩組Global Surface Water 數據集中的occurrence、change_abs、transition、seasonality等數據，對湖北省地表水覆蓋變化特征進行分析。

2.1 湖北省地表水變化情況分析

2.1.1 地表水覆蓋頻率及面積

圖1為1984-2018年期間區域地表水歷史覆蓋面積的變化情況，不同顏色代表不同的地表水覆蓋頻率，即某區域被地表水覆蓋的年數與總年數（1984-2018年，共計35年）相除的比值（例如，某區域地表水覆蓋頻率值為100%則表示在1984-2018年的35年中始終有水覆蓋）。圖1中可見，顏色較深的區域主要為省內的大型河流、湖泊、水庫，如長江、漢江、長湖、洪湖、斧頭湖、梁子湖、丹江口水庫以及漳河水庫等。

圖1 地表水歷史覆蓋情況Fig.1 Historical surface water coverage

對湖北省地表水歷史覆蓋情況進行統計，如表1所示。表中可見，湖北省在過去35年中，地表水覆蓋頻率為1%～100%所涉及的總面積為13 837.1 km2，占湖北省國土面積的7.4%。其中，荊州市、武漢市、黃岡市、孝感市、荊門市以及襄陽市地表水覆蓋面積相對較大，分別為2 930.1、2 381.0、1 239.7、905.4、896.6 以及895.4 km2。統計地表水覆蓋率介于90%～100%之間的高覆蓋率面積，武漢市面積最大，達到了548.0 km2，其次為荊州市、黃石市、鄂州市以及黃石市，面積分別為415.5、217.0、209.5以及208.0 km2。

表1 1984-2018年地表水歷史覆蓋面積 km2Tab.1 Historical surface water coverage from 1984 to 2018

分析可見，在過去35年間，湖北省地表水覆蓋面積較大，地表水先天條件較好，水資源優勢明顯，尤其是武漢市、荊州市、黃石市等地區。

2.1.2 地表水覆蓋面積變化

圖2所示，湖北省地表水覆蓋面積變化情況，即省內不同區域在1984-1999年與2000-2018年兩個時間段之間的地表水覆蓋面積的增減情況。紅色、藍色區域分別表示地表水覆蓋面積呈減少、增加趨勢，綠色表示地表水覆蓋面積未發生變化。

圖2 1984-2018年地表水覆蓋面積變化百分比Fig.2 Percent change in surface water coverage in 1984-2018

分析發現：湖北省在過去幾十年中，多數湖泊、河流存在萎縮現象，白鷺湖、三湖、排湖等湖泊已基本消失、洪湖、梁子湖、斧頭湖、汈汊湖等湖泊面積萎縮明顯；另外，河流水文情勢變化導致水位下降，從而導致河流水面面積減少的現象也同樣存在。

統計1984-2015 與1984-2018 數據集中地表水覆蓋面積的減少、增加量，結果如表2所示。2000-2015年較1984-1999年地表水變化情況為：地表水面積減少2 922.1 km2，增加838.1 km2，總體上減少2 084 km2，宜昌市、恩施州地表水面積呈小幅度增加趨勢，其余行政區均表現為減少趨勢，其中荊州市、武漢市以及黃岡市地表水覆蓋面積減少趨勢最為明顯，減少量分別為468.9、388.6 和242.7 km2；2000-2018年較1984-1999年湖北省各行政區地表水變化情況為：地表水面積減少2 805.7 km2，增加919.1 km2，總體上減少1 886.5 km2，宜昌市、恩施州以及十堰市地表水面積呈小幅度增加趨勢，其余行政區均表現為減少趨勢，其中荊州市、武漢市以及襄陽市地表水覆蓋面積減少趨勢最為明顯，減少面積分別為450、364.8 和210.8 km2?；谝陨辖y計可知：在2016-2018年期間，湖北省地表水覆蓋面積呈增加趨勢，增加幅度為197.6 km2，其中有14個行政區呈增加趨勢，黃岡市面積增加46.1 km2，在所有行政區中增加幅度最大。孝感市、潛江市、天門市地表水面積呈持續減少趨勢，減少面積分別為39.5、35.5、12.1 km2，各行政區地表水面積變化情況詳見表2。

表2 湖北省各行政區地表水覆蓋面積變化情況 km2Tab.2 Variation of surface water coverage in each administrative region of Hubei province

綜上分析，在過去35年湖北省地表水面積呈減少趨勢的大背景下，部分行政區在近幾年呈現出地表水覆蓋面積增加的趨勢，其應該與退垸（田、漁）還湖的推進以及“共抓大保護，不搞大開發”政策的實施有關，以上行政區的工作是值得肯定與大范圍推行的。對荊州市、武漢市、襄陽市、孝感市、潛江市以及天門市等地表水覆蓋面積減少幅度較大或者在持續減少的行政區，宜進行重點關注以及加大水體保護工作力度。

2.1.3 地表水季節變化

圖3所示，為湖北省不同區域地表水覆蓋月數情況，圖中不同顏色代表了區域被地表水覆蓋的不同月數（不同月數的像元相互獨立，不累加，如水體覆蓋月數為1的像元不會被統計入覆蓋月數為2 的像元范圍內），顏色越深表示被地表水覆蓋月數越大。

對湖北省不同月數對應的地表水覆蓋面積進行統計，如表3所示。根據圖3、表3可見，在月數為1～11之間，地表水覆蓋月數為1 對應的面積最大，達到了1 285.6 km2，隨著月數的增大，對應的地表水覆蓋面積呈遞減趨勢，11月份達到最低，為0 km2。月數為12，即地表水覆蓋達到全年時長的面積為5 197.4 km2，面積占地達到了46.4%。以上統計分析可見，湖北省地表水達到全年覆蓋的面積僅不到50%，覆蓋月數為1 的地表水覆蓋面積占比為11.5%，省內地表水季節性覆蓋特征明顯。

圖3 地表水覆蓋月份數Fig.3 Coverage months of surface water

表3 不同地表水覆蓋月數對應面積Tab.3 The corresponding area of different months of surface water coverage

2.1.4 地表水覆蓋類型變化特征

圖4所示，為1984年與2018年土地覆蓋類型變化的分類情況，主要展示了無水覆蓋、季節性覆蓋以及永久性覆蓋3種狀態之間的相互轉變。

圖4 湖北省近35年水體變化情況Fig.4 Change of surface water in Hubei province in recent 35 years

表4分別統計了2015年、2018年相較1984年，地表水覆蓋面積變化情況。統計顯示，1984～2015年、1984-2018年期間，永久性覆蓋地表水總面積為3 691.6 km2與36 72.8 km2；新增永久性水面面積分別為692.0 km2與844.8 km2；消失的永久性水面分別為48.0 km2與35.8 km2，兩個時間段永久性水面統計數據相差不大；1984-2015年、1984-2018年期間，季節性覆蓋地表水總面積為3 030.2 km2與3 456.2 km2；新增季節性水面面積分別為4 276.4 km2與6 924.1 km2；消失的季節性水面分別為3 842.9 km2與2 674.8 km2，兩個時間段季節性水面統計數據相差較大。

表4 湖北省近35年地表水覆蓋面積變化統計Tab.4 Change statistics of surface water coverage in hubei province in recent 35 years

基于以上統計數據可見，永久性水面、新增永久性水面以及消失的永久性水面遠小于與之對應的季節性水面，新增、消失的季節性水面是反應洪澇災害的指標，可見湖北省受洪澇災害影響的嚴重性。對比2015年與2018年的數據顯示，在2016-2018年間，湖北省永久性水面面積呈小幅度增加趨勢，季節性水面面積均呈大幅度增加趨勢，其分別與退垸（田、漁）還湖工作的推進以及2016年“98+”大洪水有關。

2.2 典型湖泊地表水變化情況分析

由于湖北省湖泊眾多，無法一一展示，為了更加直觀的展示地表水覆蓋的變化情況，以具有代表性的汈汊湖、洪湖為例，展示1984-2018年近35年來汈汊湖、洪湖以及其周邊地表水歷史覆蓋、變化特征以及季節變化等情況，如圖5、圖6所示。

圖5 1984-2018年汈汊湖地表水變化情況Fig.5 The surface water change of Diaocha lake in 1984-2018

圖5（a）、圖6（a）所示為汈汊湖、洪湖地表水歷史覆蓋情況。統計顯示，汈汊湖、洪湖地表水歷史覆蓋面積為89.9 km2、350.9 km2，其中，如將歷史覆蓋為90%～100%的區間范圍定義為全時段覆蓋，汈汊湖全時段覆蓋面積占比為0，洪湖占比為62.7%?；谝陨辖y計可知，目前汈汊湖已基本無全時段覆蓋性水面，雖然洪湖還有較大面積的全時段覆蓋性水面，而同時也還應意識到被譽為“湖北之腎”的洪湖，有面積占比近40%的湖面為非全時段覆蓋性水面，湖面存在明顯退化的趨勢。

圖5（b）所示，在過去35年中，汈汊湖減少面積約為27.9 km2，增加面積為7.5 km2，總減少幅度為21.3%；圖6（b）所示，洪湖減少面積約為30.5 km2，增加面積為6.7 km2，總減少幅度為7.2%。同時還可以發現，汈汊湖上方的漢北河水面覆蓋面積減少明顯，部分河段斷流現象較為嚴重，洪湖右下方的長江雖無斷流現象，但是部分河道變窄現象明顯，同樣不容忽視。

圖5（c）、圖6（c）分別為汈汊湖、洪湖地表水不同覆蓋月數對應面積進行統計分析。圖中可見，汈汊湖地表水覆蓋月份主要以短期覆蓋為主，其原因主要與多年來人為影響下汈汊湖的地表覆蓋變化有關。自20世紀80年代起，汈汊湖由“汛期一片汪洋，汛后蘆叢草荒”的“河間洼地湖”逐漸轉變為封閉型淡水湖泊，隨著時間的推移，目前汈汊湖已經演變為以水產養殖為主、水面呈季節性變化的水體。對于汈汊湖來說，雖然其地表水覆蓋面積的季節性特點主要與人為活動有關，但是對汈汊湖為數不多的、覆蓋時長相對較大的水面的保護亦不能忽視，以及在退漁還湖的背景下，汈汊湖的保護宜重點考慮。洪湖在人類活動的影響下，約有20%的面積目前處于季節性有水的狀態，對于此類的保護不容忽視，以防湖泊面積萎縮程度增加。

圖5（d）、圖6（d）以及表5為汈汊湖、洪湖地表水覆蓋變化情況統計結果。表5中可見，汈汊湖地表水覆蓋主要以季節性水面為主，季節性水面面積為29.3 km2，2018年較1984年增加43.4 km2季節性水面；洪湖地表水覆蓋情況顯示，永久性水面、新增永久性水面占比約為77.5%，新增季節性水面占比約為18.0%，與前文分析結果一致。

圖6 1984-2018年洪湖地表水變化情況Fig.6 The surface water change of Diaocha lake in 1984-2018

表5 1984-2018年汈汊湖、洪湖地表水覆蓋變化Tab.5 Surface cover change of Diaocha lake and Honghu lake in 1984-2018

3 討論與結論

在早期的工業化、城市化進程中，因對湖泊保護不夠，導致湖泊數量銳減。隨著社會發展，人們對環境保護的認知程度提高，特別是大力倡導水生態文明建設以后，破解建設發展與湖泊保護的矛盾越來越受到公眾關注［25］。在過去幾十年來地表水覆蓋情況變化與近年來水資源大保護政策逐步推進的背景下，對湖北省地表水的歷史、現狀以及變化情況進行了分析，并對典型湖泊進行了專門分析，旨在對地表水多年變化情況做一些探索工作，以期通過以上分析為湖北省地表水研究提供支撐。

基于Google Earth Engine 對湖北省1984-2015年、1984-2018年的地表水變化情況進行了研究，主要結論如下。

（1）對湖北省地表水歷史覆蓋情況進行統計的結果顯示，在過去35年中，湖北省地表水歷史覆蓋面積較大，面積約為13 837.1 km2，占湖北省國土面積的7.4%。其中荊州市、武漢市、黃岡市、孝感市、荊門市以及襄陽市地表水覆蓋面積相對較大，分別為2 930.1、2 381.0、1 239.7、905.4、896.6以及895.4 km2。湖北省地表水先天條件較好，水資源優勢明顯。

（2）地表水覆蓋面積變化情況分析顯示，在過去35年中，湖北省地表水覆蓋面積減少1 886.5 km2，總體來說，面積減少幅度較大，湖北省湖泊萎縮、河流水面變窄現象明顯。在湖北省地表水面積總體減少的趨勢下，統計顯示，2016-2018年湖北省地表水面積增加幅度為197.6 km2，其原因應與退垸（田、漁）還湖的推進以及“共抓大保護，不搞大開發”政策的實施有關，在大保護的背景下，湖北省地表水覆蓋有向好趨勢。

（3）地表水季節性變化情況顯示，湖北省地表水覆蓋月數1～11間，月數為1的地表水覆蓋面積約為1 285.6 km2，隨著月數的增加地表水覆蓋面積呈逐級減小趨勢，覆蓋月數為11的地表水覆蓋面積為0 km2。覆蓋月數為12 個月的面積約為5 197.4 km2，占比約為46.4%，湖北省地表水季節性覆蓋特征明顯。

（4）地表水覆蓋類型的變化情況顯示，湖北省的永久性水面面積占比較小，新增、消失的季節性水面面積變化較大，其與一直以來湖北省受澇災影響嚴重有關。2016-2018年的地表水覆蓋類型變化顯示湖北省永久性面積呈小幅度增加趨勢，水生態文明保護與建設已初現成效。

（5）對典型湖泊汈汊湖、洪湖的分析結果顯示，其水面面積變化情況與湖北省地表水總體變化趨勢一致。不論是已經幾乎完全被人為干涉的汈汊湖，還是雖然還有較大水面面積，但是退化趨勢明顯的洪湖，抑或是湖北省的其他河流、湖泊，在歷史的進程中，不可避免地在人為、自然的影響下，面臨著各種威脅，出現萎縮、退化等問題。而2016-2018年的統計結果顯示，在水生態文明保護與建設的推動下，地表水覆蓋呈現向好趨勢。相信隨著河湖保護政策推行的逐步深入，未來必將實現“千湖之省，碧水長流”的美好愿景。

4 展 望

湖北省是水利大省，同時也是洪澇災害的重災區。在過去幾十年中，隨著社會經濟的發展、人類活動的影響，湖北省范圍內河流、湖泊被擠占現象嚴重，地表水面積萎縮破壞了原有河湖水系平衡，導致蓄水能力下降、洪水位不斷抬升、江湖關系改變等問題的出現，從而加重了防洪負擔。在極端氣候頻繁出現的影響下，防汛壓力變得越來越重。隨著經濟與社會發展水平的逐步提高，人們對防汛減災的要求越來越高，同時，在全面建設小康社會的新形勢下，防汛建設的經濟效益和社會效益顯得愈發突出。

在此背景下，本文開展的過去幾十年湖北省地表水面積變化、地表覆蓋類型變化等方面的研究，可以明確地表水面積變化規律，為防汛工作的開展提供技術支撐，保障湖北省經濟快速發展。在未來，將繼續深入開展此方面的研究，以期助力湖北省防汛建設和經濟發展。