基于modis影像的新疆湖泊水面積變化特征分析

基于modis影像的新疆湖泊水面積變化特征分析

干旱地區(qū)的湖泊相對(duì)敏感，受到氣候和人類活動(dòng)的影響。同時(shí)，湖泊的變化也不同程度地影響著周圍地區(qū)的環(huán)境和人們的生活。湖泊作為陸地水循環(huán)的重要存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn),在干旱區(qū)有著突出的作用。首先,湖泊的存在能夠有效地遏制干旱區(qū)的土壤沙漠化,阻止風(fēng)沙的擴(kuò)展,維持區(qū)域內(nèi)的生態(tài)與環(huán)境;其次,湖泊為當(dāng)?shù)鼐用竦霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)活動(dòng)和居住生活提供水利資源;再者,湖泊水面面積能夠作為氣候變化的指示器,為科學(xué)評(píng)估氣候變化對(duì)干旱區(qū)環(huán)境的影響提供依據(jù)。新疆是典型的內(nèi)陸干旱區(qū),地形和地貌類型豐富,由天山山脈將新疆分為南北疆。地形上擁有高原、山地、平原、盆地;地貌類型上把冰川、森林、草原、沙漠、綠洲囊括其中。利用遙感數(shù)據(jù),可以從空間尺度和時(shí)間尺度上獲取不同地貌單元上湖泊水面信息,提供湖泊變化數(shù)據(jù)。本文利用MODIS遙感數(shù)據(jù),通過提取2000-2011年新疆大于100km2的湖泊水面面積變化信息,對(duì)比分析不同海拔和地域湖泊的變化特征,以期探討新疆湖泊近期的時(shí)空變化特征和規(guī)律。1湖泊地質(zhì)類型根據(jù)2005-2006年“全國(guó)湖泊水量、水質(zhì)和生物資源調(diào)查”遙感數(shù)據(jù),并結(jié)合資料調(diào)查的成果顯示,新疆境內(nèi)1km2以上的湖泊(不包括干鹽湖和干涸湖泊)共有113個(gè),干鹽湖和干涸湖泊共82個(gè)。其中,大于100km2的湖泊11個(gè),占新疆湖泊總面積80%以上,在新疆湖泊中占有重要地位。按照統(tǒng)一的海拔劃分標(biāo)準(zhǔn),以1000m、3500m和5000m將新疆劃分為低海拔、中海拔、高海拔和極高海拔4類。結(jié)合湖泊的地貌特征,將研究區(qū)湖泊分為4種類型:①高原湖泊,海拔在3500m以上,分布在新疆南部與西藏邊界處的湖泊,主要是阿雅克庫(kù)木湖、阿其格庫(kù)勒、鯨魚湖和阿克塞欽湖,前3個(gè)湖位于青藏高原北緣阿爾金山與昆侖山之間的庫(kù)木庫(kù)里盆地內(nèi),屬于高原大陸性荒漠氣候,主要依賴雪冰融水徑流補(bǔ)給,阿克塞欽湖在西昆侖山山間弧狀構(gòu)造盆地內(nèi),屬于高原干旱氣候,主要依賴地表徑流補(bǔ)給。②高山湖泊,湖泊海拔處于1000～3500m,如賽里木湖和巴里坤湖,兩湖屬于大陸性半干旱氣候,依靠天山雪冰融水、泉水、潛水補(bǔ)給。③平原湖泊,湖泊主要位于1000m以下平原地帶,多依賴地表徑流補(bǔ)給,大于100km2的11個(gè)湖泊中,布倫托海、吉力湖、瑪納斯湖和艾比湖都為平原湖泊。由于補(bǔ)給河流沿途受人類活動(dòng)影響,導(dǎo)致入湖水量變化較大。④過渡帶湖泊,如博斯騰湖,位于山地與平原的過渡地帶,海拔1050m,由開都河流入,出流孔雀河。本文統(tǒng)計(jì)了大于100km2的11個(gè)湖泊2000-2011年的湖泊水面面積變化信息,以下是17個(gè)湖泊(包括6個(gè)較大干鹽湖)的地理位置(圖1)和基本信息(表1)。2處理數(shù)據(jù)2.1數(shù)據(jù)選擇。2.2湖泊空間提取在水體的提取過程中,為增強(qiáng)水體的有效信息和排除非水體的干擾,主要采用單波段法、多波段法和水體指數(shù)法等水體遙感數(shù)據(jù)識(shí)別方法。其中,Mcfeeters借鑒歸一化植被指數(shù)的構(gòu)建思想,提出了歸一化差異水體指數(shù)(NDWI),能夠很好地提取水體信息。其在MODIS數(shù)據(jù)中應(yīng)用的公式為:NDWI=(CH4-CH2)/(CH4+CH2)式中:CH4為MODIS影像中第4通道的綠光波段(0.545～0.565μm);CH2為影像中第2通道近紅外波段(0.841～0.876μm)。水體提取采用NDWI計(jì)算值,確定湖泊感興趣區(qū),依照年份采用閾值法逐個(gè)提取湖泊數(shù)據(jù)。整個(gè)過程在ENVI軟件中操作,首先確定所研究的11個(gè)湖泊所在區(qū)域,然后對(duì)所在的MOD09A1產(chǎn)品影像計(jì)算NDWI指數(shù)值。接著采用直方圖閾值法提取水體,為保證在年份上的一致性,各個(gè)湖泊按照年份依次提取。同時(shí),為確保水體提取的精度,排除非水體的干擾,建立每個(gè)湖泊的感興趣區(qū),把湖泊確定在較小的感興趣區(qū)范圍內(nèi)。最后設(shè)定閾值,得到感興趣區(qū)內(nèi)認(rèn)定為水體的像元數(shù),乘以單個(gè)像元面積,獲得湖泊水域面積。考慮到云雪對(duì)閾值設(shè)定的干擾,對(duì)有大量云雪的區(qū)域做記錄并處理以減小誤差。另外,濕潤(rùn)的土壤對(duì)閾值特別是在淺水位的湖泊(艾比湖、瑪納斯湖)確定造成的影響,水域面積會(huì)有濕潤(rùn)土壤算入而造成誤差。其流程圖(圖2)如下:3湖泊水面的提取結(jié)果和分析3.1湖泊面積變化規(guī)律由圖3結(jié)果看出,除個(gè)別年份,阿雅克庫(kù)木湖、阿其格庫(kù)勒、鯨魚湖、阿克塞欽湖一直處于擴(kuò)張狀態(tài),它們屬于可可西里內(nèi)流區(qū)和庫(kù)木庫(kù)里內(nèi)流區(qū)及藏北內(nèi)流區(qū)。與此相反,博斯騰湖經(jīng)2000-2003年大幅波動(dòng)后趨于穩(wěn)定,但湖泊面積總體萎縮,并在2011年湖泊面積達(dá)到最小值。艾比湖、瑪納斯湖等平原湖泊變化最為明顯,在統(tǒng)計(jì)時(shí)間的前半段先縮小,后增加,然后縮小到較低點(diǎn),瑪納斯湖在2004年和2005年幾乎干涸。但是,瑪納斯湖面積在后半段趨于增加,而艾比湖面積卻在2009年下降到最低點(diǎn)后近兩年開始上升。巴里坤湖的面積變化也非常明顯,湖泊面積趨于減少。賽里木湖、布倫托海和吉力湖雖有波動(dòng),但基本保持穩(wěn)定。從表2可以看出,湖泊面積基本保持?jǐn)U張狀態(tài)的阿雅克庫(kù)木湖、阿其格庫(kù)勒、鯨魚湖、阿克塞欽湖,都是在2001-2002年擴(kuò)張最迅速,分別是14.39%、7.65%、9.07%和4.65%,阿克塞欽湖在2006-2007年擴(kuò)張最迅速,為15.51%。博斯騰湖自2003年以來(lái)呈萎縮趨勢(shì)。瑪納斯湖變化極大,從2003-2004年的-99.82%到2005-2006年的3500%,是瑪納斯湖從干涸到重新蓄水的巨大變化時(shí)期。艾比湖2005-2009年連續(xù)萎縮?，敿{斯湖和艾比湖在2010-2011年以1151.40%和35.96%的湖面面積增加,使這兩個(gè)湖泊回到2000年的水平。巴里坤湖水面面積則出現(xiàn)大幅度和長(zhǎng)周期的變化。賽里木湖、布倫托海和吉力湖的水面面積基本保持穩(wěn)定。3.2湖泊面積和數(shù)量從圖4可以看出,新疆大于100km2的11個(gè)湖泊近12a的均值為6934.71km2,在2001年出現(xiàn)4585.32km2的最低值,2003年出現(xiàn)峰值5277.60km2,于2006年湖泊總面積又下降到2000年的水平,隨后幾年在4800km2上下浮動(dòng)。到2011年湖泊面積達(dá)到12a統(tǒng)計(jì)的最大值5319.46km2。從圖4湖泊總面積變化過程可以看出,新疆湖泊面積變化很大,波動(dòng)頻繁,這與年變化明顯的湖泊有關(guān),如艾比湖、瑪納斯湖和阿雅克庫(kù)木湖。按照不同地貌類型分類并統(tǒng)計(jì)比較面積的變化情況(圖5),發(fā)現(xiàn)近12a來(lái)高原湖泊的面積一直處于擴(kuò)張狀態(tài),從2000年的1442.72km2擴(kuò)張到2011年的2013.71km2,以平均每年約51km2的速度擴(kuò)張了571km2。除2007年湖泊面積達(dá)到533.21km2外,山地湖泊的面積基本維持在480～500km2,而造成2007年湖泊面積變化較大的原因,是巴里坤湖在2006-2007年以144.79%的增長(zhǎng)率擴(kuò)張。比較而言,山地湖泊中賽里木湖面積變化小,而巴里坤湖的面積變化大。平原湖泊面積在1468.48～2161.61km2劇烈變化,尤其是從2001-2003年銳增了507.66km2,而2003-2006年又萎縮了585.8km2,變化幅度非常大。2006年以后平原湖泊面積逐漸減少,直到2011年又銳增,其變化原因主要是艾比湖和瑪納斯湖的劇烈波動(dòng),布倫托海和吉力湖則較穩(wěn)定。由于湖泊所處地域的氣候特征以及人類活動(dòng)強(qiáng)度和方式的不同,導(dǎo)致不同類型湖泊的變化出現(xiàn)差異。研究指出,近幾十年以來(lái),中國(guó)西部地區(qū)降水量顯著增加,氣溫持續(xù)攀升,2003-2009年是氣溫快速升高的階段。對(duì)于人類活動(dòng)較少的阿雅克庫(kù)木湖、阿其格庫(kù)勒、鯨魚湖和阿克塞欽湖區(qū),由于擁有大量冰川融水補(bǔ)給,氣溫上升加速冰川消融,增加了湖泊的供水量。在塔里木內(nèi)流區(qū),年平均降水量基本在100mm以下,區(qū)內(nèi)目前沒有大于100km2的湖泊,羅布泊、加依多拜湖、青格力克湖等成為眾多的干鹽湖。博斯騰湖面積下降的原因,除受流域農(nóng)業(yè)引水影響外,還受環(huán)湖的揚(yáng)水站抽提水量的變化影響,尤其是在干旱背景下各種人類活動(dòng)的方式和強(qiáng)度都會(huì)加強(qiáng),對(duì)湖泊影響具有放大效應(yīng)。山地湖泊中,賽里木湖屬于斷陷湖盆陡坡型,基本不受人為干擾,相反的是巴里坤湖是一個(gè)淺底湖泊,人為干擾大和不合理的開發(fā),使得巴里坤湖的水面面積變化大且周期長(zhǎng)。平原尾閭湖泊地區(qū)降水少、溫度高、蒸發(fā)劇烈,并且地勢(shì)平坦,容易受到人類活動(dòng)的影響,人類活動(dòng)的結(jié)果會(huì)削弱濕潤(rùn)氣候背景下湖泊的擴(kuò)張,加速干旱氣候條件下湖泊的萎縮。4新疆湖泊面積變化的地域因素分析(1)新疆大于100km2湖泊的水面面積年變化特征明顯,近12a來(lái)11個(gè)湖泊的總面積表現(xiàn)出“減-增-減-增”的特征。但有的年份湖泊總面積表現(xiàn)為驟然減少或擴(kuò)大,如2000-2001年、2005-2006年的面積萎縮和2001-2002年、2010-2011年面積的擴(kuò)張,這與艾比湖、瑪納斯湖等湖泊的大幅度變化有關(guān)。(2)新疆湖泊面積的變化呈現(xiàn)出一定的地域性。通過對(duì)湖泊的地域分析得出,阿雅克庫(kù)木湖等青藏高原地帶湖泊水面面積在擴(kuò)張,過渡帶湖泊博斯騰湖水面面積呈減少趨勢(shì),山地湖泊和平原湖泊則波