1. 引言
我国地域广阔，湖泊数量多，分布广。我国各地出现湖泊面积和水量明显波动变化，总体呈萎缩趋势，西部地区部分湖泊甚至干涸，湖泊面积的减小不仅导致湖区内湿地面积缩小，还破坏了江湖水生生态系统的稳定性 [1] 。
洞庭湖是我国第二大的淡水湖，主要由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖三个湖盆组成。近年来，由于气候变暖、人类不合理的开发和利用，造成洞庭湖水域面积不断缩小。据气象卫星长期的监测数据显示，洞庭湖区5月同期水平面平均值为900 km2，而2011年5月17日洞庭湖水体面积约为382 km2，相较于2010年5月24日湖区面积1649 km2缩小了76.8%。洞庭湖水位及表面积的不稳定变化，导致洪涝灾害频繁，严重影响了洞庭湖区及周围的生态环境 [2] 。因此，洞庭湖水域面积变化监测对改善洞庭湖区生态环境和生产资源具有重要意义。
2. 研究区域及数据源
2.1. 研究区概况
洞庭湖位于湖南省东北部、湖北省荆州南部，地理坐标位于N28.5˚~29.5˚，E111.75˚~113.25˚之间 [3] ，南纳湘、资、沅、澧水四水汇入，北部与长江相连，在长江中游发挥着重要的调蓄洪作用。该湖泊位于亚热带季风湿润气候区，雨量丰沛，年降水量1100~1400 mm，每年4~6月的雨季降雨量占总降水量的50%以上，并且多为大雨或暴雨，形成了良好的水文、土壤和气候条件，良好的自然环境孕育了丰富多样的湿地植被和动物湿地气候条件。洞庭湖区亦是全国重要的渔业和商品粮基地。
本文主要采用美国陆地卫星Landsat系列影像数据研究洞庭湖水域面积，由于洞庭湖面积较大，需要东西两景影像镶嵌才能获取整个湖面的影像图，但考虑到两条不同轨道的卫星影像时相相差较大，加上天气的影响，难以获得时相非常相近的动态观测数据，而采用单景影像较易实现动态观测，单景Landsat影像仅包括东洞庭湖区及南洞庭东部湖区，因此，将东洞庭湖区及南洞庭东部湖区作为研究区(图1)。
2.2. 数据源
本文选用轨道号为123-40的Landsat 4-5 TM和Landsat 8 OLI_TIRS影像进行研究，9月降雨少，没有洪水的干扰，湖水稳定；且秋高气爽，易于获取无云的遥感影像，因此，选择9月的遥感数据作为研究的基础数据。
本次研究所选择数据源均为美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov/)下载的Landsat数据，1996年至2013年间，共6个时相，影像质量较好，无云覆盖，适合水体信息提取(表1)。
3. 研究方法
3.1. 数据预处理
由于本次研究所采用的Landsat 4-5与Landsat8影像数据已经进行过辐射校正，因此只需将所有时相的影像数据进行严格配准，然后裁剪出相同范围的子区遥感影像。
3.2. 水域提取
目前，国内外学者常用的水体提取方法有很多，如单波段阈值法、多波段谱间关系法、指数模型法、密度分割法等。单波段阈值法是对遥感影像中的近红外波段设定合适的阈值来将水体与非水体区分开来的方法，该方法使用起来较为简单，但是难以区别水体与非水体间的过渡区，无法提取较为细小的水体，Frazier等 [4] 采用该方法提从TM5影像中取水体信息，但效果欠佳。多波段谱间关系法则主要是通过分析水体与背景地物间的波谱曲线特征关系，进而利用波段间逻辑关系式提取水体信息，周成虎等利用(TM2 + TM3) > (TM4 + TM5)关系式可将水体阴影区分开 [5] 。常用的指数模型法有McFeeters等的水体指数(NDWI)法 [6] 、徐涵秋在归一化差异水体
Table 1. Remote sensing image of Landsat 4-5 TM and Landsat 8 OLI_TIRS of Dongting Lake
表1. 洞庭湖区Landsat4-5 TM和Landsat 8 OLI_TIRS遥感数据源
指数NDWI (Normalized Difference Water Index) [6] 基础上改进的归一化差异水体指数(Modified NDWI, MNDWI)法 [7] 和丁凤所提出的新型水体指数(NWI)法 [8] 等。
本文主要采用MNDWI指数模型法提取1996~2013年9月份遥感影像中水域的信息。MNDWI指数模型(公式(2))是在原有的NDWI指数模型(公式(1))的基础上进行了修正，将NDWI指数模型中的近红外波段替换为中红外波段，具体公式如下：
(1)
(2)
公式(1)中Green为TM2，即绿光波段，NIR为TM4，即近红外波段，公式(2)中MIR为TM5，中红波段。由于NDWI仅考虑到了植被因素，却忽略了地表土壤和建筑物。洞庭湖区内地物类别大致可分为水域、植被、裸地和建筑物等，利用该指数模型提取水体时，会将许多建筑物的背景错归为水体，达不到满意的提取效果。但是，MNDWI用中红波段代替了NDWI中的近红外波段，增强了水体与建筑的反差，降低了二者的混淆，减少了背景噪音，从而提高了水体专题信息提取的准确度 [7] 。利用ENVI 4.8遥感软件的波段比值运算，结合相应时相的真彩色合成影像图，选取相应的阈值(0.158112-0.189873)提取水体信息(表2)。
基于MNDWI指数模型法所提取的水域图存在一定的碎小图斑、孤岛等问题，在ArcGIS中对碎小图斑剔除和孤岛过滤后，得到洞庭湖水域分布图(图2)，将水域图与原始真彩色合成影像图叠加，一致性较好。最后，将提取出的水域图转换为矢量数据，使用ArcMap中的FieldCalculator计算水域多边形的面积，计算所得面积如表2所示，其变化规律如图3所示。
4. 结果分析
由图2、图3和表2可知，1996~2013年之间，洞庭湖主要湖区水域面积变化明显，总体呈萎缩趋势。主要特点如下：1) 湖面总体呈抛物线减少。2) 2013年湖区水域面积最小，比1996年的2329.162 km2缩小了57.02%，即1328.063 km2，年平均减少78.12 km2。3) 2000年该湖区水域面积出现异常减少，相较于1996年和2002年的平均面积减少了16.6%。这一结果与孙芳蒂等人的监测结果基本一致 [9] 。
研究区包含东洞庭与南洞庭东部湖区，泥沙大量淤积致使洞庭湖湖床抬高，湖泊面积缩小。1999年湖南省遥感中心通过对洞庭湖70年代和90年代卫星遥感影像对比解译，发现洞庭湖泥沙淤积速度极快，其中南洞庭泥沙沉积速度最快，年均沉积速率达到12.94 cm，年均扩展面积达7.35 km2；东洞庭泥沙淤积速率相对较慢，年均沉积速率3.53 cm，年均扩展面积达4.41 km2 [10] 。
2003年三峡工程运行以来，虽然由长江三口注入洞庭湖的泥沙大幅度减少，泥沙淤积速度放缓 [11] ，但入湖水量也急剧减少，使得洞庭湖秋季枯水提前，持续时间增长 [12] ，这加速了洞庭湖水域面积的缩小。据中科院亚热带农业生态所调查显示，自1989年至2011年，二十余年间，东洞庭草洲面积持续增加，并已增加了305 km2，占湖盆面积的2/3，草洲面积的扩大，使得水体面积有所缩小 [13] 。此外，2000年湖区水域面积异常剧减可能为全球气候剧烈变化所致。
Table 2. Water area of Dongting Lake extracted by MNDWI
表2. MNDWI指数法提取的洞庭湖水域面积
Figure 3. Chart of changes of main Dongting Lake water area in 1996-2013
图3. 1996~2013年洞庭湖主要湖区水域面积变化曲线图
5. 结论
本文主要针对洞庭湖主要湖区水域面积变化进行了遥感监测研究，基于1996~2013年9月Landsat TM和Landsat OLI_TRIS的遥感影像，采用MNDWI指数模型法提取水体信息，获得水域面积数据和年际间变化曲线图，并进一步分析了洞庭湖主要湖区水域面积年际间变化的趋势及其驱动力。
结果表明，1996~2013年，洞庭湖水域面积总体呈抛物线递减趋势，近年来有加速递减的趋势，导致形成该趋势的可能原因为：洞庭湖内泥沙的不断淤积、三峡工程的运行等。洞庭湖水域面积的逐年递减会对湖内的航运、水产养殖和湖区周围的农业耕作等造成巨大影响，我们应加强对洞庭湖水域面积变化和应对措施的关注度。