高原湖泊和平原湖泊遥感动态监测的对比分析
--以洱海和鄱阳湖为例

高原湖泊和平原湖泊遥感动态监测的对比分析
--以洱海和鄱阳湖为例

王 琳 赵志芳（云南大学资源环境与地球科学学院，昆明650500）

众所周知，湖泊及其动态变化在区域生态环境保护中占据极其重要的作用，监测并对比分析不同类型的湖泊动态变化对区域生态环境保护具有显著意义。但不同地理条件下不同类型的湖泊其所发挥的作用又有一定差异，如高原湖泊洱海为断陷湖泊，在区域气候调节、引水灌溉中发挥了重要作用；平原湖泊则多具有调节洪水、生态保持功能。

遥感技术在湖泊研究中的应用,以其具有的宏观性、实效性和经济性等特点迅速取得了广泛的应用(孟庆伟等,2006)。戴绵芳等（1992）应用动态对比分析法研究分析了古丹阳湖的演变与消亡过程；刘登忠等（1992）利用RS和GIS技术进行了西藏高原湖泊研究（张继承等,2008；万玮等,2014；WU et al,2008；刘雪梅等,2009）；殷立琼等（2005）利用80年代后期以来不同时期的Landsat数据，研究了太湖近15年来的面积变化状况；凌成星等（2010）利用混合水体指数模型（CIWI）提取了滨海湿地水体信息；姚晓军等（2015）利用RS和GIS技术研究了近10年来可可西里地区主要湖泊冰情时空变化；宋开山等（2014）基于Landsat TM和MODIS进行了非洲水体分布格局研究；李慧曾（2005）在福建闽江口湿地水体信息的提取中应用了归一化植被指数NDVI=(TM4-TM3)/ (TM4+TM3)进行水体信息提取；McFeeter利用归一化水体指数NDWI=(TM2-TM4)/(TM2+TM4)提取水体,抑制了植被和土壤信息；徐涵秋（2005）通过研究发现NDWI难以抑制建筑物信息影响,并进一步提出改进后的归一化水体指数MNDWI=(TM2-TM5)/ (TM2+TM5)来提取水体；周艺等（2014）利用伪归一化水体指数有效提取城镇周边细小河流信息；杨存建等（1998）在研究遥感信息机理时发现TM各波段影像中,可利用(TM2+TM3)＞(TM4+TM5)提取水体信息；还有不少学者进行湖泊水质的研究（汪万芳等,2011；卢进登等,2007）及湖泊变化对气候的响应研究（吴艳红等,2007；常学礼等,2013)。综上所述，在以往研究中，较多的只采用单一的遥感方法对某一类型湖泊进行监测研究，未能涵盖基本湖泊类型，从而使得湖泊这一生态环境重要组成部分的动态监测研究缺乏代表性。基于以往研究的不足，本研究主要采用遥感手段，选取高原湖泊洱海和平原湖泊鄱阳湖为研究对象，通过对比分析平原湖泊和高原湖泊两种不同类型湖泊水域及其动态变化信息的提取方法，以期探索不同地理条件下的湖泊监测研究最优方法，提高湖泊监测的效率和质量。

1 研究区概况和数据来源

1.1 洱海和鄱阳湖概况

洱海位于云南大理市郊区，为云南省第二大淡水湖，海拔1 980 m，是云南自然资源的重要组成部分，流域内土地肥沃，物产丰富。近年来洱海水质有明显下降趋势，富营养化进程加快，部分水域污染严重，非法占有河滩、不合理开发旅游资源等使湖泊周边环境恶化，水资源匮乏。

潘阳湖海拔618 m，是典型的平原湖泊。鄱阳湖位于江西省北部长江南岸，是中国第一大淡水湖，也是中国第二大湖，仅次于青海湖。鄱阳湖是我国重要湿地，是长江干流的重要调蓄性湖泊，在中国长江流域中肩负着调蓄洪水和保护生物多样性等生态的重任。近年来，受各种原因的影响，潘阳湖出现了连续干旱现象，同时受三峡蓄水工程的影响，使潘阳湖水位一度逼近极枯水位，致使潘阳湖候鸟数量减少。

1.2 数据基础及处理

1.2.1 数据源 本研究采用TM数据作为数据源，其时相等信息详见表1。

1.2.2 遥感动态监测方法

（1）图像预处理。本研究对洱海及鄱阳湖不同时相的TM遥感影像进行几何校正、配准，并对其进行线性拉伸、滤波等处理，再对数据按湖泊范围进行裁剪，获取研究区基础数据。

（2）不同类型湖泊遥感动态监测信息提取。基于预处理后的遥感数据，利用单波段阈值法、多光谱波段运算法、波段组合法、缨帽变换法等不同的方法，实现高原湖泊和平原湖泊水域及动态变化信息提取。

（3）不同类型湖泊遥感动态监测方法对比研究。对比分析基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊动态变化监测方法优劣，优选适用于不同类型湖泊动态变化监测的技术方法。

表1 洱海及鄱阳湖地区湖泊动态变化信息提取遥感数据源

2 结果与讨论

2.1 基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊水域信息增强方法对比分析

2.1.1 TM单波段阈值法增强湖泊水域信息 因湖泊水域在近红外波段反射率低，遥感图像光谱值与其他地物相比明显偏低，本文设计利用信息量最丰富且水体信息与其他地物差异明显的TM5波段进行单波段阈值法提取湖泊水域信息。通过反复试验得到较为理想的湖泊TM5波段提取阈值，TM5图像灰度值：洱海＜14、鄱阳湖＜15。提取结果如图1所示，分析表明：通过单波段阈值法可较准确地提取出湖泊水域信息，该方法目视效果较好，但存在一定的不足，如不容易排除云雾的影响等。

图1 TM5单波段阈值法增强湖泊水域信息

图2 TM多光谱波段运算法增强洱海湖泊水域信息

2.1.2 多光谱波段运算法增强湖泊水域信息 根据水体信息波谱特征，经多次实验表明，应用TM5＞TM4能有效地提取出水体信息。同时，利用前人研究的归一化植被指数NDVI、归一化水体指数NDWI、改进后的归一化水体指数MNDWI、NDWI3、(TM2+TM3)＞(TM4+TM5)等方法亦可较好提取洱海和鄱阳湖水域信息（图2、图3)。分析增强结果表明，虽然水体与非水体的光谱值差异明显，但还存在一定的过度区域，受此影响6种多光谱运算方法均出现了地物信息误提或水域信息提取不全等问题。

图3 TM多光谱波段运算法增强潘阳湖水域信息

2.1.3 波段组合法增强湖泊水域信息 对于水体信息提取而言，常用的波段组合有TM543、TM432、TM453、TM472等（图4)。其中TM543组合主要用于水陆边界确定，其组合图像接近于地物自然色彩，易于区分水陆界限，且信息量丰富；TM432组合常用于湿地研究中，其图像中植被显红色，可用于湖泊水质监测等；TM453组合能很好地用于水陆边界确定研究，还能突出水体的线性特征，其图像色彩反差明显，层次分明；TM472组合可用于湿度分析、内陆水体定位等。

2.1.4 缨帽变换法增强湖泊水域信息对TM数据进行缨帽变换，变换结果主要由亮度、绿度、湿度3个因子组成。本文利用缨帽变换，并结合NDVI植被指数进行了洱海和鄱阳湖湖泊水域信息增强（图5)。

2.1.5 湖泊水域信息增强结果评价 与高原地区地势起伏，地物类型复杂，居民点分布集中的特点不同，平原地区地势平坦，地物类型单一，居民点较分散，在湖泊水域信息提取时一般没有山体阴影的影响，应用相同的湖泊水域信息提取方法，平原湖泊的增强结果与高原湖泊增强结果存在一定差异。

为了对湖泊水域遥感动态监测信息提取结果作出全面、科学、准确的评价，以影像的目视解译结果为标准对各湖泊水域信息提取结果进行精度评价，结果如表2所示，波段组合法具有较高的准确率而缨帽变换法准确率较低。从目视效果看来，除了NDWI3指数增强法提取结果目视效果较差外，其他几种方法都可得到较好的目视效果。比较洱海和鄱阳湖不同遥感动态监测信息提取结果局部细节部分发现(图2、4、5中椭圆所示范围）：TM5＞TM4能较完全地提取出湖泊水域信息，与之相反，缨帽变化法对于一些细部湖泊水域信息的提取结果不佳。

总体而言，单波段阈值法和波段组合法适用于各类湖泊的水域信息提取；多波段运算法方法较多，其中TM5＞TM4方法适合用于各种湖泊水域信息提取，而NDVI指数法及TM2+TM3＞TM4+TM5法的效果一般，不适用于提取精度要求较高的研究，对于NDWI、MNDWI、NDWI3指数法，其对平原湖泊的提取效果要优于高原湖泊；缨帽变换法的提取效果普遍较差,且不适于高原湖泊水域信息提取。分析平原湖泊与高原湖泊水域信息提取结果的差异可知，高原湖泊水陆界限分明，且多为平滑曲线；而平原湖泊流入、流出支流较多，水陆界限较为复杂，这可能使得平原湖泊水域信息提取一般比高原湖泊复杂，且常常需要多种湖泊水域信息提取方法综合使用，才能达到较好的提取效果。

表3 洱海与鄱阳湖遥感监测实验结果与资料数据误差对比分析

图4 TM波段组合法增强湖泊水域信息

2.2 基于TM影像的高原湖泊和平原湖泊动态变化监测方法对比分析

2.2.1 湖泊水域面积统计 通过湖泊水域信息提取，求取湖泊面积。查阅云南省水利厅公布的《云南省水资源公报》及江西水文信息网公布的数据，首先对实验统计结果进行简单评价，可知洱海实验数据与公报数据误差值较小而鄱阳湖与水文信息网数据误差较大（表3)。分析其原因，推测由于实验数据时相选取及鄱阳湖周边环境复杂水域界限的界定规则不统一，可能造成了鄱阳湖水域面积误差偏大。采用上述方法提取洱海和鄱阳湖1988年、1993年、2009 年3个年份面积数据，如表4所示。

2.2.2 湖泊面积变化检测 面积变化信息检测的方法很多，本研究选择其中效果较好、易于操作的波段替换法进行洱海和鄱阳湖湖泊面积变化检测。即用后一时相TM遥感图像的一个分量代替R分量，而G分量及B分量用前一时相遥感图像的两个分量代替，合成后得到的假彩色合成图可以清晰地反映出洱海和鄱阳湖1988-1993年、1993-2009年、1988-2009年的面积变化，之后应用波段运算的方法提取出洱海和鄱阳湖1988-1993、1993-2009、1988-2009面积变化区域，最后得到洱海和鄱阳湖1988-2009年的面积变化统计表（表5)。

2.2.3 变化结果分析 洱海水域面积1988年达212.849 7 km2，1993年为212.742 5 km2，1988年至1933年间，洱海水域面积减少了0.107 2 km2，到2009年，洱海水域面积减少为211.830 7 km2，自1988年减少了1.019 0 km2。总体看来，洱海湖泊水域面积呈递减趋势，1988-2009年间缩减速度较快，洱海西北、西南、东南部分湖泊缩减明显，东及东北部分缩减不明显，有的区域甚至没有明显变化。

图5 缨帽变换法增强湖泊水域信息

图6 洱海与鄱阳湖1988-2009年湖泊变化情况（左：洱海，右：鄱阳湖）

表4 洱海与鄱阳湖湖泊面积统计

表5 洱海、鄱阳湖湖泊面积变化统计

鄱阳湖水域面积1988年达3 195.9 km2，1993年为3 781.7 km2, 1988-1993年水域面积增加了591.2 km2；到2009年，水域面积减少为3 487.1 km2，自1988年增加了291.2 km2。总体看来，潘阳湖水域面积变化规律相对复杂，究其原因，鄱阳湖流域为典型的亚热带季风气候，使年内降水量变化率大，造成湖水水位变化大，不同时相对湖泊进行监测，其结果发生明显差异；同时，近年来干旱天气也使得鄱阳湖1993-2009年水域面积减少；另一方面，由于历年来潘阳湖多发洪涝灾害，据资料记载1993年鄱阳湖局部水域发生了洪涝灾害，使其水域面积达到较高值，且由图6可知鄱阳湖1988-2009年间主要变化区域集中在西南方向水域。

从表5可知，洱海水域信息提取数据与实测数据差值较小，而鄱阳湖水域信息提取数据与实测数据差值较大。分析造成这一现象的主要原因是鄱阳湖周边地理环境相对复杂，其亚热带季风气候使其水域季节性变化明显；由于受到三峡蓄水工程的影响，改变了潘阳湖水域自然变化规律，使其遭受了一定程度的人为破坏；由湖泊水域信息提取结果看，洱海水陆界限分明且为较平滑曲线，潘阳湖水陆界限复杂曲折，一定程度上影响了实验结果的准确性。就年度变化规律看来，洱海水域面积呈递减趋势，而鄱阳湖水域范围变化则相对复杂，其变化波动较大。

鄱阳湖湿地（刘国华 摄）

3 结论

本研究以洱海和潘阳湖为例，研究分析了不同地理环境下各类湖泊水域信息提取的优劣，为不同地理环境下的湖泊在水域信息提取及动态监测方法选择上提供了有效依据。本文主要以洱海和鄱阳湖分别作为高原湖泊和平原湖泊的代表，进行遥感监测技术方法研究，然而，由于高原湖泊及或平原湖泊，其发育种类繁多，且湖泊受周边环境、地理条件、气候条件及湖泊自身类型、形状、湖泊水域季节性变化、湖泊水质状况等的影响，应用单一固定的动态监测方法研究具有一定的局限性，往往得不到理想的结果。因此，对不同地理背景下湖泊的动态监测方法还有待于近一步细化与深入研究。

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A Comparative Study of Dynamics of Lakes in Plateau and Plain Monitored by Remote Sensing: A Case Study in Erhai Lake and Poyang Lake

WANG Lin ZHAO Zhi-Fang (Resource Environment and Earth Sciences Academy,Yunnan University, Kunming 650500)

湖泊及其动态变化在区域生态环境保护中占据极其重要的作用，监测并对比分析不同类型的湖泊动态变化对区域生态环境保护意义重大。应用Landsat TM 遥感数据，基于ENVI遥感图像处理软件和ArcGIS空间分析软件，分别以洱海和潘阳湖为例，利用单波段阈值法、波段组合法等方法提取了湖泊水体现状信息；通过波段运算、波段替换等方法提取了湖泊的动态变化信息；对比分析了高原湖泊和平原湖泊两类湖泊动态变化信息提取监测效果。研究表明：应用波段组合法提取湖泊水体信息有较高的准确度，而缨帽变换法提取湖泊水体信息准确度偏低；受湖泊界限标准不统一、季节性水域变化，湖泊周边地理环境等影响，平原湖泊水体分布状况较高原湖泊水体分布状况复杂，多种遥感图像处理方法结合使用更适用于平原湖泊遥感动态监测。

湖泊信息提取；遥感动态监测；高原湖泊；平原湖泊；洱海；鄱阳湖

Whether from regional environmental protection or socioeconomic perspective, lake has an extremely important role in our lives, and dynamic changes of the lake is more closely related to regional environmental protection. Using Landsat TM remote sensing data and ENVI image processing software and ArcGIS spatial analysis software, this paper takes Erhai Lake and Poyang Lake as examples, single-band threshold, band combination and other methods were used to extract information of the status of the water body, through band calculation, band replacement and other methods information of dynamic changes of the lakes was extracted, and comparisons of different geographical conditions of the lakes were made. The results indicated that the application of band combination method to extract water information displayed a higher degree of accuracy, on the contrary, tasseled cap transformation method had a low accuracy; Meanwhile, due to ununified standards of the lake boundaries, seasonal changes of water area, and effects of surrounding geographical environment the distribution of water bodies was more complicated in the plain than in the plateau. Therefore, a combination of different RS image processing methods is more suitable for monitoring of plain lakes.

Lake information extraction; Dynamic monitoring by remote sensing; Plateau Lake; Plain Lakes; Erhai Lake; Poyang Lake

10.3969/j.issn.1673-3290.2016.04.12

2016-04-28

中国国土资源航空物探遥感中心项目“中越边境元江-红河地区基础地质遥感解译”(DD2016007615);云南省云岭学者云南大学项目中期研究成果（C6153001）

王琳（1991-），女，藏族，云南人，研究生，主要研究方向为遥感基础地质调查。E-mail：15436 86495@qq.com

赵志芳（1971-），女，云南人，博士，教授，主要研究方向为遥感地质。E-mail：zzf_1002 @163.com