近40年来芜申运河西段湖泊群面积变化分析

蒋小芳,朱 诚,陈 刚

(南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023)

0 引言

湖泊对气候、土地利用和其他环境变化的敏感性和反映能力得到了越来越多的关注,湖泊和河流的质量评估和水域范围的监测对于我们了解和分离环境变化对生态系统的影响至关重要[1]。近年来卫星遥感技术在湖泊水域范围提取方面逐步受到重视[2]并将湖泊研究提升至更高水平。早期利用Landsat遥感影像提取湖泊水体主要采用方便快捷的单波段阈值法,但是该方法在提取小面积水体以及浅水水体方面存在缺陷[3]。随后兴起的谱间关系法则主要利用多波段分析优势,通过分析水体与背景地物的波谱曲线特征,找出它们之间的变化规律,进而用判别表达式将水体提取出来,其精确度较高,被国内外学者广泛使用[4-9]。

众多学者对长江下游芜申运河地区全新世文化演变等进行了历史地理学和环境考古学研究[10-13],但对历史时期芜申运河西段湖泊群水域面积变迁方面的关注度较低,尤其是对新中国成立后的湖泊水体变化及其气候环境和人类活动因素的研究较少[14-15]。在全球经济迅猛发展与气候变化的大背景下,探讨湖泊水体变迁与人类活动及自然环境的关系具有显著的现实意义。本文利用Landsat数据各波段组合有效提取了水体边界的特性，探讨了芜申运河西段水域面积的变化,以及导致水域范围变化的人为、自然因素,以期为该地区的环境演变和文化变迁研究提供数据支持。

1 研究区域概况

芜申运河地处长江中下游,西于安徽省芜湖市连通长江,东至上海汇流于东海,芜申运河总长度为271 km,沿线流经安徽境内的芜湖、当涂、郎溪以及江苏省的高淳、溧阳、宜兴。芜申运河东段为太湖水系,西端则属于古丹阳大泽水系(图1)。中生代燕山运动致使古丹阳大泽地区下沉,发源于皖南的水阳江、青弋江带来的泥沙沉积于此,湖泊逐渐成型。古丹阳大泽成湖于全新世早期,水域面积达4150 km2,远大于太湖现存的水域范围[16-17]。此后由于人类围垦,古丹阳大泽的水域面积缩小，分化为固城湖、丹阳湖、石臼湖、南漪湖。研究区属亚热带季风气候,水热充沛,夏季降水较多,冬季偏少。2010年以来的地表覆被图显示该区以林地和耕地为主(数据来源于http:// www.webmap.cn/ mapDataAction.do?method= globalLandCover)。

2 研究方法

2.1 卫星数据源的选取与处理

本研究从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)选取1973～2016年内98期云量低的Landsat遥感影像,其中包括17期空间分辨率为60 m的 MSS数据、84期空间分辨率为30 m的TM/ETM+/OLI数据(表1)。鉴于遥感图像在获取过程中会受到大气吸收与散射、传感器定标、地形等因素的影响,存在图像的系统辐射失真和非系统辐射失真,本研究采用ENVI软件对影像进行辐射定标和大气校正。传感器辐射校正采用内部校准光源和校准楔纠正系统误差；大气校正纠正非系统误差,以消除大气和光照等因素对地物反射的影响,获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数,消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等对地物反射的影响和大气分子、气溶胶散射的干扰。经过ENVI软件处理后影像的云量减少、纹理清晰,为提取芜申运河西段湖泊群(丹阳湖、石臼湖、固城湖、南漪湖)的水体信息奠定了基础。

图1 研究区概况

2.2 湖泊面积的提取

NDWI[3]、MNDWI[6]、NDWI3[8]等遥感水体分类方法适用于非山区地带,(TM2+TM3)-(TM4+TM5)方法在山体和农林区域分类上精确度较高,但难以区分部分建筑用地[21]。Mcfeeters[3]的归一化差异水体指数法(NDWI)的表达式为:

NDWI=(G-NIR)/(G+NIR)

(1)

式(1)中：G代表绿光波段；NIR代表近红外波段。由于可见光至短波红外波段的水体反射强度逐渐减弱,水体在近红外波段与短波红外波段的吸收强度最大,而植被在近红外波段的反射率高,因此采用绿光波段与近红外波段的比值可抑制植被信息,将其构成NDWI以突出影像中的水体[3]。建筑物在绿光和近红外波段的波谱特征与水体相似,当采用中红外波段替换近红外波段时,可使计算出的水体与建筑物指数的反差增强,进而降低两者的混淆程度，以准确提取城镇的水体信息,改进的归一化差异水体指数法(MNDWI)由此诞生,其计算公式为:

MNDWI=(G-MIR)/(G+MIR)

(2)

式(2)中的G、MIR分别代表绿光波段、中波红外波段。归一化差异水体指数法在揭示水体的细微特征方面更具优势,易于区分阴影和水体[6]。

研究区的湖泊群分布于平原低地,以耕作区为主,因此本文采用NDWI与MNDWI方法。根据数据波段差异,对1984～2016年的Landsat影像主要采用MNDWI水体提取方法,剩余年份的Landsat 1～5 MSS卫星影像不具备MIR波段,故采用NDWI方法提取水体。

为了规避不同时期遥感影像分辨率差异的影响,本研究采用人工目视解译法构建水体、耕地、山区、居民区样点各300个,据此(水体/非水体)确定两者的分界值(阈值),进而利用二分法计算像元个数得到水体面积。此后通过人工目视解译对分类结果进行野外验证,共获得野外及Google Earth中的有效样点18个,通过调整阈值确保分类精度均高于90%(图2)。

注：标注“*”的为MSS数据的日期;其余未标注的为TM/ETM/OLI数据的日期。

3 结果与分析

3.1 芜申运河西段湖泊群水域面积年变化

Landsat影像提取的芜申运河西段水域面积图(图3、图4)表明:1973年10月水域面积最大(576.5 km2);水域面积最小值出现于1992年1月(314.9 km2),虽然此时正处于厄尔尼诺事件发生期,但是枯水期降水偏少。气象数据表明,1973年10月处于拉尼娜事件发生期,这进一步反证湖泊群的面积处于缩小态势。1973～1980年和1980年至今这两个时间段的水域面积变化存在明显差异。1973～1979年研究区湖泊群水域面积逐年降低,且幅度较大,波动区间为600～300 km2。1979～1990年的湖泊群水域面积在500～300 km2区间内变动,呈小幅波动下降态势。1990年以来水域面积趋于平稳,小幅度波动变化,集中于300～400 km2,水域面积均值为373.8 km2(见图4)。

本研究选用1951～2016年期间25个江苏气象台站与26个安徽气象台站的逐月气候观测资料(来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/site/index.html)以及中国气象局统计的厄尔尼诺以及拉尼娜事件发生年份及强度探讨研究区水体变迁的影响因素(图4)。1973～1980年遥感提取的水体面积基本上处于快速缩减状态,这与厄尔尼诺以及拉尼娜事件发生的频率及强度不相符。1980年以后水体面积的峰值分别出现在1983、1987、1992、1994、1997、2002、2004、2006、2007、2009、2015年，基本上与厄尔尼诺以及拉尼娜事件发生强度、研究区气温尤其是降水变动趋势吻合,水域面积峰值基本上出现于降水量的高峰期,当厄尔尼诺增强时,湖泊群入湖水量增加,而当拉尼娜事件发生时湖泊入湖水量减少。1980年以后湖泊面积处于相对稳定状态,这与当地政府对围湖造田的有效管理有一定关系；此后的水体变迁基本上受制于自然气候变化。

3.2 芜申运河西段湖泊群水域面积季节变化

研究区属亚热带季风性湿润气候,夏季炎热多雨,汛期集中于6～8月份,冬季温和少雨,降水的季节性差异明显,区域内湖泊群水域面积季节变化较大。通过计算不同季节水域面积的均值可知夏秋季的湖泊群水域面积偏高,春季最低。1980年以前人们在研究区内大面积围垦,建造广阔的圩田[24],农业用地比重高。春季(1～3月)正值春耕播种时节,用水量大,伴随着气温的回升，蒸发量逐渐升高,此时水域面积最低。夏季(4～6月)农业用水量大,高温致使蒸发量偏高,但汛期来临,因此水域面积逐月波动上升。秋季(7～9月)正值汛期,农业用水量较少,所以水域面积月均值最大,尤其是该区汛期(6～8月)时段内湖泊群面积持续上升至最高值。冬季(10～12月)气温较低,蒸发量偏低,农业用水量最少,降水量少,水域面积逐月降低(见图5)。

图2 遥感影像水体提取技术流程

白色区域为水体。图3 水域面积变化显著年份研究区范围

3.3 围湖筑圩对芜申运河西段湖泊群水域面积的影响

自20世纪50年代人们开始在研究区联圩、并圩；在20世纪60年代与主要骨干河道同步治理,并进一步建大圩田,改造中小圩田；70年代是联圩并圩建圩的高峰期。解放初,丹阳湖湖区面积为184 km2,1966～1974年丹阳湖共围垦134.5 km2,加上零星围垦，20世纪70年代后期的丹阳湖仅剩下运粮河等水域[22]。20世纪60～70年代固城湖被围筑永联圩、跃进圩和永胜圩等大圩区,湖面骤然萎缩[23]。1970～1985年期间石臼湖修筑了战天圩、西大圩、胜利圩等大圩田，使湖面剧减[24]。1971年南漪湖地区的圩口并成100个,至1987年底共有圩口117个,其中大型圩口14个；80年代修筑的圩田较少。

建国之初,《溧水县志》[24]记载丹阳湖、固城湖、石臼湖及南漪湖的总面积为720 km2。根据Landsat影像提取的水体面积可知近40年来的最高值仅为576.5 km2(1973年),据此可得1973～1980年围湖筑圩是湖泊群水域面积减少的主导因素。1980年以后,相关行政部门认识到围湖筑圩的弊端并采取措施逐步制止此行为,此后的水域面积波动幅度小且与厄尔尼诺和拉尼娜事件发生的强度相关,因此该时段的湖泊群水域面积变化受制于自然因素。

El/La数据来源于中国气象局。图4 研究区内湖泊群面积年际变化

图5 研究区内湖泊群水域面积季节变化

4 结论与讨论

本研究从1973～2016年的Landsat影像中提取了芜申运河西段区域湖泊群的水域面积,结合历史县志、水利志等文献研究发现,1973～1980年的古丹阳大泽水域面积呈逐渐缩小态势,1980～1990年水域面积在稳定中小幅波动下降,1990年以后的水体面积趋于稳定。

通过查阅研究区的历史文献资料与气象数据发现,1980年之前水体面积变化受制于历年来大范围的围湖筑圩,以人为因素为主导,1980年之后气候变化是水域变迁的主要影响因子。

受早期遥感影像数据的质量限制,本文暂时无法给出同一季节的芜申运河西段湖泊群面积,但可以肯定其水域范围缩减这一趋势。