近10年来洞庭湖区水面面积变化遥感监测分析

李景刚，李纪人，黄诗峰，臧文斌

（1.中国水利水电科学研究院 遥感技术应用中心，北京 100048；2.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；3.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

1 研究背景

洞庭湖作为我国第二大淡水湖，跨湖南、湖北两省，与长江干流直接相连，吐纳松滋、太平、藕池三口，湘、资、沅、澧四水及湖区周边中、小河流的来水。该湖的存在和稳定，对于缓解长江中游地区洪涝灾害，减小长江干流的冲淤变迁，维系地区的洪水蓄泄和泥沙的冲淤平衡，具有不可替代的作用［1］。近年来，伴随着全球气候变化的加剧以及三峡工程阶段性蓄水任务的相继完成和运行，给洞庭湖区水文特征以及“江湖”关系均带来诸多的影响［2-3］。湖泊水面作为重要的水情信息，加强其动态监测对于全面了解洞庭湖的变化规律和演化趋势具有重要的意义［1］。

当前，遥感技术由于其能够获取大面积、宏观的地物辐射信息，突破了传统地面观察的局限性，因此在湖泊水面监测中发挥着越来越重要的作用。如赵玉灵［4］应用MSS、TM、ETM+和CBERS-2遥感数据结合GIS技术对安固里淖湖1975—2007年间近30年来的水体分布变化进行了调查与监测；冯钟葵等［5］选用1986—2005年美国Landsat-5卫星图像数据对青海湖近20年的水域面积变化进行跟踪监测；而刘瑞霞等［6］则是采用NOAA/AVHRR资料，在水体判识及混合象元处理的基础上，对青海湖近20年湖水面积的变化趋势进行了定量化估算和分析。

在众多遥感数据源中，受时间分辨率、幅宽范围以及气象条件等因素限制，利用高分辨率遥感影像在时间尺度上开展高频率、短周期、长时间序列的湖泊水面动态监测，通常存在一定的难度；而低分辨率遥感影像，虽时间分辨率较高，但受空间分辨率的限制，其监测精度则往往较低［7-8］。因此，出于空间分辨率和时间分辨率的双重考虑，当前诸多研究者开始选用中等分辨率的遥感影像来对湖泊水面开展短周期、长时间序列的动态监测。如Andreoli R等人［9］在中欧“龙计划”一期执行过程中，利用ENVISAT/ASAR和ENVISAT/MERIS构建的中分辨率长时间序列遥感数据库，对鄱阳湖的水面面积变化进行了短周期、长时间的遥感监测，取得了较好的研究成果。

本文在参照Andreoli R等人工作思路的基础上，采用时间分辨率更高且完全免费的250m Terra/MODIS数据为主要数据源［10］，对气候变化、三峡工程运行共同作用下洞庭湖区近10年来的水面面积变化特征和趋势进行监测研究。

2 数据与方法

本研究中，洞庭湖区范围是在高分辨率遥感影像上勾画的一个覆盖东、西、南3个主要湖区，由大堤或自然岸线围限的封闭区间（图1）［11］，总面积为2629.23km2。

主要数据源为NASA Earth Observing System Data Gateway（EDG）网站提供的Terra/MODIS卫星8d合成250m地表反射率数据产品（MOD09Q1）（MODIS Terra Surface Reflectance 8-Day L3 Global 250m），数据格式为最新的V005版本，时间范围为2000年3月—2008年12月。为降低工作量，水面监测过程中剔除了部分受云、天气以及合成算法等因素影响而质量较差的数据。为了有效检验MODIS数据湖区水面提取结果的准确性，同时收集了12期由二十一世纪空间技术应用股份有限公司提供的空间分辨率为32m的“北京一号”小卫星多光谱数据。另外，为了对湖区水面面积变化进行驱动分析，文中共收集了洞庭湖流域27个气象观测站点的月降水量数据，该数据来自于中国气象局国家气象信息中心气象资料室。

对于Terra/MODIS的水面提取，本文采用的是多源信息提取的方法。该方法主要是通过对由MOD09Q1数据计算得到的NDV1指数以及第二波段反射率分别设定阈值，来最终实现对湖区水域面积的综合提取。有关MOD09Q1数据的处理过程以及水面多源信息提取方法的详细介绍可参见文献［1］。而“北京一号”小卫星多光谱数据的水面提取，同样参照MODIS数据的多源信息提取方法进行。

3 结果分析

3.1 水面面积提取精度检验 由于“北京一号”小卫星多光谱数据的空间分辨率要远高于文中所用的MODIS数据，因此可以假定由其提取的湖区水域面积是准确的，用其来对MODIS数据提取的水面结果进行精度验证。各期“北京一号”小卫星多光谱提取水面与其对应时段MODIS MOD09Q1数据提取水面进行叠加分析（overlay），结果见表1。

表1 “北京一号”多光谱数据的MODIS水面提取精度分析

由表1可知，较“北京一号”多光谱数据，MODIS水面提取的制图精度基本维持在70%～80%之间，漏提误差大约在25%左右；而用户精度则基本在80%～90%之间，部分精度甚至高达95%以上，错提误差相对较小。另外，从高、低水位水面提取结果的对比来看，高水位时水面提取精度相对较高。同时，通过研究发现MODIS数据水面错提区域主要分布在湖区的水陆分界处，由于受空间分辨率限制以及混合像元的影响，则部分陆地像元被错提为水体；而MODIS数据水面漏提区域则主要是湖区内那些细条河网，由于像元中混合了较多的河岸周边植被和土壤的光谱特征，所以未能被提取出来。考虑到MODIS数据的空间分辨率以及数据质量等因素的影响，认为该提取精度是可以接受的，可以用于洞庭湖区水域面积变化的特征分析。

3.2 水面面积变化特征分析 图2中给出了2000年3月—2008年12月间洞庭湖区水域面积变化的动态过程，与城陵矶水文站月最高观测水位的变化情况具有很好的一致性，即两者之间具有一定的线性相关性（图3），相关系数为0.952，且通过了α=0.01的显著性检验。从图2可知，湖区水面变化季节性特征显著，其中枯水期11月-次年4月份间湖区水面相对较小，基本在500km2左右，而洪水期5-10月份间水面则相对较大，尤其每年的7-9月份最大，维持在2000km2左右，两者几乎相差了4倍。其中，2002年8月份的湖区MODIS监测水面最大，接近2400km2。总体上，洞庭湖区水面表现为洪水期汪洋一片，枯水期仅存几条带状水域的季节性变化特征［11，13］，而这些特征主要与流域内季节性降雨的年内分布规律以及长江主汛期的影响有关［14］。同时，从近10年监测结果的变化趋势来看（图2），在气候变化、三峡工程运行等因素的共同作用下，洞庭湖区水域面积总体上表现出一定程度的下降趋势。

另外，从洞庭湖区的水面面积变化监测结果中还可以发现以下2组特征：

（1）在2006年，洞庭湖夏季水面范围明显偏小，而且水面缩小时间也较为提前，即在8月中旬湖泊水面便开始急剧变小。这主要由2006年长江流域上游夏季大旱以及三峡工程9月20日开始的156m阶段性蓄水带来的长江入湖水量大幅减少造成的。据统计，在2006年4-9月间，三口入湖径流量较多年平均值偏少74.7%［15］。

（2）在2008年11月，洞庭湖经历了一次显著的洪水过程，而且该过程也得到了湖泊周围地面站点水文观测记录的印证。受长江中上游强降水过程的影响，2008年11月上旬沅水、资水都发生了当年以来和历史同期的最大洪水。根据2008年11月全国主要江河水情月报①中国水文信息网.http：//www.hydroinfo.gov.cn/显示，沅江控制站桃源水文站11月7日17时洪峰水位为43.97m，超过警戒水位1.47m，相应流量18400m3/s；其下游常德水文站11月8日1时洪峰水位为 ，超过警戒水位 ，相应流量3。

3.3 水面面积变化驱动分析 湖泊水面作为湖泊水量的一种重要表现形式，其变化是所在补给流域水量平衡的结果。从气候的角度来看，影响湖泊水面面积变化的主要气候要素是降水［16］。从洞庭湖流域年降水量的变化来看（表2），其在1999—2008年的近10年间总体上表现出一定程度的下降趋势，而流域内的四水、区间（入湖中小河流）年径流量也随之呈现出一定量的下降。另外，洞庭湖水面面积的变化同时也受三口分泄长江干流来水量的控制。根据李景保等人的分析结果［15］，近年来荆江三口年径流量和分流比均呈现出减少的趋势，而年内断流天数则呈现出增加的趋势，尤其在2003年三峡水库蓄水运行后。

根据当前《三峡（初期运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》②中国长江三峡集团公司.http：//www.ctgpc.com.cn/sxslsn/index.php?mClassId=003006：每年的6月中旬—9月底，三峡水库按防洪限制水位145.0m运行。因此，无论是三口汛期径流占全年入湖径流的百分比，还是三口汛期占汛期入湖总径流的百分比都无明显变化。但通过三峡水库蓄水运行后与蓄水运行前比较，洞庭湖汛期多年平均径流减少392×108m3，约占多年平均径流减少量的77.0%。其中，三口汛期减少107.1×108m3，约占全湖汛期径流总减少量的27.3%。这些说明，近年来洞庭湖水量减少主要发生在汛期，其主要是三口和四水汛期入湖径流量较同期多年平均值偏小所致［15］。另外，从入湖水量的构成来看（表2），四水及区间水量占到了整个入湖水量的80%左右，即湖区水面面积变化主要受流域内降水带来的入湖水量的驱动。

表2 1999-2008年洞庭湖年降水、径流变化

不过，从洞庭湖流域近年来月降水量的变化来看，秋季9、10月份的降水减少表现的较为明显，尤其是10月份（图4）。而此时正值三峡水库的汛末蓄水期，这样在流域降水偏少、三峡工程蓄水的共同作用下，必然带来入湖水量的大幅减少，造成湖区水面锐减，加重湖区夏秋连旱程度，进而诱发一系列生态安全问题［15］。

4 结论与讨论

本文以Terra/MODIS 8d合成的250m地表反射率数据产品MOD09Q1为主要数据源，采用多源信息水面提取方法对2000年3月—2008年12月间洞庭湖区水面的变化特征和变化趋势进行了监测研究。从与更高分辨率北京一号多光谱遥感影像的水面提取结果以及城陵矶水文站每月观测的最高水位的比较来看，该监测结果具有很好的可信度。

分析结果显示，洞庭湖区水面变化的季节性特征显著，其中枯水期11—次年4月份间湖区水面相对较小，基本在500km2左右，而洪水期5—10月份间水面则相对较大，尤其每年的7—9月份最大，维持在2000km2左右，两者几乎相差了4倍。总体上，表现为洪水期汪洋一片，枯水期仅存几条带状水域的季节性变化特征，受流域内季节性降雨的年内分布规律以及长江主汛期的控制。同时，在近10年间，在气候变化和三峡工程运行等因素的共同作用下，洞庭湖区水域面积呈现出一定程度的下降趋势。

通过流域年降水量变化分析和三峡水库蓄水运行前后三口年径流量变化对比，发现流域内降水带来的入湖水量偏少是近年来洞庭湖区水面面积减少的主要驱动因子。另外，近年来9、10月份洞庭湖流域降水减少与三峡水库汛末蓄水同期，共同造就最终入湖水量锐减，加重湖区夏秋连旱程度，进而诱发系列生态安全问题。

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