基于遥感影像的云贵高原湖泊提取及动态变化分析

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水体是重要的地表覆盖物,具有调节气候、饮水灌溉等功能,与人类的生产生活息息相关,卫星遥感技术的出现和发展为研究水体提供了高效的手段。本文基于Landsat-8和GF-2影像数据,探究水体提取方法,同时对2011-2020年间云贵高原十大湖泊的动态变化进行分析,探究近十年来云贵高原湖泊水体的面积变化及其与气候因素和人类活动之间的关系。主要研究内容包括:(1)基于Landsat-8影像,分析了水体在Landsat-8影像上的反射特征,结果表明,水体在可见光到中红外波段,随着波长的增加,反射率逐渐降低,且在近红外和中红外波段,水体的反射率明显低于其他地物。因此借鉴已有水体指数构建原理和思想,将Landsat-8数据中可见光波段作为一组,对应影像数据的第二、第三和第四波段;近红外波段和中红外波段作为另一组,对应影像数据的第五和第六波段,利用两组数据做差构建水体指数模型。并基于Landsat-8影像数据在合肥、安康和康定地区共3景数据5种不同场景进行水体提取实验。结果表明,该模型不仅能够抑制云层、阴影、裸土、亮色地物和建筑物等对水体提取的影响,还能较好的提取出含有大量蓝藻的水体,且阈值稳定,kappa系数优于96.85%,总体精度高达99.69%,总体误差小于8.92%,相较于其他水体指数而言,本文构建的多波段组合水体指数提取精度显著提高。(2)针对现有水体指数难以应对复杂环境、高空间分辨率的遥感影像水体提取时易出现“椒盐”现象的问题,本文基于GF-2影像,分析各地表覆盖物的波谱信息,构建了一种综合水体指数(Comprehensive water index,CWI),为验证综合水体指数的性能,首先,通过图像分割结合水体指数进行水体提取并进行精度验证;其次,为了充分利用光谱信息和发挥分类器的优势,将分割后同质对象的光谱信息与水体指数组合作为分类器的输入数据,进行水体提取并验证精度;最后,验证综合水体指数在World View-2影像和GF-1影像的适用性。试验结果表明:(1)新构建的综合水体指数在进行水体提取时,能够有效抑制阴影、建筑物、道路、植被、裸土等地表覆盖的影响,精度明显提高;(2)通过图像分割结合水体指数提取水体信息能有效抑制椒盐现象的产生;(3)分类器结合水体指数能有效提高水体提取精度;(4)综合水体指数同样适用Worldview-2影像和GF-1影像。综上分析,本文构建的综合水体指数能够有效的提取水体信息,可用于河流、湖泊的提取和池塘养殖面积的调查等,是一种高精度的水体提取方法。(3)利用Landsat-7和Landsat-8影像数据提取云贵高原2011-2020年间十大湖泊水体,并分析其动态变化,结果表明:(1)在2011-2020年间,湖泊面积呈现先减少再增加的趋势,云贵高原湖泊面积最小值出现在2015年,最大值出现在2019年,2020年湖泊面积与2019年相当。单个湖泊的面积变化趋势大多也呈现先减少后增加的趋势,单个湖泊面积最小值出现的年份各不相同,但大多在2015年左右。湖泊水体较深的湖泊,面积变化较小,湖泊水体较浅的湖泊面积变化较大;(2)2011-2020年间,云贵高原气温呈现出逐渐升高的趋势,各站点年平均气温随着纬度的增加而逐渐降低。云贵高原湖泊面积与年平均气温呈现出相反的变化趋势,原因在于气温在一定范围内,温度升高,蒸发量增大,湖泊水体消耗增大,导致湖泊面积减少。(3)2011-2020年间,云贵高原年平均降水量总体呈现增加的趋势,云贵高原年平均降水量与云贵高原湖泊总面积之间没有显著的相关性。就单个湖泊而言,并非所有湖泊面积与降水量之间都呈现正相关关系,滇池、洱海、异龙湖和草海的湖泊面积与降水量之间呈现正相关关系,其中滇池湖泊面积与降水量之间相关系数为0.33。其他湖泊面积与降水量之间呈现负相关关系,程海、泸沽湖和杞麓湖的湖泊面积与降水量之间的相关系数均大于0.5。由此可见,降水量也是影响湖泊面积的气象因素之一,但由于湖泊面积变化不仅仅受气象因素主导,故两者相关性出现负相关的情况。(4)分析了人类活动对湖泊面积的影响,对于个别湖泊而言,人类活动是影响面积变化的主要因素。
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