引用本文
余德清, 余姝辰, 贺秋华, 李长安, 魏传义. 联合历史地图与遥感技术的洞庭湖百年萎缩监测[J]. 国土资源遥感, 2016,28(3): 116-122
YU Deqing, YU Shuchen, HE Qiuhua, LI Chang#cod#x02019;an, WEI Chuanyi. Monitoring of Dongting Lake atrophy in the past 100 years by combining historical map and remote sensing technology[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2016,28(3): 116-122  
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联合历史地图与遥感技术的洞庭湖百年萎缩监测
余德清1,2, 余姝辰1,2, 贺秋华1,2, 李长安1, 魏传义1
1.中国地质大学(武汉),武汉 430074
2.湖南省遥感中心,长沙 410007

第一作者简介: 余德清(1963-),男,教授级高工,从事资源环境遥感调查与监测工作近30年。Email:973272235@qq.com

收稿日期: 2014-11-27
基金项目: 湖南省国土资源厅项目“洞庭湖生态经济区地理国情监测”(编号: HNPCA2014-9-1, HNGQJC2015-01)和中国地质调查局地质调查项目“长江中游国土遥感综合调查”(编号: 12120115064801)共同资助
摘要

为了研究洞庭湖百年以来的萎缩情况,基于湖南省图书馆珍藏的清光绪22年(公元1896年)成图的《洞庭湖全图》等历史地图、1954年获取的航空像片、1967年美国KH-8军事卫星获取的影像及各类卫星遥感数据,对洞庭湖的百年变化情况进行了较系统的监测。监测结果表明: 1896―2014年118 a期间,洞庭湖面积从5 146.71 km2萎缩到2 680.29 km2,减少了2 466.42 km2,为1896年湖盆面积的47.92%。监测结果与水利部门发布的洞庭湖面积变化数据非常接近。1998年长江发生特大洪涝灾害后,国务院明确“退田还湖”的治湖对策,使洞庭湖面积得以稳定。洞庭湖主要由人工修筑的防洪大堤围限,使来水来沙的变化不能改变防洪大堤的位置,因此,2003年三峡工程的运行没有影响洞庭湖的面积。

关键词: 历史地图; 遥感技术; 洞庭湖萎缩
中图分类号:TP 79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)03-0116-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.03.19
Monitoring of Dongting Lake atrophy in the past 100 years by combining historical map and remote sensing technology
YU Deqing1,2, YU Shuchen1,2, HE Qiuhua1,2, LI Chang’an1, WEI Chuanyi1
1. China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China
2. Remote Sensing Center of Hunan Province, Changsha 410007, China
Abstract

In order to study the atrophy of the Dongting Lake in the past 100 years, the authors systematically monitored the atrophy of the Dongting Lake based on historical topographic map data, such as the Dongting Lake map in the late Qing Dynasty (AD 1896) which is treasured by the Library of Hunan Province nowadays, aviation photos since 1954, satellite images which were captured by the American KH-8 military satellite in 1967 and other aerospace remote sensing data. The results show that in the past 118 years from 1896 to 2014, the Dongting Lake area has shrunk by 2 466.42 km2, from 5 146.71 km2 to 2 680.29 km2. Now the Dongting Lake area is 47.92% of the lake basin area in 1896. A comparison with the area variation data of the Dongting Lake published by the Water Conservancy Department shows the data obtained by two sources are generally very close, with some differences in some specific areas. After the severe flooding disaster of the Yangtze River in 1998, the State Council explicitly put forward the lake-management policy of “Farmland Conversion to Lake Wetland” so as to stabilize the area of the Dongting Lake. The Dongting Lake is mainly enclosed by artificial levee whose location is irrelevant with sources of water and sands; thus, the operation of “the Three Gorges” since 2003 has had no influence on the area of the Dongting Lake.

Keyword: historical map; remote sensing technology; Dongting Lake atrophy
0 引言

洞庭湖位于长江中游, 是中国的第二大淡水湖, 也是长江中游地区目前与长江干流直接相通的2个通江湖泊之一(另一个是鄱阳湖)和唯一与长江干流并联的吞吐型大湖, 入湖水量相当于鄱阳湖的3倍、太湖的10倍。洞庭湖为典型的调蓄性湖泊, 是长江中下游地区至关紧要的防洪屏障[1], 其演变与洲滩扩张在很大程度上影响着长江流域的调蓄功能。洞庭湖区为外围高、中部低平、向北开口的碟形盆地, 海拔高程变幅约25~50 m; 该湖属浅水湖泊, 水涨成湖, 水落露滩, 湖水消落区占全湖的75%以上。近百年来, 伴随着全球气候变化、湖区围垦、泥沙淤积以及1998年以来“ 退田还湖” 和大量水利工程的实施, 江湖关系发生了多次调整。特别是2003年三峡工程运行以来, 洞庭湖的来水来沙条件发生了一系列的变化。

水利部门多次发布过洞庭湖的面积变化数据, 但限于历史资料短缺等原因, 这些变化数据大多是依据各种统计数据测算的, 而且各类相关文献也从未发布过20世纪60年代洞庭湖的面积数据。2011年出版的《洞庭湖历史变迁地图集》[2]是迄今为止资料收集最全、唯一的一部专题性研究洞庭湖的图集, 但该图集对洞庭湖变化最大的近100 a间, 也仅编辑了民国时期、解放初期、20世纪70年代和洞庭湖现状等4张图件。即便如此, 《民国时期洞庭湖图》只是依据“ 1946年10月湖南省滨湖洲土视察团的调查记录” 编辑的; 《解放初期洞庭湖图》也仅依据1954年整修洞庭湖时“ 因堵支并流大圈与洪道整治缩短防洪堤线而缩减洞庭湖面积894.31 km2” 等工程实施情况的统计数据编就; 而《洞庭湖现状图》则是结合“ 国家地理信息中心2007年提供的1∶ 5万数据和长江水利委员会水文局1995年实测的洞庭湖面积” 编辑而成。可见, 前人在编这些图时均未基于当时的遥感图像开展过洞庭湖的面积量算工作。

查明洞庭湖的近代演变特征, 特别是洞庭湖未来演变趋势是“ 消亡” [3]还是“ 扩张” [4] , 是人们广泛关注的焦点, 也是三峡工程运行后调整治湖思路的基础。本文基于湖南省图书馆珍藏的晚清《洞庭湖全图》及其他历史地形图资料、1954年获取的航空像片和1967年以来获取的各类卫星遥感图像, 对洞庭湖的变化情况进行了较系统的监测。监测结果与水利部门发布的洞庭湖面积变化数据非常接近。

1 数据源
1.1 历史地图资料

1)1955年和1995年数字栅格地形图数据(digital raster graphic, DRG), 其中湖泊边界线的绘制为大堤、自然岸线及水体断面, 成图比例尺为1∶ 5万, 1980西安坐标系, 1985国家高程基准。

2)为查明清朝末期洞庭湖的面积, 从湖南省图书馆收集了该馆珍藏的1896年(清光绪22年)由德国传教士带队测绘的洞庭湖全图(图1)。这是迄今为止能收集到的洞庭湖地区精度最高、时间最老的地图。因属文物, 不能借阅带出, 也不能扫描, 只能用广角相机翻拍。翻拍的照片经几何纠正、无缝拼接、矢量化等处理后备用。

图1 1896年(清光绪22年)洞庭湖全图Fig.1 Map of Dongting Lake in 1896(Qing Dynasty the 22nd year)

1.2 遥感影像数据

本文使用的遥感影像数据包括1954年前后获取的航空摄影像片、1967年美国锁眼军事卫星(KH-8)影像(图2(a))以及20世纪70年代以来的Landsat MSS/TM(图2(b))、ETM(图2(c))和CBERS-1等卫星遥感数据。其中, TM数据时相为1996-07-22洪水期, 城陵矶水位35.23 m; ETM数据时相为2015-01-23枯水期, 城陵矶水位20.74 m。

图2 洞庭湖卫星影像Fig.2 Satellite images of Dongting Lake

遥感影像数据的获取时间为1954―2014年, 具体时相及对应的城陵矶水位数据见表1。卫星数据的坐标系统均为WGS84。

表1 1954―2014年洞庭湖萎缩监测使用的遥感数据源 Tab.1 Remote sensing data sources for monitoring Dongting Lake’ s area atrophy from 1954 to 2014
2 洞庭湖边界划定原则

洞庭湖是洞庭盆地中修筑的防洪大堤与自然岸线所围限的“ 水盆” , 由水面和洲滩交错分布, 在很大程度上打上了人类影响的明显烙印。在防洪大堤与自然岸线围限的范围内, 水面与洲滩面积随水位的高低而变化。洲滩在枯水期和平水期出露地表, 在洪水期基本淹没于水下(图2(b))。鉴于这一客观情况, 通常认为洞庭湖的范围为永久性防洪大堤与自然岸线所围限的区域, 亦即汛期洪水所及的最大区域。大堤以外的区域不包括在洞庭湖内[5], 如1998年长江特大洪灾后 “ 退田还湖” 的堤垸、水利部门划定的24个分蓄洪垸等。

另外, 洞庭湖的河流与湖泊大都具有连通性, 湖泊之间也常常连为一体。为便于对各湖泊面积的统计与对比分析, 需要明确规定连通湖泊或河流的相对固定的分界线(即水体断面)。根据水利部门的划分惯例[6], 本文确定水体断面的位置如图3所示。

图3 洞庭湖边界与水体断面位置Fig.3 Boundaries of Dongting Lake and location of water body section

东洞庭湖下游与长江连通的水体断面为七里山; 上游与南洞庭湖连通的水体断面为漉湖— 磊石山(汨罗江河口); 西侧与藕池河东支连通的水体断面为团洲; 东侧与新墙河的水体断面为新墙河口。

南洞庭湖下游与东洞庭湖连通的水体断面为漉湖— 磊石山; 与草尾河连通的水体断面为漉湖和茅草街, 与湘江连通的水体断面为省园艺场和古塘, 与资水连通的水体断面为赛头; 与目平湖连通的水体断面为南嘴和小河嘴。

目平湖与南洞庭湖连通的水体断面为南嘴和小河嘴; 与沅江连通的水体断面为坡头, 与澧水连通的水体断面为四分局。

七里湖位于澧水洪道中, 下游以石龟山为界, 上游以江湾为界。

大通湖为大堤围限的内湖, 除沟渠以外, 水系和外江外湖不连通, 故周边以大堤为界。

3 技术方法
3.1 遥感影像处理

本文所用的1954年和2004年获取的航空摄影像片, 系测绘部门历年制作的正射影像图数据。

制作卫星正射影像图, 主要基于2004年1月―2005年1月航空摄影测量得到的1: 1万正射影像作为平面控制。因研究中使用的卫星数据均为中、低分辨率, 且洞庭湖地区的地表起伏小, 故正射影像图制作中未使用DEM资料。各时相卫星正射影像图的相对几何配准精度均控制在1个像元以内; 数学基础为 1980西安坐标系、高斯-克吕格投影、6° 分带、1985国家高程基准。

3.2 湖泊边界线提取

湖盆边界线的提取采用人工解译方法, 重点关注围限洞庭湖盆的防洪大堤和自然岸线。防洪大堤是指为预防汛期水位上涨导致湖水泛滥而建的堤坝, 自然岸线是指湖泊部分周边不需修筑大堤就能防止湖水外泄的自然陡坡。在高水位, 防洪大堤和自然岸线即为洞庭湖的水涯线, 直接与湖水相接; 在平水位或枯水位, 防洪大堤和自然岸线与实际水涯线之间存在一片开阔滩地, 即“ 湖水消落区” , 主要覆盖有芦苇、湖草、杨树及白泥洲等。湖水消落区属于湖泊范围, 在提取湖泊边界线时不考虑地表覆盖类型的变化。

洞庭湖的自然岸线主要分布于东洞庭湖东部的岳阳楼和鹿角一带以及目平湖东侧, 在监测期内很少有变化。防洪大堤则随着“ 围湖造田” 的实施而不断向湖泊推进, 岸线变化最大的是东洞庭湖西岸的注滋口一线和大通湖东南部。注滋口在1954年时为东洞庭湖的西岸, 其后因修筑团洲垸、幸福垸等, 至1978年注滋口远离湖泊10.82 km; 漉湖西部的北洲子在1954年时为坦荡的湖泊, 与大通湖连为一体, 其后因在大通湖东南部修筑北洲子垸、千山红垸等, 至1978年大通湖离漉湖的最近距离达20.92 km。

根据遥感解译结果, 截至2014年初, 洞庭湖盆环湖边界总长803.23 km, 其中防洪大堤676.42 km, 占环湖边界总长84.2%; 自然岸线116.11 km, 占总长14.5%; 水体断面长10.70 km, 占总长 1.3%。

3.3 面积变化分析

湖盆面积指洞庭湖的大堤、自然岸线和水体断面围限区域的面积, 不论湖泊内洲滩出露面积有多大, 洲滩中地表覆盖物的类型如何, 都被统计在湖盆面积中。主要利用1954―2014年60 a时间序列的面积信息对洞庭湖的湖盆面积变化规律进行分析。

3.4 监测结果质量评价

洞庭湖岸线长度和面积的量算技术流程为: 控制测量→ 正射影像图制作→ 湖盆边界与洲滩边界线解译→ 外业检核→ 面积统计。

1)控制测量。利用第二次全国土地调查底图制作时实测的外业控制点。控制测量于2007年11―12月开展, 采用静态GPS测量方法进行数据采集, 共有平面控制点104个。控制点的平面精度为0.5 m, 洞庭湖区GPS控制点测量成果等级为E级, 可满足1∶ 5万正射影像图的制图精度要求。

2)正射影像图制作。以2004— 2005年航空摄影测量得到的正射影像图为平面控制, 进行各期卫星图像的正射纠正, 制作正射影像图。利用外业控制点和检查点对生成的正射影像图进行了检核, 平均中误差为6.5 m, 可满足面积量算要求。

3)湖泊边界线解译。边界线的圈定由多人完成, 但最后由1人统一检查修订, 以尽可能地消除不同人员之间的认知差异, 保证湖泊边界线的解译精度控制在1个像元之内。精度分析时, 以可能的最大误差为基准进行评价。即假设湖泊边界解译精度全部达到最大值(1个像元), 则像元大小与湖泊边界长度的乘积便是可能的最大误差。

湖泊边界解译利用了航空像片和TM, ETM, CBERS-1及MSS等多种卫星遥感数据, 因这些数据的空间分辨率不同, 故解译得到的湖泊面积精度也不相同(表2)。

表2 洞庭湖面积量算误差 Tab.2 Calculation errors of the Dongting Lake’ s area

从表2可以看出, 除了空间分辨率较低的MSS数据外, 根据其他数据解译的最大误差均在1%以内。

4 洞庭湖面积变化监测
4.1 监测结果

1896— 2014年洞庭湖面积遥感监测结果如表3所示。

表3 1896―2014年洞庭湖面积遥感监测数据表 Tab.3 Areas of Dongting Lake from 1896 to 2014 monitored by remote sensing technology(km2)

从表3可以看出, 1896— 2014年的118 a期间, 洞庭湖面积从5 146.71 km2减少到2 680.29 km2, 减少了2 466.42 km2, 为1896年湖盆面积的47.92%。

图4示出1954―2014年洞庭湖面积变化遥感监测结果。

图4 1954―2014年洞庭湖面积变化遥感监测图Fig.4 Map of area variation of Dongting Lake from 1954 to 2014 monitored by remote sensing technology

4.2 数据对比

遥感监测结果与水利部门公布的洞庭湖面积变化数据[6]对比见表4。

表4 1896―2014年洞庭湖湖泊面积变化对比 Tab.4 Comparison of area variation of Dongting Lake from 1896 to 2014

表4中, 水利部门公布的1995―2014年数据未统计大通湖面积, 为便于对比, 对遥感监测数据(表3)也相应剔除了大通湖面积79.17 km2。可以看出, 除1896年的面积相差较大以外, 利用航空、航天遥感技术监测的洞庭湖湖泊面积与水利部门公布的数据极为接近, 不仅在同一个量级, 且面积差值百分比均在1%以内。其中, 利用1954年获取的分辨率较高(5 m)航片解译的结果差值最小, 仅0.07%。

本文利用1896年《洞庭湖全图》量算的面积与水利部门的统计数据相差达4.69%。研究中笔者对《洞庭湖全图》进行了一系列处理, 并采用MapGIS进行面积量算, 因此确信5 146.71 km2应比水利部门公布数据更接近于洞庭湖当时的实际面积。

4.3 变化趋势

1) 1896―2014年的118 a期间, 洞庭湖面积呈先减后趋稳定的变化趋势(图5)。

图5 1896―2014年以来洞庭湖面积变化趋势Fig.5 Area variation tendency of Dongting Lake from 1896 to 2014

1896―1978年的82 a间是洞庭湖面积的锐减时期, 面积减少了2 434.65 km2, 约为1896— 2014年间面积减少总量的98.71%。其中, 1896―1954年的58 a期间面积减少1 228.83 km2, 年均减少21.19 km2; 1954―1978年的24 a间面积减少1 205.82 km2, 年均减少50.24 km2。1978―1998年的20 a期间, 洞庭湖面积略有减少, 减少量为31.77 km2, 年均减少1.59 km2。1998年洞庭湖特大洪涝灾害之后, 洞庭湖面积基本稳定, 为2 680.29 km2。

2)现今的洞庭湖包括东洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖和大通湖5个湖泊, 但在1896年这些湖泊曾连为一体, 烟波浩淼, 蔚为壮观。因此, 分析各湖泊的萎缩程度要从1954年开始(图6)。

图6 1954―2014年以来洞庭湖各湖泊面积变化趋势Fig.6 Area variation trends of different lakes in Dongting Lake region from 1954 to 2014

从图6可以看出, 在1954―1978年间各湖泊的萎缩程度不尽相同。其中, 东洞庭湖面积减少最大, 减幅为680.78 km2; 其次是南洞庭湖, 减幅为219.22 km2; 再次分别是大通湖、目平湖和七里湖, 减幅分别为193.09 km2, 111.46 km2和33.05 km2。

5 洞庭湖萎缩原因分析

引起洞庭湖萎缩的原因是多方面的, 有政治、经济、卫生防疫等方面的诸多因素。但对各时相遥感影像比对后认为, 围湖造田不仅是遥感图像上最鲜明的表现, 也是导致洞庭湖萎缩的直接原因。洲滩围垦是当地民众利用洲土谋求生存的一种手段, 是在特定历史条件下抵御自然灾害的一种措施。

清朝初期, 荆江有调弦、虎渡2口分洪入湖; 1852年和1870年藕池、松滋溃口后, 形成4口南流入湖局面, 其水量大增, 洞庭湖面积扩大(根据《洞庭湖全图》量算, 1896年其面积达5 146.71 km2)。由于4口分流入湖的洪水夹带大量泥沙入湖, 致使湖盆与入湖水道不断淤浅。

光绪25年(公元1899年), 湖南布政司以“ 息争端而裕库收” 为名, “ 召民纳资承垦” , 鼓励滥围滥垦, 使洞庭湖的围垦随着洲土的增长而不断发展起来。1918年, 省长张敬尧发布命令: “ 凡愿领亩开垦者, 可缴费领照, 筑堤围垸” , 从而使湖区围垦又一次出现高潮。至1954年, 洞庭湖面积减少至3 917.88 km2。

20世纪50年代后期, 在大跃进“ 以粮为纲” 的思想指导下, 先后围垦了建新、洋淘湖、钱粮湖、屈原、千山红和茶盘洲等6个农场。 60年代, 又围垦了君山、北洲子、金盆、贺家山和南湾湖等5个农场。70年代, 湖区围垦以结合血防灭螺的矮围为主, 其中1976年沅江矮围漉湖48万亩, 岳阳、汨罗合围中洲垸13万亩; 高围则以华容团洲垸8万亩、湘阴横岭湖围垦38万亩。上述围垦工程中, 沅江漉湖矮围及湘阴横岭湖围堤均在围成后的第一个汛期即发生溃决, 表明洞庭湖区的外湖围垦已发展到最大极限。1980年5月, 水利部召开长江中下游防洪座谈会, 会上作出停止围垦的决定, 湖区堤垸数目及耕地面积自1979年以后未再发生变化, 当时的洞庭湖面积为2 712.06 km2。

1978年改革开放后进行了农业结构调整, 部分区域围堰建鱼池, 又使洞庭湖面积略有减小, 至1998年为2 680.29 km2。1998年长江特大洪涝灾害后, 国务院明确“ 退田还湖” 的治湖对策, 才使洞庭湖面积得以稳定。

2003年6月三峡水库运行后, 从长江松滋、太平、藕池3口进入洞庭湖的水和沙大幅度减少, 其中年均来水量减少40%, 来沙量减少90%。但由于洞庭湖主要由人工修筑的防洪大堤围限, 而来水来沙的变化不能改变防洪大堤的位置, 因此三峡工程的运行没有影响洞庭湖的面积。

6 结论

1)洞庭盆地是指洞庭湖区海拔高程变幅约25~50 m的平原区, 洞庭湖是洞庭盆地中由防洪大堤和自然岸线围限的水域和洲滩。对于洞庭湖在清末、解放初期、20世纪60年代等各历史时期的面积, 因测量技术尚不发达等原因, 前人主要依据统计分析数据获得。本文基于清光绪22年(公元1896年)的实测地图、1954年前后的航摄影像、已解密的美国KH-8军事卫星1967年获取的影像, 以及20世纪70年代以来的Landsat MSS, TM, ETM和CBERS-1等卫星遥感图像的精细量测, 查明了各历史时期洞庭湖的面积。

2)由于泥沙淤积与围湖垦殖, 清光绪22年以来的118 a间洞庭湖迅速萎缩, 总面积从5 146.71 km2减少到2 680.29 km2, 减幅为2 466.42 km2, 减少了47.92%。其中, 萎缩最快的是1954―1978年24 a期间, 洞庭湖面积年均减少50.24 km2; 其次是1896―1954年58 a期间, 年均减少21.19 km2; 1978―1998年20a期间, 洞庭湖面积略有减少, 年均减少1.59 km2; 1998年洞庭湖特大洪涝灾害之后, 洞庭湖面积基本稳定在2 680.29 km2。

3)2003年6月三峡工程运行以来, 洞庭湖的来水、来沙条件发生了一系列变化, 主要影响到洞庭湖内洲滩的冲淤速率, 改变了洞庭湖的湖容, 但对洞庭湖的面积没有影响。因篇幅所限, 本文未详细探讨三峡水库运行对洞庭湖产生的影响问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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