杞麓湖形态时空变化分析及地图可视化

马晨燕 颜湘槟

1 武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉，430079

湖泊是自然环境中极为重要的组成部分，卫星遥感技术周期短、成本低、覆盖面大等优势使其成为湖泊时空变化研究的有力手段［1］。目前，湖泊生态的研究集中于水质环境，湖泊形态的研究占比较小。同时，对湖泊形态研究结果进行可视化的研究较少，表现手段停留在遥感影像地图与湖泊示意图这两类，鲜有对分析结果的进一步表达。事实上，湖泊形态不仅展现了湖泊的形状特征，还能够反映湖泊的生态健康状况［2］，为治理工作提供参考，具有重要的研究价值。

云南省的高原湖泊兼具高生态价值和高脆弱性的特点［3］。其中的杞麓湖风景秀丽，但近年来，其生态环境恶化，湖泊形态变化也较为复杂。杞麓湖作为重要的经济发展源，其形态时刻影响着流域居民的生活，因此，掌握湖泊的动态变化具有重要意义。

本文基于杞麓湖2010—2021年的Landsat 卫星遥感影像，提取各年的水体，并获取湖泊形态特征指标数值。结合各年湖岸线的具体形态，分析近些年杞麓湖形态的时空变化情况及其成因，并将研究结果进行专题地图可视化表达，以期为杞麓湖湖岸线、生态环境的治理工作提供辅助信息，为湖泊形态专题制图的研究提供参考。

1 研究区域与研究数据

1.1 研究区域

杞麓湖位于云南省玉溪市通海县，属南盘江水系。杞麓湖流域人口密集、工业集中，供养了通海县绝大多数人口［4］。通海县是重要的蔬菜培育基地，而杞麓湖是农业用水的重要来源，需要对流域内大面积的农田或耕地进行灌溉。因此，杞麓湖是通海县赖以生存的经济发展基础。

1.2 研究数据

本文使用的Landsat 卫星遥感影像来源于中国地理科学院地理空间数据云网站，2010—2021年共12年的遥感影像包括Landsat 4 -5 TM、Landsat 7 ETM SLC-off、Landsat 8 OLI_TIRS 三类。杞麓湖流域在11月—翌年4月降雨量较少［5］，因此尽量选择每年1月—4月期间的影像，以降低雨水的影响，同时保证影像间的时间间隔。

对遥感影像的处理主要包括以下两个过程：

1）水体提取。首先，在ENVI 5.3 软件中进行处理，水体提取前先进行预处理操作，包括条带处理、辐射定标、大气校正等。然后，利用改进的归一化差异水体指数提取方法来提取水体［6］，并进行水陆分离，将提取出的水体导出为矢量格式。

2）数据分析处理。在ArcGIS 10.2 中处理水体文件，用计算工具获取湖泊面积、湖岸线长度、湖泊质心的数值。为了分析湖泊具体在不同方向上的变化，利用切割工具，以2010年的湖泊质心为划分的中心点，将不同年份的湖泊分为正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北8个方向，并分别计算其面积。

2 湖泊形态特征指标

1）湖泊面积与湖岸线长度。湖泊面积与湖岸线长度是湖泊形态的基础指标，体现了湖泊的区域范围、水位和水量等内容。得出各年份湖泊面积与湖岸线长度的数值后，进一步分析两者的变化趋势。

将湖泊面积划分为八方向后，形成空间变化特征，既能得知某一方向面积的变化情况，又能比较不同方向之间面积的变化。

2）其他湖泊形态特征指标。基于湖泊面积与湖岸线长度能够计算出其他湖泊形态特征指标的数值，可以更加具体地量化湖泊形态变化情况。

①岸线发育系数（shoreline development index，SDI）。SDI 是用来评估岸线不规则程度的指标［7］，其值越大，说明湖岸线越曲折。计算公式如下：

式中，SD表示SDI；L为湖岸线长度（单位：km）；S为湖泊面积（单位：km²）。

②湖泊圆形度R。圆形度是用来形容研究要素的形状与圆形接近程度的指标［8］，R值的范围为0～1，值越大，则说明湖泊形态越接近圆形。计算公式如下：

③湖泊形状复杂程度e。不同图形在视觉上给人的复杂感受不同，形状复杂程度用离散数值e表示［8］，数值越大，形状越复杂，反之则越简单。计算公式如下：

3）湖泊质心。本文湖泊质心指二维平面上湖泊形状的质量中心。将提取出的各年质心坐标点在平面上绘出，用方向线连接点，形成移动轨迹，清晰地展现湖泊质心的移动变化特征。

3 杞麓湖形态的时空变化特征

3.1 时间变化特征

时间变化特征指的是湖泊面积、湖岸线长度及其他湖泊形态特征指标随时间的变化情况。将提取出的湖泊面积与湖岸线长度及计算出的其他指标数值汇总，形成表1。

表1 湖泊形态特征指标Tab.1 Indexes of Lake Morphological Characteristics

将数据绘成折线图，得到图1。从图1（a）中可以看出，湖泊面积的变化曲线总体呈先降后升的趋势，大幅下降出现在2013年，大幅上升出现在2017年，后续趋于平稳。从图1（b）中可以看出，湖岸线长度的变化曲线较为曲折，总体上呈先降后升、再降再升的趋势，两次下降出现在2013年、2016年，两次上升出现在2015年、2017年，后续趋于平稳。从图1（c）中可以看出，湖岸线发育系数变化曲线呈先降后升再降的趋势，在2013年、2016年下降，在2015年上升，2016年后趋于平稳。从图1（d）中可以看出，圆形度变化曲线的起伏较大，总体呈先升后降、再升再降的趋势，在2013年、2016年大幅上升，在2015年、2018年大幅下降，其他年份起伏幅度较小。从图1（e）中可以看出，形状复杂度的变化曲线呈先降后升再降的 趋 势，在2013年、2016年 下降，在2015年上升，2016年后趋于平稳。

图1 湖泊形态特征指标变化Fig.1 Changes of Indexes of Lake Morphological Characteristics

3.2 空间变化特征

1）湖岸线空间位置变化。将提取出的湖岸线直接绘制出来，能够直观地看出整个湖泊的形态，在ArcGIS 中对12年的湖岸线图形进行叠加，得到图2，可以看出不同年份湖泊形态的细节变化。每一年的湖岸线在形态上都有差异。从方向上看，湖泊在西南、正南、正西3个方向上差异较大，2013—2016年期间，湖泊的西南方出现明显内缩，这几年与其他年份的湖岸线差异最大，形态较为复杂、细碎。2017年湖泊开始逐渐恢复到与原来相近的形态，分析结果与数据的时间变化分析结果一致。

图2 湖岸线变化Fig.2 Changes of Shoreline

2）湖泊八方向。对湖泊进行方位变化分析，能看出湖泊在不同方向上面积的变化。将湖泊八方向的面积数值汇总，得到表2。

将八方向的面积变化数据绘制成雷达图，得到图3（a）。由表2 和图3（a）可知，杞麓湖不同方向的面积变化各有不同，西南、正西、正南这3个方向的面积变化较为明显，2013—2017年变化幅度较大。西南、正西、正南方向的面积均是在2013年、2014年出现缩 减，2015年与2016年 小 幅增加，2017年大 幅增加至恢复原貌。其他方向的面积虽有变化，但幅度较小。此结论与湖岸线变化的分析结果一致。

表2 湖泊八方向面积/km2Tab.2 Areas of the Lake in Eight Directions/km2

3）湖泊质心。使用ArcGIS 的质心计算功能直接计算出每年杞麓湖湖泊的质心坐标。将质心的位置及移动轨迹绘制在平面上，得到图3（b）。以2010年的湖泊质心为起始点，质心在2012年以前移动变化的幅度不大；2013—2015年期间，质心向东北方向大幅移动；2016年开始又向西南方向移动恢复；2018年后回到原来的移动范围内。

图3 湖泊八方向面积雷达图和湖泊质心变化Fig.3 Radar Map of Lake Area in Eight Directions and Changes of Lake Centroid

3.3 变化特征分析

1）湖泊形态变化原因。杞麓湖形态变化与2010年云南省百年一遇的特大旱灾有关［9］。云南大部分地区自2009年末开始就极少降雨，干旱的范围广、时间长，加上由于缺水，居民对湖泊过度开发，许多湖泊水量减少，面积大幅缩减。直至后期旱情缓和，政府采取湖泊维护、修复措施，湖泊水量才逐渐恢复。

结合湖岸线变化与湖泊形态指标的时间变化进行分析，2013年湖岸线长度随着面积的变小而缩短，2015年开始恢复，在此期间，湖泊以不规则的形态向外扩张，导致湖岸线变得细碎，长度增长，湖岸线发育系数与形状复杂度增大，圆形度减小。2016年，随着湖泊形状恢复规则，湖岸线变得平滑，长度缩短，后期随着湖泊进一步扩大而恢复，湖岸线形态与湖泊形态指标逐渐恢复到原先的状态。

2）湖泊治理建议。分析可知，近年来杞麓湖整体情况不稳定，生态脆弱，易受干扰。在治理湖泊时，除了水质环境，还需要时刻关注湖泊的形态特征，形态往往能够直接反映湖泊状态。2013—2016年间的起伏表明，湖泊随时可能出现大幅变化，需要积极进行维护。可以通过加强湖岸线管理、实时监测、定期调研和设置应急方案等措施，合理开展治理工作。

4 专题地图可视化

地图制图学是一门与地理学、地理信息系统、大地测量学等多门学科交叉融合的年轻科学［10］，其中，专题地图是表达研究成果的重要可视化手段。随着信息通信技术时代的到来，地图表达变量、表现手法、展示风格都趋于多样化［11］，为更好地表达专题内容提供思路。

本文以杞麓湖的湖泊形态为表达对象，从“形”与“数”两方面出发，多角度展现对象特征，通过选取配色、设计表达方法等，绘制杞麓湖湖泊形态研究成果专题地图。

4.1 “形”的具体表达

1）湖岸线变化的表达。在图2 的基础上进行修饰，运用色彩使形式更加美观，得到图4（a）。将叠加后最外围的湖岸线连接形成填充范围，用蓝色填充，将多年的湖岸线向上叠加。同时对重点展示的部分“开窗”，更好地表现出湖岸线变化的细节。

2）湖泊质心变化的表达。在图3（b）的基础上使用反白的方法进行修饰，背景为灰黑色，质心为白色，质心移动轨迹线为橘色，使得整体更加具有风格，得到图4（b）。

图4 湖岸线变化修饰图和湖泊质心变化修饰图Fig.4 Modification of Change of Shoreline and Modification of Centroid Change of the Lake

4.2 “数”的动态表达

通过科学、美观的图表表达分析数据，才能让人进一步了解具体的数据情况。湖泊形态指标数据、湖泊八方向变化数据都需要利用图表进行表达。

独立的图表在图面上显得零散且不好布设，因此，可以将5项指标统一成一个辐射状图表，内含5个子图与指标一一对应，如图5 所示。湖泊质心变化图位于中心，达到了形式上的统一，内容更完整、美观。

图5 湖泊形态指标变化Fig.5 Changes of Lake Morphological Indexes

湖泊八方向面积变化使用图6所示的一组雷达图表达。从单个图可以看出对应方向的面积随年份的变化，横向比较多个图则可以看出不同方向的差异。

图6 湖泊八方向面积变化Fig.6 Area Changes of the Lake in Eight Directions

4.3 设计成果

除了“形”与“数”，还可以补充相关图文信息，起引入、过渡作用，使图更具逻辑性、更加完整。本文在专题图中补充的要素包括杞麓湖的位置示意图、流域三维俯瞰图及相应的文字介绍。杞麓湖湖泊形态专题图设计成果见图7。

图7 杞麓湖湖泊形态专题图Fig.7 Thematic Map of Lake Morphology of Qilu Lake

5 结束语

本文对近年来杞麓湖的形态指标数据进行了获取加工与处理分析，得到湖泊形态的时空变化特征。建设性地提出湖泊形态主题的专题制图“形”“数”结合的设计思路，并绘制出可视化的专题图，为相关主题的专题地图绘制提供参考。