基于ENVI和ArcGIS的呼伦湖面积动态变化及影响因素研究.pdf

第 卷 第 期 年 月内 蒙 古 林 业 科 技 .收稿日期:修回日期:资助项目:内蒙古自治区科技计划项目()作者简介:苏宇()男山西交城人在读研究生从事水土保持与荒漠化防治研究:.通信作者:党晓宏()男陕西合阳人副教授博士博士生导师从事水土保持与荒漠化防治研究:.基于 和 的呼伦湖面积动态变化及影响因素研究苏 宇党晓宏袁立敏(.内蒙古农业大学 沙漠治理学院内蒙古 呼和浩特 .内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站内蒙古 鄂尔多斯 .内蒙古自治区林业科学研究院内蒙古 呼和浩特 .内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室内蒙古 呼和浩特 .沙地生物资源保护与培育国家林业和草原局重点实验室内蒙古 呼和浩特)摘 要:湖泊的动态变化可以很好地反映当地的生态环境状况遥感技术在沙漠湖泊监测中具有较高的应用价值和现实意义 本研究选取 遥感影像为数据源分析了 年呼伦湖湖泊面积的动态变化采用 软件预处理、空间分析、人工解译方法等研究了呼伦湖湖泊面积近 的变化特征并结合相关气象数据和当地调控措施分析了影响湖泊面积变化的原因 结果表明:()湖泊面积在 年由 .上升至 .变化区域集中在湖泊东北、东南方向()年湖泊面积与气温、降水量和相对湿度均不存在显著相关关系与气象因子相关性不大说明此段时间湖泊面积对气候变化的敏感性较低()人类活动对湖泊面积影响较大在当地政府的生态政策保护下呼伦湖生态得到了一定程度的恢复关键词:呼伦湖湖泊面积影响因素遥感监测中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:().().().:湖泊对气候变化以及人类的活动十分敏感尤其在干旱地区湖泊不仅是气候变化的指示器更是干旱区水分循环的重要环节 关于干旱区湖泊变化的研究尤其是沙漠湖泊的研究一直都备受关 第 期苏 宇等:基于 和 的呼伦湖面积动态变化及影响因素研究 注 目前随着遥感影像分辨率的提高、获取周期变短遥感影像分析已经成为环境监测中不可缺少的手段 周亚辉等利用遥感水体反射在不同波段表现的差异结合光谱特征对库木库勒盆地的盐湖面积进行提取分析不同气象因子对湖泊面积的影响徐丹蕾等则用遥感人工目视解译方法对毛乌素沙地湖泊面积变化及其相关性影响进行了研究分析得到了近年来湖泊受人类活动的影响较大的结论打破了湖泊对空间的依赖熊波等也采用遥感目视判读的方法对巴丹吉林沙漠地区湖泊动态变化进行了分析呼伦湖位于呼伦贝尔大草原中心地带是对全球气候变化响应最敏感的地区之一呼伦湖湖泊面积的变化会对呼伦湖地区甚至是东北地区生态安全问题造成影响 因此研究呼伦湖区域气候变化特征及对其水域面积的影响对呼伦湖水域的保护及该区域的生态安全等均具有重要意义 目前关于呼伦湖的研究秦伯强等通过 年呼伦湖水量平衡分析发现降水量增加 会 引 起 湖 泊 面 积 扩 大 王 鹏 飞 等借 鉴 年公开发表的呼伦湖湖泊面积资料及该区域逐年气温、蒸发量、降水量、相对湿度分析认为蒸发量增大是呼伦湖湖泊面积减小的重要原因 然而这些对呼伦湖研究的时间序列不同且均采用气候因子来分析其变化其主要气象要素与湖泊面积的相关性存在一定差异 基于此本文使用 年呼伦湖遥感影像分析相邻两年呼伦湖湖泊面积变化特征结合当地气象数据、政府措施等方面从气候和人类活动两个维度分析湖泊变化的原因为今后沙漠湖泊变化趋势方面的研究提供借鉴 研究区概况研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市呼伦贝尔草原西部的新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗之间的呼伦湖()呼伦湖是内蒙古第一大湖、东北地区第一大湖全湖呈东北西南走向为不规则的斜向长方形状整体属于温带大陆性气候年平均气温.年均降水量小于 呼伦湖湖水主要来自克鲁伦河和乌尔逊河天然补给还有一部分来自大气降水和地下水 藻类资源丰富其中主要优势种为硅藻门的梅尼小环藻()和细小平裂藻()据初步统计呼伦湖地区共有鸟类 目 科 种其中丹顶鹤()、白鹤()、大鸨()、金雕()等是国家一级保护鸟类 呼伦湖是中国北方地区重要的鸟类栖息地和东部内陆鸟类迁徙的重要通道 本研究选取呼伦湖主体水域区域进行研究 数据来源及处理.数据来源 是美国 卫星系列的第八颗卫星携带陆地成像仪()共包含 个波段对识别水体等方面精度性较高 本研究遥感数据来源于地理空间数据云网站 影像数据类型为 空间分辨率 选取 年每年 期共 期影像影像均已进行几何校正选取影像云量小于 且湖泊边界上方无云覆盖影像均摄于每年 月此时湖水面积平稳水量稳定既保证各年份湖泊面积具有代表性又保证每年湖泊边界具有可比性具体见表 表 遥感数据源信息统计.序号采集日期云量条带号 行编号 分辨率.图像校正辐射定标就是将数字量化的图像转化为反射率或者辐射亮度值等指标的处理过程也是大气校正的准备工作由于下载的 影像的辐射定标参数存储于元数据文件中利用 中自带的辐射定标工具()就可以自动读取元数据文件中的参数设置辐射定标参数为 大气校正所需要的数据类型太阳辐射以各种形式进入大气入射到物体表面再传回传感器但是由于成像时的大气条件、地形等临近物的不同存在会对数据造成影响因此要对不同时期的影像进行大气校正来消除不同因素对地物反射的影响获得地物辐射率、反射率等物理模型参数减少大气中、水蒸气等对反射的影响消除气溶胶散射和大气分子的影响本文使用 中 大气校正模型对所选取的多光谱数据进行大气校正 内 蒙 古 林 业 科 技第 卷.波段合成由于不同物体本身性质、组成的不同会选择性的吸收和反射大阳光从而表现出本物质特有的光谱表现特征根据 传感器特征 波段()穿透大气较好对水识别较高 波段()便于分辨潮湿土壤 波段()便于识别植被特征 因此为突出湖泊边界信息保证数据真实性采用、波段在 中进行合成、判读.影像解译在 中建立个人地理数据库根据不同用地类型进行分类建立各类型属性表添加与影像坐标系一致的面要素 由于湖泊盐碱严重湖内藻类、浮萍丰富湖泊情况复杂为保证提取数据的准确性采用人工目视解译的方法来提取湖泊边界绘制成湖泊遥感解译图参考相关文献将湖泊边界的滩涂、盐碱地不算入主体湖泊中若其在湖中并被湖水包围则算入湖泊主体中将绘制好的各年份湖泊信息图导入至建立的个人地理数据库分别计算 各 年 份 湖 泊 的 面 积 并 利 用 工具按时间顺序将湖泊影像进行两两联合根据属性中符号系统将变化区域赋予不同颜色加以区分得到相邻年份湖泊变化对比图并计算各变化区域的面积 结果与分析.湖泊面积变化分析将 年呼伦湖湖泊面积以折线图的形式画出(图)由图可知 年湖泊面积2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021年份220 000215 000210 000205 000200 000195 000190 000面积/hm2图 年呼伦湖湖泊面积变化.呈现出上升趋势 年逐年下降 年又呈现出上升状态湖泊面积在此年间总体呈上升趋势 湖泊面积的变化一方面和当地各年份的气候有很大关系同时也受人类活动的影响湖泊面积的变化趋势不但能较好地反映当地生态环境的变化也对当地生态政策的调整具有指示作用将相邻两年份影像进行叠加联合其中蓝色部分为两年未变化的部分蓝色红色为前一年湖泊面积信息蓝色橙色部分为后一年湖泊面积信息将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年呼伦湖湖泊面积为.年湖泊面积为 .较 年相比面积增加了.将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年增加了.图例2013年湖泊变化2014年湖泊变化20132014年湖泊未变化2014年湖泊变化2015年湖泊变化20142015年湖泊未变化图例036 12 18 24km036 12 18 24kmabNN图 年呼伦湖湖泊面积变化.第 期苏 宇等:基于 和 的呼伦湖面积动态变化及影响因素研究 将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年增加了.将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年减少了.图例2015年湖泊变化2016年湖泊变化20152016年湖泊未变化2016年湖泊变化2017年湖泊变化20162017年湖泊未变化图例036 12 18 24km036 12 18 24kmabNN图 年呼伦湖湖泊面积变化.将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年减少了.将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年增加了.图例2017年湖泊变化2018年湖泊变化20172018年湖泊未变化2018年湖泊变化2019年湖泊变化20182019年湖泊未变化图例036 12 18 24km036 12 18 24kmabNN图 年呼伦湖湖泊面积变化.内 蒙 古 林 业 科 技第 卷 将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年增加了.将 年 月 日和 年 月 日的 影像进行叠加联合(图)得到 年呼伦湖边界变化情况 年湖泊面积.相比 年增加了.整体上看湖泊面积变化明显区域为其东南部和东北部图例2019年湖泊变化2020年湖泊变化20192020年湖泊未变化2020年湖泊变化2021年湖泊变化20202021年湖泊未变化图例036 12 18 24km036 12 18 24kmabNN图 年呼伦湖湖泊面积变化.气候主要因素变化分析气候是影响湖泊动态变化的主要因素分析湖泊面积变化情况探究气候变化与湖泊面积变化之间的相关性有助于更深层次探讨湖泊面积变化的相关因素这对湖泊水源保护具有理论意义 自然因素中气温和降水是影响湖泊变化的主要因素本研究选取新巴尔虎右旗 年的气温、降水量和相对湿度进行统计分析.气温此年间气温除个别年份偏高之外其余年份基本趋于稳定平均温度为.以气温为因变量时间为自变量 选取年份内平均气温变化趋势线性方程为 .由图 可知斜率大于 说明该时段气温总体呈上升趋势但总体变化趋势不明显2001200420072010201320162019年份531-1气温/y=0.006 8x?+1.885 9图 年均气温距平曲线.降水量据气象资料显示降水此年间存在干湿波动波动周期大约在 在降水较多年份降水量可达.以上较少年份降水量仅仅.左右年均降水量为.降水量变化趋势线性方程 .由图 可知斜率大于说明该时段降水量呈上升趋势2001200420072010201320162019年份400350300250200150100500降水量/mmy=4.306 7x?+162.51图 年降水量距平曲线.相对湿度统计年间相对湿度变化较小均围绕平均湿度上下波动总体呈现出上升趋势期间平均相对湿度为.相对湿度的变化可以很好地从侧面反映蒸发量的变化统计年间该地区平均相对湿度变化趋势线性方程为.由图 可知斜 第 期苏 宇等:基于 和 的呼伦湖面积动态变化及影响因素研究 率大于 说明该时段相对湿度呈上升趋势2001200420072010201320162019年份646260585654525048相对湿度/%y=0.136 3x?+55.359图 年均相对湿度距平曲线.相关性分析相关性分析可以真实直观地反映出两组变量之间的关系本研究为分析呼伦湖湖泊面积变化与气象数据之间的关系以 年间呼伦湖湖泊面积为样本选取对应时段的年均气温、降水量、相对湿度数据量化后分别进行 相关性分析呼伦湖湖泊面积变化与气象数据相关性结果见表 研究表明气温、降水量和相对湿度 项因子与呼伦湖湖泊面积的显著性均大于.即不存在显著相关关系表明在此段时间内气象因素对呼伦湖湖泊面积变化影响较小表 因子相关性计算结果.年均气温年均降水量年均相对湿度湖泊面积.讨论与结论.讨论从 年整体来看呼伦湖湖泊面积先上升后下降随后再上升总体呈上升的趋势这与金鸽等得出 年间为呼伦湖湖泊恢复期结论基本一致与孟庆吉得出的 年间呼伦湖湖泊面积增长结论同样比较吻合 根据相邻年份遥感图像两两对比来看湖泊面积变化明显区域为其东南部和东北部与孟庆吉得出的增长区域主要为湖泊的东南部基本吻合 对呼伦湖气象数据进行变化分析并研究其对湖泊面积的影响总体来看呼伦湖区域气温、降水量和相对湿度都趋于稳定呈小幅上升趋势与王绍武等分析全球气候变暖的趋势比较一致但就和呼伦湖湖泊面积相关性来看三者均相关程度较低考虑是人为因素影响呼伦湖湖泊面积占主导因素 年以来自治区为遏制生态环境的持续恶化实施了湖水优化配置治理工程以河流补充水源改善湖泊环境在湖体周围采取禁牧措施使流域植被状况得到明显改善有效遏制了沙地沙化对湖泊造成的影响在旅游区取消旅游餐饮经营建设生态廊道极大削减了人为对湖泊生态环境的干扰 经过多年的生态修复和治理呼伦湖湖泊面积自 年以来逐年上升相关数据表明 年以来水体 值总体下降总氮、总磷等指标也趋于正常湖泊水质得到明显改善这表明湖泊生态治理取得了一定的成效.结论本研究以 影像为数据基础选取 年逐年影像经预处理后提取边界信息计算湖泊面积并按时间顺序将相邻年份湖泊数据进行叠加联合分析湖泊面积动态变化规律及其原因结果表明:()年呼伦湖湖泊面积相比 年来说增加了.面积呈上升趋势 年间虽下降但总体保持平稳根据遥感影像叠加对比得出湖泊面积变化明显区域为其东南部和东北部 湖泊面积的增加与减少可以很好地反映当地生态环境的恢复与恶化()此年间该区域气温、降水量、相对湿度都呈上升趋势气候变化使得生态环境更加不稳定但是湖泊面积的变化与气候因素的相关性较低表明此段时间湖泊面积对气象敏感度较小()近年来通过政府的各项生态恢复措施呼伦湖总体生态环境得到较大改善这说明湖泊生态环境受人类活动的影响较大 在今后治理中要充分发挥人的主观能动性继续实施更加科学合理的生态保护措施坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理使生态系统的质量和稳定性得到有效提升参考文献:胡汝骥 姜逢清 王亚俊 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