李 岳，王毓乾,2,3*

(1.東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，330013，南昌；2.自然資源部環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌；3.東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌)

0 引言

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)最大的淡水湖，鄱陽(yáng)湖水體平均21 d左右更新一次，作為吞吐型過(guò)水湖泊，頻繁的水體交換使得湖泊水環(huán)境特征變化較快。對(duì)鄱陽(yáng)湖水域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和時(shí)空變化趨勢(shì)分析對(duì)于鄱陽(yáng)湖及周邊區(qū)域的水資源調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)防、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。遙感技術(shù)具有探測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)獲取快、信息量豐富等特點(diǎn)，同時(shí)衛(wèi)星遙感觀測(cè)已經(jīng)積累了豐富的歷史數(shù)據(jù)資源，這為鄱陽(yáng)湖的水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及時(shí)序分析提供可能。

水體遙感信息提取的實(shí)質(zhì)就是將水體信息和其余信息區(qū)分開(kāi)來(lái)，很多學(xué)者利用不同類型的傳感器及水體提取的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊的提取。McFetters(1996)提出了一種歸一化差異水體指數(shù)(Normalize Difference Water Index, NDWI)，可以較好地消除山體陰影對(duì)水體提取的影響。楊存建[1]等提出一種譜間關(guān)系法，認(rèn)為在綠光和紅光波段的反射率和大于近紅外和短波紅外反射率和的地表覆蓋應(yīng)該是水體。徐涵秋[2]提出一種改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)，以TM第5波段代替NDWI中的近紅外波段。由于水體指數(shù)法和譜間關(guān)系法提取水體關(guān)鍵在于如何確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)拈撝祵⑺w與非水體區(qū)分開(kāi)來(lái)。目前遙感影像閾值分割常用的算法有最大熵法、最大類間方差法(OTSU)等[3]。OTSU法獲取的閾值是閾值分割后前景和背景類灰度均值的平均值，目前被認(rèn)為是閾值選取的最優(yōu)方法之一。大部分水體提取方法受閾值選擇的影響，為了改善這一情況，F(xiàn)eyisa[4]通過(guò)TM數(shù)據(jù)處理分析提出了自動(dòng)的水體提取指數(shù)(AWEI)模型，使水體與背景陰影之間更容易區(qū)分，該模型包括AWEInsh、AWEIsh2種指數(shù)。萬(wàn)建鵬[5]等提出綜合權(quán)重水體指數(shù)(CWWI)在鄱陽(yáng)湖水域提取上取得了一定的效果。

通過(guò)以上水體提取方法，眾多學(xué)者利用時(shí)序遙感影像對(duì)鄱陽(yáng)湖水域進(jìn)行了變化監(jiān)測(cè)。張克祥[6]等利用MODIS影像監(jiān)測(cè)研究得出鄱陽(yáng)湖季節(jié)性變化明顯的結(jié)論。李鵬[7]利用Landsat TM/ETM+影像數(shù)據(jù)，采用指數(shù)法提取了鄱陽(yáng)湖水域面積，并深入挖掘了鄱陽(yáng)湖水域面積與水位之間的相互關(guān)系。研究表明鄱陽(yáng)湖水域季節(jié)性變化明顯，不同季節(jié)鄱陽(yáng)湖水體的水位、成分含量都有較大的變化，其水體光譜也產(chǎn)生了較大的變化。但是目前的研究都趨向于用同一種方法去提取時(shí)序影像中的水體信息，沒(méi)有考慮不同季節(jié)下不同水體提取方法的適用性。本文將利用Landsat的TM、ETM+、OLI影像，考慮鄱陽(yáng)湖水體在豐水期和枯水期NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關(guān)系法5種常用水體指數(shù)法的水體提取性能，在不同的季節(jié)分別選擇最佳的水體提取方法對(duì)2009—2018年間的鄱陽(yáng)湖水體進(jìn)行信息提取，最后對(duì)鄱陽(yáng)湖水域面積的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了季節(jié)性分析和年際分析。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

本文的研究區(qū)域鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江中下游，江西省的北部。所使用的數(shù)據(jù)包括：1)TM、ETM+、OLI數(shù)據(jù)，本文使用的是NASA提供的2009—2018年的鄱陽(yáng)湖Landsat衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)；2)鄱陽(yáng)湖矢量邊界數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集由國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)湖泊-流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。

2 研究方法

水體指數(shù)法的構(gòu)建思路為首先分析水體的光譜特征，找到水體在不同波段反射率的差異，通過(guò)波段運(yùn)算增強(qiáng)水體信息而抑制其他地物信息。本文采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關(guān)系法5種水體指數(shù)法進(jìn)行水體提取。鄱陽(yáng)湖時(shí)序水體信息提取技術(shù)總路線如圖1所示。首先對(duì)鄱陽(yáng)湖2018年1月枯水期和2016年7月豐水期Landsat影像數(shù)據(jù)分別采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關(guān)系法5種水體指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行水體信息提取。同時(shí)根據(jù)OTSU法計(jì)算閾值獲取水體信息結(jié)果圖。再根據(jù)該月份高精度最大似然法監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定。得出鄱陽(yáng)湖水域枯水期和豐水期的最優(yōu)水體提取方法。通過(guò)獲取的2009—2018近10年鄱陽(yáng)湖遙感影像數(shù)據(jù)，分別在枯水期和豐水期采用對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水體提取方法，得出各月水體范圍，然后對(duì)鄱陽(yáng)湖面積進(jìn)行年際及季節(jié)性的時(shí)序分析。

圖1 技術(shù)路線圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 鄱陽(yáng)湖水體信息提取

鄱陽(yáng)湖是一個(gè)季節(jié)性變化較大的水域，可以將整個(gè)年份分為枯水期和豐水期。每年4—9月為鄱陽(yáng)湖豐水期，10—3月為枯水期(如圖5所示)。為了在不同時(shí)期選取更好的水體提取方法，本文選用數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，云量小于1%的2018年1月Landsat7枯水期影像和2016年7月Landsat8豐水期影像對(duì)以上所介紹的各種水體提取方法進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出不同時(shí)期所應(yīng)選用的最優(yōu)水體提取方法。

人工目視判讀分類的精度最高，本文將其作為精度檢驗(yàn)圖驗(yàn)證指數(shù)法水體提取的精度。精度檢驗(yàn)圖制作的具體過(guò)程為首先對(duì)影像進(jìn)行目視判讀，大體了解研究區(qū)的地物類別。然后通過(guò)ISODATA非監(jiān)督法進(jìn)行初分類，再結(jié)合與原始影像的對(duì)比分析，對(duì)初分類結(jié)果進(jìn)一步目視解譯確定研究區(qū)地物的類別為水體、植被、城區(qū)及其他4類。再選取高精度樣本，通過(guò)最大似然法獲得監(jiān)督分類結(jié)果，樣本之間的可分離程度均大于1.9。最后在影像上疊加最大似然監(jiān)督分類結(jié)果，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行人工檢查和修訂得到最終的分類圖作為精度檢驗(yàn)圖。

3.1.1 枯水期對(duì)比分析 對(duì)鄱陽(yáng)湖2018年1月Landsat7 數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取處理，結(jié)果如圖2所示，從對(duì)比圖目視解譯可以看出，NDWI存在明顯的漏提現(xiàn)象，譜間關(guān)系法提取的水體十分破碎，其余水體提取方法結(jié)果比較近似。利用最大似然分類結(jié)果作為精度檢驗(yàn)圖進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，如表1所示。通過(guò)表1可以看出，MNDWI水體提取方法不論是從總體精度還是Kappa系數(shù)來(lái)看都是最高，而NDWI對(duì)水體存在較大的漏提現(xiàn)象，譜間關(guān)系法、AWEInsh和AWEIsh對(duì)水體存在較大的多分現(xiàn)象。因此本文在枯水期選用MNDWI水體提取方法。

圖2 枯水期各種方法水體提取對(duì)比圖

表1 枯水期各水體提取方法精度

3.1.2 豐水期對(duì)比分析 對(duì)鄱陽(yáng)湖流域2016年7月Landsat8 數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取，結(jié)果如圖3所示。從對(duì)比圖上目視解譯可以看出，MNDWI和AWEInsh相比其他方法存在嚴(yán)重的多提現(xiàn)象，譜間關(guān)系法和AWEIsh也存在一定的多提現(xiàn)象。定量精度評(píng)價(jià)如表2，AWEIsh水體提取方法不論是從總體精度還是Kappa系數(shù)來(lái)看都是最高的，而NDWI與MNDWI對(duì)水體存在較大的漏提現(xiàn)象，其他2種方法對(duì)非水體存在一定程度的多分及漏分現(xiàn)象。因此本文在豐水期選用AWEIsh水體提取方法。

圖3 豐水期各種方法水體提取對(duì)比圖

表2 豐水期各水體提取方法精度

3.2 鄱陽(yáng)湖水域面積變化時(shí)序分析

3.2.1 鄱陽(yáng)湖水域面積季節(jié)性變化分析 利用上節(jié)確定的水體提取方法提取水體信息，然后利用鄱陽(yáng)湖矢量邊界數(shù)據(jù)集對(duì)其進(jìn)行裁剪，得到鄱陽(yáng)湖的水體信息，并統(tǒng)計(jì)鄱陽(yáng)湖水域面積。圖4顯示了2009—2018年鄱陽(yáng)湖水體面積的季節(jié)性變化，可以看出鄱陽(yáng)湖水域面積季節(jié)性變化非常大，在夏季和秋季水量較高，春季和冬季水量較少。通過(guò)各年每月份的水體提取結(jié)果(圖5以2016年為例)可以得到枯水期的鄱陽(yáng)湖會(huì)形成一南北窄長(zhǎng)的線條湖泊體，鄱陽(yáng)湖被其周圍的濕地分割成多個(gè)、連續(xù)和不連續(xù)的子湖區(qū)域，甚至在個(gè)別月份鄱陽(yáng)湖的主體湖泊會(huì)成為全裸露地；而每年5月份隨著梅雨季節(jié)的到來(lái)，降雨量劇增，引起鄱陽(yáng)湖水體面積的急劇增加，湖泊形態(tài)在6月、7月份趨于穩(wěn)定，整個(gè)湖面基本上連成一片。即使在豐水期較小的水體面積2011年7月及2018年7月，鄱陽(yáng)湖北邊的入江水道以及湖區(qū)主體約65%以上也被水覆蓋；豐水期會(huì)一直持續(xù)到每年的10月左右，之后進(jìn)入枯水期，水體面積發(fā)生陡降。因此，鄱陽(yáng)湖存在明顯的季節(jié)性變化，進(jìn)一步證明了豐水期為4—9月，枯水期為10—3月，其中枯水期的水體面積波動(dòng)較小，而豐水期受降雨量、氣候等的影響波動(dòng)較大，水位變化也受五河來(lái)水和長(zhǎng)江干流水位的影響，從而形成了“高水成湖，低水成河”“洪水成片，枯水一線”的特有景觀。

圖4 2009—2018年鄱陽(yáng)湖水體面積季節(jié)性變化

圖5 鄱陽(yáng)湖2016年每月份的水體信息

3.2.2 鄱陽(yáng)湖水域面積年際性變化分析 進(jìn)一步分析鄱陽(yáng)湖水體面積年際變化，表3為2009—2018年近10 年鄱陽(yáng)湖水體面積的最大值、最小值及各年的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。水體面積的最大值基本出現(xiàn)在6—8月份，其中6月份占到50%；水體面積的最小值基本出現(xiàn)在12—2月，其中2月份占到50%。10年間鄱陽(yáng)湖水體面積的最大值、最小值、平均值變化趨勢(shì)大體上是一致的，同時(shí)年際間最大水體面積也為最小水體面積的2倍以上，這也充分體現(xiàn)了鄱陽(yáng)湖年際變化的顯著特征。

表3 2009—2018年各年鄱陽(yáng)湖面積最值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差

鄱陽(yáng)湖區(qū)域降雨主要集中在該年的3—8月，期間占全年降雨量的73.74%。鄱陽(yáng)湖區(qū)域在3月份前后因氣溫回升及降雨量的增加導(dǎo)致水體面積逐月增加，而后隨季節(jié)變化導(dǎo)致水體面積發(fā)生一系列變化。2011年出現(xiàn)了10年內(nèi)最小的水體面積，根據(jù)查閱新聞及資料得知，該年鄱陽(yáng)湖出現(xiàn)了罕見(jiàn)的干旱；2015年12月鄱陽(yáng)湖水體面積明顯增大，根據(jù)歷史記載，該年鄱陽(yáng)湖受到厄爾尼諾事件的影響，冬季出現(xiàn)罕見(jiàn)汛情，全省降雨量高達(dá)303.5 mm，是同期的2.1倍，此時(shí)鄱陽(yáng)湖的水體面積達(dá)到2 243.75 km2；2016年水體面積標(biāo)準(zhǔn)差為近10年最高，同時(shí)該年有10年內(nèi)最大水體面積的最大值；2018年出現(xiàn)10年內(nèi)最大水體面積的最小值，根據(jù)新聞?dòng)涊d，本年的平均降雨量相較往年的平均值減少了22%，長(zhǎng)時(shí)間的高溫少雨天氣使鄱陽(yáng)湖流域周圍水位持續(xù)下降。由此可見(jiàn)降雨量是鄱陽(yáng)湖水域面積的顯著性變化的主要影響因素之一。

圖6顯示了10年間鄱陽(yáng)湖每個(gè)月份的水體面積。從圖6可以看出，在每年11—2月鄱陽(yáng)湖的水體面積達(dá)到最小值，并且10年來(lái)面積相對(duì)穩(wěn)定(2015年除外)。但其他不同月份，鄱陽(yáng)湖水體面積的年際變化較為顯著，如在每年9月，水體面積的變化差值高達(dá)1 556.30 km2。

圖6 2009—2018年鄱陽(yáng)湖每月的水體面積

4 結(jié)論

本文利用2009—2018年Landsat時(shí)序遙感影像數(shù)據(jù)，研究了鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)下的最優(yōu)水體提取方法，同時(shí)分析了其季節(jié)性及年際變化規(guī)律，結(jié)論如下。

1)鄱陽(yáng)湖水體具有明顯的季節(jié)性變化特征，通過(guò)對(duì)單波段閾值法、NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和譜間關(guān)系法的對(duì)比分析，本文認(rèn)為，在枯水期選擇MNDWI水體指數(shù)模型，在豐水期選擇AWEIsh水體提取模型可以最有效識(shí)別鄱陽(yáng)湖水體信息，獲得較為準(zhǔn)確的水體面積。

2)鄱陽(yáng)湖水體面積隨季節(jié)變化，并存在明顯規(guī)律，每年4—9月為豐水期，10—3月為枯水期，豐水期面積接近枯水期面積的2倍。

3)鄱陽(yáng)湖面積的最大值、最小值和平均值年際變化趨勢(shì)一致。在枯水期各個(gè)月份，鄱陽(yáng)湖面積年際變化較小，但是在豐水期各個(gè)月份，鄱陽(yáng)湖面積年際變化較大。2009—2018年的10年鄱陽(yáng)湖水域面積并沒(méi)有明顯增大或減小的趨勢(shì)，鄱陽(yáng)湖水域處于穩(wěn)定期。