洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集
王卷乐*，高孟绪，郭海会，陈二洋
中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京
100101
摘 要：洞庭湖区长期的泥沙淤积、围垸垦殖，形成了特有的堤垸分布形态。本数据集以洞庭湖区20个县（市、区）为研究区域，利用卫星遥感数据、水利工程图等资料，基于面向对象和自动矢量化的方法，提取得到湖区堤垸2013年的空间分布，并生成湖区堤垸在三个不同时期（1949-1998年，1998-2008年，2008-2013年）的空间变化数据。该数据集可用于分析洞庭湖区堤垸的时空格局、演变过程、土地利用变化模式及相应的驱动政策研究。
关键词：洞庭湖；堤垸；空间变化；景观格局
DOI: 10.3974/geodp.2017.01.14
1 前言
洞庭湖作为长江中游唯一的调蓄湖泊，具有灌溉、航运、纳水、调节气候等多种功能[1–2]。湖区地势低平，周围的低山丘陵向湖中心倾伏，是地下水和地表水汇集的中心，但当湖区湘、资、沅、澧四水与长江洪峰相遇时，极易造成洪涝灾害。自东汉（25-220年）时期以来，湖区人民为抵御水患、围垦生产，开始修建堤坝，将耕地、居民地等圈起来，形成了我国独特的农业生产、乡村聚落建设的地理空间单元——堤垸[3–5]。长期的人类活动不断改变着洞庭湖区的堤垸格局，对区域地理环境和生态系统的影响日益突出，因此堤垸的形成、发展和空间变化广受关注。洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集[6]以洞庭湖区20个县（市、区）为研究区域，利用卫星遥感数据、水利工程图等资料，基于面向对象和自动矢量化的方法，提取得到湖区堤垸2013年的空间分布，并生成湖区堤垸在三个不同时期（1949-1998年，1998-2008年，2008-2013年）的空间变化数据。
2 数据集元数据简介
洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集名称、短名名称、通讯作者、作者、地理区域、数据年代、数据空间分辨率、数据出版单位、共享服务平台等信息一并列于表1。
3 数据集研发方法
洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集的研发方法采取以下三种方法，一是面向对
表1 洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集元数据简表
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条目 |
描述 |
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数据集名称 |
洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集 |
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数据集短名 |
PolderChangeOfDongtingLake_China |
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作者信息 |
王卷乐 R-8881-2016,
中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, wangjl@lreis.ac.cn 高孟绪 S-1061-2016，中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, gaomx@igsnrr.ac.cn 郭海会 S-2633-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, guohaihui0421@163.com 陈二洋 S-1107-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, cheney@lreis.ac.cn |
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地理区域 |
28°30′N-30°20′N，110°40'E-113°10′E，中国洞庭湖地区 |
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数据年代 |
1949-1998年，1998-2008年，2008-2013年，2013年 |
|
空间分辨率 |
100 m |
|
数据文件个数 |
4 |
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数据格式 |
.shp |
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数据量 |
21.1 MB |
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数据集组成 |
数据集由4期数据组成，分别为2013年堤垸空间分布数据集，1949-1998年间变化数据集，1998-2008年间变化数据集，2008-2013年间变化数据集。其中： 2013年堤垸.zip是2013年堤垸的空间分布数据集（DongtingLakePolder2013.zip），数据量为4,066 KB 堤垸变化1949_1998.zip是1949-1998年间变化数据集（DongtingLakePolder1949_1998.zip），数据量为6,645 KB 堤垸变化1998_2008.zip是1998-2008年间变化数据集（DongtingLakePolder1998_2008.zip），数据量为3,038 KB 堤垸变化2008_2013.zip是2008-2013年间变化数据集（DongtingLakePolder2008_2013.zip），数据量为7,784 KB |
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基金项目 |
科技基础性工作专项重点项目（2011FY110400,
2013FY114600）；中国工程科技知识中心建设项目（CKCEST-2016-3-7） |
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出版与共享服务平台 |
全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn |
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北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所 |
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数据共享政策 |
全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[7] |
象的堤垸信息遥感解译，二是历史堤垸资料的数字化预处理，三是不同时期的堤垸空间变化分析。具体的数据研发流程如图1所示。
图1 洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集的研发流程图
3.1 面向对象方法的2013年堤垸信息提取
基于2013年洞庭湖区的4景Landsat8卫星影像[8]（获取时间和轨道号分别为：2013年7月31日2景，Path/Row分别为123/40，123/41；2013年8月7日2景，Path/Row分
别为124/39，124/40），利用面向对象的分类方法进行湖区堤垸的提取，包括对影像多尺度分割、水体信息提取和堤垸提取三个主要步骤。
3.1.1 影像多尺度分割
多尺度分割技术使分割后的影像对象内部具有较好的同质性，而与邻接对象间具有较大的异质性，不同地物类型具有各自适宜的分割尺度。分割尺度越小，生成的多边形越多，而单个对象的面积就越小，对象内同质性越大[9–10]。利用eCognition软件，经多次实验，确定提取湖区水体的最佳分割尺度为50，提取堤垸的最佳分割尺度为70，此尺度取值下，一个多边形对象包含一个类型，且边界清晰。
3.1.2 水体信息提取
在Landsat8遥感数据的基础上提取水体信息，采用归一化水体指数（NDWI）[11]，其计算公式为：
(1)
式中，ρGreen和ρNIR分别表示地物在绿波段和近红外波段的反射率。NDWI值介于（-1, 1）之间，值越大表明地物为水体的可能性越大。在NDWI的特征图像上，将值大于0.38的区域提取为水体。
3.1.3 堤垸提取
提取水体后，从非水体中进行堤垸信息的提取，主要利用地物的DEM、增强型植被指数（EVI）、距离水体的距离、长宽比等特征构建分类规则，并提取堤垸。
（1）DEM
利用研究区30 m分辨率的Aster GDEM数据，分析发现研究区的堤垸主要位于平原地区，高程一般小于30 m，且在30 m附近，因此将分类规则中的DEM参数设置为≤30 m。
（2）增强型植被指数
利用Landsat8遥感数据，根据增强型植被指数[12]（Enhanced Vegetation Index，EVI）的值剔除湖泊附近植被指数较低的滩洲，以及河流附近的一些未利用地。其计算公式为：
(2)
式中，ρNIR、ρRed和ρBlue分别表示地物在近红外波段、红波段和蓝波段的反射率。
（3）距河流的距离
在提取水体的基础上，利用与水体的距离，对河流做200 m的缓冲区，在此范围内的湿地、泥滩或未利用地不属于堤垸的地物。
（4）长宽比
长宽比是指对象的最小外接矩形的长与宽的比值，其计算公式：
(3)
式中，a，b表示近似边界的长和宽，A为对象的面积，f表示权重。
耕地一般较规则，长宽比较小；而泥滩地则多数呈不规则的多边形状，长宽比较大。利用地物的长宽比来剔除一些非堤垸内的地物。
3.2 历史时期（1949、1998和2008年）堤垸信息获取的数字化预处理
利用湖南省水利局编制的《1949年洞庭湖区地势图》（1∶30万），湖南省洞庭湖水利工程管理局编制的《1998年湖南省水利工程图》（1∶25万）和《2008年洞庭湖区水利工程图》（1∶30万）进行研究区堤垸分布的数字化预处理。基于ArcGIS软件，首先根据水体和堤垸在不同波段灰度图像的显著性，利用Rectify工具对扫描校正后的洞庭湖1949年区域形势图、1998年和2009年的水利工程图进行图像二值化处理，然后利用ArcScan工具进行自动矢量化，并提取水体和堤垸，分别得到1949年、1998年和2008年的堤垸分布信息。这些数字化的地图信息作为本项研究重要参考和基础。
3.3 三期（1949-1998，1998-2008，2008-2013）堤垸变化分析数据
基于面向对象方法解译得到的2013年堤垸分布数据和历史数据（1949、1998、2008）进行对比分析，得到不同历史时期堤垸空间变化信息。
以1949-1998年堤垸变化处理为例，利用Intersect工具得到不变垸的空间分布，利用Erase工具分别将1949和1998年的堤垸分布数据进行处理，增加垸为1998年Erase1949年，减少垸为1949年Erase1998年，最后汇总得到1949-1998年间的堤垸变化。利用同样的方法进行其他两期堤垸变化的处理，分别得到1998-2008和2008-2013年间的堤垸变化。
4 数据结果与验证
4.1 数据结果
在2013年洞庭湖区4景Landsat8卫星影像的基础上，利用面向对象的方法提取得到的研究区2013年堤垸分布如图2（a）所示，经统计堤垸总面积为12,060.2 km2（表2）。从图中可以看出，2013年湖区堤垸多集中在南洞庭湖以北，延伸至湖北地区，濒临研究区的边界，部分堤垸分布在南洞庭湖以南的资阳、湘阴、赫山地区，西洞庭湖西侧的汉寿、武陵和鼎城地区。
1949-1998年间堤垸变化如图2（b）所示，可以发现堤垸呈显著增加趋势，堤垸面积由1949年的8,254.96 km2增加到12,270.5 km2，增加区主要位于大通湖、汨罗市、资阳区、澧县、君山区的钱粮湖镇等地区。
1998-2008年间堤垸变化如图2（c）所示，这一期间，堤垸面积从总量上相比1998年时减少到12,194.6 km2，在区域上既有增加垸，也有减少垸。增加的堤垸主要呈现在洞庭湖区外围，湖区内部呈现大范围的退垸现象，减少垸主要是周围被水体包围的独立垸、沿河湖边缘的垸等。
2008-2013年洞庭湖区仍然呈现堤垸减少的趋势，相比2008年堤垸面积减少了 134.4 km2，减少的区域由内部核心区向外围转移，并且东洞庭湖水面面积有所扩大，如图2（d）所示。
图2 2013年堤垸分布和三个时期（1949-1998年、1998-2008年、2008-2013年）堤垸变化图
表2 洞庭湖区堤垸面积与变化统计
|
年 |
面积（km2） |
面积变化（km2） |
|
1949 |
8,254.96 |
/ |
|
1998 |
12,270.50 |
4,015.54 |
|
2008 |
12,194.60 |
-75.9 |
|
2013 |
12,060.20 |
-134.4 |
4.2 数据验证
本数据地图矢量化的过程得到严格质量控制，矢量化结果误差控制在一个像元内。遥感影像解译结果经2013年10月29日-11月3日在研究区进行的实地调查验证，共获取独立验证点26个（其中水体点4个，堤垸点22个），堤垸点分布与2013年堤垸提取结果完全一致。验证点数据分布见表3和图3所示。
表3 洞庭湖区堤垸分布验证点数据
|
编号 |
经度 |
纬度 |
高程（m） |
类型 |
|
1 |
112°24ʹ06.662ʺ E |
28°39ʹ44.365ʺ N |
30 |
堤垸 |
|
2 |
112°26ʹ35.542ʺ E |
28°39ʹ24.022ʺ N |
26 |
堤垸 |
|
3 |
112°10ʹ47.944ʺ E |
28°50ʹ00.741ʺ N |
24 |
水体 |
|
4 |
112°15ʹ36.634ʺ E |
28°59ʹ31.752ʺ N |
29 |
堤垸 |
|
5 |
112°16ʹ33.702ʺ E |
28°58ʹ35.367ʺ N |
24 |
堤垸 |
|
6 |
112°15ʹ39.337ʺ E |
29°00ʹ13.329ʺ N |
37 |
堤垸 |
|
7 |
112°19ʹ26.382ʺ E |
29°03ʹ28.908ʺ N |
26 |
堤垸 |
|
8 |
112°19ʹ29.893ʺ E |
29°22ʹ25.966ʺ N |
26 |
堤垸 |
|
9 |
112°20ʹ06.368ʺ E |
29°21ʹ04.277ʺ N |
28 |
堤垸 |
|
10 |
112°11ʹ34.548ʺ E |
28°49ʹ42.510ʺ N |
17 |
水体 |
|
11 |
112°22ʹ37.218ʺ E |
29°21ʹ30.636ʺ N |
44 |
堤垸 |
|
12 |
112°22ʹ33.714ʺ E |
29°20ʹ42.818ʺ N |
46 |
堤垸 |
|
13 |
112°33ʹ36.124ʺ E |
29°18ʹ05.586ʺ N |
20 |
堤垸 |
|
14 |
112°32ʹ17.599ʺ E |
29°18ʹ06.509ʺ N |
44 |
堤垸 |
|
15 |
112°50ʹ17.142ʺ E |
29°30ʹ46.015ʺ N |
35 |
堤垸 |
|
16 |
112°50ʹ41.453ʺ E |
29°30ʹ01.440ʺ N |
33 |
堤垸 |
|
17 |
112°50ʹ16.955ʺ E |
29°30ʹ45.875ʺ N |
15 |
堤垸 |
|
18 |
112°54ʹ19.458ʺ E |
29°28ʹ27.444ʺ N |
22 |
堤垸 |
|
19 |
112°54ʹ52.069ʺ E |
29°27ʹ20.287ʺ N |
24 |
堤垸 |
|
20 |
112°56ʹ40.625ʺ E |
29°27ʹ02.801ʺ N |
34 |
堤垸 |
|
21 |
112°58ʹ15.012ʺ E |
29°25ʹ06.172ʺ N |
26 |
堤垸 |
|
22 |
113°05ʹ13.819ʺ E |
29°20ʹ22.675ʺ N |
40 |
水体 |
|
23 |
113°04ʹ39.839ʺ E |
29°15ʹ40.661ʺ N |
22 |
堤垸 |
|
24 |
113°04ʹ52.706ʺ E |
29°14ʹ36.746ʺ N |
22 |
堤垸 |
|
25 |
113°03ʹ59.516ʺ E |
29°14ʹ45.012ʺ N |
19 |
水体 |
|
26 |
113°05ʹ27.246ʺ E |
29°19ʹ53.095ʺ N |
31 |
堤垸 |
5 结论
洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集能够为洞庭湖区堤垸的时空格局分析、演变过程、土地利用变化模式分析，以及相应的驱动政策等研究提供支撑。从历史时期至今，洞庭湖区域经历了围垸垦殖、并垸合流、平垸行洪、退田还湖等一系列的变化，通过对不同时期堤垸的变化过程进一步分析，结合各时期堤垸的形态，能够揭示堤垸形态随时间的动态变化，并寻求堤垸演变模式与其形状之间的关系，并可以进一步研究诸如退田还湖后对洞庭湖区湿地、生态环境等的影响。
作者分工：王卷乐负责数据集的设计和方法研发。王卷乐、高孟绪完成了数据分析和数据论文撰写。郭海会、陈二洋完成了数据采集、数据分析与数据验证工作。
致谢：感谢西洞庭湖省级自然保护区管理局、西洞庭湖省级自然保护区管理局蒋家嘴分局为本研究提供的相关历史资料。
参考文献
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[6] 王卷乐, 高孟绪, 郭海会等. 洞庭湖区堤垸1949-2013空间分布数据集[DB/OL]. 全球变化科学研究数据出版系统, 2014. DOI: 10.3974/geodb.2012.02.07.V1.
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