孟庆吉 高战武 吴海曼 耿忌非 范春燕 刘金霖 鄢上钦

摘 要：岱海处于农牧交错地带，生态环境较为脆弱，湖泊的变化易受自然和人为因素的影响。该研究以Landsat遥感影像为数据源，以岱海为研究区，运用归一化水体指数，分析了1990—2020年岱海湖泊面积的变化状况，并探讨了产生变化的驱动力因素。结果表明，1990—2020年岱海湖泊面积呈持续减小态势，其中1990—1999年湖泊面积萎缩最为显著，缩减面积达25.05km2。岱海湖泊面积缩减的自然因素为多年来降水量减少和气温升高导致的蒸发量增大，致使入湖水量不断减少;人为因素为人类活动对自然环境干扰程度的加深，以及经济的发展使得需水量增加，对湖泊面积造成了巨大影响。

关键词：岱海;湖泊;归一化水体指数;遥感;监测

中图分类号 S127 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）24-0106-04

Remote Sensing Monitoring and Driving Force Analysis of Daihai Lake Area Change in the Past 30 Years

MENG Qingji1 et al.

（1Baicheng Teachers College， Baicheng 137000， China）

Abstract： Daihai is located in the agricultural and pastoral transition zone， the ecological environment is relatively fragile， and the changes of the lake are easily affected by natural and human factors. Therefore， this paper uses Landsat remote sensing image as the data source， Daihai as the research area， and uses the normalized water body Index to analyze the changes in the area of Daihai Lake from 1990 to 2020， and explore the driving forces for the changes. Studies have shown that the area of Daihai lakes has continued to decrease from 1990 to 2020. The area of lakes has shrunk most significantly from 1990 to 1999， with a reduced area of 25.05 km2. The natural factors for the reduction in the area of Daihai Lake are the increase in evaporation caused by the decrease in precipitation and the increase in temperature over the years， resulting in the continuous decrease of the amount of water entering the lake; the human factors are the deepening of the interference of human activities on the natural environment， and the economic Development has increased water demand and has had a huge impact on the area of the lake.

Key words： Daihai; Lake; Normalized water index; Remote sensing; Monitoring

湖泊作为地表水生生态系统的重要组成部分，在调节河川径流、发展灌溉、提供工业和饮用的水源等方面发挥着重要的作用[1]。对湖泊的开发和利用需要持有可持续发展的理念，尤其是对于处于农牧交错地带的湖泊，更加需要关注对其合理利用。

近些年来，学者们应用遥感技术对湖泊的变化进行了大量的研究。研究表明，2000—2018年期间，岱海湖泊面积持续缩减且多转化为内陆滩涂和沼泽草地[2];运用人工目视解译方法，分析得出1976—2015年岱海湖面持续萎缩，其中1995—2000年湖面萎缩最显著[3];通过对近50年数据进行分析得出，岱海湖泊面积不断缩小且矿化度升高较快[4];受自然和人为因素的影响，2002—2012年岱海面积持续减小，其重心逐渐向偏北方向移动[5];1989—2018年期间岱海湖面面积呈现为递减趋势，其中人类活动是其变化的主要原因[6]。

以上学者虽然对岱海湖泊变化做出了一定的研究，但對湖泊变化原因的分析还不够细致。鉴于此，本研究以Landsat遥感影像为数据源，以岱海为研究区，利用归一化水体指数作为研究方法，分析了1990—2020年岱海湖泊面积变化状况，研究影响变化的驱动因素，以期为岱海湖泊的保护提供科学依据。

1 研究区概况

岱海位于内蒙古自治区乌兰察布市凉城县东北部，为内陆封闭型微咸湖泊，是内蒙古第三大内陆湖。岱海整体呈长椭圆形，为东北-西南走向，湖泊面积约70km2，平均水深9m。该地地处我国季风区和非季风区交界地带，属农牧交错带，即生态环境脆弱地带，年降水量在204～547mm，降水主要集中在夏季且多暴雨，多年平均气温为5.2℃，多年平均蒸发量1938mm。湖泊水量补给主要来源于弓坝河、五号河、目花河和天成河等河流[7]，水生生物及植物种类丰富多样。近些年来，受到自然因素变化和人类活动加剧的双重干扰，致使湖区面积持续萎缩、湿地严重退化、生态环境变得更加脆弱。2000年、2002年，岱海湿地和岱海分别被评为我国重要湿地和自治区级自然保护区[8]，整体受保护程度逐渐提高，2016年以来更是对岱海流域进行了综合治理。

2 岱海水体提取

2.1 遥感数据 本研究根据研究区的实际情况，考虑水体自身的特性，并依据遥感影像的空间分辨率、时间分辨率等特征，最终选择由美国航空航天局（NASA）发射的Landsat系列卫星作为数据源，分别选取1990年、1999年和2010年的Landsat TM数据以及2020年的Landsat ETM+数据，分辨率均为30m，共4景。

2.2 水体信息提取方法 提取水体的方法有很多[9]，通过对本研究区水体的不同水体提取方法的试验后，选择了归一化水体指数（NDWI）[10]、阈值法[11]和决策树法3种方法相结合的方式来提取水体，其中，归一化水体指数是应用范围较广且经多次试验后认为适合本研究区的水体指数，能够最大限度地区分遥感影像中的水体和非水体信息，但是如何细致的将水体信息提取出，这就需要将决策树法和阈值法相结合并作用到经NDWI处理后的结果之上，并通过调控阈值范围来最大限度地将水体信息提取出来。水提信息提取的具体步骤如下所示，首先在Envi软件中进行波段运算（Band Math）并插入NDWI计算公式，分别选取第2和第4波段进行计算，在得到水体提取结果后，再通过多次比较和目视判读的方法来进一步确定提取水体的阈值，使阈值提取的湖泊范围和目视判读的范围一致;然后通过建立新的决策树，并输入相关阈值数值来提取湖泊的范围，其中4期影像的阈值分别设定为0.07、0.11、0.07和0.12（见图1）。NDWI的公式如下所示：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

式中：Green波段代表绿光波段，即TM和ETM+中的第2波段;NIR波段代表近红外波段，即TM和ETM+中的第4波段。

2.3 处理过程 首先，对遥感影像进行预处理;其次，在Envi中应用相应的水体信息提取方法将正确的水体范围提取出来;再次，将提取的范围在Envi中转化成矢量文件，并将矢量文件在Arcgis中打开并计算湖泊面积。

3 结果与分析

3.1 面积变化 从表1、图2和图3可以看出，1990—2020年岱海湖泊面积呈持续缩减态势，由1990年的114.23km2减少到2020年的57.93km2，平均每年减少1.88km2，且湖泊缩减面积最大的部分为湖泊的西南和南部，北部缩减面积最小。其中，1990—1999年湖泊面积缩减25.05km2，平均每年缩减2.78km2，缩减率为21.93%;1999—2010年湖泊面积缩减20.99km2，平均每年缩减1.91km2，占湖泊面积的23.54%;2010—2020年湖泊面积缩减10.26km2，平均每年缩减1.03km2，占湖泊面积的15.05%，此时段面积缩减速度明显下降。湖泊面积的持续减少，表明岱海流域范围内生态环境的脆弱程度正逐渐增大、抗干扰能力在逐渐减弱。

3.2 驱动力因素分析

3.2.1 自然因素 从图4可以看出，1990—2019年岱海年降水量呈微弱下降态势，多年平均值为363.56mm，降水量年际变化较大且极不稳定，29年间降水量的最大值出现在2012年为547.7mm、最小值出现在1997年为204mm。从图5可以看出，1990—2019年岱海多年平均气温呈增长态势，气温多年平均值为5.05℃，90年代气温增长较快且波动性较大，气温多年平均值为4.89℃;2000年以后气温继续增长，但整体较为平稳，气温多年平均值为5.1℃;2010年以后气温持续增长，但波动性较大，气温多年平均值为5.17℃，每个时段的气温平均值在增长。从图6可以看出，1990—2019年岱海相对湿度呈减少态势且下降幅度较大，多年平均相对湿度为51.28%。研究区的气温持续升高导致蒸发量逐渐增大，加之降水量的不断减少，使得岱海的水量补给量减少，补给来源受到威胁，从而致使湖泊进一步萎缩，同时导致研究区的空气相对湿度逐渐降低，生态系统变得更加脆弱。

3.2.2 人为因素 人类活动进一步加剧了湖泊退化的速度，本研究在分析人类活动对湖泊面积变化的影响方面，主要选取耕地面积、工农业生产总值和人口数量等3个指标来进行分析。研究区耕地面积由1990年的81240hm2变为2019年的74810hm2，最大值出现在1999年为95720hm2，耕地面积在1990—1999年的快速增长与湖泊缩减速度最快的时间相吻合，表明耕地面积扩大与湖泊面积缩小有很大的关系。工农业生产总值由1990年的1.41亿元变为2019年的48.3亿元，经济的持续发展必然会消耗大量的水资源，使得处于半干旱地区的岱海水源补给量逐渐减少，致使研究区内更加干旱、生态压力增大。凉城县人口数量在1990—2019年期间的变化幅度较小，由23.62万人变为23.25万人，虽然人口数量变化不大，但随着人类生产技术的提高，单位经济生产所消耗的资源也在增加，使得对生态环境的干预能力和影响层次持续加深，从而导致对岱海流域的影响程度不断加强，研究区的生态环境变得更加破碎，整体的抗干扰能力减弱。

4 结论

1990—2020年岱海湖泊面积呈持续缩减态势，1990—1999年湖泊面积缩减25.05km2，缩减率为21.93%;1999—2010年和2010—2020年湖泊面积分别缩减20.99km2、10.26km2。湖泊面积的持续缩小，表明研究区生态环境变得更加脆弱，且抗干扰能力减弱。

湖泊面积变化受自然因素和人类活动的共同影响。自然因素方面，气温的逐渐升高导致蒸发量增大，多年来降水量的减少导致湖泊的水源补给量在减少，两者共同的作用使得岱海的湖泊面积受到了一定程度的影响。人为因素方面，随着人类活动对自然环境干扰程度的加深以及经济的发展，使得各方面的需水量顯著增加，从而增加了人类活动对湖泊面积变化的影响程度。

参考文献

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[3]梁文军，春喜，刘继遥，等.近40a岱海湖面动态变化研究[J].干旱区资源与环境，2017，31（04）：93-98.

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[8]陈海英，付旭峰，赵慧珍，等.岱海湿地生态环境变化的气候影响分析[J].内蒙古气象，2011（06）：14-17.

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[11]周成虎，骆剑承，杨存建，等遥感影像地学理解与分析[M]北京科学出版社，2001：68-90.

（責编：张宏民）