高原湖泊和平原湖泊遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析
--以洱海和鄱陽(yáng)湖為例

高原湖泊和平原湖泊遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析
--以洱海和鄱陽(yáng)湖為例

王 琳 趙志芳（云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，昆明650500）

眾所周知，湖泊及其動(dòng)態(tài)變化在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)中占據(jù)極其重要的作用，監(jiān)測(cè)并對(duì)比分析不同類(lèi)型的湖泊動(dòng)態(tài)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有顯著意義。但不同地理?xiàng)l件下不同類(lèi)型的湖泊其所發(fā)揮的作用又有一定差異，如高原湖泊洱海為斷陷湖泊，在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、引水灌溉中發(fā)揮了重要作用；平原湖泊則多具有調(diào)節(jié)洪水、生態(tài)保持功能。

遙感技術(shù)在湖泊研究中的應(yīng)用,以其具有的宏觀性、實(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)迅速取得了廣泛的應(yīng)用(孟慶偉等,2006)。戴綿芳等（1992）應(yīng)用動(dòng)態(tài)對(duì)比分析法研究分析了古丹陽(yáng)湖的演變與消亡過(guò)程；劉登忠等（1992）利用RS和GIS技術(shù)進(jìn)行了西藏高原湖泊研究（張繼承等,2008；萬(wàn)瑋等,2014；WU et al,2008；劉雪梅等,2009）；殷立瓊等（2005）利用80年代后期以來(lái)不同時(shí)期的Landsat數(shù)據(jù)，研究了太湖近15年來(lái)的面積變化狀況；凌成星等（2010）利用混合水體指數(shù)模型（CIWI）提取了濱海濕地水體信息；姚曉軍等（2015）利用RS和GIS技術(shù)研究了近10年來(lái)可可西里地區(qū)主要湖泊冰情時(shí)空變化；宋開(kāi)山等（2014）基于Landsat TM和MODIS進(jìn)行了非洲水體分布格局研究；李慧曾（2005）在福建閩江口濕地水體信息的提取中應(yīng)用了歸一化植被指數(shù)NDVI=(TM4-TM3)/ (TM4+TM3)進(jìn)行水體信息提??；McFeeter利用歸一化水體指數(shù)NDWI=(TM2-TM4)/(TM2+TM4)提取水體,抑制了植被和土壤信息；徐涵秋（2005）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)NDWI難以抑制建筑物信息影響,并進(jìn)一步提出改進(jìn)后的歸一化水體指數(shù)MNDWI=(TM2-TM5)/ (TM2+TM5)來(lái)提取水體；周藝等（2014）利用偽歸一化水體指數(shù)有效提取城鎮(zhèn)周邊細(xì)小河流信息；楊存建等（1998）在研究遙感信息機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)TM各波段影像中,可利用(TM2+TM3)＞(TM4+TM5)提取水體信息；還有不少學(xué)者進(jìn)行湖泊水質(zhì)的研究（汪萬(wàn)芳等,2011；盧進(jìn)登等,2007）及湖泊變化對(duì)氣候的響應(yīng)研究（吳艷紅等,2007；常學(xué)禮等,2013)。綜上所述，在以往研究中，較多的只采用單一的遙感方法對(duì)某一類(lèi)型湖泊進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，未能涵蓋基本湖泊類(lèi)型，從而使得湖泊這一生態(tài)環(huán)境重要組成部分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究缺乏代表性?；谝酝芯康牟蛔?，本研究主要采用遙感手段，選取高原湖泊洱海和平原湖泊鄱陽(yáng)湖為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析平原湖泊和高原湖泊兩種不同類(lèi)型湖泊水域及其動(dòng)態(tài)變化信息的提取方法，以期探索不同地理?xiàng)l件下的湖泊監(jiān)測(cè)研究最優(yōu)方法，提高湖泊監(jiān)測(cè)的效率和質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 洱海和鄱陽(yáng)湖概況

洱海位于云南大理市郊區(qū)，為云南省第二大淡水湖，海拔1 980 m，是云南自然資源的重要組成部分，流域內(nèi)土地肥沃，物產(chǎn)豐富。近年來(lái)洱海水質(zhì)有明顯下降趨勢(shì)，富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程加快，部分水域污染嚴(yán)重，非法占有河灘、不合理開(kāi)發(fā)旅游資源等使湖泊周邊環(huán)境惡化，水資源匱乏。

潘陽(yáng)湖海拔618 m，是典型的平原湖泊。鄱陽(yáng)湖位于江西省北部長(zhǎng)江南岸，是中國(guó)第一大淡水湖，也是中國(guó)第二大湖，僅次于青海湖。鄱陽(yáng)湖是我國(guó)重要濕地，是長(zhǎng)江干流的重要調(diào)蓄性湖泊，在中國(guó)長(zhǎng)江流域中肩負(fù)著調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等生態(tài)的重任。近年來(lái)，受各種原因的影響，潘陽(yáng)湖出現(xiàn)了連續(xù)干旱現(xiàn)象，同時(shí)受三峽蓄水工程的影響，使潘陽(yáng)湖水位一度逼近極枯水位，致使潘陽(yáng)湖候鳥(niǎo)數(shù)量減少。

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源 本研究采用TM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其時(shí)相等信息詳見(jiàn)表1。

1.2.2 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

（1）圖像預(yù)處理。本研究對(duì)洱海及鄱陽(yáng)湖不同時(shí)相的TM遙感影像進(jìn)行幾何校正、配準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行線性拉伸、濾波等處理，再對(duì)數(shù)據(jù)按湖泊范圍進(jìn)行裁剪，獲取研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）不同類(lèi)型湖泊遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息提取?；陬A(yù)處理后的遙感數(shù)據(jù)，利用單波段閾值法、多光譜波段運(yùn)算法、波段組合法、纓帽變換法等不同的方法，實(shí)現(xiàn)高原湖泊和平原湖泊水域及動(dòng)態(tài)變化信息提取。

（3）不同類(lèi)型湖泊遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)比研究。對(duì)比分析基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方法優(yōu)劣，優(yōu)選適用于不同類(lèi)型湖泊動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法。

表1 洱海及鄱陽(yáng)湖地區(qū)湖泊動(dòng)態(tài)變化信息提取遙感數(shù)據(jù)源

2 結(jié)果與討論

2.1 基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊水域信息增強(qiáng)方法對(duì)比分析

2.1.1 TM單波段閾值法增強(qiáng)湖泊水域信息 因湖泊水域在近紅外波段反射率低，遙感圖像光譜值與其他地物相比明顯偏低，本文設(shè)計(jì)利用信息量最豐富且水體信息與其他地物差異明顯的TM5波段進(jìn)行單波段閾值法提取湖泊水域信息。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到較為理想的湖泊TM5波段提取閾值，TM5圖像灰度值：洱海＜14、鄱陽(yáng)湖＜15。提取結(jié)果如圖1所示，分析表明：通過(guò)單波段閾值法可較準(zhǔn)確地提取出湖泊水域信息，該方法目視效果較好，但存在一定的不足，如不容易排除云霧的影響等。

圖1 TM5單波段閾值法增強(qiáng)湖泊水域信息

圖2 TM多光譜波段運(yùn)算法增強(qiáng)洱海湖泊水域信息

2.1.2 多光譜波段運(yùn)算法增強(qiáng)湖泊水域信息 根據(jù)水體信息波譜特征，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用TM5＞TM4能有效地提取出水體信息。同時(shí)，利用前人研究的歸一化植被指數(shù)NDVI、歸一化水體指數(shù)NDWI、改進(jìn)后的歸一化水體指數(shù)MNDWI、NDWI3、(TM2+TM3)＞(TM4+TM5)等方法亦可較好提取洱海和鄱陽(yáng)湖水域信息（圖2、圖3)。分析增強(qiáng)結(jié)果表明，雖然水體與非水體的光譜值差異明顯，但還存在一定的過(guò)度區(qū)域，受此影響6種多光譜運(yùn)算方法均出現(xiàn)了地物信息誤提或水域信息提取不全等問(wèn)題。

圖3 TM多光譜波段運(yùn)算法增強(qiáng)潘陽(yáng)湖水域信息

2.1.3 波段組合法增強(qiáng)湖泊水域信息 對(duì)于水體信息提取而言，常用的波段組合有TM543、TM432、TM453、TM472等（圖4)。其中TM543組合主要用于水陸邊界確定，其組合圖像接近于地物自然色彩，易于區(qū)分水陸界限，且信息量豐富；TM432組合常用于濕地研究中，其圖像中植被顯紅色，可用于湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)等；TM453組合能很好地用于水陸邊界確定研究，還能突出水體的線性特征，其圖像色彩反差明顯，層次分明；TM472組合可用于濕度分析、內(nèi)陸水體定位等。

2.1.4 纓帽變換法增強(qiáng)湖泊水域信息對(duì)TM數(shù)據(jù)進(jìn)行纓帽變換，變換結(jié)果主要由亮度、綠度、濕度3個(gè)因子組成。本文利用纓帽變換，并結(jié)合NDVI植被指數(shù)進(jìn)行了洱海和鄱陽(yáng)湖湖泊水域信息增強(qiáng)（圖5)。

2.1.5 湖泊水域信息增強(qiáng)結(jié)果評(píng)價(jià) 與高原地區(qū)地勢(shì)起伏，地物類(lèi)型復(fù)雜，居民點(diǎn)分布集中的特點(diǎn)不同，平原地區(qū)地勢(shì)平坦，地物類(lèi)型單一，居民點(diǎn)較分散，在湖泊水域信息提取時(shí)一般沒(méi)有山體陰影的影響，應(yīng)用相同的湖泊水域信息提取方法，平原湖泊的增強(qiáng)結(jié)果與高原湖泊增強(qiáng)結(jié)果存在一定差異。

為了對(duì)湖泊水域遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息提取結(jié)果作出全面、科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，以影像的目視解譯結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各湖泊水域信息提取結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示，波段組合法具有較高的準(zhǔn)確率而纓帽變換法準(zhǔn)確率較低。從目視效果看來(lái)，除了NDWI3指數(shù)增強(qiáng)法提取結(jié)果目視效果較差外，其他幾種方法都可得到較好的目視效果。比較洱海和鄱陽(yáng)湖不同遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息提取結(jié)果局部細(xì)節(jié)部分發(fā)現(xiàn)(圖2、4、5中橢圓所示范圍）：TM5＞TM4能較完全地提取出湖泊水域信息，與之相反，纓帽變化法對(duì)于一些細(xì)部湖泊水域信息的提取結(jié)果不佳。

總體而言，單波段閾值法和波段組合法適用于各類(lèi)湖泊的水域信息提?。欢嗖ǘ芜\(yùn)算法方法較多，其中TM5＞TM4方法適合用于各種湖泊水域信息提取，而NDVI指數(shù)法及TM2+TM3＞TM4+TM5法的效果一般，不適用于提取精度要求較高的研究，對(duì)于NDWI、MNDWI、NDWI3指數(shù)法，其對(duì)平原湖泊的提取效果要優(yōu)于高原湖泊；纓帽變換法的提取效果普遍較差,且不適于高原湖泊水域信息提取。分析平原湖泊與高原湖泊水域信息提取結(jié)果的差異可知，高原湖泊水陸界限分明，且多為平滑曲線；而平原湖泊流入、流出支流較多，水陸界限較為復(fù)雜，這可能使得平原湖泊水域信息提取一般比高原湖泊復(fù)雜，且常常需要多種湖泊水域信息提取方法綜合使用，才能達(dá)到較好的提取效果。

表3 洱海與鄱陽(yáng)湖遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與資料數(shù)據(jù)誤差對(duì)比分析

圖4 TM波段組合法增強(qiáng)湖泊水域信息

2.2 基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

2.2.1 湖泊水域面積統(tǒng)計(jì) 通過(guò)湖泊水域信息提取，求取湖泊面積。查閱云南省水利廳公布的《云南省水資源公報(bào)》及江西水文信息網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，可知洱海實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與公報(bào)數(shù)據(jù)誤差值較小而鄱陽(yáng)湖與水文信息網(wǎng)數(shù)據(jù)誤差較大（表3)。分析其原因，推測(cè)由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)相選取及鄱陽(yáng)湖周邊環(huán)境復(fù)雜水域界限的界定規(guī)則不統(tǒng)一，可能造成了鄱陽(yáng)湖水域面積誤差偏大。采用上述方法提取洱海和鄱陽(yáng)湖1988年、1993年、2009 年3個(gè)年份面積數(shù)據(jù)，如表4所示。

2.2.2 湖泊面積變化檢測(cè) 面積變化信息檢測(cè)的方法很多，本研究選擇其中效果較好、易于操作的波段替換法進(jìn)行洱海和鄱陽(yáng)湖湖泊面積變化檢測(cè)。即用后一時(shí)相TM遙感圖像的一個(gè)分量代替R分量，而G分量及B分量用前一時(shí)相遙感圖像的兩個(gè)分量代替，合成后得到的假彩色合成圖可以清晰地反映出洱海和鄱陽(yáng)湖1988-1993年、1993-2009年、1988-2009年的面積變化，之后應(yīng)用波段運(yùn)算的方法提取出洱海和鄱陽(yáng)湖1988-1993、1993-2009、1988-2009面積變化區(qū)域，最后得到洱海和鄱陽(yáng)湖1988-2009年的面積變化統(tǒng)計(jì)表（表5)。

2.2.3 變化結(jié)果分析 洱海水域面積1988年達(dá)212.849 7 km2，1993年為212.742 5 km2，1988年至1933年間，洱海水域面積減少了0.107 2 km2，到2009年，洱海水域面積減少為211.830 7 km2，自1988年減少了1.019 0 km2?？傮w看來(lái)，洱海湖泊水域面積呈遞減趨勢(shì)，1988-2009年間縮減速度較快，洱海西北、西南、東南部分湖泊縮減明顯，東及東北部分縮減不明顯，有的區(qū)域甚至沒(méi)有明顯變化。

圖5 纓帽變換法增強(qiáng)湖泊水域信息

圖6 洱海與鄱陽(yáng)湖1988-2009年湖泊變化情況（左：洱海，右：鄱陽(yáng)湖）

表4 洱海與鄱陽(yáng)湖湖泊面積統(tǒng)計(jì)

表5 洱海、鄱陽(yáng)湖湖泊面積變化統(tǒng)計(jì)

鄱陽(yáng)湖水域面積1988年達(dá)3 195.9 km2，1993年為3 781.7 km2, 1988-1993年水域面積增加了591.2 km2；到2009年，水域面積減少為3 487.1 km2，自1988年增加了291.2 km2。總體看來(lái)，潘陽(yáng)湖水域面積變化規(guī)律相對(duì)復(fù)雜，究其原因，鄱陽(yáng)湖流域?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，使年內(nèi)降水量變化率大，造成湖水水位變化大，不同時(shí)相對(duì)湖泊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果發(fā)生明顯差異；同時(shí)，近年來(lái)干旱天氣也使得鄱陽(yáng)湖1993-2009年水域面積減少；另一方面，由于歷年來(lái)潘陽(yáng)湖多發(fā)洪澇災(zāi)害，據(jù)資料記載1993年鄱陽(yáng)湖局部水域發(fā)生了洪澇災(zāi)害，使其水域面積達(dá)到較高值，且由圖6可知鄱陽(yáng)湖1988-2009年間主要變化區(qū)域集中在西南方向水域。

從表5可知，洱海水域信息提取數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值較小，而鄱陽(yáng)湖水域信息提取數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值較大。分析造成這一現(xiàn)象的主要原因是鄱陽(yáng)湖周邊地理環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，其亞熱帶季風(fēng)氣候使其水域季節(jié)性變化明顯；由于受到三峽蓄水工程的影響，改變了潘陽(yáng)湖水域自然變化規(guī)律，使其遭受了一定程度的人為破壞；由湖泊水域信息提取結(jié)果看，洱海水陸界限分明且為較平滑曲線，潘陽(yáng)湖水陸界限復(fù)雜曲折，一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。就年度變化規(guī)律看來(lái)，洱海水域面積呈遞減趨勢(shì)，而鄱陽(yáng)湖水域范圍變化則相對(duì)復(fù)雜，其變化波動(dòng)較大。

鄱陽(yáng)湖濕地（劉國(guó)華 攝）

3 結(jié)論

本研究以洱海和潘陽(yáng)湖為例，研究分析了不同地理環(huán)境下各類(lèi)湖泊水域信息提取的優(yōu)劣，為不同地理環(huán)境下的湖泊在水域信息提取及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法選擇上提供了有效依據(jù)。本文主要以洱海和鄱陽(yáng)湖分別作為高原湖泊和平原湖泊的代表，進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究，然而，由于高原湖泊及或平原湖泊，其發(fā)育種類(lèi)繁多，且湖泊受周邊環(huán)境、地理?xiàng)l件、氣候條件及湖泊自身類(lèi)型、形狀、湖泊水域季節(jié)性變化、湖泊水質(zhì)狀況等的影響，應(yīng)用單一固定的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究具有一定的局限性，往往得不到理想的結(jié)果。因此，對(duì)不同地理背景下湖泊的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法還有待于近一步細(xì)化與深入研究。

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A Comparative Study of Dynamics of Lakes in Plateau and Plain Monitored by Remote Sensing: A Case Study in Erhai Lake and Poyang Lake

WANG Lin ZHAO Zhi-Fang (Resource Environment and Earth Sciences Academy,Yunnan University, Kunming 650500)

湖泊及其動(dòng)態(tài)變化在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)中占據(jù)極其重要的作用，監(jiān)測(cè)并對(duì)比分析不同類(lèi)型的湖泊動(dòng)態(tài)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。應(yīng)用Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)，基于ENVI遙感圖像處理軟件和ArcGIS空間分析軟件，分別以洱海和潘陽(yáng)湖為例，利用單波段閾值法、波段組合法等方法提取了湖泊水體現(xiàn)狀信息；通過(guò)波段運(yùn)算、波段替換等方法提取了湖泊的動(dòng)態(tài)變化信息；對(duì)比分析了高原湖泊和平原湖泊兩類(lèi)湖泊動(dòng)態(tài)變化信息提取監(jiān)測(cè)效果。研究表明：應(yīng)用波段組合法提取湖泊水體信息有較高的準(zhǔn)確度，而纓帽變換法提取湖泊水體信息準(zhǔn)確度偏低；受湖泊界限標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、季節(jié)性水域變化，湖泊周邊地理環(huán)境等影響，平原湖泊水體分布狀況較高原湖泊水體分布狀況復(fù)雜，多種遙感圖像處理方法結(jié)合使用更適用于平原湖泊遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

湖泊信息提?。贿b感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；高原湖泊；平原湖泊；洱海；鄱陽(yáng)湖

Whether from regional environmental protection or socioeconomic perspective, lake has an extremely important role in our lives, and dynamic changes of the lake is more closely related to regional environmental protection. Using Landsat TM remote sensing data and ENVI image processing software and ArcGIS spatial analysis software, this paper takes Erhai Lake and Poyang Lake as examples, single-band threshold, band combination and other methods were used to extract information of the status of the water body, through band calculation, band replacement and other methods information of dynamic changes of the lakes was extracted, and comparisons of different geographical conditions of the lakes were made. The results indicated that the application of band combination method to extract water information displayed a higher degree of accuracy, on the contrary, tasseled cap transformation method had a low accuracy; Meanwhile, due to ununified standards of the lake boundaries, seasonal changes of water area, and effects of surrounding geographical environment the distribution of water bodies was more complicated in the plain than in the plateau. Therefore, a combination of different RS image processing methods is more suitable for monitoring of plain lakes.

Lake information extraction; Dynamic monitoring by remote sensing; Plateau Lake; Plain Lakes; Erhai Lake; Poyang Lake

10.3969/j.issn.1673-3290.2016.04.12

2016-04-28

中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心項(xiàng)目“中越邊境元江-紅河地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)遙感解譯”(DD2016007615);云南省云嶺學(xué)者云南大學(xué)項(xiàng)目中期研究成果（C6153001）

王琳（1991-），女，藏族，云南人，研究生，主要研究方向?yàn)檫b感基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查。E-mail：15436 86495@qq.com

趙志芳（1971-），女，云南人，博士，教授，主要研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)。E-mail：zzf_1002 @163.com