基于四種水體指數的艾比湖水面提取及時空變化分析

希麗娜依·多來提，阿里木江·卡斯木，2，如克亞·熱合曼，梁洪武

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054； 2.新疆師范大學 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊 830054)

1 研究背景

湖泊是江河水系重要組成部分，對生態環境和人類生活至關重要[1]。在“綠水青山就是金山銀山”的時代背景下，其重要性更加凸顯。隨著社會迅速發展，人口和工業的大規模增加，引起水資源嚴重短缺，越來越多的湖泊面積急速縮減、水量大量減少等問題日益突出。這些水資源問題對區域可持續發展產生一定的影響。但受技術和環境條件的限制，傳統的檢測手段很難做到湖泊面積變化信息的準確提取[2]。

遙感技術可以快速、精確地提取湖泊水體信息，可以進行湖泊水資源調查、水環境監測及防洪抗旱等[3]。目前廣泛應用的水體提取方法有單波段法、譜間關系法、水體指數法、面向對象法、決策樹法、SVM法、基于BP神經網絡、基于MRF隨機場、基于深度學習等[4]。1996年，Mcfeeters[5]利用TM影像特定波段進行歸一化差值運算，構建了歸一化差異水體指數NDWI；2005年，徐涵秋[6]在NDWI指數基礎上對波長組合進行改進，構建了改進的歸一化差異水體指數MNDWI；2007年，閆霈等[7]提出了增強型水體指數EWI；2009年，馬延輝等[8]對混合水體指數CIWI與常用的水體信息提取方法進行對比；2013年，沈占峰等[9]采用高斯歸一化水體指數GNDWI實現遙感影像河流的高精度提??；2014年，Feyisa等[10]在不同地區選取不同水體進行反復試驗，提出了能夠較準確提取的自動水體提取指數AWEI；聶亞文等[11]2019年在AWEI的基礎上，研究不同條件下的湖泊及河流水體的波譜特點，通過大量試驗提出了改進的水體自動提取指數MAWEI。

本文以Landsat為數據源，以新疆艾比湖為研究區，采用NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI共4種水體指數，分析不同水體指數的提取精度，利用精度最高指數獲取艾比湖面積，對近20 a艾比湖面積變化及驅動因素進行分析。隨著過度開發利用湖泊資源及艾比湖周圍人口和工業密度增長，生態環境問題日益突顯，尤其是在流域氣候和人類雙重影響下，湖泊面積變化極其不穩定[12]。艾比湖作為天山北坡經濟帶的生態屏障[13]，湖泊面積萎縮對其流域環境和社會經濟可持續健康發展有嚴重影響，因此分析艾比湖面積時空變化及驅動因素對其生態環境保護有一定參考意義。

2 研究區概況

艾比湖是新疆最大的咸水湖，其經緯度為44°43′N—45°12′N、82°35′E—83°11′E，位于精河縣城以北35 km處，是準葛爾盆地最大的湖泊[14]，年平均氣溫7.5 ℃，年平均降水量105.17 mm，年蒸發量1 315 mm左右。湖盆西北部為大風口-阿拉山口，最大風速55 m/s。湖泊主要依靠地表徑流與冰雪融水補給，由于人口增加和大規模水土開發，使艾比湖流域的奎屯河、四棵樹河、古爾圖河被截流，目前主要依靠博爾塔拉河和精河補給[15]。研究區如圖1所示。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location of study area

3 數據來源與預處理

本文選用Landsat5/7/8系列遙感影像，數據成像時間均在5月份，圖像清晰、影像云量<10%，能夠滿足應用需求，從地理空間數據云(http：∥www.gscloud.cn/)獲取，研究區示意圖如圖1所示，數據來源如表 1所示。為了消除傳感器本身的誤差并確定傳感器入口的準確輻射值，對遙感影像進行輻射定標，再進行大氣校正，最后按照研究區的范圍進行影像裁剪，得到研究區的遙感影像。同時，從中國氣象科學數據共享服務網(http：∥cdc.cma.gov.cn/)獲取精河縣降雨量、蒸發量、氣溫等數據。人口數量、灌溉面積、水資源等數據源于新疆統計年鑒。

表1 數據來源

4 研究指標

4.1 水體指數

水體指數構建形式很多，主要根據水體在不同波段的波譜特征，采用波段比值運算的方法分割水體和非水體[16]。本文選用的4種水體指數計算公式如表2所示。公式中，Green波段在 TM/ETM+影像中是波段2的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段3的反射率；NIR波段在TM/ETM+影像中是波段4的反射率、在OLI＿TIRS影像中是波段5的反射率；MIR 波段在 TM/ETM+中為波段5的反射率，在 OLI＿TIRS中為波段6的反射率；SWIR2為第7波段的反射率，分別將其運用于水體信息提取中[17]。水體指數中NDWI可以很好地識別出水體和其他地物之間差異，但是提取結果包含少許陸地；MNDWI提取城鎮范圍內的水體效果比較好；AWEI水體指數可以應用于陰影區域和無陰影區域，根據應用區域而選用對應的公式，AWEIsh、AWEInsh分別為陰影區域和無陰影區域AWEI水體指數；MAWEI指數以自動水體指數為基礎，結合水體各波段波譜特征，再乘以系數，進一步增大水體與非水體的區別[18]。4種水體指數均可以有效提取水體，各有優劣如表3所示。

表2 水體指數計算公式

表3 各水體指數優缺點

4.2 精度評價

通過目視解譯，劃定水體邊界的灰度值范圍，通過大量試驗確定閾值，保證水體分割結果的準確性[19]。通過混淆矩陣對NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數的提取結果進行評價，根據公式可以得出總體精度OA、漏分誤差、錯分誤差、Kappa系數[20]來進行分析，其中Kappa系數和總體精度的公式分別為：

(1)

(2)

式中：K是Kappa系數；OA為總體精度；x是誤差矩陣的行數；Xii是i行i列x值；Xi+和X+i分別是第i行的和與第i列的和；N是樣點總數。

4.3 湖泊面積及動態度

將已分割水體的結果導入ArcGIS軟件進行分析，利用轉換工具柵格轉面并進行融合，再用柵格計算器計算面積[21]，計算面積公式為

S=nR2。

(3)

式中：S為湖泊面積；n為湖泊像元數；R為影像分辨率。

最后，采用湖泊面積動態度分析湖泊面積變化特征[22]。其表達式為

(4)

式中：L為湖泊面積動態度；Ua為研究初期湖泊面積；Ub為研究末期湖泊面積；T為研究時段長。

5 研究成果與分析

5.1 水體提取結果分析

首先利用2000年、2010年、2020年三期影像對4種水體指數提取結果進行對比，結果如圖2所示。NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數均有效分割水體與非水體，通過波段運算均較好地提取了艾比湖主要輪廓部分水體，但是在細長、干涸湖底及過渡帶區域的提取上容易產生錯分及漏分情況，如圖3紅色區域所示。NDWI對于季節性湖區與永久性湖區之間過渡帶水體部分有漏分情況；MNDWI對干涸湖體敏感度較低，誤分為水體；AWEI提取結果包含部分干涸湖底；MAWEI可以較好地提取出季節性湖區與永久性湖區之間的過渡帶，同時受干涸湖底影響小，誤分情況相對較少。經過對比分析可知MAWEI提取結果比其余3個指數理想。

圖2 不同水體指數識別水體結果Fig.2 Results of identifying water body by using different indicators

圖3 艾比湖水體提取結果對比Fig.3 Comparison of extration results among different indicators for water body of Ebinur Lake

5.2 精度評價

混淆矩陣是用來表示精度評價的一種標準格式[23]。因此通過混淆矩陣計算出各水體指數總體精度OA、Kappa系數、錯分誤差、漏分誤差等進行精度評價，結果如表4所示。4種水體提取指數OA指標均在90%以上；Kappa系數由高到低依次為MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。就錯分誤差而言，AWEI的錯分誤差最高達到29.17%，而MAWEI的錯分誤差最低僅為1.12%，其次為NDWI。而漏分誤差上，MNDWI最高。MAWEI和NDWI對容易誤分區域均能準確提取，其中MAWEI效果較好。整體而言，水體指數提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

表4 各水體指數提取水體結果精度系數

為進一步驗證上述水體提取精度評價結果，本文將湖面邊界疊加在原始影像上進行驗證，結果如圖4所示，湖泊內的水體都能夠正確提取，水體提取時的較小誤差主要分布在湖區邊界周圍，湖面邊界也呈現出先擴大再縮減的特征，因此，驗證了前述水體提取精度評價結果有一定可信度。

圖4 近20 a湖面邊界線與原始影像疊加效果Fig.4 Overlapping of lake boundary and the original image for the past two decades

5.3 2000—2020年艾比湖面積變化及其動態度分析

湖泊面積動態度可以反映不同時期面積變化的劇烈程度[24]，本文采用湖泊面積動態度分析湖泊的變化特征。經上述對比分析，利用精度最高的MAWEI分別提取近20 a來典型年份的艾比湖水體，根據式(3)和式(4)計算出湖泊面積及動態度，結果如表5所示。2003年湖泊面積達到最高，最小湖泊面積出現在2014年，2018年湖泊面積再次擴張，因此以2003年、2014年及2018年為轉折點分4個階段進行分析。在2000—2003年期間，艾比湖面積從2000年的768.93 km2增加至2003年的982.27 km2，湖泊面積增加27.74%、動態度為9.24%，此階段湖泊面積呈現擴張趨勢；2003—2014年期間，湖泊面積持續退縮，2014年減至447.08 km2，湖泊面積退縮54.48%、動態度為-4.95%，此階段湖泊面積呈現退縮趨勢；2014—2018年期間，湖泊面積再次增加至852.77 km2，湖泊面積增加90.74%、動態度為22.68%，此階段湖泊面積呈現出擴張趨勢；2018—2020年期間，湖泊面積減至593.79 km2，湖泊面積減少30.36%、動態度為-15.18%，此階段湖泊面積呈現退縮趨勢。結果表明近20 a艾比湖面積變化呈現出先擴張再退縮的趨勢。

表5 艾比湖面積百分比及動態度

6 驅動因素分析

6.1 降水量、氣溫、蒸發量、徑流量的影響

基于2000—2020年期間精河縣年均降水量、蒸發量、徑流量等數據，對艾比湖面積變化的驅動因素進行分析。結合精河縣年均降水量數據分析艾比湖面積與降水量變化關系，如圖5(a)所示。隨著降水量減少，艾比湖面積呈現退縮的趨勢；降水量增加，艾比湖面積呈現出擴張趨勢。降水量和湖泊面積呈正相關，降水量是引起艾比湖面積變化的自然因素之一。區域氣候的濕潤和干燥程度是由降水和氣溫決定的[25]，因此為進一步分析艾比湖湖面積變化原因，統計精河縣近20 a的氣溫數據并分析了年均氣溫與降水量的相關性，如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，精河縣氣溫較穩定，氣溫對降水量影響不顯著。同時蒸發量對艾比湖面積變化有直接影響，蒸發量總體上呈現出緩慢增加的趨勢、與湖泊面積負相關，如圖5(c)所示。蒸發量增大，降水量減小，降水量和蒸發量呈現出負相關，如圖5(d)所示，對湖泊面積的變化有一定影響。

圖5 降水量、氣溫、蒸發量對艾比湖面積的影響分析Fig.5 Effects of precipitation，temperature and evaporation on area of Ebinur Lake

徑流量也是湖泊面積變化的影響因素之一[26]，因此收集了博爾塔拉河和精河的年徑流量等水文站實測數據，進一步分析了博爾塔拉河和精河的年徑流量與年降水量之間的關系，如圖6(a)和圖6(b)所示。2002—2008年期間，博爾塔拉河降水量呈下降趨勢，2009—2016年呈上升趨勢，2008年降水量急劇減少低至104.3 mm，直到2016年再一次達到頂峰，降水量達到 204.6 mm。2016年精河年降水量最大，達到201.7 mm。精河的年徑流量最大值同樣出現在2016年，達到5.9×108m3。2008年降水量急劇減少低至68.1 mm，精河的年徑流量也呈現減小趨勢。降水量呈現減少趨勢時徑流量也呈現減少趨勢，降水量增加趨勢時徑流量也呈現增加趨勢，即河流徑流量的變化與年降水量的變化趨勢大致相同。因此，降水量對徑流量有一定的影響，進而影響艾比湖湖面積的變化。博爾塔拉河與精河徑流量大部分變化呈現出同樣趨勢，博爾塔拉河徑流量上升明顯，從2002—2016年雖有波動，但變化不大，2002年最大值達到7.8×108m3，2014年最小值達到4.6×108m3；精河徑流量2013年出現最小值，為3.4×108m3，2016年徑流量增大到5.9×108m3。徑流量變化與湖泊面積變化情況相符，如圖6(c)和圖6(d)所示。地表徑流的增加使地表水源的補給增加，從而促使艾比湖面積增加。通過對比分析可知，博爾塔拉河相對于精河而言對艾比湖面積變化影響更大。

圖6 博爾塔拉河和精河年徑流量與年降水量及艾比湖面積關系Fig.6 Relations of annual runoff in Bortala River and Jinghe River versus annual precipitation and surface area of Ebinur Lake

6.2 社會用水量的影響

隨著人口、經濟和社會發展過程中用水量的增加，導致流入艾比湖的水量持續減少，對湖泊面積影響較大[27]。博爾塔拉蒙古自治州人口由2000年的42.3萬增至2013年的49.38萬，增長率為16.73%；有效灌溉面積從2000年107.19×103hm2增至2020年186.94×103hm2，全州總水資源從2000年28.1×108m3減少至2018年15.43×108m3，如圖7所示。同時，2020年生產總值增至377.1億元，生產用水量隨之增加。水資源的減少，人口、有效灌溉面積及生產值持續增長引起社會總用水量的激增，進而對艾比湖的面積變化有一定影響。

圖7 人口、灌溉面積及水資源關系Fig.7 Relationship among population，irrigated area，and water resource

7 結論與討論

本文以Landsat系列遙感影像為數據源，以新疆艾比湖為研究區，選擇NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數，對比不同水體指數的提取精度，利用精度最高水體指數獲取艾比湖面積，對2000—2020年艾比湖面積變化及驅動因素進行分析。得出以下結論：

(1)NDWI、MNDWI、AWEI、MAWEI 4種水體指數通過波段運算均較好地提取了艾比湖主要輪廓部分水體，但是在細長、干涸及過渡帶部分提取上，相比其余3個指數，MAWEI提取結果較理想，能夠很好地提取出了季節性湖區與永久性湖區之間的過渡帶，同時受干涸湖底干擾小，提取出來的水體在空間分布上更接近目視解譯影像。。

(2)4種水體指數總體分類精度都在90%以上；Kappa系數由高到低依次為MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI；就錯分誤差而言，AWEI的錯分誤差最高達到29.17%，而MAWEI的錯分誤差最低，僅為1.12%，其次為NDWI。而漏分誤差上，MNDWI最高，整體而言，水體指數提取效果由高到低是MAWEI>NDWI>MNDWI>AWEI。

(3)在2000—2003年期間，艾比湖面積增加至982.27 km2，湖泊面積增加27.74%、動態度為9.24%；2003—2014年期間，湖泊面積持續退縮，2014年減至447.08 km2，湖泊面積退縮54.48%、動態度為-4.95%；2014—2018年期間，湖泊面積再次增加至852.77 km2，湖泊面積增加90.74%、動態度為22.68%；2018—2020年期間，湖泊面積減至593.79 km2，湖泊面積減少30.36%、動態度為-15.18%。結果表明近20 a艾比湖面積變化呈現先擴張再退縮的趨勢。

(4)結合2000—2020年期間精河縣年均降水量、蒸發量、徑流量等數據，對艾比湖面積變化的驅動因素進行分析。發現降水量、蒸發量、徑流量均對湖泊面積產生一定的影響。艾比湖面積變化與降水量呈正相關、與蒸發量呈負相關、與徑流量呈正相關。精河縣年均降水量逐年減小，蒸發量緩慢增加，降水量減少的年份徑流量也減少，艾比湖面積也呈現出退縮的趨勢。同時，水資源的減少并與其周圍人口、灌溉面積及生產值持續增長引起經濟社會總用水量的激增，對湖泊面積變化產生一定的影響。

本文選用的遙感數據及研究區較為單一，不同環境條件下的湖泊水體光譜特征、水體指數提取效果均會有所不同。湖泊面積變化的驅動因素可以結合土地利用、冰川融化等方面綜合考慮，在今后研究中做更詳細的驗證。