艾比湖面积动态变化与气象要素的关系研究.pdf

第3 2卷 第3 期 Vo1 3 2 NO 3 农 业 科 学 研 究 J o u r n a l o f Ag r i c u l t u r a l S c i e n c e s 2 0 1 1 年9月 S e p201 1 文 章 编 号 ： 1 6 7 3 0 7 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 4 8 0 5 艾比湖面积动态变化与气象要素的关系研究 邢文 渊 ，刘杰 ，李秀花。 ，吕光辉 ， 常顺利 ， 肖继 东 ，师庆 东 ( 1 _ 新疆维吾 尔 自治 区气候 中心， 新疆 鸟鲁木 齐8 3 0 0 0 2 ； 2 新疆乌鲁木 齐 1 6中， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 1 ； 3 新 疆教 育学院 职业教育分 院， 新 疆 乌鲁木 齐8 3 0 0 6 3 ； 4 新 疆大学资源与环境科 学学院， 新 疆乌鲁 木齐8 3 0 0 4 6 ) 摘 要 ： 利 用 2 O O 5 2 O 1 0年 2 5 0 m2 5 0 I T I 的 E 0 MODI S卫 星 资料 ， 通 过 预 处 理 、 几 何 校 正 ， 在 C+ + 环 境 下 ， 进 行水体判识与 面积计算 ， 对艾比湖湖 区水域面积进行计算 ， 得 到逐 旬的遥感动 态监测 数据 ， 将 其与 同期气 象台站 的 观测 资料 ( 温度 、 降水、 风速、 蒸发 量) 相结合 ， 在 S P S S中进行统计分析 结果表明 ： 艾比湖面积有显著的季 节性 变 化 ， 同一年 内， 由春到秋 ， 艾比湖湖 区水体面积 总体呈现逐 渐减 少的趋 势； 湖 区水域 面积年 内最大值 多 出现在春 季 ， 年 内最小值 多出现在秋 季， 但秋末湖 区水域 面积相 对秋 初 又有 所增加 从年 际变化 来看 ， 2 0 0 5 2 0 1 0年 ， 艾比湖 湖区水域 面积 呈现逐年减 少的趋 势； 旬平均最 高峰 出现在 4月中旬， 且 5月 下旬湖区面积会 出现次 高峰 ， 旬平均最 小值 出现在 1 O月上 旬， 旬平 均最高峰 主要是 山 区融雪和 降水的 共 同作 用所致 ， 次 高峰 主要 是 由降水所致 相 关 分析表 明， 湖泊面积 变化与温度 、 降水相关性不显著 ， 但与 风速有显 著的正相 关， 与蒸发量有显 著的负相 关 关 键 词 ： MODI S； 动 态 变化 ； 艾 比 湖 中 图分 类 号 ： P 9 4 文 献标 志 码 ： A 湖泊是 重要 的 国土 资源 ， 具 有 调节河 J i I 径流 、 发 展灌溉、 提供工业和饮用水源 、 繁衍水生生物和改善 区域 生态环 境 等多 种 功 能 ， 在 国民经 济发 展 中发 挥 着 重 要作用 随着全 球气 候变 暖 和人类 活动 的加 剧 ， 湖泊 萎缩 、 湖泊 污染 以及 湖 泊 富 营 养 化 已成 为 人 类 面 临 的主 要湖 泊 环 境 问题 1 湖泊 作 为 其 流域 物 质 和能 量之 “ 汇 ” 2 ， 作 为地 表水 的重 要载体 ， 参 与 自然 系统 的水 分循 环 ， 在 干旱 区显 得格 外 突 出和重 要 3 加强 对 湖泊 面积 的实时 、 动 态监 测 ， 及 时准 确掌 握湖 泊生态环境的变化情况 ， 对维护干旱区生态平衡， 保 护干旱区生态环境和 防洪 、 抗旱及为当地政府提供 决策 信息 都具 有 十分重 要 的意义 对 艾 比湖 流域 开 展 的研 究 工 作很 多 ， 张 晶l 4 利 用艾比湖流域近 4 5 a降水资料 ， 分析了降水 的变化 特征 ， 发 现 2 0世 纪 9 O年代 后期 ， 艾 比湖流 域 降水量 明显偏 多 ； 相关 研究 ! 指 出 ， 全球 变 暖会 直 接导 致 水循 环 加快 ， 增 强降水 和蒸 发 ； 而格 丽玛研 究 了艾 比 湖 流域 近 4 5 a的气候 变 化 ， 发 现 自 2 O世 纪 9 0年 代 以来 ， 在艾 比湖 流域 气 温 升 高 、 降 水 增 多 的 同 时 ， 蒸 发量却 在 减少 ； 也有 对艾 比湖 土壤 理化 性 质 、 生 态 环境 演化 9 及 生 态 服 务 1 叩和 生 态 耦 合口 方 面 的 研 究 以往常 规 的湖泊 调查 方法 是通 过 实地 考察取 样 对其 进行 分析 ， 费 时 、 费 力 ， 随着遥 感技 术 的应用 ， 资 源 、 气 象卫 星 等探测 到 的各种 遥感 信息 ， 为 揭示 湖泊 的变 化及其 影 响创 造 了条 件 高 分 辨 率 的 卫 星遥 感 图像 相对 于常 规 的 湖泊 调 查 方 法 ， 具 有 全 面、 快 速 、 数据 量大及 更 新快 的优 势 ， 被 广 泛 地 应 用 在水 质 监 测、 湖泊的动态环境变化及盐湖开发等领 域 1 卫 星遥感图像具有周期性 、 宏观性和现势性的特点 ， 因 此运 用遥 感技 术对 湖泊 、 水 库等 水体 进行 洪涝 灾 害 、 矿物 质含 量 、 水体 温 度 的反 演 及其 变 化 、 水 面 面积 、 水体污染、 水生植物等调查 ， 有着快速、 实 时性 的优 势 ， 具有 广 阔的应 用前 景 收稿 日期 ： 2 O n O 3 2 8 基 金 项 目 ： 新 疆 大 学 开放 课 题 ( XJ DXO 2 O 6 2 0 0 9 0 5 ) 作者简介 ： 邢 文渊( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 新疆 巴里坤人 ， 工程师 ， 主要 从事绿洲生 态研究 万方数据 第 3期 邢文 渊 等 ： 艾 比湖面积 动 态变 化与 气象 要素 的关 系研 究 4 9 MO DI S传感器 的高时 间分辨 率、 高 光谱分辨 率、 空间分辨率适 中等特点l_ l ， 使其 在湖泊监测 中 具有 突 出优 势 利 用 MO DI S数 据 高 时 间分 辨 率 的 优势 ， 能够实时获取大尺度的湖泊信息 ， 得到不 同季 节 的多 时相 数 据 1 在 此 ， 主要 选 取 新 疆 干 旱 区水 体 面积 变化 幅度 较 大 的艾 比湖进行 长 时 间序列 的水 体面积动态变化及其与气象要素的关系研究 1 研究 资料 1 1 研 究 区介 绍 艾 比湖新疆 第 2大咸 水湖 ( E 8 2 。 3 5 8 3 。 1 0 ， N4 4 。 4 4 4 5 。 1 0 ) ， 在 精 河 县 城 北 部 ， 西 接 博 乐市 ， 北 临塔 城地 区托里 县 ， 西 北 与哈 萨克 斯坦 共 和 国相 邻 ， 流域 东部 与 古尔班 通 古特 沙漠 相连 ， 是 准 噶 尔盆 地 西南缘 最 低 洼 地 ， 也 是 该 区域 地表 水 和地 下 水 的水 盐汇 集 中心 艾 比湖 湿 地 现 为新 疆 区级 重 点 自然保护区 ， 是我国内陆荒漠中为数不多的荒漠 物种集中分布区和鸟类重要的迁徙栖息地 1 2数 据来 源 本研 究所 用 的 MO DI S影像 数据 均 来 自新疆 维 吾尔 自治 区气象 局气 候 中心 生态环 境 遥感科 接 收处 理 的 E O S MODI S原 始 数 据 ( p s d ) 文 件 ， 时 间 为 2 0 0 5 - 2 0 1 0年 4 1 0月 共 计 1 2 6旬 的 ( 1 l 一 3月 艾 比湖 有 雪 覆 盖 ) 艾 比 湖 上 空 为 晴 空 、 无 云 覆 盖 的 MODI S数 据 ， 按 照 每 1 0 d的 时 间分 辨 率 进 行 水 域 面积 监 测 2 数据处理 2 1 水 体遥 感监 测 原理 卫 星 遥感 图像 记 录 了地 物 对 电 磁 波 的 反 射 及 自身 的热 辐 射 信 息 由于 不 同地 物 其 结 构 、 组 成 及 物 理 、 化 学 性 质 的差 异 导 致 了其 波 谱 特 征 各 不 相 同， 在卫星图像上 ， 各种地 面物体都有 1个 能使其 得 到 最 佳 显 示 的 波 段 已 有 的 研 究 结 果 表 明 ， MOD I S数 据 的 波 段 1是 红 光 区 ( 0 6 2 0 6 7 F m) ， 波 段 2是 近 红 外 区 ( 0 8 4 1 0 8 7 6 t m) 在 波段 2波 长 范 围 内 ， 植 被 的反 射 率 明 显 高 于 水 体 的反 射 率 ； 而 在波 段 1波 长 范 围 内 ， 水 体 的 反 射 率 高于植被 的反射率 因此 ， 在 可见 光和近红外 波段 范 围 内 ， 水 体 与 植 被 等 其 他 地 物 的 光 谱 反 射 率 存 在差异 ， 这是利 用遥 感数 据进行 水体 提取 和制 图 的基 本 原 理 E l 6 反 映 在 影 像 上 ， 水 体 呈 现 出 暗 色 调 ， 而 土壤 植 被 则 相 对 较亮 2 2数据 处理 方 法 2 2 1数 据预 处理 MO DI S原 始 数 据 为 “ p s d ” 文 件 ， 需进 行预 处理 ， 完成 辐 射 校 正 和 光谱 校正 本 研 究 MO DI S预 处理 采用 了 由新疆 维 吾 尔 自治 区气 象 局提 供 的 EOS _ MOD I S资料 接 收处理 系统 2 2 2 几何校 正 MO D I S 原 始数 据经 预处理 生成 HD F文 件 ， 利 用 星 地 通 公 司 提 供 的 E O S MOD I S 投影 工 具 将 图 像 转 换 为 等 经 纬 度 投 影 ， 中 心 经 度 8 2 5 。 ， 中心 纬 度 4 3 7 5 。 ， 中心 分 辨 率 0 0 0 2 5 ， 生 成 * 1 d 2文 件 ， 且 在 投 影 前 对 数 据 进 行 质 量 控 制 ， 主 要选 取研 究 区接 近星 下点 的影像 进行 投 影 2 2 3 水 体信 息 的提 取 通 过选 择 合 适 的通 道 组 合方式 ， 生成多光谱彩色图像 ， 对水体、 植被 、 土壤等 加 以区分 根 据 不 同地 物 在 MOD I S各 波 段 的光 谱 特性 ， 分 别赋 予通 道 7 、 2 、 1为红 、 绿 、 蓝 3种 颜 色进 行 R GB合 成 ， 可达 到较好 的图像 显 示效 果 ， 能定 性地 观测 水 体 边 界 位 置 ， 大 致 区分 水 体 、 地 表 及 云 区 剔 除 湖 区云遮 挡较 大 的影像 文件 选取 晴 空影像 数据 ， 利用差值植被指数法 ， 有利于突出水体与其他 地物 之 间 的差 异 ， 可将 水体 与背 景 区分开 ， 其表 达式 为 C H2 一CH1 0 ( C H1 、 CH2分 别 为 1 、 2波 段 的 像元亮度值) 另外 ， 引入条件 CH6 1 5 O K， 可 以将 云 和水体 区分 在 C+环 境下 ， 借助 以下方 式 进行 湖区水体面积计算 ： AS N N ， ( 1 ) S 一A S ( 2 ) i = 1 式 中 ， N 为 纬 度 方 向 距 离 ， N 为 经 度 方 向距 离 ， i 为像素序号 ， N 为水体 的总像素 对各个条件 的具 体选定须根据卫星系列不同和季节变化以及不 同 日 照强弱 ， 也可稍作浮动调整 对影像数据进行较为严 格 的质量 控制 ， 保 证每 旬 能 有 1 2景影 像 数 据 ， 且 一 般 选取 有 天气过 程 发生之 后 的湖 区面积 作 为本旬 湖 区面积 ， 由此得 到 了连续 、 动态 的艾 比湖湖 区水体 面积 的变 化数 据 2 2 4 气 象数据 的提 取 提 取 艾 比湖 所 处 精 河 县 2 O 0 5 2 O 1 0年 4 1 O月 的逐 旬气 象 资 料 ， 主 要 包 括 温度 、 降 水和 风速 3 结果分析与讨论 通 过 对 2 0 0 5 - 2 0 1 0年 4 1 O月 1 2 6旬 的艾 比 湖湖 区影 像数 据 的计 算 与统 计 整 理 (