1998—2021年艾比湖湖泊面積變化遙感監(jiān)測及驅(qū)動因素分析

陳尚書 孟慶吉

摘要 基于Landsat5、Landsat8影像以及利用NDWI方法，分析了艾比湖湖泊面積的變化狀況以及影響因素。結(jié)果表明，1998—2021年艾比湖的面積呈下降狀態(tài)，2016年湖泊面積小幅度上升，湖泊面積減小最快的時間段在2017—2021年。導致湖泊面積減小的原因是氣溫和降水量的變化給生態(tài)環(huán)境增加了許多不穩(wěn)定因素，人類活動的頻繁及經(jīng)濟發(fā)展影響研究區(qū)域內(nèi)的環(huán)境。

關(guān)鍵詞 艾比湖；NDWI；遙感；驅(qū)動因素；環(huán)境

中圖分類號 P237 ? 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）04-0136-03

Remote Sensing Monitoring and Driving Factor Analysis of Lake Area Change in

Lake Aibi from 1998 to 2021

CHEN Shangshu? ?MENG Qingji*

（School of Tourism and Geographical Sciences， Baicheng Normal University， Baicheng Jilin 137000）

Abstract This study was based on Landsat5 and Landsat8 images and used the NDWI method to analyze the lake area changes of Lake Aibi and the factors that affect the lake area changes. The results showed that the area of Lake Aibi declined from 1998 to 2021， the area of the lake increased slightly in 2016， the time period when the area of the lake decreased the fastest was from 2017 to 2021. The reason for the reduction of the lake area was the change of temperature and precipitation， which added many unstable factors to the ecological environment; the frequent human activities and economic development affected the environment in the study area.

Keywords Lake Aibi; NDWI; remote sensing; driving factor; environment

湖泊是陸地水體的主要組成部分之一，在水循環(huán)系統(tǒng)中具有重要的地位，湖泊的變化間接地反映了氣候的變化。遙感能得到大的空間數(shù)據(jù)并以圖像的形式呈現(xiàn)，宏觀地反映了地球上各種形態(tài)的物體分布，真實地體現(xiàn)出地質(zhì)、地貌、水文等特征，為研究人員對地物的分析提供了較好的數(shù)據(jù)。

近些年來，眾多學者及研究人員利用遙感技術(shù)對湖泊的變化狀況進行研究，例如，孟慶吉等[1]運用歸一化水體指數(shù)提取湖泊的水體，結(jié)果表明，1989—2020年達里諾爾湖湖泊面積呈下降趨勢；張偉華等[2]運用水體指數(shù)閾值分割和種子增長法相結(jié)合的混合方法進行研究，結(jié)果表明，藏西北高原郭扎錯湖泊面積近40年來波動性的萎縮；杜玉娥等[3]將高分衛(wèi)星影像進行幾何矯正后采用經(jīng)驗閾值模式提取湖泊的面積，結(jié)果表明，受氣溫升高、降水普遍增加、增暖增濕等因素的影響，柴達木盆地湖泊面積呈一定程度的擴大趨勢；蘇朝鵬等[4]運用歸一化差異水體指數(shù)等方法，對呼倫湖進行了變化監(jiān)測與分析，結(jié)果表明，呼倫湖在不斷減?。粎撬卦频萚5]對中亞主要湖泊進行遙感解譯，結(jié)果表明，受人類活動影響，平原區(qū)尾閭湖湖泊面積均呈不同程度的縮小趨勢，受地形及氣候因素影響，高山封閉型湖泊面積呈小幅度增長趨勢；德吉央宗等[6]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象觀測資料，并基于1975年的地形圖進行研究，結(jié)果表明，1975—2018年魯瑪江冬錯湖面面積呈不斷增長趨勢，增長的原因是降水量的增加和氣溫顯著上升所致。鑒于此，該研究以艾比湖為研究區(qū)，以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，運用歸一化水體指數(shù)等方法，分析1998—2021年艾比湖湖泊面積變化狀況，并研究影響其變化的驅(qū)動因素。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州精河縣、雙河市、阿拉山口市之間，湖水主要來源于博爾塔河、奎屯河以及精河，分別從西、東、南方向注入，湖泊呈現(xiàn)為橢圓狀，湖面海拔為189 m，是新疆最大的咸水湖。地處溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫在7～8 ℃。由于獨特的氣候條件導致湖水的蒸發(fā)量較大，湖水主要來源于地表徑流與冰雪融水。艾比湖的大面積縮小也對研究區(qū)域風沙天氣的形成造成了一定的影響，使該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到了一定程度的破壞[7]。自2004年起，新疆啟動了艾比湖流域人工增水工程，在一定程度上使艾比湖得到了保護。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究選擇Landsat5和Landsat8的影像數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)?？紤]到研究區(qū)的云量以及影像的空間分辨率，最終分別選取1998年、2006年的Landsat5數(shù)據(jù)以及2011年、2016年、2021年的Landsat8數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)的分辨率均為30 m。人為因素數(shù)據(jù)來自《新疆統(tǒng)計年鑒》；自然因素數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，站點為精河縣。

1.3 分析方法

在提取水體前，對影像數(shù)據(jù)進行大氣矯正，波段組合等預處理[8]。影像數(shù)據(jù)可以進行多種波段組合，經(jīng)過多種嘗試后，最終都分別采用了2/3/4和3/4/5的波段進行組合。將數(shù)據(jù)在ENVI中利用NDWI方法進行處理，將決策樹法和閾值法相結(jié)合建立新的決策樹，并通過多次的目視判讀控制提取水體的閾值，確保提取的湖泊范圍與目視范圍一致，最后將提取的湖泊水體轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，并在ArcGIS里打開進行幾何運算算出湖泊面積（此次數(shù)據(jù)閾值分別為0.60、0.60、0.60、0.20）。

2 結(jié)果與分析

2.1 面積變化

1998—2021年新疆艾比湖的面積變化情況如圖1所示。從圖1可以看出，湖泊的面積呈先減小后增大又減小的趨勢，但在2016和2021年產(chǎn)生了特殊的變化，湖泊面積的主要變化部分是在艾比湖的東南區(qū)域和西南區(qū)域。1998—2006年湖泊面積增加32.03 km2，平均每年增長約4.01 km2；2007—2011年湖泊面積減少63.55 km2，平均每年減少12.71 km2；2011—2016年湖泊面積增加49.81 km2，此階段湖泊面積的增長表明環(huán)境得到了一定程度的保護；2017—2021年湖泊面積減少323.16 km2，此階段湖泊面積大幅度的減少，表明研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境遭到了嚴重的破壞，同時也反映出人類活動對艾比湖的影響程度持續(xù)升高，相關(guān)的影響因子作用上升。湖泊面積的變化對區(qū)域環(huán)境有著警示和指示作用，可為區(qū)域環(huán)境內(nèi)的生態(tài)變化分析提供良好的依據(jù)。

2.2 驅(qū)動因素

2.2.1 自然因素。1998—2020年艾比湖區(qū)域多年降水量和平均氣溫如圖2所示。從圖2可以看出，1998—2020年研究區(qū)域年降水量的波動性較大，最小值出現(xiàn)在2000年，最大值出現(xiàn)在2016年，分別為74.5和204.6 mm；1998—2000年降水量變化不明顯且均低于100.0 mm；2001—2009年降水量變化幅度相對較小，平均值為157.6 mm，2010—2020年降水量的多年平均值為147.1 mm。多年的年降水量均值在減少，說明研究區(qū)域處于逐漸干旱狀態(tài)。1998—2020年艾比湖年平均氣溫處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，最小值出現(xiàn)在2005年，最大值出現(xiàn)在2015年，分別為8.4和10.5 ℃，多年平均值為9.5 ℃。1998—2005年平均氣溫較為穩(wěn)定；2006—2010年平均氣溫浮動較緩；2011—2015年平均氣溫極不穩(wěn)定。多年來研究區(qū)域降水量的不穩(wěn)定變化和年平均氣溫的變化表明艾比湖的環(huán)境狀態(tài)不佳，湖泊的水量來源受到了一定的威脅。

2.2.2 人為因素。人為因素是影響湖泊變化的重要因素之一，環(huán)境的變化中，人類活動帶來的影響十分顯著。該研究主要選取研究區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值、耕地面積和人口數(shù)量3 個方面對人為因素進行分析。多年來研究區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值在持續(xù)增加，2020年高達431 922 萬元。耕地面積同時也在逐漸增大，2020年面積最大，1998年面積最小，分別為65 277.58和22 120.00 hm2，耕地面積增長近2倍。除此之外，人口數(shù)量由11.8 萬增長為14.8萬，增長25.4%。人口數(shù)量、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值等的快速增長表明工、農(nóng)業(yè)對水資源的需求量也在增長。工、農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時，也對博爾塔河、奎屯河和精河的環(huán)境造成了一定的破壞，導致注入湖泊的水量減少，生態(tài)環(huán)境被破壞的程度加深。

3 結(jié)論

1998—2021年艾比湖的面積呈先減少后增大再減小的趨勢，2017—2021年減小的幅度極大，湖泊面積變化最大的區(qū)域為東南部。湖泊面積變化的趨勢表明人類的活動逐漸頻繁，環(huán)境呈進一步惡化趨勢。近年來，在自然因素和人為因素的共同作用下，研究區(qū)環(huán)境的不穩(wěn)定因素變得更多，將會帶來更多的環(huán)境問題。相信今后運用遙感等相關(guān)技術(shù)對生態(tài)環(huán)境進行分析，并加強保護措施的實施，湖泊環(huán)境必將會有所改善。

4 參考文獻

[1] 孟慶吉，李曉東.1989—2020年達里諾爾湖泊面積變化遙感監(jiān)測[J].北京測繪，2022，36（2）：144-148.

[2] 張偉華，德吉央宗，平措旺丹，等.藏西北高原郭扎錯湖泊面積變化與氣候響應分析[J].農(nóng)學學報，2021，11（10）：57-62.

[3] 杜玉娥，劉寶康，賀衛(wèi)國，等.1976—2017年柴達木盆地湖泊面積變化及其成因分析[J].冰川凍土，2018，40（6）：1275-1284.

[4] 蘇朝鵬，王鑫.1987—2017年呼倫湖面積變化監(jiān)測與分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：116-118.

[5] 吳素云，周斌，潘玉良，等.近25年來中亞湖泊面積遙感動態(tài)監(jiān)測[J].杭州師范大學學報（自然科學版），2017，16（2）：200-204.

[6] 德吉央宗，白瑪仁增，白瑪央宗，等.近40年藏西北魯瑪江冬錯湖面變化的多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測[J].高原山地氣象研究，2022，42（1）：85-89.

[7] 丁建麗，葛翔宇，王敬哲.中國艾比湖濕地識別及其時空動態(tài)變化[J].自然資源學報，2021，36（8）：1949-1963.

[8] 崔青林，汪鳴泉，黃永健.融合隨機森林模型和6種水體指數(shù)的上海市水體信息提取[J].測繪通報，2022（2）：106-109.

（責編：張宏民）