纓帽變換在撫仙湖水面變化分析中的應(yīng)用

石振杰，溫興平* ，馬 威，沈 攀

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093;2.云南省礦產(chǎn)資源預(yù)測評價工程實驗室，云南昆明650093)

湖泊萎縮，是人類面臨的重要湖泊環(huán)境問題之一。遙感技術(shù)因其覆蓋面廣、實時性和動態(tài)性等特點被廣泛用于湖泊的動態(tài)變化監(jiān)測及影響因素研究，對于水資源合理配置與開發(fā)、湖泊水域生態(tài)保護、災(zāi)害監(jiān)測與評估等具有重要的指導(dǎo)意義。光學(xué)遙感水體自動提取技術(shù)主要依據(jù)在可見光和近紅外波段內(nèi)水體與其他地物的光譜反射差異，常用的方法有單波段閾值法、譜間關(guān)系法、波段運算等，其中比值法、差值法、水體指數(shù)法等應(yīng)用較多，且在不斷改進。如McFeeters S K［1］和 Gao B C［2］提出的歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)，徐涵秋［3］、曹榮龍等［4］分別進行改進的水體指數(shù)(MNDWI、RNDWI)。K-T變換(纓帽變換)，是Kauth等于1976年提出的一種線性變換，它使坐標(biāo)空間發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)軸指向與植物生長過程及土壤有密切關(guān)系的方向;該方法主要集中在MSS、TM和ETM+等遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，變換后第三分量濕度(Wetness)也能很好地提取水體信息［5］。

湖泊水域面積的長時間序列變化能夠反映氣候變化狀況，特別是內(nèi)陸湖或較封閉的湖泊，對于區(qū)域氣候變化尤為敏感［6－9］。撫仙湖是我國少有的Ⅰ類水質(zhì)大型湖泊，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人類活動不合理開發(fā)給撫仙湖水域生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力，水質(zhì)也面臨惡化的局面。關(guān)于撫仙湖的研究主要集中于生物多樣性［10］和水質(zhì)變化［11－12］等問題，對撫仙湖面積、水量變化等研究相對較少。自2010年云南大旱以來，全省降水量減少，地表徑流、庫存等水資源量較往年下降很多，各湖泊也有不同程度萎縮，受到廣泛關(guān)注。撫仙湖面積廣、儲量大、水質(zhì)優(yōu)良，在云南省水資源利用中占有重要地位，尤其在近幾年旱情持續(xù)背景下，利用遙感技術(shù)對撫仙湖的面積變化，以及與氣候相關(guān)關(guān)系研究，對于了解區(qū)域氣候變化及云南旱情發(fā)展?fàn)顩r具有重要意義。

筆者利用Landsat ETM+和OLI影像數(shù)據(jù)，基于纓帽變換后第三波段圖像進行密度分割提取撫仙湖水面邊界，總結(jié)了2000～2015年撫仙湖水面面積變化特征，并結(jié)合研究區(qū)氣候資料分析水面面積變化與氣候變化的相關(guān)性，反映湖泊與氣候的響應(yīng)關(guān)系，以期探討撫仙湖水面變化的原因。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

撫仙湖位于云南省澄江、江川和華寧縣之間(圖1)，屬珠江流域南盤江水系，湖面面積約為212 km2，平均水深87 m，總?cè)莘e為185億m3，占云南9省大高原湖泊總蓄水量的72.8%。2007年底星云湖—撫仙湖出流改道工程建成，撫仙湖東面唯一的出水口——?？诤右脖环庾?，湖水開始倒流進入星云湖。因此撫仙湖水源主要靠降水補給，與當(dāng)?shù)貧夂蜿P(guān)系密切，其水資源的合理開發(fā)利用和環(huán)境保護更成為社會關(guān)注的熱點和焦點。

該研究以2000～2015年撫仙湖水面面積變化為對象，利用的影像數(shù)據(jù)有:2000、2005、2011年的 ETM+影像和2014、2015年的OLI影像。考慮到夏季是主汛期，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)取水量和湖面蒸發(fā)量大，入湖水量和湖面變化波動較大，年際間的可比性不高;而春秋季屬于湖泊平水期，人類活動干擾較少，可以減少由于氣候或人類活動造成的徑流突變誤差［8］。因此所選數(shù)據(jù)時相都集中在3、4月份，研究區(qū)云量為0，便于湖泊信息的提取和年際面積變化特征對比。經(jīng)過裁剪和幾何校正等預(yù)處理最終獲取5景遙感影像。澄江、江川、華寧3縣的歷年氣候資料(年平均氣溫、年降水量)來自2001 ～2014 年《云南統(tǒng)計年鑒》［13］及玉溪氣象網(wǎng)站［14］。

2 研究方法

纓帽變換(K-T變換)是一種經(jīng)驗性的線性變換圖像處理方法，可以將光譜空間變換到幾個有物理意義的方向上去，組成新的特征空間。變換公式如下［5］:

式中，X為變換前多光譜空間的像元矢量;Y為變換后的新坐標(biāo)空間的像元矢量;B為變換矩陣。纓帽變換主要針對廣泛使用的MSS、TM和ETM+數(shù)據(jù)，變換后輸出的亮度(Brightness)、綠度(Greenness)和濕度(Wetness)分量包含了地表大多的土壤、植被和濕度信息，且相互獨立，地物特征明顯，能夠很好地分離植被、土壤和水分信息。此次主要利用ETM+數(shù)據(jù)變換輸出的第三組分濕度將水體與其他地物區(qū)分的特點，通過假彩色密度分割，人工調(diào)整閾值以完整精確地提取水體信息。密度分割彩圖可直觀地顯示出撫仙湖水域分布范圍，湖面邊界特別清晰，利于計算機自動提取，也便于后續(xù)各年份湖泊面積計算和邊界疊加對比研究。

因較新的Landsat8 OLI傳感器目前還沒有廣泛認可的纓帽變換系數(shù)進行計算處理，發(fā)現(xiàn)OLI b2－b7和ETM+b1－b7(b6除外)波段范圍相似(表1)，空間分辨率都為30m;ETM+的輻射分辨率為8bit，灰度區(qū)間為0～255，而OLI為12 bit，灰度區(qū)間為0～65535，將撫仙湖OLI(2014年)影像b2－b7進行波段運算，分別比上256進行灰度降級，然后合成新的影像與ETM+(2000年)影像置于同一輻射分辨率(8bit)下對灰度值的像元分布進行對比研究。

表1 OLI與ETM+傳感器參數(shù)對比

通過計算機統(tǒng)計ETM+和OLI影像各波段的灰度級別及像元分布，得出灰度－像元直方圖(圖2)。其中橫坐標(biāo)為灰度值(0～255)，縱坐標(biāo)為各灰度值的像元個數(shù)，即出現(xiàn)的頻度。如圖2顯示，ETM+圖像的灰度級別覆蓋范圍為0～255，各波段之間的灰度值、像元個數(shù)差異較明顯;OLI圖像灰度級覆蓋范圍較小，主要分布范圍為20～100，因此各波段的灰度值、像元分布相對集中，但仍可區(qū)分。經(jīng)對比研究，OLI各波段的灰度分布曲線與ETM+對應(yīng)的波段灰度分布曲線形態(tài)相似，如OLI b2與ETM+b1灰度分布曲線皆呈單峰式正態(tài)分布，OLI b3～b7灰度曲線近似雙峰式正態(tài)分布，與ETM+相應(yīng)各波段曲線形態(tài)一致，且偏度接近。可知OLI b2～b7與ETM+b1～b7(b6除外)波段范圍接近，而且各波段的灰度值分布形式相似，分析表明可利用ETM+變換矩陣計算OLI圖像纓帽變換像元矢量，即把ETM+纓帽變換模型應(yīng)用于OLI圖像變換處理。變換輸出后，同樣生成有亮度、綠度和濕度等分量，表示為公式(2)，其系數(shù)為ETM+纓帽變換系數(shù)［15］。對2014、2015年撫仙湖影像纓帽變換處理后，其第三分量濕度圖像通過密度分割及閾值調(diào)整，水體信息提取效果良好，可作為湖泊面積監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 湖泊水面變化及影響因子分析

3.1 面積及邊界變化 此次研究僅限于撫仙湖湖面面積動態(tài)變化，經(jīng)計算，去除湖泊周圍小范圍水體，保留最大面積的湖面邊界，統(tǒng)計各年份湖面面積。圖3顯示，2000～2015年撫仙湖湖面面積總體呈縮小趨勢，2000～2005年面積減小程度較大，之后趨于穩(wěn)定;2011～2014年又出現(xiàn)較大幅度下降趨勢，直至2015年才有所增加，但仍未達到2011年以前的面積大小。

為了直觀地顯示撫仙湖邊緣空間變化情況，將各年份湖泊邊界進行疊加分析，結(jié)果見圖4。如圖4所示，2005年湖泊面積較2000年縮小較多，主要集中在撫仙湖北部和東北部，以東北部減小尤為明顯。經(jīng)資料分析及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域分布的酒店、娛樂場所等人工設(shè)施較多，應(yīng)是人為開發(fā)建造等因素導(dǎo)致湖泊局部萎縮。2014年湖泊邊界總體比2011年縮小較均勻，表明因氣候原因湖泊水量減少，水位下降，導(dǎo)致面積減小。2015較2014年有所增加，局部擴張明顯，經(jīng)2014年底至2015年氣象資料研究，該段時間較同期降水增多，致使湖泊水量增大;而且近幾年對于撫仙湖水域開發(fā)利用和保護尤為重視，人為活動影響較少，產(chǎn)生了一定的效用。

3.2 氣候影響因子 湖泊水域?qū)夂蜃兓^為敏感，合理分析湖泊與氣候變化的相關(guān)性，是探討湖泊面積變化的良好途徑。撫仙湖由于面積較大，蒸發(fā)作用強烈，多半入湖水量會被蒸發(fā)掉，因此研究撫仙湖面積變化氣候影響因子具有重要意義。該研究中氣候影響因子主要為氣溫和降水，統(tǒng)計2000～2014年澄江、江川、華寧3縣的年平均氣溫和降水量的平均值作為研究區(qū)氣溫和降水指標(biāo)，并用距平曲線表示，分析撫仙湖面積變化與氣溫、降水的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖5。

如圖5a所示，撫仙湖地區(qū)年平均氣溫變化總體呈上升趨勢，2002～2003年與2006～2009年氣溫變化波動較大，之后趨于穩(wěn)定，2014年略有下降;趨勢線方程斜率大于0，說明氣溫逐年上升，增暖比較明顯。圖5b顯示，湖區(qū)年降水量變化呈下降趨勢，2002～2003年與2006～2009年以及2014年變化波動較大，其他年份較平穩(wěn);趨勢線方程斜率小于0，表明降水量近十幾年來逐年減少，尤其是2009～2013年為歷年最低，2014年增幅較大。

研究發(fā)現(xiàn)，撫仙湖面積與年平均氣溫及降水量相關(guān)性較顯著，氣溫升高引起蒸發(fā)加速，降水量下降直接導(dǎo)致水量減少、水位降低;可見撫仙湖水面不斷縮小，與逐年上升的氣溫呈負相關(guān)，與逐年減少的降水量呈正相關(guān)。尤其是自2011年以來面積縮小明顯，這與2010年持續(xù)至今的云南大旱有著直接的關(guān)系。云南大旱降水量減少，工農(nóng)業(yè)用水緊張，撫仙湖入湖水量不能滿足蒸發(fā)和人類活動的正常需要，甚至水位下降至近10年來最低。據(jù)氣象資料，2014～2015年1月降水偏多，這與撫仙湖2015年面積增大情況具有良好的一致性，可見云南旱情有所緩解，但仍須重視水資源合理利用及保護問題。

4 結(jié)語

通過對ETM+和OLI遙感影像進行纓帽變換及密度分割處理，可以完整準確地提取水體信息，效果良好。經(jīng)統(tǒng)計，2000～2014年撫仙湖水面面積總體在縮小，直至2015年才有所增大，并且與研究區(qū)年平均氣溫、年降水量變化趨勢一致，說明撫仙湖水面逐年萎縮與氣溫、降水有著顯著的關(guān)系，尤其是近幾年云南省大旱對撫仙湖水域面積影響較大;2015年撫仙湖面積增大反映了降水增多、旱情緩解的氣候變化狀況，也論證了湖泊對于氣候變化的敏感性。綜合表明，氣候因子對撫仙湖水面面積變化影響較大，但人類活動影響也不容忽視;利用遙感技術(shù)進行水域面積監(jiān)測對湖泊合理開發(fā)利用、環(huán)境保護等具有重要意義。

［1］MCFEETERS S K.The use of the normalized difference water index(NDWI)in the delineation of open water features［J］.International journal of remote sensing，1996，17(7):1425 －1432.

［2］GAO B C.NDWI－A normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space［J］.Remote sensing of environment，1996，58:257 －266.

［3］徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究［J］.遙感學(xué)報，2005，9(5):589 －595.

［4］曹榮龍，李存軍，劉良云，等.基于水體指數(shù)的密云水庫面積提取及變化監(jiān)測［J］.測繪科學(xué)，2008，33(2):158 －160.

［5］張景奇，關(guān)威，孫萍，等.基于K-T變換的地表水體信息遙感自動提取模型［J］.中國水土保持科學(xué)，2011，9(3):88 －92.

［6］黃金龍，陶輝，王艷君，等.基于MODIS遙感影像的湖水體面積與水位關(guān)系［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(23):140 –146.

［7］姜麗光，姚治君，劉兆飛，等.1976－2012年可可西里烏蘭烏拉湖面積和邊界變化及其原因［J］.濕地科學(xué)，2014，12(2):155 －162.

［8］白潔，陳曦，李均力，等.1975－2007年中亞干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊面積變化遙感分析［J］.湖泊科學(xué)，2011，23(1):80 －88.

［9］宋開山，劉蕾，呂冬梅，等.基于Landsat－TM和MODIS的非洲水體分布格局研究［J］.熱帶地理，2014，34(3):302 －307.

［10］陳小林，陳光杰，盧慧斌，等.撫仙湖和滇池硅藻生物多樣性與生產(chǎn)力關(guān)系的時間格局［J］.生物多樣性，2015，23(1):89 －100.

［11］高偉，陳巖，徐敏，等.撫仙湖水質(zhì)變化(1980－2011年)趨勢與驅(qū)動力分析［J］.湖泊科學(xué)，2013，25(5):635 －642.

［12］于洋，張民，錢善勤，等.云貴高原湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀及演變［J］.湖泊科學(xué)，2010，22(6):820 －828.

［13］云南省統(tǒng)計局.云南統(tǒng)計年鑒［M］.北京:中國統(tǒng)計出版，2001－2014.

［14］玉溪市氣象局.玉溪市2014年氣候影響評價［EB/OL］.(2015－01－16)［2015 －04 －22］.http://qx1.yuxi.gov.cn:81/.

［15］HUANG C Q，WYLIE B，YANG L M，et al.Derivation of a tasseled cap transformation based on Landsat 7 at-satellite reflectance［J］.International journal of remote sensing，2002，23(8):17.