基于遙感技術的太湖岸線提取及變化分析

熊華偉

（贛州市政公用投資控股集團有限公司，江西 贛州 341000）

湖泊的岸線特征是表征湖泊形態特征的一項重要內容，了解岸線變化對湖泊資源的開發與保護有著重要的意義。遙感技術因其大范圍、高效率、低成本等優勢，逐漸成為一種實現湖岸線提取及監測其動態變化的方式，克服了傳統湖岸線提取方法的時間周期長、勞動強度大等缺點[1]。本文基于遙感技術與 GIS 技術，提取了太湖2008 年、2010 年、2012年、2014 年、2016 年、2018 年共計6 個時期的海岸線，并對其面積、長度變化進行了分析。太湖岸線的變化，將有可能導致諸如岸線侵蝕等環境問題，應注意合理開發，利用岸線資源。

1 提取區域概況

太湖（119°52′32"E—120°36′10"E，30°55′40"N—31°32′58"N）位于長江三角洲南部，橫跨江蘇省和浙江省，為中國第三大淡水湖。太湖主要有61 條入出口河流，平均水位在3.0～3.5 m 之間，具有典型的淺水湖泊特征。太湖形似向西突出的新月，湖盆呈淺碟狀特征，湖底平坦，東北部湖岸線曲折，多見岬角與湖灣，西南部湖岸線平滑呈圓弧狀。同時，太湖是一個巨大的天然調節水庫，對周邊調蓄防洪、供水、灌溉、航運及繁衍水產等經濟社會活動具有重要作用[2]。

2 數據與處理

2.1 數據源及預處理

綜合考量遙感數據的云量、數據質量、太湖岸線變化狀況及數據可獲得性等因素，本次提取以兩年為間隔選取了由中國科學院對地觀測與數字地球科學中心和美國地球資源觀測與科學中心提供的2008 年、2010 年、2012 年、2014年、2016 年、2018 年共計6 景遙感影像數據，共收集了Landsat7 ETM+3 景，Landsat8 OLI_TIRS3 景，具體遙感信息如表1 所示。

表1 遙感影像信息

在ENVI5.3 中對Landsat7 影像進行去條帶處理后，分別對6 景影像進行輻射校正與大氣校正。同時對Landsat8 OLI 數據進行564 波段合成，Landsat7 ETM 數據進行543波段合成處理，合成后影像更易區分陸地與水體。

2.2 提取方法

采用改進的歸一化水體差異指數MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index），此方法更易區分陰影與水體。取閾值0.1 對已預處理的MNDWI 指數遙感影像中的湖泊水體進行提取，其中MNDWI 公式如下：

式（1）中：G為綠光波段，對應著Landsat7 ETM 影像的2和5 波段；M為中紅外波段，對應著Landsat8 OLI 影像的3和6 波段。同時在Arcgis10.2 軟件上對提取的湖泊岸線矢量文件進行處理，結合假彩色合成影像進行局部修改得到真實湖泊岸線。在已提取的各期岸線資料基礎上，本文綜合采用面積法與基線法，采用美國地質調查局（USGS）研發的數字海岸線分析系統（DSAS，Digital Shoreline Analysis System）對太湖湖泊岸線變化進行定量化分析。DSAS 分析借助Arcgis10.2平臺進行操作，采用終點變化速率（EPR，End Point Rate）和凈海岸線變化距離（NSM，Net Shoreline Movement）分析太湖岸線的時空變化特征，如圖1 所示。

圖1 用于DSAS 分析的太湖基線和剖面線分布

2.2.1 終點變化速率

EPR 是指兩個時期岸線之間距離的變化速率。EPR的優勢是可對兩條海岸線直接進行統計分析，缺陷是多條海岸線統計分析時，一些局部信息會被忽略（如侵蝕速率、變化周期[3]）。EPR 指標在本文中用來分析兩條岸線之間的變化速率。計算公式如下：

式（2）中：E（i，j）為相鄰年份間沿某條切線H的岸線終點變化速率；dj為沿切線H第j期海岸線到基線的距離；di為沿切線H第i期海岸線到基線的距離；ΔY（j，i）為沿切線H第i期與第j期海岸線年份數的差值。

2.2.2 凈海岸線變化距離

凈海岸線移動報告的是距離，而不是速率。計算公式如下：

式（3）中：dj為沿切線H第j期海岸線到基線的距離；di為沿切線H第i期海岸線到基線的距離。

3 結果

太湖岸線長度變化如圖2 所示。從圖2 中可看出，太湖岸線長度整體變化較大，呈減小—增長—減小的趨勢。2008—2014 年總體呈緩慢增長的趨勢，從441.8km 增加到449.42km，增長幅度為1.72%。2014—2018 年總體變化很大，從2014年的449.42 km 到2016 年的484.61 km，增加了8.01%，從2016 年的484.61 km 到2018 年的 443.63 km，減小了9.07%。太湖面積變化如圖3 所示。從圖3 中可看出，太湖面積變化較小，變化趨勢呈平行狀。從2008 年的2 419.15 km2到2018年的2 443.53 km2。不同時期太湖岸線變化如圖4 所示。

圖2 太湖岸線長度變化

圖3 太湖面積變化

圖4 不同時期太湖岸線變化