基于多源數據協同的遙感動態監測

李根軍，楊雪松，李得林，劉錦秀，杜 程

（1.青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，青海 西寧 810012；2.青海省地質調查院，青海 西寧 810012）

近年來，國產衛星快速發展，使較短時期的湖泊遙感動態監測成為可能。基于此，本文利用國產高分辨率遙感數據和雷達數據等開展可可西里鹽湖遙感動態監測[1-7]，及時了解鹽湖水域變化情況，為可可西里地區重大工程設施及生態環境的防治工作提供可靠的依據。

1 研究區概況

研究區位于青海省西部的可可西里腹地，行政區劃屬青海省玉樹藏族自治州治多縣管轄。研究區中心坐標為 35°32′N， 93°25′E。鹽湖形成于昆侖山中段第三紀陸相斷陷盆地內，盆地外圍為第三系上新統陸相地層構成的殘丘，濱湖為第四系全新統湖沼沉積，湖泊主要靠南北兩側的季節性河流補給[3]。該區域位于生態極為脆弱的可可西里地區，人工監測極為困難，且成本高，對區內的生態環境還有一定的影響。而遙感技術的發展為可可西里地區湖泊的動態監測提供了新的技術手段，如圖1 所示。

圖1 研究區GF-1 遙感影像

2 數據與技術方法

2.1 數據源

根據本文研究的需求，選取2015-2020 年GF-1、ZY01 02C 數據以及2017-2018 年Sentinel-1 數據為主要數據， Landsat OLI 數據為輔助數據進行本次研究工作。

1）高分一號和資源一號02C 數據。可可西里鹽湖地區海拔高，云、雪等因素對獲取合格數據影響極大，GF-1 和ZY01 02C 數據空間分辨率接近，2 種數據交叉使用，可實現研究區動態監測工作。其數據獲取情況如表1 所示。

表1 高分遙感數據獲取情況統計表

2）Sentinel-1 數據。本文選用IW 模式下的Sentinel-1 單視復數（SLC）產品（見圖2）4 景（見表2），配合對應日期的精密軌數據進行鹽湖動態監測。用于地理編碼的DEM 數據為空間分辨率30 m 的ASTER GDEM 數據。

表2 Sentinel-1 影像數據

圖2 研究區Sentinel-1 遙感影像圖（時相為2017-09-29）

2.2 基于多源數據協同的遙感動態監測技術方法

本文旨在利用多期次高空間分辨率遙感數據和雷達數據，采用多項遙感技術相結合的方法開展可可西里鹽湖遙感動態監測工作。

1）基于高空間分辨率遙感數據的鹽湖水域邊界遙感解譯。在水體增強處理的彩色合成影像上，采用目視判讀的方法對多期次鹽湖水域邊界進行精確解譯，為鹽湖水體面積的統計分析提供基礎資料。

2）基于雷達數據的時間序列分析處理。利用ENVI SARscape 軟件中Intesity Time Series Workflow 工具對2017-09-29 和2018-09-24 Sentinel-1 數據進行多視處理、圖像配準、De Grandi 濾波、地理編碼和輻射定標以及多時相特征提取等處理過程，提取研究區變化信息，形成變化系數圖[8-12]。

3）基于多源數據協同的遙感動態監測。利用GF-1 和ZY01 02C 高分遙感數據進行鹽湖水域邊界信息提取，經統計分析，明確可可西里鹽湖時空變化情況。在此基礎上，選用Sentinel-1 數據提取該區變化信息，結合Landsat-8 數據獲取的該區湖水補給結果,綜合分析可可西里鹽湖湖水外溢情況及驅動力特征,為青藏高原湖泊的有效監測工作提供參考。

3 結果分析

3.1 可可西里鹽湖時空變化特征

1）2015-2020 年水體面積變化分析。采用5 期鹽湖地區GF1 數據，利用目視判讀的方法進行鹽湖水體面積圈定（見圖3）。從鹽湖水體面積動態變化圖（見圖4）[14]中可以看出近5 a 內，鹽湖水體面積穩步增長，從143.23 km2（2015 年10 月）增長到211.77 km2（2020 年5 月），其中2018-2019 年期間，鹽湖面積增長最快，增長了26.98 km2，之后鹽湖面積增長速度有所放緩，至2020 年5 月，鹽湖面積增長了7.65 km2。

圖3 2015-2020 年6 期可可西里鹽湖面積分布圖

圖4 2015-2020 年可可西里鹽湖面積變化圖

2）2019-2020 年可可西里鹽湖動態巡查。采用10 期GF-1 和ZY1 02C 數據對可可西里鹽湖進行解譯，發現自2019 年2 月以來水域面積變化信息（見圖5）呈現增長的趨勢，但到了2019-11-14，鹽湖面積增長已極為緩慢。2019-02-21 湖泊面積約為196.04 km2，2019-08-30 湖泊面積約為207.46 km2，增加了約11.42 km2。而整個變化過程不是簡單的增加，而是呈現波動性變化，在不同的時間段呈現不同的變化特點，2 月至4 月期間，湖水處于凍結狀態，并開始慢慢解凍，所以湖泊面積增長速率較低，2 個月面積增加1.44 km2。2019-04～2019-07-11 期間，其增長速率較高，總面積增加6.64 km2；2019-07-11～2019-07-24期間，增長速率有所降低。8 月是水位上升較快的月份，2019-07-24～2019-08-15 期間，湖泊面積呈直線型增長，直至2019-08-30，引流疏導應急工程的使用，致使湖泊面積增加速率有所降低；在2019-10-17～2020-05-01，湖泊面積僅增加了約0.21 km2。

圖5 2019-2020 年可可西里鹽湖面積動態變化曲線

3.2 可可西里鹽湖湖水外溢情況分析

通過計算2019-2020 年各時間段的鹽湖面積變化速率[13]，顯示出從2019-02-21～2019-08-08 期間鹽湖面積變化速率整體上處于上升態勢，并在2019-08-08～2019-08-15 期間達到最高值（0.093 km/t）。之后其變化速率呈明顯的下降趨勢，直至2019-11-14，其變化速率降到了0.011 km/t。2019-12～2020-05 期間鹽湖處于冰凍狀態，故鹽湖面積沒有變化（見圖6）。

圖6 2019-2020 年可可西里鹽湖面積變化速率曲線

依據多期次遙感數據，2019-08-15 鹽湖東側的引流疏導應急工程內尚未引入湖水，而到了2019-08-30，引流疏導應急工程內已經注滿了湖水，說明2019-08-15～2019-08-30 期間已經使用引流疏導應急工程開始泄水（見圖7），結合鹽湖面積變化速率情況及相關資料，鹽湖每年的水位上漲均發生在8 月中旬至12 月下旬期間，而自引流疏導應急工程開始引水以來，鹽湖面積變化速率大致呈直線型下降，直至11 月14 日，其變化速率降到了0.011 km/t，說明使用引流疏導應急工程泄水，可以減緩鹽湖水位上漲，并致使鹽湖水位趨于穩定，湖水漫溢現象已經得到遏制。

圖7 鹽湖地區引流疏導應急工程動態監測

4 驅動力分析

4.1 研究區湖泊水力聯系分析

2011-09-11 卓乃湖發生潰決，大量湖水沿東側出水口外泄，并通過河流向東進入到庫賽湖，由庫賽湖東側出水口流入海丁諾爾湖，最后由鹽湖西側注入，導致4 個湖泊連成一體，形成了此消彼長的聯動水力體系（見圖8）。近年來卓乃湖湖水持續外泄，成為鹽湖面積急劇增加的主要原因之一。

圖8 研究區湖泊水力聯系圖

4.2 鹽湖湖水補給分析

鹽湖的湖水補給來源主要有2 個方面:一是地表徑流補給，1、2、3、8、9 為主要的入水口，分布在鹽湖的南北兩側；二是上游湖泊外泄補給，4、5、6、7為主要的入水口，分布在鹽湖西側（見圖9）。結合鹽湖變化系數圖（見圖10），顯示出鹽湖西北側和西南側湖水面積變化最大，說明上游湖水外泄和地表徑流均已成為鹽湖的主要補給水源，其中地表徑流水流量增大是由于溫室效應的影響，致使鹽湖周邊常年積雪及冰川融化速率加快所致。

圖9 鹽湖湖水補給入水口分布圖

圖10 鹽湖地區變化系數圖

5 結 語

本文利用GF-1、ZY1 02C 以及Sentinel-1 數據協同的遙感監測方法，對可可西里鹽湖地區進行動態監測。研究證明基于多源數據協同的遙感動態監測對青藏高原湖泊的監測工作具有較好的實用性，結論如下:

1）2015-2020 年期間可可西里鹽湖水體面積持續增長，其中2018-2019 年間湖水面積增長最快，增長了26.98 km2，之后鹽湖面積增長速度有所放緩，至2020 年5 月，鹽湖面積增長了7.65 km2。結合2019-2020 年鹽湖動態巡查結果，自2019-08-30 引流疏導應急工程引水以來，鹽湖面積變化速率大致呈直線型下降，直至11 月14 日，其變化速率降到了0.011 km/t，說明使用人工渠泄水，可以減緩鹽湖水位上漲，并致使鹽湖水位趨于穩定，湖水漫溢現象已經得到遏制。

2）可可西里鹽湖水體面積急劇增加的主要原因之一是由于其上游卓乃湖的潰決，致使湖水東側出水口外泄，并通過河流向東進入到庫賽湖，由庫賽湖東側出水口流入海丁諾爾湖，最后由鹽湖西側注入；另一個原因是由于溫室效應的影響，致使鹽湖周邊常年積雪及冰川融化速率加快，地表徑流水流量增大，從而補給鹽湖的水流量隨之增加。