基于GEE的干旱区流域湿地...特征分析——以宁夏平原为例_邹业斌.pdf

年 第 期 邹业斌，等：基于 的干旱区流域湿地水体时空动态变化特征分析引文格式：邹业斌，柴明堂，杨娟，等 基于 的干旱区流域湿地水体时空动态变化特征分析 以宁夏平原为例 测绘通报，（）：基于 的干旱区流域湿地水体时空动态变化特征分析 以宁夏平原为例邹业斌，柴明堂，杨 娟，申晓晶，冯东溥，舒 瑞，（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川；宁夏回族自治区黄河水联网数字治水重点实验室，宁夏 银川；中国地质大学（武汉）公共管理学院，湖北 武汉；宁夏自然资源勘测调查院，宁夏 银川）摘要：黄河流域生态保护和高质量发展已成为国家重大战略，宁夏平原为黄河流域具有代表性的典型湿地区域。本文基于谷歌地球引擎平台（）对宁夏平原 年湿地水体的历史覆盖、面积变化、类型转变及季节性演变等动态信息进行分析与评价。结果表明：年宁夏平原湿地水体历史覆盖面积为 .，占研究区面积的.，全时段覆盖水体面积为.；年至 年宁夏平原地表水体面积共计增加 ，总体面积变化率为.；研究区新增永久性水体明显，过去 年新增永久性水体.，同时季节性水体面积变化幅度较大；年，全年覆盖水体占比为.，而 月覆盖时间的水体面积占比超过。本文成果可为环境保护和黄河流域高质量发展提供数据支撑。关键词：地表湿地水体；水体面积变化；水体类型转变；水体季节性演变；谷歌地球引擎平台中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，；，）：，：，.，.，.，.，.，.，：；宁夏平原是典型的引黄灌溉区，引黄河水灌溉和生态补水得天独厚的条件已具有 多年的历史，使这一地区形成了大量的湿地水体资源。历史上，宁夏平原湿地生态系统在提供水源、蓄洪防旱、气候调节、维护物种多样性等方面作出过重大贡献。但受全球气候变暖和社会经济快速发展，收稿日期：基金项目：宁夏自然科学基金（；）；宁夏高等学校一流学科建设项目（）作者简介：邹业斌（），男，博士，讲师，主要研究方向为遥感水文和地理信息。：通信作者：柴明堂。：测 绘 通 报 年 第 期以及大规模围湖造田、改湖建塘、河滩耕种和城市建设等活动的影响，这一地区自然水体严重退化，湿地面积锐减，且生态系统稳定性降低。近年来，在国家和地方的退田（塘）还湖、湿地恢复和保护等政策驱动下，宁夏平原湿地水体退化趋势得到明显遏制，整体上呈现不断退化与恢复并存的复杂现状，亟需以快速、稳定、准确的途径揭示并分析宁夏平原湿地的现存现状、退化趋势和长期演变特征。长期以来，众多学者们针对宁夏平原湿地的水文水资源循环、湿地动态变化、驱动机制、植物群落等方面开展研究，并取得了一些重要成果。文献利用 年 遥感影像，运用空间叠加分析法和时间序列分析法，分析宁夏引黄灌区湿地的时空动态变化过程，并揭示了引黄灌区湿地动态演变的驱动机制。文献以宁夏河流湖泊作为研究对象，提取遥感影像中的河湖水体信息，对宁夏境内河湖湿地的时空演变情况进行调查分析。文献通过人工目视解译卫星影像，并与实地调查资料相结合，监测分析宁夏平原银川地区湿地变化，发现 年银川地区湿地面积缩减且该演变与气候变化、黄河径流量及人类活动密切相关。目前针对黄河流域宁夏平原湿地水体时空变化的定量研究较少，且多是根据历史地理角度的定性分析，已有的湿地水体监测分析方法面临覆盖范围小、时间跨度短及分析效率低等问题。随着遥感技术的发展，卫星遥感数据已被应用于大面积湿地信息的观测，其大范围、多分辨率、多时相的动态监测功能，可用于获取地表湿地水体的宏观、高分辨率且长期连续的观测数据。谷歌地球引擎（，）平台通过专用云存储提供大量的高分辨 遥感影像，可以在线访问、处理并提取湿地水体信息，基于遍布世界各地的服务器，可以并行计算处理大范围覆盖的长时间序列影像。本文将基于 平台提取的水体数据集，分析并揭示宁夏平原湿地水体的现状与变化特征，及时掌握湿地水体的分布和演变状况。研究区概况宁夏平原（如图 所示）地处中国西北内陆干旱区，位于黄河流域中上游，斜贯宁夏回族自治区北部，依靠黄河水灌溉和生态用水补给，宁夏平原内分布广泛的湿地水体，形成内陆干旱区具有代表性的流域湿地水体资源。宁夏平原南北长约，东西宽约 ，总面积达.万，平均海拔 以上。研究区内生态环境脆弱，具有明显的大陆性气候特征：冬寒长、春暖迟、夏热短、秋凉早，干旱少雨、降雨集中、蒸发强烈、风大沙多、日照充足。年均气温为.，年均降水量不足 ，年均蒸发量为 ，约为年均降水量的 倍。图 宁夏平原示意图（绿线框内）数据与湿地水体提取和分析方法.数据来源 是一个用于执行大规模数据分析的基于云计算的地理空间分析平台。它利用谷歌的海量计算能力解决各种具有重大影响的社会问题和计算问题。提供云存储库以保存大量公开可用的卫星图像和地理空间数据集，数据无需下载到本地即可完成在线处理。基于 平台的专家系统处理 年 万余张 遥感影像以绘制全球地表水的分布和时空演变图。在数据集中，使用证据推理、视觉分析和专家模型将每个像素单独分类为水体和非水体，并将结果整理成整个时间段（年）上的月度数据和以 年为界限的两个时期（年和 年）的汇总数据，用于水体变化检测。利用 云计算平台对地球观测数据进行处理，最终生成的数据集包含 年全球地表水的历史覆盖情况、覆盖面积增减情况、水体类型转换及季节性特征等数据。该数据集已经过实地采样验证，并通过超过 个参考样本点证实了专家系统分类器产生的水体分类误判误差小于，漏判误差小于 这一结论。将基于 全球水体数据集的高精度提取结果，用于宁夏平原湿地水体的分析，具有适用性和可靠性，可在区域范围内探索水体表面积的时空变化，。年 第 期 邹业斌，等：基于 的干旱区流域湿地水体时空动态变化特征分析.水体数据的提取与分析方法利用 平台获取 年的历史覆盖率（）、覆盖面积变化（）、覆盖类型转变（）和季节性（）的全球水体数据集（）栅格影像数据。首先采用掩膜提取、栅格计算、数理统计和面积计算等方法，从栅格影像中裁切获取宁夏平原的湿地水体数据；然后在 软件中读取属性表，通过属性表统计宁夏平原及各市县的湿地信息，调查与分析宁夏平原的水体覆盖情况、面积变化、类型转变及季节性特征。掩膜提取和面积计算公式分别为 （）（）（）式中，为原始图层；为宁夏平原 图层；为宁夏平原范围内的水体栅格影像；（）为面积统计函数；和为两个阈值；为阈值范围内的水体面积。结果分析.地表水体历史覆盖面积从 平台获取全球水体数据集的历史覆盖率栅格影像，采用掩膜提取、栅格计算和面积计算等方法，获取宁夏平原湿地水体数据，并导入 软件，统计宁夏平原及各市县的地表水体覆盖面积。图 显示了 年地表水的历史出现频率，即使用某位置出现水的年数除以总年数（年）。永久性水体（年内一直存在，即）用深色表示，偶尔出现水的区域用较淡颜色表示，较浅的颜色代表地表水发生频率较低的区域。图 年宁夏平原地表水历史覆盖情况由图 可知，颜色较深的区域主要为黄河主河道、星海湖、沙湖、阅海湖、腾格里湖、水库及部分输水干渠等。由于一些行政区只有部分国土面积与研究区重合，如银川市灵武市、吴忠市利通区、中卫市中宁县和中卫市沙坡头区，因此只统计这些行政区在宁夏平原范围内的地表水覆盖面积情况，见表。表 年各行政区地表水历史覆盖面积统计行政区地表水总覆盖面积高覆盖率（）面积低覆盖率（）面积石嘴山市平罗县.银川市贺兰县.吴忠市青铜峡市.银川市兴庆区.石嘴山市惠农区.银川市灵武市.中卫市沙坡头区.石嘴山大武口区.中卫市中宁县.银川市永宁县.银川市金凤区.银川市西夏区.吴忠市利通区.总计.过去 年内 历史覆盖频率所涉及的水体面积为 .。其中，石嘴山市平罗县、银川市贺兰县、吴忠市青铜峡市、银川市兴庆区依次被较大面积的地表水体覆盖，面积分别为.、.、.、.。若将 历史覆盖频率的区域认为是全时段覆盖水体，宁夏平原总覆盖面积为.。其中，中卫市沙坡头区、吴忠市青铜峡市和石嘴山市平罗县占比较大，面积值分别为.、.和.。整体上，宁夏平原地表水资源较丰富，但永久性水体占比较小，低覆盖率水体面积较大，水体面积多年来波动剧烈。.地表水体覆盖面积变化图 为研究区地表水体覆盖面积变化情况。获取全球水体数据集的变化栅格产品，采用上述方法处理栅格影像，获取水体面积的变化信息。图（）为宁夏平原 年和 年的地表水覆盖面积变化情况，即两个阶段之间的地表水覆盖面积增加和减少情况。图（）为各个行政区在两个阶段的面积变化率（面积变化率面积变化值（年 面 积 值）。其 中，测 绘 通 报 年 第 期 年面积值为两个阶段不变水体面积在考虑减少面积后计算的。分析结果表明，过去 年，宁夏平原地表水面积总体增加.、减少.，合计增加约 ，总体面积变化率为.。面积不变的地表水类型主要为过境河流、大型湖泊、水库和输水干渠等。具体数据见表。图 年地表水体面积变化情况 由图 和表 可知，所有行政区水体覆盖面积均呈增加趋势。年至 年湿地面积增加区域主要分布在石嘴山市平罗县、银川市灵武市和石嘴山市大武口区，面积变化值分别为.、.和.，变化率分别为.、.和，面积增加最小的区域为银川市贺兰县，面积仅增加.，变化率为.。表 年各行政区地表水体面积变化值及变化率行政区增加面积减少面积合计面积变化率（）石嘴山市惠农区.石嘴山大武口区.石嘴山市平罗县.银川市贺兰县.银川市兴庆区.银川市西夏区.银川市金凤区.银川市永宁县.银川市灵武市.吴忠市青铜峡市.吴忠市利通区.中卫市中宁县.中卫市沙坡头区.总计.地表水面积变化较剧烈的区域主要位于银北灌区（银川以北）及黄河主河道两岸，包括银川市下辖的灵武市及石嘴山市下辖的 个辖区（图（）中绿色圆圈处），最大变化率达.。由于城市内水系开挖、河道清淤及扩大湖泊等生态工程的实施，银川市内河湖面积大面积增长，保持较高增长率（图（）中圆圈三角形处），但银川市西夏区和贺兰县在恢复生态的同时，城市建设在一定程度上侵占了部分地表水域面积，水域面积增加量和变化率较小（图（）中圆圈十字线处）。总体而言，增长率较高的区域分布在宁夏平原的东部和北部，而西部和南部增长率较低，这也间接反映了宁夏境内不同区域的地势地形和水系水资源存在差异。.地表水体覆盖类型转变图 为 年（第一年）与 年（最后一年）之间水体覆盖类型的变化情况（即 栅格数据，处理方法同上），这里主要分析永久性水体、季节性水体和无水体覆盖土地类型的转换情况，表 给出了 年相对于 年的水体覆盖类型的转变情况。年期间，宁夏平原.的国土面积（.）处于永久性水体覆盖下。其中，一半以上（.）位于北部区域，年间新增永久性水体为.，消失的永久性水体为.；年 第 期 邹业斌，等：基于 的干旱区流域湿地水体时空动态变化特征分析同时新增季节性水体为.，消失的季节性水体为.，因此季节性水体变化幅度大，也表明作为内陆干旱区流域的地表水资源，水面面积季节性波动剧烈。图 年宁夏平原地表水体覆盖类型变化的空间分布情况表 年地表水体覆盖类型转变数据水体类型转变面积占比（）说明永久性水体.年来一直存在的水体新增永久性水体.无水区转变为永久性水域消失的永久性水体.永久性水域变为无水区季节性水体.仅在一年内的某些月份出现新增季节性水体.无水区转变为季节性水域消失的季节性水体.季节性水域转变为无水区季节性转永久性水体.季节性水域转变为永久性水域永久性转季节性水体.永久性水域转变为季节性水域短暂的永久性水体.短期的永久性水体，最终消失短暂的季节性水体.短期的季节性水体，最终消失总计.地表水体覆盖月数以 年为例，由图 和表 可知，宁夏平原 个 月 覆 盖 月 份 的 水 体 面 积 最 大，面 积 为.。其他覆盖持续时间中，随着覆盖月份的增加，水体覆盖面积呈递减趋势。持续全年覆盖的水体主要位于黄河主河道和一些重要的大型湖泊，如星海湖、沙湖、阅海湖和腾格里湖等。但宁夏平原全年覆盖水体占比仅为.，而 月覆盖时间的水体面积占比超过，因此整个区域的水体面积的年内季节性变化显著，同时也证实了.节中的结论，平原内季节性水体面积演变较明显。图 地表水覆盖月份数情况表 地表水体不同覆盖月份数的对应面积和比例覆盖月数覆盖面积比例（）覆盖月数覆盖面积比例（）.或 个月.合计.结 论以黄河流域宁夏平原内地表湿