基于多源数据协同的遥感动态监测

李根军，杨雪松，李得林，刘锦秀，杜 程

（1.青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，青海 西宁 810012；2.青海省地质调查院，青海 西宁 810012）

近年来，国产卫星快速发展，使较短时期的湖泊遥感动态监测成为可能。基于此，本文利用国产高分辨率遥感数据和雷达数据等开展可可西里盐湖遥感动态监测[1-7]，及时了解盐湖水域变化情况，为可可西里地区重大工程设施及生态环境的防治工作提供可靠的依据。

1 研究区概况

研究区位于青海省西部的可可西里腹地，行政区划属青海省玉树藏族自治州治多县管辖。研究区中心坐标为 35°32′N， 93°25′E。盐湖形成于昆仑山中段第三纪陆相断陷盆地内，盆地外围为第三系上新统陆相地层构成的残丘，滨湖为第四系全新统湖沼沉积，湖泊主要靠南北两侧的季节性河流补给[3]。该区域位于生态极为脆弱的可可西里地区，人工监测极为困难，且成本高，对区内的生态环境还有一定的影响。而遥感技术的发展为可可西里地区湖泊的动态监测提供了新的技术手段，如图1 所示。

图1 研究区GF-1 遥感影像

2 数据与技术方法

2.1 数据源

根据本文研究的需求，选取2015-2020 年GF-1、ZY01 02C 数据以及2017-2018 年Sentinel-1 数据为主要数据， Landsat OLI 数据为辅助数据进行本次研究工作。

1）高分一号和资源一号02C 数据。可可西里盐湖地区海拔高，云、雪等因素对获取合格数据影响极大，GF-1 和ZY01 02C 数据空间分辨率接近，2 种数据交叉使用，可实现研究区动态监测工作。其数据获取情况如表1 所示。

表1 高分遥感数据获取情况统计表

2）Sentinel-1 数据。本文选用IW 模式下的Sentinel-1 单视复数（SLC）产品（见图2）4 景（见表2），配合对应日期的精密轨数据进行盐湖动态监测。用于地理编码的DEM 数据为空间分辨率30 m 的ASTER GDEM 数据。

表2 Sentinel-1 影像数据

图2 研究区Sentinel-1 遥感影像图（时相为2017-09-29）

2.2 基于多源数据协同的遥感动态监测技术方法

本文旨在利用多期次高空间分辨率遥感数据和雷达数据，采用多项遥感技术相结合的方法开展可可西里盐湖遥感动态监测工作。

1）基于高空间分辨率遥感数据的盐湖水域边界遥感解译。在水体增强处理的彩色合成影像上，采用目视判读的方法对多期次盐湖水域边界进行精确解译，为盐湖水体面积的统计分析提供基础资料。

2）基于雷达数据的时间序列分析处理。利用ENVI SARscape 软件中Intesity Time Series Workflow 工具对2017-09-29 和2018-09-24 Sentinel-1 数据进行多视处理、图像配准、De Grandi 滤波、地理编码和辐射定标以及多时相特征提取等处理过程，提取研究区变化信息，形成变化系数图[8-12]。

3）基于多源数据协同的遥感动态监测。利用GF-1 和ZY01 02C 高分遥感数据进行盐湖水域边界信息提取，经统计分析，明确可可西里盐湖时空变化情况。在此基础上，选用Sentinel-1 数据提取该区变化信息，结合Landsat-8 数据获取的该区湖水补给结果,综合分析可可西里盐湖湖水外溢情况及驱动力特征,为青藏高原湖泊的有效监测工作提供参考。

3 结果分析

3.1 可可西里盐湖时空变化特征

1）2015-2020 年水体面积变化分析。采用5 期盐湖地区GF1 数据，利用目视判读的方法进行盐湖水体面积圈定（见图3）。从盐湖水体面积动态变化图（见图4）[14]中可以看出近5 a 内，盐湖水体面积稳步增长，从143.23 km2（2015 年10 月）增长到211.77 km2（2020 年5 月），其中2018-2019 年期间，盐湖面积增长最快，增长了26.98 km2，之后盐湖面积增长速度有所放缓，至2020 年5 月，盐湖面积增长了7.65 km2。

图3 2015-2020 年6 期可可西里盐湖面积分布图

图4 2015-2020 年可可西里盐湖面积变化图

2）2019-2020 年可可西里盐湖动态巡查。采用10 期GF-1 和ZY1 02C 数据对可可西里盐湖进行解译，发现自2019 年2 月以来水域面积变化信息（见图5）呈现增长的趋势，但到了2019-11-14，盐湖面积增长已极为缓慢。2019-02-21 湖泊面积约为196.04 km2，2019-08-30 湖泊面积约为207.46 km2，增加了约11.42 km2。而整个变化过程不是简单的增加，而是呈现波动性变化，在不同的时间段呈现不同的变化特点，2 月至4 月期间，湖水处于冻结状态，并开始慢慢解冻，所以湖泊面积增长速率较低，2 个月面积增加1.44 km2。2019-04～2019-07-11 期间，其增长速率较高，总面积增加6.64 km2；2019-07-11～2019-07-24期间，增长速率有所降低。8 月是水位上升较快的月份，2019-07-24～2019-08-15 期间，湖泊面积呈直线型增长，直至2019-08-30，引流疏导应急工程的使用，致使湖泊面积增加速率有所降低；在2019-10-17～2020-05-01，湖泊面积仅增加了约0.21 km2。

图5 2019-2020 年可可西里盐湖面积动态变化曲线

3.2 可可西里盐湖湖水外溢情况分析

通过计算2019-2020 年各时间段的盐湖面积变化速率[13]，显示出从2019-02-21～2019-08-08 期间盐湖面积变化速率整体上处于上升态势，并在2019-08-08～2019-08-15 期间达到最高值（0.093 km/t）。之后其变化速率呈明显的下降趋势，直至2019-11-14，其变化速率降到了0.011 km/t。2019-12～2020-05 期间盐湖处于冰冻状态，故盐湖面积没有变化（见图6）。

图6 2019-2020 年可可西里盐湖面积变化速率曲线

依据多期次遥感数据，2019-08-15 盐湖东侧的引流疏导应急工程内尚未引入湖水，而到了2019-08-30，引流疏导应急工程内已经注满了湖水，说明2019-08-15～2019-08-30 期间已经使用引流疏导应急工程开始泄水（见图7），结合盐湖面积变化速率情况及相关资料，盐湖每年的水位上涨均发生在8 月中旬至12 月下旬期间，而自引流疏导应急工程开始引水以来，盐湖面积变化速率大致呈直线型下降，直至11 月14 日，其变化速率降到了0.011 km/t，说明使用引流疏导应急工程泄水，可以减缓盐湖水位上涨，并致使盐湖水位趋于稳定，湖水漫溢现象已经得到遏制。

图7 盐湖地区引流疏导应急工程动态监测

4 驱动力分析

4.1 研究区湖泊水力联系分析

2011-09-11 卓乃湖发生溃决，大量湖水沿东侧出水口外泄，并通过河流向东进入到库赛湖，由库赛湖东侧出水口流入海丁诺尔湖，最后由盐湖西侧注入，导致4 个湖泊连成一体，形成了此消彼长的联动水力体系（见图8）。近年来卓乃湖湖水持续外泄，成为盐湖面积急剧增加的主要原因之一。

图8 研究区湖泊水力联系图

4.2 盐湖湖水补给分析

盐湖的湖水补给来源主要有2 个方面:一是地表径流补给，1、2、3、8、9 为主要的入水口，分布在盐湖的南北两侧；二是上游湖泊外泄补给，4、5、6、7为主要的入水口，分布在盐湖西侧（见图9）。结合盐湖变化系数图（见图10），显示出盐湖西北侧和西南侧湖水面积变化最大，说明上游湖水外泄和地表径流均已成为盐湖的主要补给水源，其中地表径流水流量增大是由于温室效应的影响，致使盐湖周边常年积雪及冰川融化速率加快所致。

图9 盐湖湖水补给入水口分布图

图10 盐湖地区变化系数图

5 结 语

本文利用GF-1、ZY1 02C 以及Sentinel-1 数据协同的遥感监测方法，对可可西里盐湖地区进行动态监测。研究证明基于多源数据协同的遥感动态监测对青藏高原湖泊的监测工作具有较好的实用性，结论如下:

1）2015-2020 年期间可可西里盐湖水体面积持续增长，其中2018-2019 年间湖水面积增长最快，增长了26.98 km2，之后盐湖面积增长速度有所放缓，至2020 年5 月，盐湖面积增长了7.65 km2。结合2019-2020 年盐湖动态巡查结果，自2019-08-30 引流疏导应急工程引水以来，盐湖面积变化速率大致呈直线型下降，直至11 月14 日，其变化速率降到了0.011 km/t，说明使用人工渠泄水，可以减缓盐湖水位上涨，并致使盐湖水位趋于稳定，湖水漫溢现象已经得到遏制。

2）可可西里盐湖水体面积急剧增加的主要原因之一是由于其上游卓乃湖的溃决，致使湖水东侧出水口外泄，并通过河流向东进入到库赛湖，由库赛湖东侧出水口流入海丁诺尔湖，最后由盐湖西侧注入；另一个原因是由于温室效应的影响，致使盐湖周边常年积雪及冰川融化速率加快，地表径流水流量增大，从而补给盐湖的水流量随之增加。