基于遥感影像的喀什地区水体提取

摘要：根据新疆喀什地区1990年、2000年和2010年左右的TM影像，采用改进的归一化差分水体指数（MNDWI），选取合适阈值的进行水体的提取，然后进行人工修正的方法，统计并获得喀什地区水资源（含冰川）总体面积。结果显示：1990年～2010年期间，喀什地区水资源（含冰川）总体面积在1990年至2000年以及2000年至2010年间分别减少了1141km2和987km2，变化率分别为-12.35%和-12.19%，并结合喀什地区气候变化相关研究成果，对影响喀什地区水资源时空变化的相关因素进行简单的讨论。

关键词：喀什地区；水体提取；MNDWI；动态变化

1.引言

水资源是社会经济发展中极为重要的资源，有关其分布、管理和利用是城市发展进程中最为主要的问题之一[1]。LandsatTM影像由于诸多优势，成为世界各国普遍使用的重要地球资源与环境遥感的数据源[2]。对于喀什地区水资源的分布情况，已经有相关专家学者进行了一些研究，安瓦尔·买买提明等[3]通过对喀什地区农业、工业、城镇公共、生活和生态五种不同类型用水量的多年变化情况，从人口、经济、城镇化等三方面进行分析，得知喀什地区的用水类型的比重变化情况及其主要驱动力。来玉梅等[4]通过喀什近十年来的河流、湖泊和冰川等的减少面积，并结合近二十年来该地区温度降雨等的变化，得出温度的升高是导致喀什地区地表水资源发生变化的主要因素。

2.研究区域概况

喀什地区是我国西部的行政区，位于我国西北部，新疆西南部，是我国的西大门。地区内有喀什噶尔和叶尔羌河两大流域，流域内环境系统相对比较脆弱，水资源总体表现为“春旱、夏洪、秋缺、冬枯”的特点[5]。各河流水系的源头均处于冰川以及山区积雪带，随着山地水体的融冻，各河流年内洪枯差异显著，均为冰川积雪融补型河流[1]。全区共有5大河流，另外有短程河3条。

3.数据与方法

3.1数据及其预处理

本研究使用的数据为Landsat5TM遥感影像，所用的投影坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone_43N，影像获取时间分别在1990年左右、2000年左右和2010年左右，月份均集中在7至9月份，云层覆盖度均小于10%，无条带影响，首先对原始影像进行几何校正，消除原始影像的几何形变，然后根据国家基础地理信息数据获取的喀什地区行政矢量边界作为感兴趣区进行裁剪，获得研究区域完整的遥感影像。

3.2本文方法介绍

由于水体对入射能量强吸收的特点，大多数的遥感传感器的波长范围之内，水体总体上表现为比较低的反射率，并且具有随波长的增长而减小的态势。具体表现为：在可见光波段之内（0.48μm～0.58μm），反射率在4%～5%之间，但是在0.58μm波长处，反射率下降到2%～3%；而波长大于0.74μm时，基本全部的入射纯水体的能量都被吸收[6，7]。由于水体在近红外波段和中红外波段范围之内（0.74μm～ 2.5μm）表现出的高吸收特点，使得这一波段范围中的入射能量基本上全部为较纯净的水体所吸收。利用水体反射率的这一特征，Mcfeeters于1996年提出了归一化差分水体指数（NDWI），其公式为：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

式中，Green表示绿光波段；NIR表示近紅外波段，在LandsatTM影像中，分别为第二和第四波段。

然而，此指数仅考虑到植被因素对水体信息带来的影响，却忽视人工地物和阴影带来的影响[13]，在进行水体提取时，会有比较严重的错分现象。

而徐涵秋等人针对这个特点，提出一种改进的归一化水体指数（MNDWI），公式为：

MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR）

其中，Green和MIR分别对应了绿光波段和中红外波段，在LandsatTM/ETM中为第二和第五波段。在这个公式中，水体信息得到显著的增强，而植被、土壤、人工地物和阴影等非水体信息得到了相当程度的压制，见图2。

由上图比较，我们可以清晰地看出：MNDWI比NDWI更能够将水体信息突出显示，亮度值更高，而对于土壤等其他信息，前者的压制效果比后者更好，所以本研究采用效果更好的MNDWI进行水体信息的提取工作。

3.3水体提取

1990年、2000年以及2010年左右三期的水体提取工作是在EnviClassic上开展，后期的修正等处理使用ArcGIS 10.0进行。

使用Envi的波段运算工具分别计算1990年、2000年、2010年的MNDWI值，经过反复试验，选定恰当的阈值进行水体提取。由于山体阴影与水体具有相似的光谱反射率，会导致误提，因此，需对误提部分进行修改，以保证最终获得地水体提取成果图的误差控制在15%之内，满足土地利用和覆盖地图的精度要求[8]。

4.结果与讨论

4.1水资源调查结果

通过MNDWI选取合适阈值，以及后期的人工修正等处理之后，水体提取结果的误差主要存在于目视误差以及统计误差[9]，由于TM影像的分辨率为30m，使得识别水体的误差能够达到30m，由于前期的校正误差，水体提取结果误差达到一至两个像素。

对于喀什地区，河流湖泊等液态水资源分布在其中北部，冰川等固态水资源则分布在喀什地区的南部，从上图中，对比a、b、c三图，我们能够明显的看出，1990年至2010年的这二十年间，喀什地区东北部的湖泊水体有着较大程度的削减，而在喀什的中部地区，叶尔羌河周边的湖泊湿地等也有着不同程度上的变化，南部的冰川积雪也有着较大面积上的消融，由于三期影像的选取时间大致相同，所以冰川及河流等水资源的提取数据具有可比性。

在中亚地区，固态水体是干旱半干旱地区水资源重要的调节源和补给源，众多的冰川是该区域几大河流的源头。已经有学者研究表明：喀什地区的冰川物质表现为负平衡的状态[9，10]，玉龙喀什河源区在1989年～2001年间冰川面积和储量开始不断减少[10]。上图为喀什地区20年间水资源动态变化比较图。

4.2结果统计和分析

通过上表，我们可以看到，喀什地区水资源（含冰川）由1990年左右的9238km2，减少到2000年左右的8089km2，再到2010年左右的7110km2，两个十年间，分别减少1141km2和987km2，减少比率分别为-12.35%，-12.19%。

简单分析水资源发生变化的原因，可以从气候因素和人为因素两方面来进行考虑。a.气候因素：主要包括温度以及降水，喀什地区夏季气温近20年来总体表现为升高的态势，平均上升率为0.57℃/10a[9]，温度的升高，引起喀什地区南部冰川的消融加速，地表水蒸发量增多，地表储存量减少，温度的长期增长对冰川积雪等固态水资源产生不可逆的影响。降水是喀什地区地表水的主要补充源，喀什地区的降水基本在每年的5月～9月份，该期间降水增幅较大，短期内地表水充沛，但该时间的水资源利用率较低。b.人为因素：主要表现在社会经济等方面，随着喀什地区的经济在逐年增长和人口的增加该地区的用水需求在不断增加。大量的农田、河流的改造、灌溉沟渠和湿地的开垦等因素也同样导致该地区地表水资源的进一步减少。

5.结论

利用遥感技术可以快速高效的进行水资源提取工作，由于人工解译的固有缺点，在进行范围较大区域的水体提取时，虽然精度高于其他方法，但是工作量却是极大的，而MNDWI虽然精度不如人工解译，但是结合后期的人工修改之后，显然可以满足土地利用和覆盖精度的要求，是水资源调查与提取的重要方法之一。在气候因素和人为因素的综合影响下，喀什地区地表水资源表现出逐年减少的态势。本文通过对喀什地区水资源三期数据之间的对比，得知喀什地区在自然水资源方面呈现出逐年减少的态势。冰川和积雪的消融加速，短期之内会引起下游河流径流量的增加，造成流域水资源增多的假象。但由于喀什地区整体温度的升高，将使得喀什地区冬季冰川积雪储存量降低，夏季温度的上升又会使得冰川融雪加速，使得水资源出山径流量的增加，这将会引起喀什地区夏季河流洪水灾害频繁增加，降低水资源的利用效率。喀什地区的水资源将可能出现供应不足的现象，并会对生态环境带来无法估量的影响。为保证水资源的可持续利用，该地区需要增加对水资源的优化配置，提出更加合理有效的水资源利用以及规划的方案。

参考文献：

[1]来玉梅.基于Landsat5 TM影像的近二十年喀什地区水资源变化分析研究[D].北京交通大学， 2012.

[2]杜先荣，杨建生，王飞红.一种改进的基于TM影像的水体提取方法[J].济南大学学报（自然科学版）， 2014， 28（6）：434-438.

[3]安瓦尔·买买提明，张小雷，塔世根·加帕尔.新疆喀什地区水资源利用时空变化及其驱动力分析[J].北京师范大学学报（自然科学版）， 2010， 46（2）：202-207.

[4]来玉梅，邱玉宝，傅文学，等.基于TM影像近十年来喀什地区地表水遥感监测与分析[J].遥感信息， 2013， 28（3）：50-57.

[5]阿依仙木古丽·阿布来提.新疆喀什市近30年气候变化及其对农业影响的研究[D].新疆师范大学， 2013.

[6]Jensen J R. Introductory Digital Image Processing： A Remote Sensing Perspective[M].N J： Prentice Hall Logicon Geodynamics， Inc.， 1996.

[7]劉洁.基于TM、ETM～+影像的东平湖湿地信息提取及时空演变研究[D].山东农业大学， 2013.

[8]CAO， Xinxiang. Dynamics of Wetland Landscape Pattern in Kaifeng City from 1987 to 2002[J]. Chinese Geographical Science， 2008， 18（18卷第2）：146-154.

[9]Anderson J，Hardy E E，Roach J T， et al. A Land Cover and Land Use Classification System for Use with Remote Sensing Data[M]. USGS Professional Paper 964. Washington DC：United States Government Printing Office，1976.

[10]高鑫，张世强，叶柏生，等. 1961—2006年叶尔羌河上游流域冰川融水变化及其对径流的影响[J].冰川冻土， 2010， 32（3）：445-453.

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