蔣小芳,朱 誠,陳 剛

(南京大學 地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023)

0 引言

湖泊對氣候、土地利用和其他環(huán)境變化的敏感性和反映能力得到了越來越多的關注,湖泊和河流的質(zhì)量評估和水域范圍的監(jiān)測對于我們了解和分離環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響至關重要[1]。近年來衛(wèi)星遙感技術在湖泊水域范圍提取方面逐步受到重視[2]并將湖泊研究提升至更高水平。早期利用Landsat遙感影像提取湖泊水體主要采用方便快捷的單波段閾值法,但是該方法在提取小面積水體以及淺水水體方面存在缺陷[3]。隨后興起的譜間關系法則主要利用多波段分析優(yōu)勢,通過分析水體與背景地物的波譜曲線特征,找出它們之間的變化規(guī)律,進而用判別表達式將水體提取出來,其精確度較高,被國內(nèi)外學者廣泛使用[4-9]。

眾多學者對長江下游蕪申運河地區(qū)全新世文化演變等進行了歷史地理學和環(huán)境考古學研究[10-13],但對歷史時期蕪申運河西段湖泊群水域面積變遷方面的關注度較低,尤其是對新中國成立后的湖泊水體變化及其氣候環(huán)境和人類活動因素的研究較少[14-15]。在全球經(jīng)濟迅猛發(fā)展與氣候變化的大背景下,探討湖泊水體變遷與人類活動及自然環(huán)境的關系具有顯著的現(xiàn)實意義。本文利用Landsat數(shù)據(jù)各波段組合有效提取了水體邊界的特性，探討了蕪申運河西段水域面積的變化,以及導致水域范圍變化的人為、自然因素,以期為該地區(qū)的環(huán)境演變和文化變遷研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域概況

蕪申運河地處長江中下游,西于安徽省蕪湖市連通長江,東至上海匯流于東海,蕪申運河總長度為271 km,沿線流經(jīng)安徽境內(nèi)的蕪湖、當涂、郎溪以及江蘇省的高淳、溧陽、宜興。蕪申運河東段為太湖水系,西端則屬于古丹陽大澤水系(圖1)。中生代燕山運動致使古丹陽大澤地區(qū)下沉,發(fā)源于皖南的水陽江、青弋江帶來的泥沙沉積于此,湖泊逐漸成型。古丹陽大澤成湖于全新世早期,水域面積達4150 km2,遠大于太湖現(xiàn)存的水域范圍[16-17]。此后由于人類圍墾,古丹陽大澤的水域面積縮小，分化為固城湖、丹陽湖、石臼湖、南漪湖。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候,水熱充沛,夏季降水較多,冬季偏少。2010年以來的地表覆被圖顯示該區(qū)以林地和耕地為主(數(shù)據(jù)來源于http:// www.webmap.cn/ mapDataAction.do?method= globalLandCover)。

2 研究方法

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的選取與處理

本研究從中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)選取1973～2016年內(nèi)98期云量低的Landsat遙感影像,其中包括17期空間分辨率為60 m的 MSS數(shù)據(jù)、84期空間分辨率為30 m的TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)(表1)。鑒于遙感圖像在獲取過程中會受到大氣吸收與散射、傳感器定標、地形等因素的影響,存在圖像的系統(tǒng)輻射失真和非系統(tǒng)輻射失真,本研究采用ENVI軟件對影像進行輻射定標和大氣校正。傳感器輻射校正采用內(nèi)部校準光源和校準楔糾正系統(tǒng)誤差；大氣校正糾正非系統(tǒng)誤差,以消除大氣和光照等因素對地物反射的影響,獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實物理模型參數(shù),消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等對地物反射的影響和大氣分子、氣溶膠散射的干擾。經(jīng)過ENVI軟件處理后影像的云量減少、紋理清晰,為提取蕪申運河西段湖泊群(丹陽湖、石臼湖、固城湖、南漪湖)的水體信息奠定了基礎。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 湖泊面積的提取

NDWI[3]、MNDWI[6]、NDWI3[8]等遙感水體分類方法適用于非山區(qū)地帶,(TM2+TM3)-(TM4+TM5)方法在山體和農(nóng)林區(qū)域分類上精確度較高,但難以區(qū)分部分建筑用地[21]。Mcfeeters[3]的歸一化差異水體指數(shù)法(NDWI)的表達式為:

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

(1)

式(1)中：G代表綠光波段；NIR代表近紅外波段。由于可見光至短波紅外波段的水體反射強度逐漸減弱,水體在近紅外波段與短波紅外波段的吸收強度最大,而植被在近紅外波段的反射率高,因此采用綠光波段與近紅外波段的比值可抑制植被信息,將其構成NDWI以突出影像中的水體[3]。建筑物在綠光和近紅外波段的波譜特征與水體相似,當采用中紅外波段替換近紅外波段時,可使計算出的水體與建筑物指數(shù)的反差增強,進而降低兩者的混淆程度，以準確提取城鎮(zhèn)的水體信息,改進的歸一化差異水體指數(shù)法(MNDWI)由此誕生,其計算公式為:

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

(2)

式(2)中的G、MIR分別代表綠光波段、中波紅外波段。歸一化差異水體指數(shù)法在揭示水體的細微特征方面更具優(yōu)勢,易于區(qū)分陰影和水體[6]。

研究區(qū)的湖泊群分布于平原低地,以耕作區(qū)為主,因此本文采用NDWI與MNDWI方法。根據(jù)數(shù)據(jù)波段差異,對1984～2016年的Landsat影像主要采用MNDWI水體提取方法,剩余年份的Landsat 1～5 MSS衛(wèi)星影像不具備MIR波段,故采用NDWI方法提取水體。

為了規(guī)避不同時期遙感影像分辨率差異的影響,本研究采用人工目視解譯法構建水體、耕地、山區(qū)、居民區(qū)樣點各300個,據(jù)此(水體/非水體)確定兩者的分界值(閾值),進而利用二分法計算像元個數(shù)得到水體面積。此后通過人工目視解譯對分類結果進行野外驗證,共獲得野外及Google Earth中的有效樣點18個,通過調(diào)整閾值確保分類精度均高于90%(圖2)。

注：標注“*”的為MSS數(shù)據(jù)的日期;其余未標注的為TM/ETM/OLI數(shù)據(jù)的日期。

3 結果與分析

3.1 蕪申運河西段湖泊群水域面積年變化

Landsat影像提取的蕪申運河西段水域面積圖(圖3、圖4)表明:1973年10月水域面積最大(576.5 km2);水域面積最小值出現(xiàn)于1992年1月(314.9 km2),雖然此時正處于厄爾尼諾事件發(fā)生期,但是枯水期降水偏少。氣象數(shù)據(jù)表明,1973年10月處于拉尼娜事件發(fā)生期,這進一步反證湖泊群的面積處于縮小態(tài)勢。1973～1980年和1980年至今這兩個時間段的水域面積變化存在明顯差異。1973～1979年研究區(qū)湖泊群水域面積逐年降低,且幅度較大,波動區(qū)間為600～300 km2。1979～1990年的湖泊群水域面積在500～300 km2區(qū)間內(nèi)變動,呈小幅波動下降態(tài)勢。1990年以來水域面積趨于平穩(wěn),小幅度波動變化,集中于300～400 km2,水域面積均值為373.8 km2(見圖4)。

本研究選用1951～2016年期間25個江蘇氣象臺站與26個安徽氣象臺站的逐月氣候觀測資料(來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/site/index.html)以及中國氣象局統(tǒng)計的厄爾尼諾以及拉尼娜事件發(fā)生年份及強度探討研究區(qū)水體變遷的影響因素(圖4)。1973～1980年遙感提取的水體面積基本上處于快速縮減狀態(tài),這與厄爾尼諾以及拉尼娜事件發(fā)生的頻率及強度不相符。1980年以后水體面積的峰值分別出現(xiàn)在1983、1987、1992、1994、1997、2002、2004、2006、2007、2009、2015年，基本上與厄爾尼諾以及拉尼娜事件發(fā)生強度、研究區(qū)氣溫尤其是降水變動趨勢吻合,水域面積峰值基本上出現(xiàn)于降水量的高峰期,當厄爾尼諾增強時,湖泊群入湖水量增加,而當拉尼娜事件發(fā)生時湖泊入湖水量減少。1980年以后湖泊面積處于相對穩(wěn)定狀態(tài),這與當?shù)卣畬焯锏挠行Ч芾碛幸欢P系；此后的水體變遷基本上受制于自然氣候變化。

3.2 蕪申運河西段湖泊群水域面積季節(jié)變化

研究區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候,夏季炎熱多雨,汛期集中于6～8月份,冬季溫和少雨,降水的季節(jié)性差異明顯,區(qū)域內(nèi)湖泊群水域面積季節(jié)變化較大。通過計算不同季節(jié)水域面積的均值可知夏秋季的湖泊群水域面積偏高,春季最低。1980年以前人們在研究區(qū)內(nèi)大面積圍墾,建造廣闊的圩田[24],農(nóng)業(yè)用地比重高。春季(1～3月)正值春耕播種時節(jié),用水量大,伴隨著氣溫的回升，蒸發(fā)量逐漸升高,此時水域面積最低。夏季(4～6月)農(nóng)業(yè)用水量大,高溫致使蒸發(fā)量偏高,但汛期來臨,因此水域面積逐月波動上升。秋季(7～9月)正值汛期,農(nóng)業(yè)用水量較少,所以水域面積月均值最大,尤其是該區(qū)汛期(6～8月)時段內(nèi)湖泊群面積持續(xù)上升至最高值。冬季(10～12月)氣溫較低,蒸發(fā)量偏低,農(nóng)業(yè)用水量最少,降水量少,水域面積逐月降低(見圖5)。

圖2 遙感影像水體提取技術流程

白色區(qū)域為水體。圖3 水域面積變化顯著年份研究區(qū)范圍

3.3 圍湖筑圩對蕪申運河西段湖泊群水域面積的影響

自20世紀50年代人們開始在研究區(qū)聯(lián)圩、并圩；在20世紀60年代與主要骨干河道同步治理,并進一步建大圩田,改造中小圩田；70年代是聯(lián)圩并圩建圩的高峰期。解放初,丹陽湖湖區(qū)面積為184 km2,1966～1974年丹陽湖共圍墾134.5 km2,加上零星圍墾，20世紀70年代后期的丹陽湖僅剩下運糧河等水域[22]。20世紀60～70年代固城湖被圍筑永聯(lián)圩、躍進圩和永勝圩等大圩區(qū),湖面驟然萎縮[23]。1970～1985年期間石臼湖修筑了戰(zhàn)天圩、西大圩、勝利圩等大圩田，使湖面劇減[24]。1971年南漪湖地區(qū)的圩口并成100個,至1987年底共有圩口117個,其中大型圩口14個；80年代修筑的圩田較少。

建國之初,《溧水縣志》[24]記載丹陽湖、固城湖、石臼湖及南漪湖的總面積為720 km2。根據(jù)Landsat影像提取的水體面積可知近40年來的最高值僅為576.5 km2(1973年),據(jù)此可得1973～1980年圍湖筑圩是湖泊群水域面積減少的主導因素。1980年以后,相關行政部門認識到圍湖筑圩的弊端并采取措施逐步制止此行為,此后的水域面積波動幅度小且與厄爾尼諾和拉尼娜事件發(fā)生的強度相關,因此該時段的湖泊群水域面積變化受制于自然因素。

El/La數(shù)據(jù)來源于中國氣象局。圖4 研究區(qū)內(nèi)湖泊群面積年際變化

圖5 研究區(qū)內(nèi)湖泊群水域面積季節(jié)變化

4 結論與討論

本研究從1973～2016年的Landsat影像中提取了蕪申運河西段區(qū)域湖泊群的水域面積,結合歷史縣志、水利志等文獻研究發(fā)現(xiàn),1973～1980年的古丹陽大澤水域面積呈逐漸縮小態(tài)勢,1980～1990年水域面積在穩(wěn)定中小幅波動下降,1990年以后的水體面積趨于穩(wěn)定。

通過查閱研究區(qū)的歷史文獻資料與氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),1980年之前水體面積變化受制于歷年來大范圍的圍湖筑圩,以人為因素為主導,1980年之后氣候變化是水域變遷的主要影響因子。

受早期遙感影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量限制,本文暫時無法給出同一季節(jié)的蕪申運河西段湖泊群面積,但可以肯定其水域范圍縮減這一趨勢。