基于环境减灾卫星数据的青海湖面积动态

刘宝康，卫旭丽，杜玉娥，冯蜀青，梅 朵，李昌玉，刘玉子，张加昆

(1.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001； 2.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；3.青海省都兰县气象局，青海 都兰 816100； 4.甘肃省自然能源研究所，甘肃 兰州 730020；5.青海省西宁市气象局，青海 西宁810003； 6.甘肃省清水县第六中学，甘肃 清水 741400)

环境减灾卫星是我国于2008年9月成功发射的环境与灾害监测预报小卫星星座，是继气象、海洋、国土资源卫星之后的一个全新的民用卫星。它携带光学、热红外、超光谱和雷达等多种类型遥感探测设备，是国内民用卫星中技术最复杂、指标最先进的对地观测系统之一。环境减灾卫星的发射能够提高我国环境监测和综合减灾能力，实现大范围、全天候和全天时动态的环境和灾害监测[1]。

环境减灾卫星具有以下特点：携带光学、热红外、超光谱和雷达等多种类型遥感探测设备；空间分辨率为30 m，影像幅宽700 km，过境周期2 d，时间分辨率高于TM、SPOT和QUICKBIRD等国外高分辨率卫星影像；数据可免费下载，灾害发生后，能通过国家减灾中心及时调整卫星参数而获得受灾地区每天的过境资料；最新研究表明，环境减灾卫星在青藏高原地区的晴空资料远高于目前常见的其他卫星资料。

国内外许多学者利用不同卫星影像资料和多种方法进行水体模式识别研究。冯钟葵和李晓辉[2]选用1986-2005年的美国Landsat-5 TM卫星影像数据，利用监督分类法对青海湖地区进行长达20年的跟踪监测研究；曹荣龙等[3]基于RNDWI法利用TM影像监测了密云水库近20年的水面面积动态变化；李文波等[4]以ETM+影像为数据源，采用两种归一化水体指数分别从遥感数据中定量提取水域面积，并将提取结果和监督分类提取结果做比较；都金康等[4]利用决策树方法从SPOT遥感影像中提取水域面积信息；赵书何等[5]、田慧云和周克勤[6]利用MODIS影像进行湖泊水体识别，并分别对艾比湖和青海湖的面积动态进行了研究。韩芳等[7]采用NOAA/AVHRR资料，对达里诺尔湖进行水体判识，并估算了2000-2005年4-9月湖水面积变化趋势。马明国等[8]应用1973―2006年Landsat MSS、TM、ETM+以及中巴卫星等高分辨率的遥感数据和250 m分辨率的MODIS数据监测湖泊群动态变化特征。但是，目前利用环境减灾卫星进行年、季和月动态变化的研究，还不多见。

青海湖作为我国最大的内陆咸水湖，是维系青藏高原生态安全的重要水体和阻挡西部荒漠化“东进”的天然屏障[10]。近年来，由于气候变化和人类活动加剧，导致环湖地区草地退化，沙化严重，入湖河流来水减少，蒸发量增加，过去多年青海湖水体面积不断萎缩[2，10]。青海湖流域生态环境引起社会各方关注，青海当地政府更是把青海湖流域的生态环境治理作为政府部门的重点工作来抓，并多次组织全国和当地科研院所专家为青海湖流域的生态环境治理出谋划策。通过各方10多年来的不懈努力，青海湖及周边生态环境有了进一步的改善，呈现持续良性循环的发展趋势。因此，通过环境减灾卫星进行青海湖面积动态监测，对于及时了解青海湖流域的生态环境动态及治理效果具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1研究区概况 青海湖地处青藏高原东北部，位于99°36′～100°16′ E，36°32′～37°15′ N。根据青海湖流域卫星影像及地形图，湖区东北部为大通山和日月山，南部为青海南山，西面是布哈河。青海湖流域面积29 660 km2，湖面海拔3 200 m，湖泊形状近似向西北张开的喇叭，长约109 km，南北最宽为65 km，西宽东窄，最狭窄处约20 km。湖泊周长为360 km，面积约为4 300 km2，总蓄水量为7.38×108m3，平均水深21 m，最大水深25 m，呈弱碱性，pH值为9.23[2]。注入青海湖的主要河流有布哈河、乌哈阿兰河、沙柳河、哈尔盖河、倒淌河及黑马河。流域气候为典型的高原大陆性气候，以寒冷、干旱和多风为主要特征。环湖流域天然草地面积3 860万hm2，其中可利用面积3 347万hm2，草地主要以高寒草原和高寒草甸为主[10]。

1.2数据来源 本项研究所用环境减灾卫星数据来自中国资源卫星应用中心环境卫星数据产品共享服务网站(http://www.secmep.cn)。选取环青海湖地区自环境减灾卫星发射以来2008年9月至2011年11月期间、青海湖解冻后到封冻前4―11月的晴空CCD数据(表1)。

表1 环境减灾卫星CCD数据特征参数Table 1 CCD data characteristic parameters of the environmental mitigation satellite

1.3数据处理方法 首先选取晴空环境减灾卫星影像数据，在ENVI 4.8下加载影像数据，根据不同地物在环境减灾卫星各波段的光谱特性，分别赋予通道4、3、2 为红、绿、蓝3种颜色进行假彩色合成，可达到较好的图像显示效果，能定性地观测水体边界位置，大致区分水体、地表及云区[10-12]。然后把这3个波段进行波段合成，再依次进行影像几何校正、辐射校正和大气校正。最后，在校正好的卫星影像上叠加青海湖流域边界，裁切研究区域所在影像数据。由于该数据幅宽较大，为了提高影像处理的速度，裁切有利于提高数据处理速度。水体识别模型表达式为：CH4/CH2

图1 环境减灾卫星数据处理流程Fig.1 Processing flow of environmental mitigation satellite data

2 结果与分析

2.1青海湖面积年际变化 由于2008年只有9-11月数据，因此，在进行青海湖面积年际比较时，选取2008-2011年11月的数据进行比较。数据分析表明，2008―2011年，青海湖面积呈持续增大趋势，且2011年较2008、2009和2010年同期分别增大了44.48、42.46和37.32 km2，表明2008―2010年青海湖面积增幅较小，但2011年青海湖面积增幅明显(图2)。

2.2青海湖面积季节变化 把青海湖开湖后的4、5月面积的平均值作为春季面积，6、7、8月的平均值作为夏季面积，9、10月的平均值作为秋季面积，而把11月的面积作为冬季面积。2009―2011年，春季到夏季青海湖面积增减幅度较小，而从夏季到秋季，面积增幅较大，秋季至冬季的面积减幅较春季显著，但不及夏季至秋季的变化幅度(图3)。这主要是因为冬季环湖流域降水量较夏季大幅减少，导致入湖径流量显著减小，而且环湖流域秋冬季节晴空天气较多，蒸发量较大。另外，从2009年开始，青海湖各季节面积均呈现持续增大趋势，其中2011年各季节青海湖面积均高于前3年同期，且2011年秋季面积较2008、2009和2010年的同期面积分别增大了13.44、44.2和38.52 km2，冬季面积较2008、2009和2010年的同期面积分别增加了32.85、38.99和34.94 km2。此外，自2009年开始，全年各季节青海湖面积最大和最小值之差分别达30.23、17.03和34.12 km2。

图2 青海湖面积年际变化Fig.2 The interannual variation of Qinghai Lake area

图3 青海湖面积季节变化Fig.3 The seasonal changes of Qinghai Lake area

2.3青海湖面积月际变化 根据2008―2011年各月青海湖面积数据的分析(图4)，自2008年9月以来，青海湖在4-11月期间，面积呈现有规律的波动。2009―2011年，青海湖月面积最大和最小之间的差值分别为46.87、53.5和52.43 km2。但2011年与前3年相比，青海湖面积除7月与2010年同期大致相当外，其余各月面积明显偏大，且湖面至10月才出现最大值。根据数据较为完整的9、10和11月同期青海湖面积相比，2008年9月-2011年11月，青海湖面积均呈现出先减小后增加的趋势，其中2009年青海湖面积最小。2011年10、11月青海湖面积均较前3年同期面积大，且10月的青海湖面积达到近4年来的月最大值，为4 400.1 km2。

2.4青海湖空间分布动态 对比2008年10月和2001年同期的卫星资料，结果表明，2008年10月以来的3年期间，青海湖变化较明显的区域位于青海湖的东岸和西岸(图5)。西岸、东岸湖岸线分别向西、向东推进。其中，西岸向西推进100～600 m，东岸向东推进130～630 m，东岸沙岛湖季节性地与青海湖连通，自2009年，通常每年7月开始通过其南部的河道与青海湖相近，11月中、下旬随着青海湖水位的下降而与青海湖断开连接。其面积也从2008年9月的9.99 km2增加到2011年9月的21.7 km2，沙岛湖湖岸线向东、向西扩展非常显著，向东推进1 600 m，向西推进1 700 m。另外，随着东岸不断向东推进，青海湖东岸形似大熊猫右眼(左眼为尕海湖，沙岛湖为鼻子)的海晏弯湖(位于东南部)与青海湖之间的一道长沙梁逐渐变窄，河道变得更宽更深，该河道入口处一露出水面的小岛于2010年8月随青海湖水位的上升而被淹没。

图4 青海湖面积月际变化Fig.4 Monthly changes of Qinghai Lake area

3 近几年青海湖面积持续增大的原因

3.1气候暖湿化的影响 受全球气候变暖和高原季风趋强的共同影响，1961-2010年青海湖流域气候变化表现出气温升高和降水增多的暖湿化趋势，这一变化趋势在进入21世纪后显得尤为突出[17-18]。其中，年平均气温在以每10年0.36 ℃的速率递增，50年间上升了1.8 ℃；年降水量增幅为每10年8.4 mm，夏季降水量增加尤为显著(图6)。2004―2010年青海湖流域平均降水量为407.2 mm，比1961―2003年增加了13.5%，比1971―2000年的平均值增加了12.3%。

3.2入湖径流量的影响 入湖径流量是影响湖泊水位的主要因子。进入21世纪以来，流域气温升高、降水量增加导致布哈河冰雪融水补给量和雨水补给量增加，致使入湖径流量明显增加，并且入湖径流升幅明显大于水位上升幅度，入湖径流的增加对水位上升具有显著的“拉动作用”，最终使青海湖水位近50年来连续上升6次(图7)。

图5 2008―2011年青海湖及其东岸和西岸空间动态Fig.5 The spatial dynamics of east and west coast of Qinghai Lake from 2008 to 2011

图6 1961―2010年青海湖流域年平均气温(a)、年平均降水量(b)变化曲线Fig.6 Change curve of annual average temperature (a) and annual precipitation (b) of Qinghai Lake Basin from 1961 to 2010

图7 1960―2009年青海湖水位累积上升值与入湖径流深累积距平变化Fig.7 Water level cumulative appreciation and anomaly change of runoff depth cumulation into the lake in Qinghai Lake from 1960 to 2009

3.3人类活动的影响 长期以来，环青海湖地区滥垦滥耕对青海湖水位的下降也造成一定的影响，这是因为人为抽水灌溉减少了湖水的补给。20世纪80年代中期，湖周围水浇地面积约有2万hm2，草地灌溉面积4 000 hm2，年灌溉量0.8亿m3，人畜饮用水量0.1亿m3，年亏损水量约4.5亿m3，人类耗用水仅占1/5；20世纪90年代，随着湖周围大量耕地的弃耕，青海湖多年亏损水量约4.36亿m3，人类耗用水占亏损水量的比重降至8.7%；近年来，随着青海湖流域退牧还草、退耕还林等生态环境保护政策的大力实施，人类活动对生态环境的不利影响进一步减缓。因此，人类活动趋缓减少了青海湖流域农业、生活用水，从而有利于河流径流量对湖泊的补给，对青海湖面积的持续增大有助推作用。

4 结论

近年来，遥感技术已成为快速准确获取湖泊、水库等水体面积动态不可或缺的手段，通过遥感和地理信息系统相结合的方式，能够大大节省人力和财力，利用环境减灾卫星能够准确及时获取青海湖面积的年际、季节和月际动态，甚至旬动态，还有湖岸线的时空动态。本研究表明，2008-2011年期间，青海湖面积年际变化呈持续增大趋势，且2008-2010年期间增幅较小，而2011年青海湖面积增幅显著；从季节变化来看，2009-2011年期间，春季到夏季青海湖面积基本不变，而从夏季到秋季，面积增幅较大，秋季至冬季的面积减幅较大。但2011年各个季节青海湖面积均大于前3年同期；月际变化情况也呈一定的规律性，青海湖通常每年从9月开始至封冻前，面积逐月减小，大多年份青海湖面积在9月达到最大值。但2011年青海湖各月面积与前3年同期相比，普遍较大，且湖面至10月才出现最大值。 另外，2008年10月至2011年10月，青海湖空间变化较明显的区域位于青海湖的东岸和西岸，湖岸线分别向东、向西推进了130～630 m和100～600 m ，且东岸沙岛湖季节性地与青海湖连通。根据环境减灾卫星监测的青海湖面积动态，结合青海省气象科研所近10年来利用MODIS卫星资料对青海湖的动态监测结果，分析近年来青海湖面积持续增大的主要原因有青海湖流域气候呈现暖湿化趋势、青海湖周边河流的入湖径流量增加以及青海湖周边人类生产活动趋缓3个方面。

虽然环境减灾卫星在水体遥感监测中，特别是在日常业务化运行中监测小于10 km2的水域面积时优势明显，但环境减灾卫星受水体混浊度、季节、天气和周边环境、CCD传感器各通道波段波长较长等因素的影响较大，需要根据上述诸多因素来设置水体识别模式的阈值；环境减灾卫星影像在水草和藻类密度较大的区域存在阈值突变现象，单纯利用比值识别模式难以精确提取水体面积，必须综合运用多种水体识别模式进行综合比较，从中选出最优水体识别方法，另外，还应考虑运用更高分辨率，且不受天气影响的雷达数据提取的青海湖面积订正该模型，以进一步提高水体面积的识别精度。

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