汪權(quán)方，楊宇琪，陳龍躍

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢430062）

0 引言

水是人類賴以生存的寶貴資源和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，地表水體的時空變化歷來備受關(guān)注［1］。在城市中，水體的形成或消失、水體面積的擴(kuò)張或縮小很大程度上是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的映射，與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)；同時水體作為重要的土地覆被之一，其變化在一定程度上影響著城市內(nèi)氣溫和景觀變化等［1-2］。南京市作為中國東部豐水區(qū)內(nèi)的典型城市，近年來隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)、生活用水的大幅增加等，造成城市水資源供需矛盾較為突出［2-3］，因此，研究及掌握南京市城市水體的動態(tài)變化，不僅有助于了解該市生態(tài)系統(tǒng)中自然環(huán)境因素和人類活動對水體變化的綜合影響，而且能為同類地區(qū)合理利用地表水體資源提供借鑒。

遙感技術(shù)具有大面積同步觀測、時效性強(qiáng)、能長時間快速動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的水資源調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測技術(shù)相比有著明顯優(yōu)勢，現(xiàn)已成為水體變化研究中不可或缺的前沿技術(shù)和有效手段［4-6］。不過，雖然遙感影像可以在像元尺度上反映水體變化信息，這也是遙感技術(shù)在水體信息獲取方面的明顯優(yōu)勢，但是水體在區(qū)域尺度上的空間格局變化特征并非等同于像元尺度上水體微觀變化的兩兩之和，遙感技術(shù)必須結(jié)合空間重心位移等分析方法才能深入刻畫和準(zhǔn)確表達(dá)大范圍區(qū)域內(nèi)水體分布格局的變化軌跡。

基于上述認(rèn)識，文章以南京市為研究對象，以1990—2018年Landsat系列遙感影像為主要信息源，對南京市1990年以來的水體信息進(jìn)行提取。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合南京市歷年統(tǒng)計年鑒中的氣候資料和高分辨率驗(yàn)證影像等，采用水體變化強(qiáng)度指數(shù)、多元線性回歸模型和GIS空間幾何重心分析法等，對南京市水體時空變化特征及其成因進(jìn)行分析。研究所取得的成果可為南京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，以及未來水資源管理保護(hù)和規(guī)劃等提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 主要數(shù)據(jù)源

1.1.1 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

目前，大范圍的水資源信息提取大多采用中高分辨率多光譜衛(wèi)星遙感影像。美國的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)不僅分辨率較高且覆蓋面積大，可以滿足大范圍地表觀測的精度需要，而且已形成了自20世紀(jì)80年代以來的長時間序列產(chǎn)品集，有利于開展長周期的地理現(xiàn)象遙感研究，現(xiàn)已成為區(qū)域尺度上各類遙感應(yīng)用研究的主要數(shù)據(jù)來源［1，7-9］。該文選取了1990年以來8景Landsat影像（path120/row038）作為南京市近30年水體信息解譯的主要數(shù)據(jù)源（表1）。在選取影像時，不僅要考慮云量覆蓋盡可能少以保證地面的信息清晰完整，同時，由于水體面積信息受到季節(jié)性影響較大，所以也要盡量保證數(shù)據(jù)采集時間段在同一季度區(qū)間。此外，還通過Google Earth獲取了南京市的亞米級高空間分辨率影像，用來輔助Landsat影像上水體信息的解譯以及后續(xù)的水體變化分析。

對于上述數(shù)據(jù)，利用南京市的行政邊界，統(tǒng)一裁剪出研究所需的遙感影像范圍。因?yàn)檫b感影像上存在的薄云會影響圖像的準(zhǔn)確分類和地表信息的精確提取，所以利用ENVI中HOT最優(yōu)云監(jiān)測變換方法對研究所需的遙感影像進(jìn)行處理，以便為接下來的圖像分類和水體信息提取與變化分析提供較為可靠的數(shù)據(jù)資料。

表1 遙感源數(shù)據(jù)信息Table 1 Adopted remote sensing images

續(xù)表

1.1.2 氣候數(shù)據(jù)及預(yù)處理

選取1990—2018年南京市年平均氣溫和降水觀測資料，數(shù)據(jù)來源于南京市統(tǒng)計年鑒。對這兩種氣象數(shù)據(jù)都進(jìn)行5年滑動平均運(yùn)算，以消除其不穩(wěn)定性，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 1990年以來南京市氣候變化Fig.1 Climate change of Nanjing City since 1990

1.2 主要研究方法

1.2.1 水體變化強(qiáng)度指數(shù)

C=100×（Ab-Aa）/（Aa×Δt） （1）

式（1）中，C代表水體變化強(qiáng)度指數(shù)；Aa和Ab分別表示研究期初（第a年）和研究期末（第b年）的水體面積；Δt代表a、b年份間的時間長度差。

1.2.2 區(qū)域重心模型

區(qū)域重心法是一種直觀表達(dá)地理事物空間分布特征的方法［10-13］。在地理事物分布不均衡的狀態(tài)下，其重心位于地理事物集中分布區(qū)；地理事物分布不均衡程度越嚴(yán)重，重心的位置離地理事物稀少分布區(qū)就越遠(yuǎn)［11］。區(qū)域重心的基本原理是：假設(shè)某一個區(qū)域由幾個小區(qū)單元構(gòu)成，其中，第i個斑塊的中心坐標(biāo)為（Xi，Yi），Mi為該斑塊某種屬性意義下的“重量”（該研究中的Mi是指各水體斑塊的面積），則該屬性意義下的區(qū)域重心坐標(biāo)為：

區(qū)域重心在時間維上的變化能夠反映目標(biāo)對象區(qū)域差異的動態(tài)轉(zhuǎn)移［14-16］。為量化地理事物的區(qū)域重心在空間上的移動狀況，現(xiàn)采用歐式距離公式（3）進(jìn)行計算：

式（3）中，D為區(qū)域重心的移動距離，（Xt，Yt）和（Xt+1，Yt+1）分別為不同時期水體的區(qū)域重心（平面投影）坐標(biāo)。

1.2.3 多元線性回歸分析模型

回歸分析模型的原理是利用數(shù)理統(tǒng)計方法，建立不同變量之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而多元線性回歸模型是用來研究一個因變量與兩個或兩個以上的自變量之間的變動比例關(guān)系。利用1990—2018年南京市水體面積與氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了多元線性回歸分析，結(jié)果顯示它們之間的關(guān)系表達(dá)式為：

式（4）中，Y為水體面積，X1和X2分別代表氣溫和降水，其偏回歸系數(shù)分別為-6.774和1.805，這表明南京市水體面積變化在近30年間與氣溫變化呈反比例、與降水量呈正比例關(guān)系。

2 研究區(qū)水體信息提取

2.1 遙感影像分類

遙感分類技術(shù)建立在不同地物特有的電磁反射和輻射特性以及同類地物的反射和輻射波譜基本相同或相似的基礎(chǔ)之上。由于水體的波譜反射特性明顯不同于其他地物，可以通過多光譜遙感圖像的非監(jiān)督分類法進(jìn)行信息提取。但已有研究表明，僅基于各類地物在圖像上的數(shù)值差異所獲得的遙感分類結(jié)果容易受到同物異譜和異物同譜等現(xiàn)象的影響。因此，該研究采用非監(jiān)督分類結(jié)合人工目視解譯修正來實(shí)現(xiàn)研究區(qū)水體信息的高精度提取。主要過程：首先采用ISODATA法對不同時期的Landsat影像進(jìn)行非監(jiān)督分類，得到分類后的初始圖像。然后，參考原影像和Google Earth上的高分辨率影像等，采用目視解譯修正的方式對初始分類結(jié)果作進(jìn)一步判定，由此獲取水體所在的類別（圖 2）。

2.2 水體分類精度評價

為確定分類結(jié)果的精確度和可靠性，該文采用混淆矩陣法對1990—2018年南京市高分辨率遙感影像提取的水體分類結(jié)果進(jìn)行精度評價。其中，各年的精度評價樣點(diǎn)均以源影像為底圖，采用ArcGIS隨機(jī)生成，然后，結(jié)合Google earth以及已有的土地利用歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行隨機(jī)樣點(diǎn)的類別屬性判定。結(jié)果（表2）顯示，各年度水體的解譯精度都在85%以上。由此可見，該研究獲得的南京市水體信息遙感分類精度較為滿意，可用于后續(xù)水體面積變化分析。

圖2 1990—2018年南京市水體信息遙感提取結(jié)果Fig.2 Extraction of surface water in Nanjing City based on remote sensing data from1990 to 2018

表2 水體分類解譯精度Table 2 Water classification interpretation accuracy

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)水體面積時間變化特性分析

面積是水體動態(tài)變化研究的主要依據(jù)和基本指標(biāo)。由圖3可以看出，1990—2018年間，南京市水域面積總體上呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，并且逐漸趨于穩(wěn)定，但是在不同時期的水體面積變化特征各不相同。1990—1994年南京市水體面積從677.48 km2減少到518.39 km2，共減少了159.09 km2，水體變化強(qiáng)度指數(shù)和年均變化幅度各為-5.87%和-39.77 km2/年，1994年水體面積下降到近30年來最低水平，是水體面積減少最為顯著的時期；1994—2006年南京市水體面積呈逐年遞增態(tài)勢，但增長速度趨緩，其中1994—1998年增長了156.21 km2，水體變化強(qiáng)度指數(shù)和年均變化幅度分別高達(dá)7.54%和39.08 km2/年，是該時間段內(nèi)水體面積增長最大的時期；在此后的1998—2002年和2002—2006年水體面積的增長幅度和水體變化強(qiáng)度指數(shù)均有所降低，但是水體的絕對面積依然保持增長的趨勢，至2006年水域面積增加到863.45 km2，是近14年間南京市水體面積最大的年份；2006以后南京市的水體面積時增時減并以減少為主，12年間總共減少74.42 km2，不過減少態(tài)勢整體趨緩，其中2013—2018年水體面積年均減少9.85 km2，低于此前的其他時段。

圖3 1990年以來南京市水體變化Fig.3 Change of water area in Nanjing City since 1990

3.2 研究區(qū)水體空間變化特征分析

水體的空間分布重心在時間維上的變化能很好地反映區(qū)域內(nèi)水體時空格局的演變過程。依據(jù)1990—2018年的水體信息遙感解譯結(jié)果，獲取了南京市在不同時期的水體分布重心變化情況（圖4）。由圖4可以看出，南京市在近30年間，除了1998年以外，其水體分布重心基本上持續(xù)向南移動，究其原因主要在于南部的溧水縣和高淳縣水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)自20世紀(jì)50年代以來需求不斷增大，從而導(dǎo)致了這些地方的魚塘面積大量擴(kuò)張。1998年南京市水域重心有所北移，這與該年發(fā)生了大范圍強(qiáng)降水現(xiàn)象有關(guān)［17］。統(tǒng)計結(jié)果顯示，1998年南京市水體面積較1994年增加了156.32 km2，并且該市北部和西北部地區(qū)的水體增加尤為明顯，從而導(dǎo)致該年南京市水體的分布重心較1994年向北移動了3.63 km；1998年以后南京市水體重心又持續(xù)向南移動。

圖4 1990—2018年南京市水體分布重心Fig.4 Geometric center of water distribution in Nanjing City from1990 to 2018

3.3 研究區(qū)水體變化的原因分析

水體變化通常是區(qū)域內(nèi)氣候和水文等自然因子與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種因素綜合作用的結(jié)果，但是在不同時期導(dǎo)致區(qū)域水體產(chǎn)生變化的主控因子通常并不完全相同。從1990—1994年南京市水體面積縮減的原因來看，與氣候變化強(qiáng)烈相關(guān)。1990年南京市降水量將近1 800 mm，而1994年降水量不到800 mm，再加上該年氣溫上升等所導(dǎo)致的大范圍干旱［17-18］，使得六合區(qū)和溧水縣等地出現(xiàn)了明顯的水體面積減少現(xiàn)象，在此期間水域縮減面積較大的水體有河王水庫、山湖水庫和石臼湖等（圖5（a））。此后幾年，受降水增多等因素的影響，研究區(qū)內(nèi)的水域面積逐漸增加，到2002年增長到785.43 km2。2001年中國加入WTO后，我國經(jīng)濟(jì)日新月異，人們更加關(guān)注生活品質(zhì)，因此對食品種類和需求量提出更高的要求。借此契機(jī)，南京市大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，尤其是在南部的溧水縣和高淳縣，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展壯大，有越來越多的農(nóng)田被開挖成魚塘，特別是在石臼湖和固城湖等湖泊周邊，魚塘數(shù)量成片遞增（圖5（b）），由此導(dǎo)致2006年南京市境內(nèi)的水域面積較1994年顯著擴(kuò)大、水體的空間分布重心明顯向南移動。2006年以后，南京市的水體變化則與降水和城市建設(shè)占用（圖5（c））等因素的綜合作用密切相關(guān)，該因素導(dǎo)致了該市水域面積呈現(xiàn)出或減少或增加但變化幅度趨于穩(wěn)定的波動狀態(tài)。

圖5 1990—2018年南京市水體空間變化的典型模式Fig.5 Spatial change pattern of water area in Nanjing City from 1990 to 2018

4 結(jié)果與討論

該文以南京市近30年Landsat系列影像和氣候資料為主要信息源，通過水體信息遙感提取，結(jié)合水體變化強(qiáng)度指數(shù)、區(qū)域重心模型以及多元回歸分析法，對南京市地表水體的時空變化特征及其原因進(jìn)行了剖析。盡管在水域遙感分類的精確度上還有待提高，但所得結(jié)果總體上可靠。自1990年以來，南京市的水域面積呈擴(kuò)大趨勢但近年來漸趨穩(wěn)定；水體分布的幾何重心基本上按照由北向南的方向移動；南京市水體分布格局及其變化是區(qū)域內(nèi)氣候變化等自然因子與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種因素綜合作用的結(jié)果，但是降水減少和氣溫升高所導(dǎo)致的干旱則是南京市在1994年水體面積顯著縮減的主要驅(qū)動力；在包括溧水和高淳兩縣在內(nèi)的南京市南部，越來越多的農(nóng)田被開挖成魚塘以滿足不斷增加的水產(chǎn)養(yǎng)殖需求，這是南京市近30年來水體分布重心不斷南移的主要原因。