博斯騰湖湖岸線時(shí)空變化特征

高鵬文， 李新國(guó),3, 阿里木江·卡斯木,2

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學(xué) 絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心, 新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054)

1 研究背景

湖泊是陸地圈、水圈、巖石圈以及大氣圈的背景下研究的一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，是全球氣候環(huán)境變化的指示器之一，對(duì)湖泊波動(dòng)性變化的研究顯得異常迫切[1-2]。近幾十年來, 因?yàn)闅夂蜃兓捅ǖ难杆偃诨?，中?guó)西部湖泊的水體積和面積都發(fā)生了顯著波動(dòng)，收縮和膨脹的周期相互交替，但總體已經(jīng)呈萎縮趨勢(shì)，許多湖泊甚至消失[3]。近幾年來，關(guān)于博斯騰湖的研究越來越多，但大多數(shù)都是對(duì)于博斯騰湖水文特點(diǎn)、水位變化、濕地、蘆葦、水質(zhì)、植被等進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)于博斯騰湖湖岸線的研究較少[4]。Lee等[5]使用諸如影像平滑、閾值的分割和跟蹤界限等技術(shù)檢測(cè)SAR影像中的海岸線；Bo等[6]使用模糊的技術(shù)將影像的灰度圖和紋理星系合并在一起，使之產(chǎn)生一種模糊的連接地圖，同時(shí)通過對(duì)聯(lián)鏡頭的分割實(shí)現(xiàn)提取海岸線的目標(biāo)。在黃河三角洲土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和海岸帶綜合管理中，劉高煥等[7]利用漲潮提取了海岸線，取得了1976-2000年黃河入?？诘暮０毒€變化；陸立明等[8]描述了利用SAR數(shù)據(jù)在合成孔徑雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用SAR數(shù)據(jù)從非成像狀態(tài)提取海岸線的方法；孫美仙等[9]利用TM遙感影像，完成了遙感勘測(cè)方法的研究和在福建省的應(yīng)用；魏彬[3]采用landsatTM/ETM+圖像和MATLAB平臺(tái)，編寫分形維數(shù)計(jì)算程序，根據(jù)分形維數(shù)與水位及湖泊形態(tài)特征關(guān)系說明了博斯騰湖形態(tài)特征變化的影響因素的相關(guān)結(jié)論；孫占東等[10]研究得出博斯騰湖流域內(nèi)的徑流變化與所在地區(qū)冰川的快速消融以及在該地區(qū)水資源的合理利用、合理配置有重要關(guān)系；陶輝等[11]研究認(rèn)為開都河的源頭地表徑流所受影響因素是氣溫和降水；王俊等[12]研究認(rèn)為人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)博斯騰湖的進(jìn)入湖泊徑流量的影響較大，同時(shí)得出該地區(qū)入湖徑流量與人類活動(dòng)的影響更加契合；高華中等[13]認(rèn)為，在1958-2002年期間，博斯滕湖地區(qū)受開都河灌區(qū)灌溉和引水的影響，經(jīng)歷了從弱到強(qiáng)再到弱的變化過程。

本文利用2006-2016年的遙感影像對(duì)博斯騰湖湖岸線做5期對(duì)比，初步探索最近10年內(nèi)博斯騰湖湖岸線的時(shí)空演變，并對(duì)博斯騰湖的西北角、東南角、南岸的典型區(qū)域進(jìn)行特征分析。通過對(duì)博斯騰湖湖岸線的研究有助于讓人們更直觀地了解博斯騰湖，對(duì)湖泊及其流域的合理開發(fā)提供科學(xué)建議及依據(jù)，也對(duì)博斯騰湖流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)有一定的參考意義[14]。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖位于東經(jīng)86°40′～87°25′、北緯41°56′～42°14′之間，在新疆維吾爾自治區(qū)焉耆盆地的博湖縣，是我國(guó)面積最大的內(nèi)陸淡水湖[15]。博斯騰湖有廣闊的水域面積，東西距離長(zhǎng)約55 km，南北寬度約 20 km。由于湖盆中心較低，因此在靠近湖泊的岸邊區(qū)域，湖水的深度快速減小。博斯騰湖光照豐富，熱量充足，空氣較為干燥，全年雨量稀少，為干旱地區(qū)常見的暖溫帶干旱荒漠氣候，博斯騰湖流域年降水量平均僅為68.2 mm，但年蒸發(fā)量卻有1 800～2 000 mm。

圖1 博斯騰湖流域示意圖

博斯騰湖是焉耆盆地中多條河流的匯集地，其主要的匯入河流是開都河，其他河流則是從天山南坡流下來的烏拉斯臺(tái)河以及哈爾烏遜河等，博斯騰湖的出湖河流為孔雀河，孔雀河的唯一水源也是博斯騰湖。在博斯騰湖流域的西北部是和靜縣，北部是和碩縣，中心區(qū)域在焉耆回族自治縣。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 遙感影像數(shù)據(jù) 本文所使用的是landsat數(shù)據(jù)，來源于中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)以及美國(guó)地質(zhì)勘探局的陸地衛(wèi)星網(wǎng)站(https://landsatlook.usgs.gov/viewer.html)，選取2006-2016年共5期遙感影像，具體信息見表1。

表1 遙感影像信息

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 將遙感圖像用于ENVI5.1環(huán)境中進(jìn)行操作，選擇7、4、3波段，生成RGB圖像，保存成TIF格式，因?yàn)榈?波段的遙感影像對(duì)水體最為敏感，可以更好地反映水體特征。本文主要用歸一化水體差異指數(shù)(NDWI)來分離水體和陸地。歸一化水體差異指數(shù)(NDWI)[16]和改進(jìn)的歸一化水體差異指數(shù)(MNDWI)[17]的計(jì)算公式為：

NDWI= (Green-NIR) /(Green+NIR)

(1)

式中:Green為綠色波段的反射率；NIR為近紅外波段反射率。

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

式中:Green為綠色波段反射率；MIR為中紅外波段反射率。

圖2即為博斯騰湖湖岸線提取過程圖，先在ENVI中對(duì)遙感影像進(jìn)行先期的預(yù)處理，包括圖像合成、圖像校正、圖像裁剪以及圖像拼接。之后利用水體指數(shù)通過bandmath進(jìn)行波段計(jì)算，生成單波段的影像，然后在Arcgis中建立矢量圖層以生成的影像圖做岸線的提取，同時(shí)計(jì)算周長(zhǎng)和面積。最后通過特征信息的提取分析時(shí)間和空間尺度的變化情況。

圖2 博斯騰湖湖岸線提取流程圖

3 研究方法

3.1 岸線發(fā)育系數(shù)

岸線發(fā)育系數(shù)(Shoreline Development Index，SDI)D描述海岸線的不規(guī)則程度，D值越大，則湖岸線越不規(guī)則，D值越小，則岸線的發(fā)育越規(guī)則，該系數(shù)被廣泛運(yùn)用于對(duì)不同湖泊的分類及評(píng)價(jià)其沿岸帶的重要性[18]，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：L為湖泊的岸線長(zhǎng)度，km；A為湖泊的面積，km2。

3.2 圓形度R

圓形度R用來形容研究要素的形狀與圓形接近的程度，R的取值在0～1之間，R值越大，表明圖形更加接近圓形，其公式表達(dá)為：

R=4πS/L2

(4)

式中：S為圖形面積，km2；L為圖形周長(zhǎng)，km。

3.3 形狀復(fù)雜性e

形狀復(fù)雜性即用離散指數(shù)e表示，e數(shù)值越大，表明研究要素的邊界形狀越復(fù)雜，反之越簡(jiǎn)單，其計(jì)算公式為：

e=L2/S

(5)

4 結(jié)果與分析

4.1 博斯騰湖湖岸線特征值的提取和計(jì)算

本文在湖岸線的處理上利用基于GIS的手動(dòng)矢量法，通過對(duì)2006-2016年的5景不同的影像進(jìn)行手動(dòng)的描邊，統(tǒng)計(jì)出如表2所示的湖岸線在研究時(shí)段內(nèi)的基本數(shù)據(jù)。

表2 2006-2016年博斯騰湖5景影像岸線特征值

從表2中可以看出，2006-2016年博斯騰湖的面積呈現(xiàn)出先減小后增加的變化過程，其周長(zhǎng)的變化與面積的變化出現(xiàn)了同步的變化特征，因此計(jì)算出的岸線發(fā)育系數(shù)與形狀復(fù)雜性共同反映出了先減小后增加的變化過程，并且與圓形度的計(jì)算結(jié)果也是相吻合的。

4.2 博斯騰湖湖岸線時(shí)間尺度變化特征

為更加直觀地研究博斯騰湖湖岸線隨時(shí)間的變化，對(duì)其周長(zhǎng)和面積做如圖3所示的折線圖，以顯示變化趨勢(shì)，分析變化過程。

圖3 博斯騰湖湖岸線周長(zhǎng)面積變化圖

由圖3可以看出，近10年內(nèi)博斯騰湖面積和周長(zhǎng)均為先下降后增長(zhǎng)的過程。其中2013年的面積和周長(zhǎng)均降到最低，該年度為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2015-2016年的增長(zhǎng)較為迅速，出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)折。

為了更好地說明這個(gè)轉(zhuǎn)折變化，將變化的整個(gè)過程分成2006-2013年和2013-2016年兩個(gè)時(shí)間段，分別計(jì)算兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化差、變化速率以及變化的百分比。如表3所示。

表3 2006-2016年博斯騰湖湖岸線面積和周長(zhǎng)變化表

通過表3的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2006-2013年間博斯騰湖湖岸線的面積從990.78 km2減少到902.25 km2，減少了88.53 km2，每年以12.65 km2的速率在減小，面積變化的占比達(dá)到了2006年的8.93%； 2013-2016年期間博斯騰湖湖岸線面積從902.25 km2增加到963.48 km2，增加了61.24 km2，每年以20.41 km2的速率在不斷的增加，面積變化的占比達(dá)到了2013年的6.79%。博斯騰湖湖岸線的周長(zhǎng)也是在不斷變化，從2006年的325.32 km到2013年269.33 km，減少了55.99 km，在這7 a間以每年7.99 km的速度減少，7 a間減少的岸線長(zhǎng)度占2006年的17.2%；2013-2016年湖岸線的周長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，從2013年的269.33 km增加到2016年的331.93 km，增加了62.6 km，這3 a期間以每年20.87 km的速率在增加，3 a間增加的岸線長(zhǎng)度占2013年的23.24%。

4.3 博斯騰湖湖岸線空間尺度變化特征

在博斯騰湖地區(qū)的遙感影像上，利用水體指數(shù)NDWI來分割水體，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源，采用了不同的波段組合的方式來進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于2013-2016年的lansat8影像，所采用的計(jì)算方法是NDWI提取水體。最后將在ENVI5.1中所得的分離水體的影像保存為TIFF格式，并將其在Arcgis中打開，通過在cotalog數(shù)據(jù)庫(kù)中建立shapefile矢量文件來存儲(chǔ)多邊形矢量。 在shapefile里構(gòu)建面要素文件，用上文的TIFF文件作為底圖來進(jìn)行矢量化過程。通過對(duì)博斯騰湖地區(qū)手動(dòng)矢量化得出了2006-2016年的5期遙感數(shù)據(jù)的博斯騰湖湖岸線空間變化圖，如圖4所示。為了便于表述和研究，將博斯騰湖湖岸線劃分為5個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

圖4 2006-2016年博斯騰湖湖岸線空間變化

圖5 博斯騰湖湖岸線研究區(qū)域劃分

從圖4中可以看到，2006-2016年博斯騰湖湖岸線變化顯著，尤其是在西北地區(qū)的濕地地帶，即為圖5所示的區(qū)域1，其次為區(qū)域4即博斯騰湖的南岸。 2006年岸線最靠南邊，其次是2011年的岸線，然后是2013年的岸線最靠北面，表明2006-2013年期間博斯騰湖南岸岸線為收縮趨勢(shì)，從圖4的南岸即圖5中的區(qū)域4可以看出，2015和2016年的南岸岸線均在2013年的南面，即說明2013-2016年博斯騰湖湖岸線又為擴(kuò)大趨勢(shì)。

下面對(duì)5期數(shù)據(jù)中每相鄰兩年份的博斯騰湖湖岸線各劃分區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步分析2006-2016年博斯騰湖湖岸線的變化過程，對(duì)比結(jié)果見圖6。

圖6 2006-2016年博斯騰湖5期影像數(shù)據(jù)每相鄰兩年份湖岸線位置對(duì)比

圖 6(a)為2006與2011年的岸線位置對(duì)比圖。由圖 6(a)可以看出，在圖5中區(qū)域1位置，2011年較2006年變化很大，在該區(qū)域2006年的大面積濕地已經(jīng)基本上沒有了，從表2中湖岸線特征值來看，這一期間湖岸線發(fā)育系數(shù)及形狀復(fù)雜性值均大幅減小。而在區(qū)域2中可以很明顯地看到2011年的岸線上有幾個(gè)突出來的岸灘，而在2006年的岸線并無這些岸灘；在區(qū)域3中可以看到2006年的岸線比較破碎、分散，而在2011年的岸線較為規(guī)整；在區(qū)域4即南岸區(qū)域，2011年的岸線有很多破碎的湖中灘地，但在2006年岸線上看不到這些岸灘，因?yàn)?006年的湖水量大，岸線靠南一些；在區(qū)域5中可以看到該地區(qū)相較于前幾個(gè)區(qū)域變化較小，但還是可以看出2011年的岸線相較于2006年在向東延伸，岸線在縮小。總的來說2011年相對(duì)于2006年的5個(gè)岸線研究區(qū)域均在減小。

圖 6 (b)為2011與2013年的岸線位置對(duì)比圖。從圖6(b)中可以看到區(qū)域1對(duì)應(yīng)的岸線已經(jīng)較為穩(wěn)定，在這兩年間沒有明顯改變；在區(qū)域2中，可以看到2011年的湖岸灘仍在擴(kuò)大，一直到了2013年的界限；在區(qū)域3中可以看出2013年的湖岸線都是一直在內(nèi)收的狀態(tài)；區(qū)域4為該兩年中變化最大的地區(qū)，2013年的岸線相較于2011年向北拓展明顯，而且有兩處“湖中沙灘”也是被南岸的陸地連接起來，岸線的復(fù)雜程度也在提高；在區(qū)域5中，開都河與博斯騰湖大湖口相連的地方的變化比較大?？傮w而言，2013年比2011的岸線長(zhǎng)度更短，圍成的面積也相對(duì)較小。

圖 6 (c)為2013與2015年的岸線位置比對(duì)圖。從圖6(c)中可以看到區(qū)域1的變化不大，但是在區(qū)域2中的2013年岸灘在2015年向北收縮了，即2015年的岸線相對(duì)于2013年是減小的；區(qū)域3與區(qū)域1相同，岸線基本維持不變；區(qū)域4中 2015年的岸線向南拓展，表明在該地區(qū)湖岸線是呈增加趨勢(shì)；區(qū)域5中岸線變化也不大，2013與2015年的岸線基本為重合狀態(tài)。綜上所述，2015年的岸線相對(duì)于2013年呈拓展趨勢(shì)，同時(shí)周長(zhǎng)和面積也在增加。

圖 6 (d)為2015與2016年的岸線位置對(duì)比圖。從區(qū)域1中可以觀察到2016年的岸線較2015年向外擴(kuò)展；在區(qū)域2中，2015年的幾個(gè)岸灘在2016年的岸線中已經(jīng)消失了，這表明2016年的岸線在擴(kuò)大，在該區(qū)域向北擴(kuò)展；在區(qū)域3中也可以很清楚地看到2016年的岸線在向東外擴(kuò)，而且出現(xiàn)了幾個(gè)新的岸灘；區(qū)域4中的岸線也在擴(kuò)展。所以，2016年的岸線相較于2015年向外明顯擴(kuò)展。

4.4 博斯騰湖湖岸線發(fā)育系數(shù)、圓形度、形狀復(fù)雜度分析

通過對(duì)博斯騰湖岸線的周長(zhǎng)和面積的計(jì)算，可以知道博斯騰湖2006-2016年的10年間湖岸線的變化特別明顯。例如在從2013年到2016年這3年內(nèi)，面積以每年20.41 km2的速率在不斷的增加，面積變化的占比達(dá)到了2013年的6.79%。增長(zhǎng)了61.24km2；周長(zhǎng)的變化也非常顯著，周長(zhǎng)以每年20.87 km的速度在增加，總共增加了62.6 km，將近占到2013年岸線長(zhǎng)度的1/4。僅通過面積和周長(zhǎng)來說明岸線的變化是不夠的，這里引進(jìn)與面積和周長(zhǎng)有密切關(guān)系的岸線發(fā)育系數(shù)、圓形度、形狀復(fù)雜度來更好地說明博斯騰湖湖岸線的變化情況，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，利用origin軟件作出博湖湖岸線3個(gè)特征值的變化趨勢(shì)圖，見圖7。

圖7 2006-2016年博湖湖岸線特征值變化趨勢(shì)

形狀復(fù)雜性用離散指數(shù)e表示，e數(shù)值越大，表明研究要素的形狀邊界越復(fù)雜，e值越小，對(duì)應(yīng)的圖形就越簡(jiǎn)單[19]。從圖7中可以看出該指數(shù)也是一個(gè)先減小后增大的過程，最小值出現(xiàn)在2011年，為82.3，最大值為2016年的114.35。

岸線發(fā)育指數(shù)是指岸線的規(guī)則與否的程度指數(shù)，岸線越不規(guī)則，則岸線發(fā)育指數(shù)就越大。從圖7可以看出，2013年的岸線發(fā)育指數(shù)最小，僅為2.53，為近10年來的最小值，而在2016年該指數(shù)達(dá)到3.02，為近10年以來的最大值。同時(shí)也可以看出該指數(shù)的變化過程也是先減小后增大。

圓形度表示圖形與圓形的相似程度，當(dāng)值為1時(shí),該圖形即為圓形，當(dāng)該值越小于1表示選擇的圖形越不規(guī)律，與圓形的差距越大[20]。從圖7中看出該指數(shù)為先增大再減小的過程，最大值為2013年的0.16，表明在近10年的變化里2013年博湖湖岸線萎縮較大，相比較而言與圓形最為相似，而最小值為2016年的0.11，表明岸線相對(duì)不規(guī)則，即岸線向外擴(kuò)張了。

博斯騰湖湖岸線的發(fā)育系數(shù)在2006-2016年的10年間經(jīng)歷了由大到小再到大的變化過程，從圓形度和復(fù)雜程度的角度上來說是經(jīng)歷了“復(fù)雜——簡(jiǎn)單——復(fù)雜”的變化過程。即近10年內(nèi)博斯騰湖湖岸線經(jīng)歷了“復(fù)雜——簡(jiǎn)單——復(fù)雜”的變化過程。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

(1)2006-2013年博湖岸線的面積從990.78 km2減少到902.25 km2，2013-2016年博湖湖岸線面積從902.25 km2增加到963.48 km2。博斯騰湖湖岸線的面積呈現(xiàn)先減少后增加的過程；博斯騰湖岸線的周長(zhǎng)也是不斷變化的，從2006年的325.32 km減小到2013年269.33 km，又從2013年269.33 km增加到2016年的331.93 km。博斯騰湖湖岸線的周長(zhǎng)呈現(xiàn)出先減少后增加的過程，其岸線的岸線發(fā)育指數(shù)和形狀復(fù)雜度也相應(yīng)地呈現(xiàn)先減少后增加的過程。

(2)博斯騰湖湖岸線從2006年到2016年間岸線變化較大的區(qū)域有圖5中的區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域4，分別為博斯騰湖的西北濕地地帶、東南較為破碎的湖區(qū)、南部的整條岸線。在區(qū)域1和區(qū)域3中，2006-2013年均表現(xiàn)為收縮的趨勢(shì)，2013-2016年表現(xiàn)穩(wěn)定，沒有明顯收縮和擴(kuò)張趨勢(shì)。在區(qū)域4中，從2006-2013年表現(xiàn)為向北收縮的趨勢(shì)，而2013-2016年該區(qū)域表現(xiàn)為向南擴(kuò)張的趨勢(shì)。

(3)在本文中博斯騰湖湖岸線的3個(gè)特征值即：岸線發(fā)育指數(shù)、圓形度、形狀復(fù)雜度，能夠更好更全面地反映出博斯騰湖湖岸線時(shí)空演變的趨勢(shì)即岸線先減少后增加的趨勢(shì)。

5.2 不足與展望

在本文中涉及到2016年的博斯騰湖面積的計(jì)算，通過計(jì)算得2016年湖泊面積為963.49 km2，較2015年的面積931.63 km2增加了31.86 km2，增加率為3.4%，增加數(shù)值較大。阿依努爾·買買提等[21]預(yù)測(cè)博斯騰湖面積在2015-2030將呈減小趨勢(shì)，張一瓊[22]對(duì)博斯騰湖面積的定量遙感中也分析到博斯騰湖從1972到2011年經(jīng)歷了先減小再增大又減小的趨勢(shì)。但從實(shí)地調(diào)查可知，在2015年的區(qū)域5中，博斯騰湖大湖區(qū)與小湖區(qū)相接連的地方僅有很少的不連續(xù)水體，而在同一區(qū)域的2016年經(jīng)實(shí)地調(diào)研可知，在該地區(qū)已經(jīng)有大片的連成一體的水體。為更嚴(yán)謹(jǐn)、更科學(xué)地分析博斯騰湖湖岸線的變化需要更進(jìn)一步的研究。

本文所使用的遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源較為單一，僅為lansat8的影像，雖然該影像的分辨率較高，為30 m，但還是可以通過modis以及其他數(shù)據(jù)源對(duì)2016年的數(shù)據(jù)加以佐證。

希望可以通過博斯騰湖最新時(shí)間段的蒸發(fā)量、降雨量、溫度、水位及開都河徑流量等的變化來做更加詳細(xì)的驗(yàn)證。