曲靖市主要水源地水域面積時空變化及其響應機制研究

1、曲靖市主要水源地水域面積時空變化及其響應機制研究摘 要 通過量化分析，揭示曲靖的湖泊或水庫資源的分布狀況及變化特征，找出曲靖的湖泊或水庫變化的根本原因，為曲靖水資源的保護及利用提供理論依據(jù)。選取了1988、1996、2003、2009、2017共五年TM/OLI遙感影像，選取了NDWI法和MNDWI法，對曲靖市主要水源地水域面積信息進行了提取。19882017年間，主要水源地水域面積呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，主要水源地水域面積年變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的“M”型波動增加。年降水量的變化、地下水的補給、氣溫、除險加固工程、生態(tài)投資的增加等綜合影響了曲靖市主要水源地水域面積的變化。關鍵

2、詞：水體提??；曲靖市；時空變化Temporal and Spatial Changes of Water Area and Its Response Mechanism of Main Water Source Areas in Qujing CityAbstractThrough quantitative analysis, this paper reveals the distribution and change characteristics of the lake or reservoir resources in Qujing, and finds out the fundamen

3、tal reasons for the change of the lake or reservoir in Qujing, which provides theoretical basis for the protection and utilization of the water resources in Qujing. TM/OLI remote sensing images of 1988, 1996, 2003, 2009 and 2017 were selected. NDWI and MNDWI methods were selected to extract water ar

4、ea information of main water sources in Qujing City. From 1988 to 2017, the water area of the main water sources showed an upward trend of fluctuation, and the annual variation trend of the water area of the main water sources showed an increase of M type fluctuation of rising-falling-rising-falling

5、. The changes of annual precipitation, groundwater recharge, air temperature, reinforcement projects, and the increase of ecological investment have a comprehensive impact on the changes of water area of the main water sources in Qujing City.Key words: water body extraction；Qujing City；spatialII目錄1引

6、言11.1研究區(qū)概況11.2研究背景及意義11.3研究方法12文獻綜述22.1國外研究現(xiàn)狀22.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀23數(shù)據(jù)來源與處理33.1數(shù)據(jù)獲取33.2技術路線33.3遙感影像水域信息提取43.3.1水體信息提取方法43.3.2水體信息提取44結果與分析64.1曲靖市主要水源地29年水域面積時空變化分析64.1.1曲靖市主要水源地29年水域面積時間變化分析64.1.2曲靖市主要水源地29年水域面積空間變化分析74.2曲靖市主要水源地29年水域面積變化驅動力分析84.2.1自然因素84.2.2人為因素95結論10參考文獻11致謝121引言1.1研究區(qū)概況曲靖市位于云南省東部，地處珠江源頭，屬長江

7、、珠江兩大水系分水嶺地帶，為云南、廣西、貴州三省交界處，自古以來為內(nèi)地入滇之重要窗口，該區(qū)域介于10303E 10450E、2419N 2703N之間。區(qū)域內(nèi)山嶺河谷相間分布，地質構造復雜，地層發(fā)育較為齊全，碳酸鹽面積廣布。氣候類型主要為亞熱帶高原季風氣候，“夏無酷暑、冬無嚴寒”，年平均氣溫為14.5左右，年平均降水量為1000mm左右。1.2研究背景及意義水資源問題是當前普遍制約我國城市可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”問題之一。隨著城市化進程的加快，城市工業(yè)化、現(xiàn)代化水平的提高，城市數(shù)量的增加和規(guī)模的不斷擴大，城市水資源的供需矛盾已十分突出，并由此產(chǎn)生許多新的問題。曲靖市未來建設將圍繞以麒沾馬一體化為核

8、心，構建“一核多點”的城市空間結構。對曲靖市主要水源地水域面積時空變化及其響應機制進行研究，可以使我們對曲靖市水資源有更清晰的認識，為政府進行曲靖市城市建設提供相應的依據(jù)。對曲靖市主要水源地水域面積時空變化及其響應機制進行研究，可揭示曲靖市的湖泊或水庫資源的分布狀況及變化特征，為曲靖市水資源的保護及利用提供理論依據(jù)。因此，對曲靖市主要水源地水域面積時空變化進行研究，有利于緩解曲靖市“資源型”缺水問題。水資源的可持續(xù)發(fā)展發(fā)展作為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)，對其進行研究有著極強的現(xiàn)實意義。1.3研究方法1） 基于曲靖市主要水源地的衛(wèi)星影像資料，運用ENVI和ArcGIS分別提取水體信息和統(tǒng)計水域面積

9、，并分析主要水源地水域面積變化的趨勢，詳細說明各個時間段的變化情況。2） 基于曲靖市主要水源地的水域面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將主要水源地分為若干個區(qū)域，對區(qū)域水域面積變化進行橫向對比，劃分出變化最大區(qū)域和最小區(qū)域，并對區(qū)域水域面積變化做出詳細說明。3）根據(jù)自然因素和人為因素兩大方面，分析影響曲靖市主要水源地水域面積變化的驅動力因素。2文獻綜述2.1國外研究現(xiàn)狀人們對水域面積變化已有很長的研究歷史，可將遙感技術的誕生作為時間節(jié)點分為傳統(tǒng)階段和新技術階段。在傳統(tǒng)階段，受技術條件的影響，關于水域面積變化的研究成果極少。新技術階段，遙感技術誕生，將人類對地球表層的理解推 進到一個新的階段，同時也給大范圍的、全面

10、深入的 水域調(diào)查帶來便利。與傳統(tǒng)的調(diào)查方法相比，遙感技術具有覆蓋面廣、宏觀性強、快速、多時相、豐富的綜合信息等特點，它能及時快速地識別水體，監(jiān)測水體動態(tài)變化，已成為水體研究的重要手段之一1。1960年美國發(fā)射TIROS-1和NOAA-1太陽同步氣象衛(wèi)星，標志著人類從空間長期觀測地球進入了新的紀元。隨著遙感技術的改進，遙感應用的深入，遙感專題信息的提取方法也在不斷地改進，經(jīng)歷了目視解譯、自動分類、光譜特性的信息提取及光譜與空間特征的專題信息提取等多個階段2。隨著信息提取方法的改進，對水域面積變化的研究也愈來愈深入，人們逐漸開始思考水域面積變化的響應機制。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀關于水域變化的研究，水域

11、面積變化是其研究的重點。目前,關于水域面積變化的研究主要集中于水域面積變化監(jiān)測、水域面積變化及影響因素分析以及水域面積提取方法研究。吳川,張玉龍,許秀貞,張全發(fā)做了基于Landset TM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水庫水域變化監(jiān)測研究3. 王軍,溫興平,張麗娟,周楊做了基于遙感技術的滇池水域面積變化監(jiān)測研究4。徐德增做了基于高分辨率遙感影像的大伙房水庫水域面積變化監(jiān)測5。常利,裴亮做了丹江口水庫面積季節(jié)變化遙感監(jiān)測6。以上應用遙感技術，對我國重要水域進行了水域面積變化監(jiān)測研究。劉新,何隆華,周馳做了長江中下游近30年來湖泊的水域面積變化研究7。馬振剛,李黎黎,張利雅做了1978年20

12、13年官廳水庫水域面積變化及相關因素分析8。馬建威,黃詩峰,許宗男做了基于遙感的19732015年武漢市湖泊水域面積動態(tài)監(jiān)測與分析研究9。以上對我國重要水域面積變化做出研究，并對影響水域面積變化因素進行探討，從空間尺度、時間尺度以及不同的要素對水域面積變化及影響因素做出了研究。徐燕做了基于RS/GIS技術的水域面積提取分析10。李文波,于春穎,張秋文,曹波做了基于歸一化水體指數(shù)的水域面積估算研究11。周楊,溫興平,張麗娟,王軍做了基于遙感技術的洱海水域面積提取方法研究12。以上對水域面積提取方法進行研究，提出了基于歸一化水體指數(shù)的水域面積估算等多種方法。近些年來，人們也逐漸開始關心重要變化的響

13、應機制研究13。3數(shù)據(jù)來源與處理3.1數(shù)據(jù)獲取本文選用Landsat TM/OLI遙感影像（以下簡稱TM/OLI影像；地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站免費下載）作為研究數(shù)據(jù)。對比研究區(qū)域各年遙感影像效果和分析主要水源地分布后，選取了1988、1996、2003、2009、2017共五年的遙感影像用于分析曲靖市主要水源地水域面積時空變化。利用云南省統(tǒng)計年鑒中與曲靖市相關的生產(chǎn)總值、總人口、年平均降水量等數(shù)據(jù)分析水域面積變化的影響因素。3.2技術路線研究所用的技術路線如圖1所示。首先利用ENVI對獲取的所有原始遙感影像進行預處理，TM/OLI影像預處理包括輻射定標、快速大氣校正、圖像融合（TM影像不做圖像融合處

14、理）；其次根據(jù)遙感影像的不同選用適當?shù)乃w提取方法進行水體信息提?。蛔詈罄肁rcGIS統(tǒng)計各水源地水域面積。圖1影像處理分析技術路線圖Fig.1 Image processing analysis technology roadmap3.3遙感影像水域信息提取3.3.1水體信息提取方法目前常用的水體信息提取方法有歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）、改進的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）、單波段閾值法等。1）歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）法是由McFeeters在1996年提出的，該方法是基于近紅外波段和綠波段的歸一化比值指數(shù)，用于提取遙感影像中的水體信息，如用于提取背景中有較多建筑物的水體，其效果較

15、差。其公式如下：NDWI=Green-NIRGreen+NIR（1）式中，(Green)為綠波段反射率（TM:Band2，OLI：Band3），（NIR）為近紅外波段反射率（TM:Band4，OLI:Band5）。2）改進的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）法對NDWI的缺陷進行了一定的修正，其公式為：MNDWI=Green-MIRGreen+MIR（2）式中，(Green)為綠波段反射率（TM:Band2，OLI：Band3），（MIR）為中紅外波段反射率（TM:Band5，OLI:Band6）。3）單波段閾值法主要是利用背景陸地和水體的界線在中紅外波段處相反的特性，確定閾值后進行水體信息的提

16、取。3.3.2水體信息提取在本文中，研究區(qū)域受建筑物干擾較小，通過比較分析后，確定TM影像進行水體信息提取時選用歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）法，OLI影像選用改進的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）法。曲靖市主要水源地水域面積變化情況如圖2和表1所示。躍進水庫花山水庫毛家村水庫黃草坪水庫上西山水庫獨木水庫西河水庫瀟湘水庫偏橋水庫圖2曲靖市主要水源地水域面積變化圖Fig.2 Water Area Change Map of Major Water Sources in Qujing City表1曲靖市主要水源地水域面積Tab. 1 Water area of main water sources

17、 in Qujing City水源地提取方法水域面積/Km21988年1996年2003年2009年2017年花山水庫NDWI3.7521 5.6169 5.1138 5.7645 5.1871 毛家村水庫11.6280 16.9353 9.7595 16.1136 13.8431 躍進水庫3.2886 3.8187 3.4263 5.7087 5.2072 獨木水庫4.7007 6.2748 6.1434 3.9114 5.1358 上西山水庫（2017為0.2088 0.3726 0.3024 0.3384 0.1928 黃草坪水庫MNDWI）0.2952 0.3860 0.4005 0.

18、4572 0.5209 偏橋水庫2.7603 4.8897 3.8862 4.7070 3.6731 西河水庫2.6640 3.3057 1.9170 3.0609 2.3137 瀟湘水庫2.0790 2.9655 2.4237 2.6055 2.6788 4結果與分析4.1曲靖市主要水源地29年水域面積時空變化分析4.1.1曲靖市主要水源地29年水域面積時間變化分析對曲靖市主要水源地水域面積的變化進行統(tǒng)計和分析，可知曲靖市主要水源地29年水域面積時間變化情況，如圖3所示。圖3曲靖市主要水源地面積變化圖Fig.3 Map of Area Change of Major Water Source

19、s in Qujing City通過對曲靖市不同年份主要水源地水域面積（所研究水庫）的分析可得出：19882017年間，主要水源地水域面積呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，主要水源地水域面積年變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的“M”型波動增加。不同時間段表現(xiàn)為：19881996年呈現(xiàn)上升趨勢，共增加13.19km2，平均每年上升約1.65km2；1996年2003年呈現(xiàn)下降趨勢，共減少11.19km2，平均每年下降約1.60km2；2003年2009年呈現(xiàn)上升趨勢，共增加9.29km2，平均每年上升約1.55km2；2009年2017年呈現(xiàn)下降趨勢，共減少3.97km2，平均每年下降約0.49km

20、2。不同水源地年變化表現(xiàn)為：其中花山水庫、毛家村水庫、躍進水庫、偏橋水庫水域面積年變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的“M”型波動增加：黃草坪水庫、瀟湘水庫水域面積年變化表現(xiàn)為上升趨勢；獨木水庫、上西山水庫、西河水庫水域面積年變化表現(xiàn)為波動下降趨勢。4.1.2曲靖市主要水源地29年水域面積空間變化分析大致以曲靖市人民政府為原點建立平面直角坐標系，劃分出與平面直角坐標系四個象限相對應的四個區(qū)域，分別為一、二、三、四區(qū)域。一區(qū)域包括花山水庫、偏橋水庫；二區(qū)域包括躍進水庫、毛家村水庫、西河水庫、上西山水庫；三區(qū)域包括瀟湘水庫、黃草坪水庫、四區(qū)域包括獨木水庫，如圖4所示。圖4四區(qū)域曲靖市主要水源

21、地分布圖Fig.4 Distribution Map of Major Water Sources in Qujing City of Four Regions對曲靖市主要水源地水域面積的變化按照區(qū)域進行統(tǒng)計和分析，可得出四個區(qū)域29年水域面積變化，如表2所示。表2曲靖市四區(qū)域主要水源地水域面積Tab. 2 Water Area of Main Water Sources in Four Regions of Qujing City區(qū)域水域面積/Km2總和占比1988年1996年2003年2009年2017年一區(qū)域4.0473 6.0029 5.5143 6.2217 5.7080 27.49

22、42 15.90%二區(qū)域17.7894 24.4323 15.4052 25.2216 21.5568 104.4053 60.39%三區(qū)域2.3742 3.3515 2.8242 3.0626 3.1997 14.8122 8.57%四區(qū)域4.7007 6.2748 6.1434 3.9114 5.1358 26.1661 15.14%根據(jù)表2可知，在四個區(qū)域29年水域面積占比中，二區(qū)域占比最高，達60.39%；一、四區(qū)域占比大致相當，分別為15.90%和15.14%，一區(qū)域略高于四區(qū)域；三區(qū)域占比最低，為8.57%；四個區(qū)域19882017年間水域面積變化最大的為一區(qū)域，變化最小的為四區(qū)域

23、。對四區(qū)域的29年主要水源地水域面積制作為折線圖，可知曲靖市四區(qū)域主要水源地29年水域面積時間變化情況，如圖5所示。圖5曲靖市四區(qū)域主要水源地水域面積變化圖Fig.5 Water Area Change Map of Main Water Sources in Four Regions of Qujing City通過對曲靖市四區(qū)域不同年份主要水源地水域面積（所研究水庫）的分析可得出：19882017年間，一、二區(qū)域主要水源地水域面積呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，水域面積年變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的M型波動增加；三區(qū)域主要水源地水域面積在19882003年間，以1996年為時間節(jié)點，表

24、現(xiàn)為不明顯的倒“V”型變化，20032017年間主要水源地面積緩慢持續(xù)上升；四區(qū)域主要水源地水域面積在19882017年間，總體表現(xiàn)為下降趨勢。在19882003年間，以1996年為節(jié)點，表現(xiàn)為不明顯的倒“V”型變化。在20032017年間，以2009年為時間節(jié)點，表現(xiàn)為“V”型變化。4.2曲靖市主要水源地29年水域面積變化驅動力分析4.2.1自然因素水域水源的主要補給來自于河流補給、地下水補給、降水補給和冰雪融水補給。曲靖地處于我國喀斯特地貌分布地區(qū)，地表水不發(fā)育，地下水分布廣泛，結合曲靖市遙感影像觀察，主要水源地并未與河流相連接并且周圍并無雪山發(fā)育?？梢姡甘兄饕吹厮蛎娣e變化與河流

25、補給和冰雪融水補給無關。該區(qū)域降水豐沛、地下水分布廣泛，可預測該區(qū)域水域面積變化主要由降水 補給和地下水補給。通過比較該地區(qū)主要水源地面積變化和年平均降水量變化趨勢，可說明兩者是否相關，如圖6所示。圖6水域面積變化與年平均降水量變化趨勢比較圖Fig.6 Comparisons of the Trend of Water Area Change and Annual Average Precipitation Change由圖6可知，水域面積變化與年平均降水量變化趨勢一致，說明該區(qū)域水域面積的變化與年平均降水量有關；但兩者的斜率區(qū)別較大，說明該區(qū)域水域面積的變化還受其他因素的影響。由該區(qū)域所處的

26、地理位置和主要地貌類型可知，該區(qū)域水域面積變化還受地下水補給和氣溫等的影響。4.2.2人為因素1）除險加固工程 多年來，曲靖市大力進行水庫除險加固工程。例如在90年就初步設計花山水庫的擴建工程，對主壩進行加高處理，對老副壩、溢洪道、老底涵等采用先進技術進行相關處理；在1997年對黃草坪水庫進行除險加固后，并于2016年再次進行除險加固處理。由于多年來的努力，使得水庫的蓄水能力穩(wěn)步增加，這是曲靖市主要水源地水域面積不斷增加的最直接原因。2）經(jīng)濟增長與生態(tài)投資自1988年以來，曲靖市經(jīng)濟快速提高，如圖7所示。圖7曲靖市GDP增長圖Fig.7 Qujing GDP Growth Map曲靖市在經(jīng)濟高

27、速增長的同時，也關注生態(tài)保護，加大對生態(tài)的投資，大力恢復生態(tài)。會澤黑頸鶴國家自然保護區(qū)，對保護區(qū)內(nèi)的草地、濕地進行恢復改善，先后成功恢復濕地2000余畝、草地5000余畝、種植各類樹木1萬余棵，生物多樣性得到了有效保護，保護區(qū)內(nèi)物種數(shù)量逐年穩(wěn)中有升。曲靖市進行的大規(guī)模的生態(tài)修復和環(huán)境保護措施，使得該區(qū)域涵養(yǎng)水源的能力提高，從而影響曲靖市主要水源地水域面積的變化。5結論本文通過19882017年間遙感影像，采用NDWI和MNDWI水體指數(shù)法，對曲靖市主要水源地最近29年的水域信息進行了面積提取和時空變化分析。結果顯示：19882017年間，曲靖市主要水源地水域面積呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，水域面積年

28、變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的“M”型波動增加。以曲靖市人民政府為原點建立平面直角坐標系，劃分出與平面直角坐標系四個象限相對應的四個區(qū)域，分別為一、二、三、四區(qū)域，并對四個區(qū)域進行統(tǒng)計分析，結果表示：19882017年間，一、二區(qū)域主要水源地水域面積呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，水域面積年變化趨勢表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降”的M型波動增加；三區(qū)域主要水源地水域面積在19882003年間，以1996年為時間節(jié)點，表現(xiàn)為不明顯的倒“V”型變化，20032017年間主要水源地面積緩慢持續(xù)上升；四區(qū)域主要水源地水域面積在19882017年間，總體表現(xiàn)為下降趨勢。在19882003年間，以199

29、6年為節(jié)點，表現(xiàn)為不明顯的倒“V”型變化。在20032017年間，以2009年為時間節(jié)點，表現(xiàn)為“V”型變化。根據(jù)研究區(qū)的地理位置和區(qū)域條件對曲靖市主要水源地水域面積變化的影響因素根據(jù)自然因素和人為因素做了詳細分析。分析得出年降水量的變化、地下水的補給、氣溫、除險加固工程、生態(tài)投資的增加等綜合影響了曲靖市主要水源地水域面積的變化。參考文獻1 杜云艷,周成虎.水體的遙感信息自動提取方法J.遙感學報,1998(04):264-269.2 徐蓉,張增祥,趙春哲.湖泊水體遙感提取方法比較研究J.遙感信息,2015,30(01):111-118.3 吳川,張玉龍,許秀貞,張全發(fā).基于Landset TM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水庫水域變化監(jiān)測研究J.