張克祥， 張國(guó)慶

（東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013）

湖泊是水陸循環(huán)的重要組成部分，也是陸地水資源的主要存在形式之一，水資源對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)等方面有著不可或缺的作用。因此，對(duì)湖泊的擴(kuò)張與收縮變化監(jiān)測(cè)至關(guān)重要［1，2］。鄱陽(yáng)湖作為中國(guó)最大的淡水湖，對(duì)周?chē)貐^(qū)的生產(chǎn)生活與生態(tài)環(huán)境起著重要作用，對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)可以更好地利用鄱陽(yáng)湖的水資源，更好地維護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。遙感技術(shù)在地物識(shí)別、水體監(jiān)測(cè)、土地利用變化等方面得到了廣泛應(yīng)用，利用遙感衛(wèi)星可快速準(zhǔn)確地獲取地表信息，并能及時(shí)對(duì)湖泊水體的變化進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)［3－7］。

衛(wèi)星的傳感器通過(guò)地物反射的電磁波來(lái)記錄地物信息，不同的地物其波譜特征信息不同，通過(guò)研究地物光譜特征，可將水體同其他地物進(jìn)行區(qū)分。目前，對(duì)水體變化監(jiān)測(cè)可利用的遙感數(shù)據(jù)已有多種，如通過(guò)對(duì)水體在AVHRR影像上的光譜特征與其他地物光譜特征的差異，提出基于水體光譜知識(shí)的水體自動(dòng)識(shí)別模型，對(duì)太湖、渤海、淮河等地區(qū)水體的提取顯示了較好的效果［8，9］;根據(jù) TM 影像水體波段反射特征，許多學(xué)者運(yùn)用單波段閾值法、多波段法、比值法等方法提取水體信息［10－15］;利用SPOT影像地物光譜特征建立規(guī)則，實(shí)現(xiàn)城區(qū)水體的提?。?6］。由于MODIS數(shù)據(jù)高時(shí)間分辨率、中等空間分辨率，許多研究者利用MODIS數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如利用MOD13Q1植被指數(shù)產(chǎn)品對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)的面積進(jìn)行提取，進(jìn)而獲得其水量變化［17］;以及基于MODIS數(shù)據(jù)建立水體指數(shù)模型（CIWI），實(shí)現(xiàn)了平龍水庫(kù)水體信息的有效提?。?8］。

本文利用Terra/MODIS衛(wèi)星16天合成的250 m植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)，通過(guò)分析MODIS數(shù)據(jù)的波段及鄱陽(yáng)湖地區(qū)的地物波譜特征，利用水體在可見(jiàn)光和近紅外與植被、陸地等的反射波譜差異，對(duì)鄱陽(yáng)湖的水域面積變化進(jìn)行了提取，并分析其湖泊面積的時(shí)間序列變化特征。

1 研究區(qū)域

鄱陽(yáng) 湖 （28°22'－ 29°45'N，115°47'－116°45'E）位于江西省北部，流域面積162 225 km2，是我國(guó)第一大淡水湖，其與長(zhǎng)江干流在湖口處相接（圖1）。江西省絕大部分的地表水體通過(guò)贛江、撫河、信江、饒河、修水等五大河流匯集流入鄱陽(yáng)湖。由于受到這五條河流4－6月的主汛期和長(zhǎng)江7－9月的主汛期的影響，鄱陽(yáng)湖在汛期的湖泊面積增大，形成廣闊的湖面。而在枯水期，上游河流與降水的減少加上長(zhǎng)江水位降低，造成鄱陽(yáng)湖湖水面積急劇減少，沙灘裸露［19－21］。近年來(lái)，由于氣候變化等原因，上游降水量的減少導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖入湖水量減少，鄱陽(yáng)湖枯水期持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，枯水程度明顯加劇。湖水水量的減少，對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)的生態(tài)持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響［22］。

圖1 鄱陽(yáng)湖區(qū)域位置圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 Terra/MODIS，Landsat和水位數(shù)據(jù)

中分辨率成像光譜儀（MODIS）搭載于Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上，是美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃EOS（Earth Observation System）的一部分，MODIS數(shù)據(jù)總共有36 個(gè)波段（0．4 ～14．0 μm），其空間分辨率分別為250 m（1～2波段）、500 m（3～7波段）和1 000 m（8～36波段）。Terra與Aqua分別在當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午10∶30和下午13∶30過(guò)境，每天至少兩次的數(shù)據(jù)更新，可以較好地對(duì)陸地、海洋和大氣進(jìn)行及時(shí)長(zhǎng)期的觀測(cè)［23］。

根據(jù)水體的光譜反射特性，結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)36個(gè)波段數(shù)據(jù)，本文選取了Terra/MODIS衛(wèi)星16天合成的250 m分辨率植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1。數(shù)據(jù)從NASA的Earth Observing System Data and Information System（EOSDIS）（http://reverb．echo．nasa．gov/reverb/）獲取。由于MOD13Q1數(shù)據(jù)采用的投影為正弦曲線投影，先利用MODIS Reprojection Tool將其投影轉(zhuǎn)換成Albers等面積割圓錐投影，基準(zhǔn)面為WGS 1984。

為了對(duì)MODIS數(shù)據(jù)提取的湖泊面積精度進(jìn)行評(píng)定，本文利用從國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http://datamirror．csdb．cn/）獲取的 Landsat－7（30 m 分辨率，軌道號(hào)為121/040）數(shù)據(jù)，提取同時(shí)期湖泊面積，與MODIS湖泊面積進(jìn)行對(duì)比。為了更好地對(duì)湖泊信息進(jìn)行提取，在選取Landsat ETM+影像時(shí)使用云覆蓋較少的影像。本研究使用了2000－2011年共263幅MODIS影像進(jìn)行水體的提取，與其對(duì)比的Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)20幅。本研究所利用的水位數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省水文局都昌站，時(shí)間范圍為2003－2009年共7年每天水位數(shù)據(jù)。

2．1 鄱陽(yáng)湖水體信息的提取

水體的提取目前主要是利用水體在紅光與近紅外波段與其他地物的電磁輻射反射差異，水體在紅光區(qū)的反射率比植被反射率要高，云在紅波段、近紅外的反射率比水體要高。而在近紅外和中紅外波段水體的反射率較低，水體吸收了大部分的能量，而土壤與植被在近紅外波段的反射率較高。因此，利用近紅外單波段閾值法，通過(guò)選擇合適的閾值來(lái)提取水體，但該方法在有山體陰影的情況下不能與水體有效的分離。

為了更好地把水體分離出來(lái)，需增強(qiáng)水陸之間的反射差異，利用水體、植被、土壤在紅波段（620～670 nm）和近紅波段（841～876 nm）的反射差異，運(yùn)用多波段運(yùn)算法，對(duì)波段進(jìn)行運(yùn)算，增強(qiáng)水體與其他地物的差異。使用歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）便可有效地增強(qiáng)水體與陸地反射差異，其公式如下:

其中，NIR表示近紅外波段，R表示紅波段，NDVI的取值范圍在－1～1之間。

本文利用植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)中的歸一化植被指數(shù)NDVI來(lái)提取水體。在歸一化植被指數(shù)中水體的值一般為負(fù)值，即NDVI值小于0的為水體，植被、陸地的NDVI值為正值，通過(guò)選定合適的閾值便可將水體提取出來(lái)。

鄱陽(yáng)湖區(qū)水體受到水中水生生物、湖岸邊含水量大的沙地和濕地的影響，在閾值的選取過(guò)程中不能僅以NDVI小于0為水體提取的標(biāo)準(zhǔn)，因此，閾值的選取需要進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)對(duì)比。譚衢霖通過(guò)對(duì)MODIS數(shù)據(jù)的分析確定了－0．1～0．3之間都可能為水體［24］。李景剛等在對(duì)洞庭湖水體提取的過(guò)程中選取0．1閾值提取水體［2］。本文通過(guò)閾值法對(duì)NDVI影像數(shù)據(jù)提取出的水體結(jié)果與原始影像結(jié)合分析，并與Landsat ETM+影像543波段合成影像對(duì)比，確定了提取水體的合適閾值范圍為0．1～0．3。本文主要研究鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)的面積變化，為了較好地提取主湖區(qū)的面積，對(duì)提取的面積進(jìn)行疊加，所顯示的鄱陽(yáng)湖最大面積進(jìn)行矢量化獲取掩膜，對(duì)掩膜內(nèi)的面積進(jìn)行提取，可去除河流區(qū)、鄱陽(yáng)湖以外水體、山體陰影等其他因素的影響，進(jìn)而精確地提取出鄱陽(yáng)湖的面積變化。

3 湖泊水域面積

3．1 鄱陽(yáng)湖面積提取精度分析

在選取Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)時(shí)，選取云量較少，影像質(zhì)量高的數(shù)據(jù)，同時(shí)選用Landsat ETM+與MODIS相近日期的數(shù)據(jù)。由于MODIS數(shù)據(jù)是16天合成數(shù)據(jù)，Landsat ETM+數(shù)據(jù)是其中一天的數(shù)據(jù)，鄱陽(yáng)湖面積變化在豐水期較快，結(jié)果可能會(huì)有偏差。圖2A顯示了Landsat與MODIS提取的湖泊面積對(duì)比，結(jié)果表明兩種數(shù)據(jù)提取的結(jié)果相關(guān)性較高 （r=0．95），這說(shuō)明了MODIS提取的湖泊面積效果較好，可用其對(duì)鄱陽(yáng)湖湖泊面積變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖3顯示了兩幅日期較為接近的提取結(jié)果對(duì)比，在枯水期由于水量較少，河道狹窄的地方加上分辨率的限制，MODIS數(shù)據(jù)在水面較窄的地方提取效果沒(méi)有Landsat ETM+數(shù)據(jù)的效果好，如圖3A中贛江與鄱陽(yáng)湖的入口處，河流提取效果比A'中對(duì)應(yīng)位置好。在豐水期，如圖3－B由于濕地植被覆蓋較高，MODIS在淺水區(qū)，如贛江入河口，鄱陽(yáng)縣城、右下角的部分區(qū)域與Landsat ETM+有所差別，但總體上效果較好。

為了更好地分析MODIS提取面積的效果，同時(shí)利用都昌站的2003－2009年水位數(shù)據(jù)，與對(duì)應(yīng)日期的面積進(jìn)行對(duì)比。都昌站（116．18E，29．25N）在枯水期沒(méi)有干涸，所以具有很好的代表性。湖泊面積與水位的關(guān)系研究，對(duì)于不同的湖泊，湖泊面積與水位呈現(xiàn)出不同的相關(guān)性，總體來(lái)說(shuō)湖水面積與水位呈正相關(guān)，鄱陽(yáng)湖區(qū)域湖水面積與水位用對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合效果較好［25］。MODIS數(shù)據(jù)是16天合成的數(shù)據(jù)，為了更好地顯示面積與水位之間的關(guān)系，本文將與MODIS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的16天水位數(shù)據(jù)的平均值與MODIS提取的面積結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2B），面積與水位關(guān)系擬合的相關(guān)性較高（r=0．91）。

圖2 MODIS監(jiān)測(cè)的鄱陽(yáng)湖湖泊面積與Landsat ETM+543波段提取的湖泊面積對(duì)比（A），MODIS監(jiān)測(cè)的鄱陽(yáng)湖湖泊面積與都昌站水位對(duì)比（B）

Landsat ETM+數(shù)據(jù)提取的湖泊面積和站點(diǎn)觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)，與MODIS監(jiān)測(cè)的湖泊面積的對(duì)比分析，除了由于MODIS精度限制，在細(xì)小水體的提取上有缺陷，總體顯示MODIS提取的湖泊面積效果較好。因此，可利用MOD13Q1數(shù)據(jù)對(duì)鄱陽(yáng)湖主體湖區(qū)面積進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

3．2 鄱陽(yáng)湖面積季節(jié)變化分析

圖4顯示了2000－2011年12年的鄱陽(yáng)湖湖泊面積變化，鄱陽(yáng)湖在每年的10月份之后湖面面積呈現(xiàn)出縮減的趨勢(shì)，鄱陽(yáng)湖進(jìn)入枯水期，僅剩下幾條帶狀的湖水區(qū)域和幾個(gè)較小的湖泊（圖3A，3A'），鄱陽(yáng)湖的面積較小，一般在2 000 km2以下，2003年、2004年、2007年、2008年、2009年和2011年最小面積小于1 000 km2，最小值一般在1月中旬以后。來(lái)年的3月份湖泊面積開(kāi)始逐漸增加，帶狀區(qū)域隨著湖水的增加逐漸消失，幾個(gè)較小湖泊逐漸合為一體，鄱陽(yáng)湖進(jìn)入豐水期（圖3B，3B'）。鄱陽(yáng)湖最大的湖面面積可達(dá)到3 000 km2以上，鄱陽(yáng)湖面積最大值在8月初左右，2003年、2007年、2010年和2011年年內(nèi)面積變化超過(guò)3倍，其中2011年最大最小面積比值最大，最大面積為2 772．06 km2，最小面積僅為 823．37 km2。

圖3 枯水期和豐水期顯示的湖面面積提取結(jié)果

通過(guò)分析近12年來(lái)的鄱陽(yáng)湖面積變化，鄱陽(yáng)湖面積變化與贛江、撫河、信江、饒河、修水等五條河流在4－6月的汛期和長(zhǎng)江汛期7－9月有著密切的聯(lián)系。圖 4中2002年、2004年、2009年和2010年鄱陽(yáng)湖的面積年內(nèi)變化有兩個(gè)較高的峰值，如果兩個(gè)汛期合在一起，即4－6月的五條河流的汛期推遲或者長(zhǎng)江汛期的提前，則會(huì)造成鄱陽(yáng)湖湖面面積更大，會(huì)產(chǎn)生不小的防洪壓力。

3．3 鄱陽(yáng)湖湖面年際變化

鄱陽(yáng)湖受河流汛期的變化影響較大，鄱陽(yáng)湖湖面變化的季節(jié)性比較明顯。本文同時(shí)對(duì)鄱陽(yáng)湖的年際變化進(jìn)行了分析，由于氣候變化的影響，從圖4中總體上可以明顯看出2011年的鄱陽(yáng)湖面積比前11年的面積偏低，在2月底出現(xiàn)了最低的湖泊面積823．38 km2，為12年來(lái)的最低值，從2－5月末湖泊面積比歷史同期明顯偏低，6月大幅上漲，但在8月之后鄱陽(yáng)湖面積呈下降的趨勢(shì)，這明顯與其他年份的變化趨勢(shì)不同，從MODIS數(shù)據(jù)獲得的2011年的平均面積只有1 375．84 km2，比其他年份的平均面積明顯偏小，這說(shuō)明2011年鄱陽(yáng)湖區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的干旱。

圖4 鄱陽(yáng)湖2000－2011年湖泊面積變化時(shí)間序列

在2003年以前，2002和2003年的最大水域面積在這12年間較大，最大面積都在3 100 km2上，這個(gè)面積比相關(guān)的報(bào)道要小，可能是研究區(qū)域去除了鄱陽(yáng)湖周?chē)暮恿魉w與水塘有關(guān)。在2003年之后，除了2011年最大面積3 260．12 km2，其余年份則相對(duì)2003年之前總體面積較小，上述說(shuō)明三峽水庫(kù)對(duì)鄱陽(yáng)湖有一定的影響。鄱陽(yáng)湖在2003年10月份之后的水域面積相比2003年以前明顯減少，三峽水庫(kù)在鄱陽(yáng)湖枯水期蓄水，造成鄱陽(yáng)湖水流進(jìn)長(zhǎng)江，加重了鄱陽(yáng)湖區(qū)湖水的減少。但是由于2003年以前數(shù)據(jù)量較小，并不能說(shuō)明三峽水庫(kù)對(duì)鄱陽(yáng)湖有比較大的影響。

4 結(jié)論

本文利用Terra/MODIS衛(wèi)星的16天合成的250 m植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，選擇其中的NDVI指數(shù)作為主要數(shù)據(jù)。通過(guò)結(jié)合鄱陽(yáng)湖區(qū)的地物類型特征，利用植被指數(shù)法選擇合適的閾值對(duì)水體進(jìn)行提取。結(jié)合分辨率較高的Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)提取的水體面積對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本方法提取的效果較好（r=0．95）。同時(shí)，利用實(shí)測(cè)的水位數(shù)據(jù)與MODIS提取的湖泊面積進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)也顯示了較高的相關(guān)性（r=0．91）。這表明利用Terra/MODIS衛(wèi)星獲取的16天合成的250 m產(chǎn)品MOD13Q1，可對(duì)鄱陽(yáng)湖的水域變化進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。

鄱陽(yáng)湖的面積變化表明，鄱陽(yáng)湖湖面變化具有明顯的季節(jié)性，在4－9月份，由于贛江、撫河、信江、饒河、修水等在4－6月的汛期和長(zhǎng)江7－9月的汛期影響，鄱陽(yáng)湖的水面面積較大，10月以后鄱陽(yáng)湖隨著補(bǔ)給河流汛期的結(jié)束，面積也相應(yīng)地減少。年際間的變化，主要是在2011年的上游降水量減少，造成鄱陽(yáng)湖面積在4－6月的汛期湖面面積比同期面積明顯偏低。三峽水庫(kù)在鄱陽(yáng)湖枯水期的蓄水，在一定程度上使鄱陽(yáng)湖的面積比蓄水前同時(shí)期更小。

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