武汉市湖泊面积时空演变及驱动力分析

武汉市湖泊面积时空演变及驱动力分析实验报告成员：一、实验背景曾经，武汉市内数百个大小湖泊星罗棋布，遍布三镇，武汉当之无愧地被称为“百湖之市”，湖泊成为武汉市民的骄傲。

然而，据2010年武汉市水务局的调查数据显示，近几十年来武汉的湖泊面积减少了228.9平方公里，五十年来近100个湖泊人间“蒸发”，中心城区仅存的38个湖泊，还面临着继续被侵蚀的危险。

众所周知，气候变化等自然因素是导致湖泊面积缩小和消亡的原因之一。

但对武汉市消亡的近百湖泊而言，这一因素几可忽略。

随着经济的发展，社会的进步，在利益的驱使下，大量的湖泊被填，用以养殖或者建造城市用地。

客观地说，武汉湖泊的大面积缩小和消亡，有着特殊的历史原因。

武汉市水务局的统计数据表明，武汉市缩减的湖泊面积有六成是由于上世纪五六十年代填湖造地和围湖养鱼造成的，武汉市的各大湖泊几乎均受波及。

特别是面积较大的湖泊，在这一阶段面积剧减，有的甚至完全消失或转化为人工精养鱼池，如东西湖、杨汊湖等；有的则被切割成若干小湖泊，如沙湖、东湖等。

进入上世纪90年代，随着城市建设的发展，武汉市逐渐加快旧城改造和城市道路建设，旧城的改造和城市的兴建，使得土地的价值不断上升，道路的规划和商品房、工厂厂房的兴建，在巨额利益趋势下，填埋湖泊的惩罚已经不被人所重视，填埋的湖泊特别是一些被污染了的湖泊上长起了繁华的街市，大量的湖泊在城市的喧嚣中流干了最后一滴眼泪。

二、实验意义湖泊在生态系统中占据着重要的地位，是重要的国土资源，具有调节河川径流、发展灌溉、提供工业和饮用的水源、繁衍水生生物、沟通航运，改善区域生态环境以及开发矿产等多种功能，在国民经济的发展中发挥着重要作用同时，湖泊及其流域是人类赖以生存的重要场所，湖泊本身对全球变化响应敏感，在人与自然这一复杂的巨大系统中，湖泊是地球表层系统各圈层相互作用的联结点，是陆地水圈的重要组成部分，与生物圈、大气圈、岩石圈等关系密切，具有调节区域气候、记录区域环境变化、维持区域生态系统平衡和繁衍生物多样性的特殊功能。

湖泊的消亡将对陆地水文系统产生重要影响,它的主要危害是加剧洪涝、干旱、风沙以及土地沙漠化等灾害,进而破坏土地资源、水资源和生物资源,导致生态环境恶化。

湖泊与我们的生活质量息息相关，面对日益萎缩和消失的湖泊，我们应该具有一种责任感，树立保护湖泊的意识。

本次实验就是从自身的专业知识出发，运用RS技术和GIS技术相结合，对湖泊空间数据和属性数据进行分析和输出，分析湖泊数量和面积的变化以及湖泊面积减少的驱动力，希望对武汉市湖泊的综合治理和保护开发提供理论依据，并以真实的数据警醒呼吁大家在日常生活中注意保护湖泊，保护水资源。

三、实验方案1、数据准备与处理本次实验所用到的主要数据有：1980--2010年的遥感影像数据，武汉市行政区划边界SHP文件，武汉75年~2010年气温、降雨等气象数据，武汉市社会经济因素数据。

数据处理过程主要包括波段合成、影像纠正、影像拼接和影像裁剪四个部分，最终结果是得到各个年份的武汉市遥感影像图。

波段合成就是用ERDAS的layer stack功能模块将包含于每幅影像中的四个tif文件合成为一幅img 影像；影像纠正是利用AOI裁剪的原理去除合成后影像的彩色条纹边缘部分，有些影像边缘较纯净，则不需要进行这一步骤；影像拼接是将每个年份的四幅img影像通过erdas的mosaic功能拼接得到一整幅图像；在影像裁剪之前，首先要将武汉市行政区划边界SHP文件转化为img格式，利用mask功能用边界影像在各年份的拼接影像中裁剪出属于武汉的行政区划的部分。

2、基于空间分析的湖泊面积时空演变分析：a、监督分类监督分类（supervised classification）又称训练场地法，是以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术。

即根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类，是模式识别的一种方法。

要求训练区域具有典型性和代表性。

判别准则若满足分类精度要求，则此准则成立；反之，需重新建立分类的决策规则，直至满足分类精度要求为止。

本实验中根据不同的用地类型，将武汉市整体共划分为湖泊、河流、农田、林地、城镇、无用地6个类别。

b、聚类分析聚类分析的目标就是在相似的基础上收集数据来分类。

监督分类之后的影像中存在很多细小的斑点，精度较差，这将对后续的分析工作产生很大的影响，本实验中聚类分析的目的是尽量减少这些小斑点，使湖泊的范围更为明了，更加符合实际情况。

c、专题地图制作将处理好的影像在arcgis中制作成武汉市四个年份的湖泊专题地图，在图中用蓝色高亮显示湖泊的范围，以便可以更清楚地观察湖泊数量的变化。

d、计算湖泊的面积和湖泊面积动态度湖泊面积=像元数*分辨率^2湖泊面积动态度=（A2-A1）*1/A1*1/T（注：A1、A2分别是前后两个时间的湖泊面积，T是时间间隔）e、湖泊面积数据的处理与分析数据处理工作在Excel表格中完成，主要是制作湖泊面积随年份变化的折线图。

3、基于自然与社会因素的湖泊面积减少驱动力分析a、自然因素分析：气温、降水自然因素主要是通过控制湖泊的降水量与蒸发量来控制湖泊水域范围的变化，这种变化比较缓慢，需要通过一段时间的作用才能显现出影响。

b、社会因素分析:人口数量、生产总值、农林水事务投资、房地产投资社会因素对湖泊面积的影响比较明显，影响范围较大，后果比较严重。

C、主成分分析在很多情形下，影响使同一个因变量发生变化的变量之间是有一定的相关关系的，当两个变量之间有一定相关关系时，可以解释为这两个变量反映此课题的信息有一定的重叠。

主成分分析是对于原先提出的所有变量，建立尽可能少的新变量，使得这些新变量是两两不相关的，而且这些新变量在反映课题的信息方面尽可能保持原有的信息。

四、实验结果1、湖泊面积时空演变分析结果武汉市湖泊的年际变化可以从数量和面积两个方面来衡量。

——数量上1980s 1990s2000s 2010s从以上得到的四幅专题地图可以很直观地看出，从1980年到2010年的三十年间，湖泊数量逐渐减少，特别是处于城市中心的湖泊数量减少了很多，尚存的一些湖泊面积也在逐渐萎缩。

从1980年遍布的湖泊到2000年稀稀拉拉残存的湖泊，湖泊数量锐减的速度之快让人触目惊心。

——面积上1980s--2010s武汉市湖泊面积统计表武汉市1980s--2010s湖泊面积折线图从统计表中的数据可以看出，武汉市的湖泊面积从1980年的719平方千米缩减到了2010年的521.3平方千米，共减少了197.7平方千米，其中面积减少最多的十年是1990年到2000年，共减少了114.9平方千米。

湖泊动态度直观地描述了研究区某一时间范围内湖泊面积的变化，可以真实反映区域湖泊面积变化的剧烈程度。

从湖泊面积动态度可以看出，湖泊面积在1990年到2000年的十年里减少的速度是最快的，到2000年至2010年的十年里减少速度有所变缓，但还是以平均每年0.6%的速率在消失。

从折线图的走势来看，武汉市的湖泊面积几乎是呈直线减少的，近年来减少的幅度有所减小，但总体还是快速减少。

2、基于自然与社会因素的湖泊面积减少驱动力分析结果湖泊面积的减少主要归咎与自然因素和社会因素两方面的原因，本次实验中我们考虑的自然因素是气温和降水，社会因素包括总人口数、生产总值、农林水事务投资和房地产开发投资。

——自然因素从温度的变化上看，武汉的年平均气温自1980年起，呈现浮动上升的趋势，气温的升高可能导致降雨量的减少和蒸发量的增加，引起湖泊水量补给不足，最终导致湖泊水位下降、蓄水量减少甚至干涸。

另一个方面，温度的升高会使水体里的微生物和藻类的生命力与繁殖力增强，导致一系列的湖泊水质污染、富营养化，比如蓝藻、赤潮等等，长此以往，必然会破坏湖泊的稳定性，一旦超过其恢复力的话，就会使湖泊的面积减少。

武汉市三十年来的年平均降水量比较平稳，但是从1979年的354.8毫米，到2009年的271.94毫米，年平均降水量还是减少了80多毫米，2000年的年平均降水量陡增至539.29毫米，这可能是2000年湖泊面积减少的速度减缓的原因。

——社会因素人口数量的急剧增加，必然会导致就业、粮食、住房等一列问题，工业建厂需要土地，耕种粮食需要土地，建宅落户也需要土地，但用于建造建筑用地的土地数量毕竟是有限的，于是城市规划师们便将目光投向了湖泊，填埋湖泊不仅能解决土地不足的问题，从房产开发与工业发展中获得大量的经济利益，还能一劳永逸地解决掉一些被污染而发臭、恢复起来投资较大的湖泊，于是大量的湖泊被填埋，用以增加城市建设所需要的土地。

从图上看，生产总值、农林水事务投资以及房地产开发投资都是近似以指数的形式在增长，其中，在农林水事务方面的投资在逐年增加，且在2000年以后急速增加，农林业的发展需要土地，就会有很多的湖泊被改造为农林用地；水利工程的修建，会切断下游湖泊汛期洪水的补给，破坏湖泊的水文过程，使湖泊萎缩甚至干涸；房地产投资和高速增长的生产总值下，一栋栋高楼拔湖而起，填湖所受的罚款与日益飙涨的房价相比，简直是九牛一毛。

这些因素的背后除了人口增多带来的社会压力以及巨大的利益链条，还有管理者的监督惩罚力度不严等问题，结果就是湖泊消失了，换之在湖面上建起来的繁华的街市与生产效益高的工厂。

社会因素几乎是近十几年来湖泊面积减少的主要原因。

——主成分分析上面列举了自然因素和社会因素共六种引起湖泊面积减少的原因，但哪些才是主要原因，这些因素对湖泊面积的影响又有多大的影响呢？我们采用主成分分析的方法来解答这些问题。

假设x1到x6分别代表总人口数、生产总值、温度、降水、农林水事务投资、房地产开发投资这六个引起湖泊面积减少的因素，用spss软件对已知的数据进行主成分分析。

首先建立以上影响湖泊面积变化的因素的相关系数矩阵如下由驱动力变量的相关系数矩阵可以看出，第二类和第六类、第五类和第六类、第一类和第二类影响因素相关度很高，相关系数分别为0.985、0.930、0.868，这充分说明因子分析的必要性。

从程序结果可以看出，第一、第二、第三主成分累计方差的比率已经超过了95%，可以进一步分析得到因子载荷矩阵。

由因子载荷矩阵可以看出，第一个公共因子在x1,x2,x5,x6有较大的载荷，这反映的是湖泊面积减少是由社会因素导致的。

第二个公共因子在x3有较大的载荷，这反映的是自然因素导致湖泊面积的减少。

第三个公共因子在各变量的载荷大小相近，这反映的是其他社会因素印证对于湖泊面积的影响。

由此可以知道，社会因素、自然因素和一些其它的因素，都会导致湖泊面积的减少。

最后通过加权计算各个因子的综合得分值为:0.564666667、0.582333333、0.477166667、0.1765、0.503666667、0.558166667。