基于Landsat影像的纳木错湖面变化驱动力分析.pdf

基于L a n d s a t影像的纳木错湖面变化驱动力分析岳 东1,华 键1,李柏霖2(1.云南农业大学 水利学院/云南省高校农业遥感与精准农业工程研究中心,昆明 6 5 0 2 0 1;2.云南农业大学 水利学院/云南省高校国土资源科学技术工程研究中心)摘要:文章以纳木错湖1 9 9 12 0 2 0年的L a n d s a t卫星遥感数据为数据源,针对湖泊面积持续变化的问题,利用改进的归一化差异水体指数(MN DW I)及线性相关分析等方法,分析纳木错湖泊面积的变化状况及其驱动力因素。实验结果表明,1 9 9 12 0 2 0年纳木错湖泊面积呈扩张态势。湖区面积与降水量、温度和牲畜数量的回归分析表明,气温上升引起的冰川消融是湖泊扩张的主要驱动因素,降水是次要因素。关键词:遥感;回归分析;MN DW I;最大类间方差法;纳木错湖0 引言湖泊是自然界水循环中不可或缺的角色,它能调节区域气候,参与水文循环,影响人类的生存发展。数十年来,人类活动范围与强度的改变对大自然的作用力逐步加强,江河湖库等水域面积因气温、降水或更为直接的人类活动的作用而改变,萎缩、干涸消亡及扩张等情况更是循环往复,屡见不鲜。这极大影响了湖泊生态系统生物多样性的发展和其区域内居民生活生产的质量。其中,青藏高原的湖泊具有很强的代表性。对湖泊进行遥感监测,认识湖泊变化的原因对自然环境与人类社会的可持续发展具有重大意义1。国内外已经开展众多利用遥感影像为数据源提取水体信息相关的研究,如利用遥感快速准确监测洞庭湖2与青海湖3水体研究;M i n C h e n等4使用遥感数据研究美国地区的湖泊面积变化,并建立多元线性回归模型;刘旭隆5,孟庆吉等6用影像数据分析岱海湖面积变化驱动力;张文等结合地球遥感和高分卫星图像发现鄱阳湖的面积在逐步减小7;罗蔚等也对鄱阳湖流域的时空演变特征进行分析8;刘洋等以MO D I S数据,实现了鄱阳湖湖面的提取和年际及季节变化的分析9。掌握长时序水体面积变化特征的监测方法,对于未来的生态保护和治理有极为重要的作用1 0-1 2。文章 以L a n d s a t遥 感 影 像 作 为 数 据 源,计 算 纳 木 错 湖 全 覆 盖 影 像 的 改 进 归 一 化 差 异 水 体 指 数(MN DW I),使用R O I阈值分割法快速准确分离出水体信息。通过建立R O I感兴趣区使得每幅影像水陆分离的范围保持一致,统计感兴趣区内的水体像元总数并计算水体面积。每幅影像如此,得到每年纳木错湖面积后分析其年际变化趋势。收集纳木错流域的降雨量数据和畜牧业数据进行相关性分析,各类因子与面积变化的多元线性回归分析,分析其变化的驱动因素。1 研究区概况西藏纳木错湖,是仅次于青海湖的第二大咸水湖,地处西藏当雄和班戈交界。其南部与念青唐古拉山接壤,北部与藏北高原接壤,海拔4 7 2 0m,天然降水和消融水补给是纳木错湖水的主要来源1 3。2 研究数据与方法2.1 数据采集图像资料:研究主要采用的是L a n d s a t系列卫星影像数据,影像时间跨度为1 9 9 12 0 2 0年,空间分辨率为3 0 m。气象数据:来自国家气象科学数据中心,选择距离研究区最近的当雄县和班戈县气象站1 9 9 02 0 1 9年降水和气温日气象数据。人为因素数据:选择2 0 1 02 0 2 0年纳木错湖周边班戈、当雄两地年末牲畜存栏量数据。2.2 研究方法2.2.1 改进归一化差异水体指数(MN DW I)收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 6作者简介:岳东(1 9 9 9-),男,陕西丹凤人,在读硕士,研究方向为资源与环境遥感。74 现代化农业 2 0 2 3年第1 0期(总第5 3 1期)归一化差异水体指数(MN DW I)是利用水体在绿光和近红外两个波段上的不同反射特征区别出水体和其他地表,同时抑制植物和土壤的信息。MN DW I是N DW I的增强,有效削弱了山体阴影在提取水体时的影响,能够最大限度地区分遥感影像中的水体和非水体信息1 4-1 6,表示如下:MNDW I=(G r e e n-M I R)/(G r e e n+M I R)(1)式(1)中,MN DW I即为改进的归一化差异水体指数,M I R表示水体在中红外波段的反射率,G r e e n表示水体在绿光波段的反射率。2.2.2 最大类间方差法(OT S U)1 7水陆分离阈值的确定:采用最大类间方差法确定水体和陆域分离的最佳MN DW I阈值,该方法通过最大化水体和非水体的类间方差来确定最佳阈值,其基本原理如下:假定某一影像所有像元的MN DW I的值域范围为m,n(-1mn1)。则该影像所有像元可以根据MN DW I的某一阈值t分为两类,其中MN DW I值介于m,t 的像元为水体,MN DW I值介于t,n 的像元为非水体。水体和非水体的类间方差(2)由下式表示:2=Pw(Mw-M)2+Pn w(Mn w-M)2(2)式(2)中,Pw和Pn w分别为水体像元和非水体像元所占的比例,Mw和Mn w分别为水体像元和非水体像元的MN DW I平均值,M为所有像元的MN DW I平均值,其中:M=PwMw+Pn wMn w(3)Pw+Pn w=1(4)上式中各项及类间方差2随选取的阈值t的大小不同而变化,水体与非水体的类间方差最大时的t值即为确定的最佳阈值t*,即:t*=A r g m a xmtnPw(Mw-M)2+Pn w(Mn w-M)2(5)对于每一景L a n d s a t影像,采用式(5)确定其水陆域分离的最佳阈值t*。3 结果与分析3.1 纳木错湖面积变化纳木错湖泊总面积从1 9 6 7 k m2增到2 0 3 1 k m2,总体明显呈现出一种缓慢扩张的走势,见图1。图1 纳木错湖面积图 图2 纳木错湖面积年际变化率图3.2 纳木错湖面积年际变化特征由结果可得其平均年际增长率为0.1 0 8%,纳木错湖水域面积总体上升。纳木错湖面积在1 9 9 5年后稳步上升,到2 0 1 4年左右趋于稳定。从图2中可以看到,纳木错湖的年际变化速率呈逐年递减趋势,并呈现出接近0的趋势,说明生态环境保护已引起人们关注。3.3 纳木错湖面积变化驱动力原因分析3.3.1 气温纳木错湖以念青唐古拉山冰川融水为主要水源,温度上升引起冰雪消融,使水库蓄水量增加,水面面积扩大。根据对近3 0 年纳木错的年均气温研究,结果如图3显示:随着1 9 9 12 0 2 0年气温波动上升,纳木错湖的面积总体也呈不断扩大的趋势;其中,1 9 9 4年气温降低0.2,水域面积减少了7.9 k m2;2 0 0 5年气温上升0.5,此时水域面积也扩大8.4 k m2。根据温度与水体面积的关系分析,温度对纳木错湖水体面积的增84 现代化农业 2 0 2 3年第1 0期(总第5 3 1期)大有显著促进作用。3.3.2 降水青藏高原年平均降雨具有较强的季节性,是纳木错湖水最直接的补充手段。纳木错降水年际变化情况如图4显示,该区3 0年内平均降雨量约为4 1 7 mm;2 0 0 32 0 0 5年的降水比同期大,纳木错流域面积也有较大的提高;如1 9 9 41 9 9 9年间的5年间,降水持续增加,湖面面积也以较陡的方式增大。总体来看,降水总体上呈现出平稳的趋势。结果表明,降水与水体面积之间存在较好的相关性。图3 气温显示图 图4 降雨显示图3.3.3 人类活动由图5看出,纳木错的牲畜存栏量由8 0万头逐渐降至6 0万头,而在此时间段,湖面面积也缓慢增大。这就证明一个地区经济的快速发展必定会导致对水资源需求的快速增长,再加上耕地和牲畜存栏量的增长,会进一步提高对水资源的索取,致使纳木错湖水源补给量减少。3.3.4 其他因素 纳木错位于海拔4 0 0 0 m左右的山地,由于长期的低温,地面多为冻土及冰覆盖。随着气温升高冻土融化,纳木错湖的水源得以增加,水位上升、水面扩张随之而来。全球暖化会使水分的蒸发增多,但研究发现,蒸发的影响因素很多,在温度升高的情况下,蒸发并不必然增加,但与云量、日照、辐射等因素相关。通过对纳木错的调查和分析,发现纳木错地域的云量较往年有所增加,而该地区的蒸发则有所图5 牲畜量显示图下降。这就说明蒸发的降低也导致了纳木错湖的扩展。3.4 回归分析由分析结果表明,其所建回归模型拟合度较高。自变量温度对因变量面积有明显的促进作用,自变量降水量对因变量面积存在不显著的促进作用,自变量牲畜出栏量对因变量面积存在明显的抑制作用。4 结语就自然因素而言,大气降水对纳木错湖总水量的供应是相对的,温度逐渐升高,冰雪融水增多但蒸发量没有增加是导致湖泊水量快速扩张的主要原因。在人为因素方面,随着人类活动和经济发展对自然环境干扰的加深,各方面的需水量显著增加,也一定程度抑制了湖泊的扩大。总而言之,温度上升是纳木错湖面积增大的根本原因。5 参考文献1 孟庆吉,李晓东.1 9 8 9-2 0 2 0年达里诺尔湖泊面积变化遥感监测J.北京测绘,2 0 2 2(2):1 4 4-1 4 8.2 王威,隋兵,林南,等.基于L a n d s a t遥感数据的洞庭湖面积变化研究J.气象科技进展,2 0 2 0(3):1 2 8-1 3 2.3 韩伟孝,黄春林,王均琛,等.基于长时序L a n d s a t 5/8多波段遥感影像的青海湖面积变化研究J.地球科学进展,2 0 1 9(4):3 4 6-3 5 5.94 现代化农业 2 0 2 3年第1 0期(总第5 3 1期)基于L a n d s a t数据(2 0 0 02 0 2 0年)的滇池流域水面时空变化及驱动力分析华 键1,岳 东1,李柏霖2(1.云南农业大学 水利学院/云南省高校农业遥感与精准农业工程研究中心,昆明 6 5 0 2 0 1;2.云南农业大学 水利学院/云南省高校国土资源科学技术工程研究中心)摘要:研究滇池流域对于昆明市社会经济可持续发展具有非常重要的意义。基于2 0 0 0、2 0 0 5、2 0 1 0、2 0 1 5、2 0 2 0年5期L a n d s a t遥感影像为数据源,利用归一化水体指数(N DW I)对昆明市滇池流域的水体面积进行了动态监测。结果表明2 0 0 02 0 2 0年间滇池流域的水体总面积呈现逐步减少的趋势,水体总面积共减少了9.5 7 7 8 k m2,减少速率为0.4 7 8 8 9 k m2/年,其中2 0 1 02 0 1 5年期间变化较大,占据水体总减少面积的4 7.3 5%;主要原因是受城市工业发展和工程治理等的需要。在未来规划过程中,应避免由于水体空间格局不合理产生的生态环境问题。关键词:高原湖泊;N DW I;遥感监测;滇池流域0 引言云南省九大高原湖泊流域面积中最大的是滇池流域,研究其水面时空变化及驱动力分析对于昆明市社会经济可持续发展具有非常重要的意义。水资源是经济社会发展的战略资源和经济资源,但随着经济社会的快速发展需要,加之湖泊自我调蓄能力慢,导致水资源短缺和供需问题越来越突出。文章的研究对象不仅面临上述问题,而且其生态系统也非常脆弱,因此对其湖泊进行动态监测并揭示不同因素对其湖泊面积的影响规律,对保护滇池流域生态系统以及合理开发利用有着非常重要的意义1,2。近年来,国内外许多专家学者对湖泊水体变化进行了相关监测和研究。如孙金彦等3利用S e n t i n e l-2卫星遥感数据使用归一化水体指数(N DW I)研究了枫沙湖的水体面积变化特征及其驱动因素,文广超等4基于L a n d s a t影像构建了适用于柴达木盆地内大范围区域的湖泊水体差分(LWDM)模型,R.G.X u等5基于收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 6作者简介:华键(1 9 9 8-),男,福建龙岩人,在读硕士,研究方向为资源与环境遥感。4 M I N CHE N,J C R OWL AN D,C J W I L S ON,e t a l.T e m p o r a l a n d s p a t i a l p a t t e r n o f t h e r m o k a r s t l a k e a r e a c h a n g e s a t Y u k o n F l a t s,A l a s k aJ.H y d r o l o g i c a l P r o c e s s e s,2 0 1 4,2 8(3):8 3 7-8 5 2.5 刘旭隆.岱海湖泊面积与水位动态变化及驱动力分析D.包头:内蒙古大学,2 0 1 9.6 孟庆吉,高战武,吴海曼,等.近3 0年来岱海湖泊面积变化遥感监测及驱动力分析J.安徽农学通报,2 0 2 1(2 4):1 0 6-1 0 8,1 2 4.7 张文,崔长露,李林宜,等.基于长时间序列遥感数据的鄱阳湖水面面积监测分析J.水文,2 0 1 9(3):2 9-3 5,2 1.8 罗蔚,张翔,邓志民,等.近5 0年鄱阳湖流域入湖总水量变化与旱涝急转规律分析J.应用基础与工程科学学报,2 0 1 3(5):8 4 5-8 5 6.9 刘洋,尤慧,程晓,等.基于长时间序列MO D I S数据的鄱阳湖湖面面积变化分析J.地球信息科学学报,2 0 1 3(3):4 6 9-4 7 5.1 0 田碧青,吴常雪,穆兴民,等.长时间序列下鄱阳湖汛期水体面积变化特征及驱动因素分析J.水土保持研究,2 0 2 1(4):2 1 2-2 1 7.1 1 张兵,李俊生,申茜,等.长时序大范围内陆水体光学遥感研究进展J.遥感学报,2 0 2 1(1):3 7-5 2.1 2 岳昂,曾庆伟,王怀警.于桥水库蓝藻水华遥感长时序监测研究J.遥感技术与应用,2 0 2 0(3):6 9 4-7 0 1.1 3 勾鹏,叶庆华,魏秋方.2 0 0 0-2 0 1 3年西藏纳木错湖冰变化及其影响因素J.地理科学进展,2 0 1 5(1 0):1 2 4 1-1 2 4 9.1 4 赫固状,甘甫平,闫柏琨,等.红崖山水库近2 0年面积变化遥感调查及驱动力分析J.国土资源遥感,2 0 2 1(2):1 9 2-2 0 1.1 5 成功,邓罡,王冬军.基于MN DW I的洞庭湖水域面积遥感监测J.水资源研究,2 0 1 5(3):2 1-2 4.1 6 朱春芳.基于L a n d s a t 8 O L I影像的城市水体信息提取方法对比分析J.经纬天地,2 0 1 5(6):6 0-6 4.1 7 张辉,张道勇,何最红.灰度等级处理中的O S TU动态阈值法研究J.传感器世界,2 0 0 8(7):2 4-2 7.(0 2 3)05 现代化农业 2 0 2 3年第1 0期(总第5 3 1期)