湖泊系长期占有大陆封闭洼地的水体，并积极参与自然界的水分循环，是地表水的重要载体，也是湿地的一种类型^［1］。湖泊参与自然界的水循环过程，是气候变化的指示器^［2-4］。湖泊是宝贵的自然资源，沙漠湖泊更为宝贵，对于维持沙漠生态环境、防止沙漠扩展具有重要作用^［5］，沙漠湖泊蓄积了沙漠地区珍贵的水源，对维持区域生物多样性和生态系统的稳定发挥了重要作用。同时，沙漠湖泊对气候变化响应敏感，在叠加了人类活动干扰的情况下，年际特征较为显著^［6］。由于气候持续变暖进程的加快及人类活动的影响，多数陆地湖泊水位下降、面积萎缩，一些湖泊分裂、干涸，湖泊周边湿地地下水位下降，湖泊面积减小，湖泊水量多处于入不敷出的负平衡状态^［7］，沙漠湖泊更是如此。关于沙漠湖泊的研究更多涉及典型湖泊生态系统及群落结构、湖泊富营养化、湖泊成因及补给来源等方面，对区域性沙漠湖泊动态变化监测较少。最初的湖泊动态变化监测只能人为进行实地考察，随着科技的进步，通过卫星影像监测的方法，人们利用卫星影像快速实现水体信息的提取，用以监测湖泊动态变化过程。

目前针对中国沙漠湖泊变化开展的调查研究集中在巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠。张振瑜等^［8］在研究巴丹吉林沙漠腹地湖泊时发现，沙漠湖泊在各时期发生了不同程度的萎缩；曹乐等^［9］解译巴丹吉林沙漠湖泊水量变化时发现，沙漠湖泊萎缩程度高，沙漠干旱化趋势明显；颜长珍等^［10］在研究腾格里沙漠湖泊变化过程中发现，1995—2000年沙漠湖泊的数量和面积都呈减少趋势。遥感技术能够大范围、及时快速地获取地表环境信息，为湖泊水域动态变化监测和相关参数的反演研究带来了便利，成为湖泊研究强有力的技术手段^［11］。遥感技术在湖泊动态变化研究方面具有十分重要的作用，在一定程度上推动着湖泊水体计算机自动提取方法的发展^［12-13］。目前国内外学者在这些方面已经开展了大量的研究工作，并取得了进展^［14-19］。库布齐沙漠是中国第七大沙漠，整体地势平坦，多为河漫滩地和黄河阶地，东部水分条件较好，属半干旱区，西部降水少，属干旱区，中东部有发源于高原脊线北侧的十大孔兑。库布齐沙漠横跨3个旗县，人口众多，人为活动广泛，伴随着城镇的扩大迁移、工业的发展以及旅游业的兴起，当地对水资源的需求越来越大，对于水资源的保护越来越重视。库布齐沙漠中分布着一定量的湖泊，这些湖泊由于多方面因素的影响，现在面临着萎缩、干涸等问题，同时针对库布齐沙漠湖泊动态变化的监测较少，因此对库布齐沙漠湖泊水域动态变化进行监测是十分必要的。本文基于以上思路，应用遥感和地理信息系统技术对库布齐沙漠内的湖泊进行提取，分析1986—2020年库布齐沙漠湖泊动态变化，助力黄河“几字弯”库布齐沙漠防沙治沙攻坚战，为当地的水资源保护和水资源合理利用提供参考依据。

研究区以库布齐沙漠为主体，库布齐沙漠在行政区划上属于内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗、达拉特旗、准格尔旗，面积约1.86万km²。库布齐沙漠海拔909~1 589 m，地势南高北低。气候属于典型温带大陆性干旱季风气候，气温高、温差大，极端最低气温-30.5 ℃，极端最高气温38.1 ℃。年降水量150~400 mm，年蒸发量2 100~2 955 mm，降水自东向西逐步减少，且降水主要在7—8月^［20-22］。

目前库布齐沙漠湖泊的水文资料仅限于七星湖，缺乏其他湖泊水文资料作为参考，且湖泊处于沙漠之中，湖面受季节变化影响，枯水期和丰水期相差较大，部分小型湖泊遇沙尘暴被掩埋，因此文中均以丰水期水边线所围面积作为湖泊面积。库布齐沙漠7—9月为雨季，为了使解译出来的不同时相湖泊动态信息有可比性，优先选取10月的影像作为信息源，缺少10月影像数据采用9月影像数据，2010—2011年期间影像以及2016—2017年影像均使用了9月影像数据作为补充。其中将湖泊界限内的所有面积作为湖泊的面积，包括水面面积、岛屿面积、滩地面积。同时，由于湖泊季节性萎缩，部分湖泊出现分裂现象，即一个大湖泊缩成几个小湖泊，在湖泊信息后处理时，将这几个小湖泊合并，其面积和数量统一记为一个湖泊。

综合考虑影像的空间分辨率和时间跨度，本研究选择Landsat的TM/OLI数据，空间分辨率为30 m，Landsat影像数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn），其中覆盖库布齐沙漠的每一期影像需要3景遥感数据，文中获取了库布齐沙漠区域1986—2020年影像数据，最终得到10期覆盖研究区域的影像数据，影像数据云量均控制在3%以内，表1为数据源基本信息。处理软件为美国ESRI（环境系统研究所）的桌面地理信息系统软件Arcmap10.2和美国Exelis Visual Information Solutic公司开发的遥感图像处理软件ENVI5.3。

应用ENVI5.3遥感图像处理软件，对TM/OLI遥感图像进行辐射定标、大气校正与镶嵌裁剪。目前水体信息提取多采用单波段阈值法、多波段法（谱间关系法、植被指数法、水体指数法）、决策树法、色度判别法、比率测算法、密度分割法等^［23-27］。多波段法利用遥感影像的多个波段，可以获取不同波段的光谱信息。不同类型的水体在不同波段下有不同的光谱特征，多波段法能够捕捉到这些特征，提高水体提取的准确性。朱金峰等^［18］在研究巴丹吉林沙漠湖泊时根据沙漠湖泊典型的光谱特征，提出了一种专用于提取沙漠湖泊信息的水体指数DLWI，更加准确地提取到沙漠湖泊信息，本研究采用水体指数DLWI提取库布齐沙漠水体。

式中：b_blue、b_mir分别代表Landsat TM影像第1、5波段的DN值或Landsat OLI影像第2、6波段的DN值。应用水体指数DLWI方法可以轻易快速实现库布齐沙漠中水体与其他地类的区分，通过阈值分割法可以正确提取库布齐沙漠水体信息。将提取到的库布齐沙漠水体信息导入Arcmap10.2软件中，结合人工目视解译，利用Arcmap工具对所得到的水体信息进行后处理，包括对部分湖泊边界进行拉伸缩减以增强准确性、剔除误判、将误差范围控制在3个像元内、统一湖泊统计指标、统计湖泊面积和周长等基本信息、建立库布齐沙漠湖泊空间数据库等，最终得到库布齐沙漠1986—2020年10期湖泊数据（图1）。

为准确研究库布齐沙漠湖泊近年动态变化信息，依据研究区湖泊面积^［18-19］，将库布齐沙漠湖泊分为4个等级，分别为>1 km²，0.5~1 km²，0.1~0.5 km²，<0.1 km²。根据空间矢量数据分级符号化方法，按照自然间断点分级法（Jenks）将湖泊变化量分为5个级别，得到其点层上的空间分布格局。基于GIS的空间插值方法，根据反距离加权原理，对各时相湖泊面积变化量在研究区范围内进行插值处理，得到各时相湖泊面层上的空间分布格局，直观地表现了研究区范围内湖泊变化的时间、空间特征。

库布齐沙漠湖泊主要分布在杭锦旗境内，集中于3个区域，分别是七星湖附近、什太庙附近以及希纳格尔庙附近，自西向东逐渐减少。库布齐沙漠中部仅有一个湖泊为大青龙湖，其最初为径流湖，后经人为因素干扰改造为人工湖，达拉特旗仅有一个湖泊为乌兰淖水库，准格尔旗境内并未解译出湖泊（图2）。

库布齐沙漠湖泊在1986—2020年总体呈现减少趋势，减少的幅度较大（表2）。从1986—1990年的9.1403 km²减少到了2018—2020年的7.4678 km²，共减少了1.6725 km²，变化率为18.3%。1986—1990年湖泊个数最多，有48个，2018—2020年湖泊个数最少，有22个，共减少了26个湖泊，变化率为54.2%，减少幅度较大。库布齐沙漠湖泊周长在2006—2007年最长，为201.0375 km，2018—2020年期间周长最短，为56.9183 km，减少了144.1192 km，变化率为71.7%，减少幅度较大。解译出最小的湖泊面积为0.0017 km²，对应1986—1990年，2016—2017年解译出的最小湖泊面积为0.0043 km²。其中1986—1990年到1991—1997年呈现增长趋势，增长了3.0845 km²，变化率为33.7%，变化幅度较大。总体来说，库布齐沙漠湖泊在1986—2020年数量和面积都呈现减少的趋势，且变化十分明显，处于显著减少的状态。

由表3可以看出，1986—2020年，>1 km²的湖泊较为稳定，年际变化并不明显，始终保持在3个左右，1986—1990年>1 km²的湖泊面积为5.4365 km²，2018—2020年为5.3392 km²，减少了0.0973 km²，变化率仅为1.8%，变化幅度较小。0.5~1 km²的湖泊数量较为稳定，始终保持在1~2个，面积变化十分明显，1986—1990年湖泊面积为0.9399 km²，2018—2020年湖泊面积为1.4347 km²，增加了0.4948 km²，变化率为52.6%，变化幅度较大。0.1~0.5 km²及<0.1 km²的湖泊数量和面积变化都较为显著，0.1~0.5 km²的湖泊由1986—1990年的8个降到了2018—2020年的1个，面积从1.8148 km²降到了0.1638 km²，共减少了1.651 km²，变化率为91%；<0.1 km²的湖泊在1986—1990年数量最大，为36个，面积为0.9492 km²，2018—2020年数量最少，为16个，面积为0.5301 km²，数量减少了20个，面积减少了0.4191 km²，变化率为44.2%，变化幅度较大。库布齐沙漠>1 km²的湖泊平均只有3个，面积却占到了整个库布齐沙漠湖泊面积的50%以上，<0.1 km²的湖泊虽然数量众多，占到库布齐沙漠湖泊数量的50%以上，面积却占不到整个库布齐沙漠的10%。大青龙湖和乌兰淖水库最初受到径流影响的原因较大，后来受到人为干扰的影响较大，面积>1 km²的湖泊由最开始的大道图湖、天鹅湖及大青龙湖变为了现在的大道图湖、天鹅湖及乌兰淖水库，>1 km²的湖泊在1991—1997年和2016—2017年时变为了4个，主要是爱情湖面积靠近1 km²，影像时段可能刚下过雨，会导致出现4个>1 km²湖泊。乌兰淖水库最初受径流影响，当径流大时，湖泊水量增加、面积增加，出现0.5~1 km²湖泊出现2个。2018—2020年，大青龙湖和乌兰淖水库受到人为干扰的原因最大，大青龙湖的面积0.5~1 km²，乌兰淖水库的面积>1 km²。图3显示各时相湖泊分级变化。

由图4可以看出，1991—1997年库布齐沙漠湖泊面积变化较为显著，其中面积扩张的湖泊主要为七星湖中的爱情湖—天鹅湖—大道图湖以及研究区中部的大青龙湖，而面积减小的湖泊主要分布在七星湖附近以及研究区西部，其中面积减少较大的3个湖泊主要分布在研究区的西南边缘。1998—2002年库布齐沙漠湖泊面积变化较为显著，面积扩张的湖泊集中在七星湖附近，但扩张幅度较小，而面积萎缩的湖泊主要为天鹅湖—大道图湖—大青龙湖，且萎缩幅度较大。2003—2005、2006—2007、2010—2011、2012—2015、2016—2017、2018—2020年湖泊面积变化量较为稳定，在此期间，各湖泊有扩张也有萎缩，但幅度较小，湖泊萎缩的幅度大于湖泊扩张的幅度。从1986—2020年库布齐沙漠湖泊面积变化量中可以看出，库布齐沙漠范围内的众多小型湖泊表现为扩张趋势，但变化幅度较小，而七星湖以及大青龙湖表现为萎缩状态，且变化幅度较大，对整个库布齐沙漠湖泊面积变化量的影响也较为显著。整体而言，1986—2020年虽然众多湖泊在不同时期均有扩张和萎缩的情况，但萎缩的幅度往往比扩张的幅度大，并且从10期的面积变化量空间分布格局中可以看出，阶段性湖泊面积变化的结果加大了最终状态与原始状态之间的差距。

湖泊水体信息的计算机自动提取方法很多，较为成熟且多采用的方法为单波段阈值法、多波段法（谱间关系法、植被指数法、水体指数法）、决策树法、色度判别法、比率测算法、密度分割法等，其中多波段法将水体反射强的波段和反射弱的波段通过比值运算构建归一化的指数，并结合一定的阈值提取水系，提高水体提取的准确性。前人利用多波段法构建了多种水体指数模型：Mcfeeters^［14］构建了归一化差异水体指数NDWI，可以最大程度地抑制植被的信息，但城市和水体信息容易混淆；徐涵秋^［15］在归一化水体指数的基础上提出了改进归一化差异水体指数MNDWI，提高了水体信息提取的准确性，消除了地形差异的影响，更有利于城市水体信息的提取；丁凤^［16］构建了新型水体指数NWI，解决了水体中杂有阴影的难题；杨宝钢等^［17］构建了改进型组合水体指数MCIWI，增强了各类型复杂水体与植被、城镇等其他信息的区分度，增强了城市水体提取的准确性。本文利用朱金峰等^［18］构建的水体指数DLWI，可以根据沙漠湖泊典型的光谱特征轻易实现沙漠湖泊水体与其他地类的区分，有效准确地提取到沙漠湖泊水体。冯祺宇等^［6］在研究中国八大沙漠区湖泊时空分布时发现近年来库布齐沙漠湖泊呈增长趋势，与本文研究结果有所差异。本文在研究过程中分别运用了NDWI、MNDWI、DLWI 3种水体指数提取库布齐沙漠湖泊，其中效果以DLWI水体指数最优，但在研究过程中发现，库布齐沙漠北部分布着众多城镇及村庄，同时受黄河水体的影响，在提取湖泊时对于北部靠近城镇及黄河的湖泊并不能清晰识别，对于一些小型的湖泊不能做到解译，因此结合实地验证，本文补充了大道图湖、大青龙湖以及乌兰淖水库等湖泊。

目前沙漠湖泊演变主要受地质构造运动、气候变化、人类活动等因素共同影响。王丽娟等^［28］在研究巴丹吉林沙漠湖泊时发现当地气候暖干化突变是巴丹吉林沙漠湖泊加速萎缩的一个重要原因；颜长珍等^［10］研究腾格里沙漠湖泊时发现降水增加，腾格里沙漠湖泊总面积呈增加趋势，但湖泊面积与气候波动之间的关系并不显著；王理想等^［29］在研究乌兰布和沙漠湖泊时发现湖泊群消长主要受到引黄水量和农田面积增加的影响。本文结合2000—2019年杭锦旗、达拉特旗、鄂尔多斯市降水量以及平均气温探讨与湖泊面积变化之间的关系，同时为考虑湖泊面积减小是否与区域升温背景下蒸发量有关，探究当地蒸发量与气温之间的关系（图5）。库布齐沙漠湖泊主要分布在杭锦旗境内，在七星湖附近形成聚集态势，虽然当地居民稀少，但由于当地大力发展七星湖旅游业，湖泊受到人类活动的影响较为显著。沙漠湖泊由于处在沙漠腹地，并无径流流入，因此水量收入部分除了降水直接补给外还有地下水的补给，水量支出部分表现为湖泊水面蒸发、生物饮用以及人为利用3个方面。

七星湖、什太庙附近湖泊以及希纳格尔庙附近湖泊面积总体呈现减小趋势。近20年杭锦旗年降水量保持在430~550 mm，从变化趋势上看杭锦旗年降水量呈现缓慢上升趋势，年平均气温保持在9~10.5 ℃，呈现缓慢上升趋势。达拉特旗历年降水量在400~600 mm，呈现缓慢上升趋势，平均气温在8.2~9.8 ℃，呈现缓慢上升趋势。鄂尔多斯市近20年平均气温在7.6~9.3 ℃，从变化趋势上看鄂尔多斯市年平均气温总体较为稳定。杭锦旗、达拉特旗以及鄂尔多斯市近20年来的降水量以及平均气温总体呈现缓慢上升的趋势，而库布齐沙漠湖泊面积总体呈现下降趋势，部分位置的湖泊面积变化规律复杂，2000—2013年杭锦旗实际蒸发量总体稳定在2 600~2 150 mm，当地蒸发量与平均气温之间的关系不显著，不呈现正比或者反比的关系。由此可以判断降水量和气温并不是影响湖泊面积变化的主要原因，库布齐沙漠湖泊面积逐年降低的原因可能更多在于区域补给来源的不同、补给方式的差异以及人为因素的干扰。

利用水体指数DLWI和人工目视解译的方法提取库布齐沙漠湖泊，监测库布齐沙漠湖泊1986—2020年数量和面积的动态变化，沙漠湖泊总体呈现下降趋势，共干涸26个，现存22个湖泊，总面积由1986—1990年的9.1403 km²下降到了2018—2020年的7.4678 km²，面积减少1.6725 km²。

空间分布上，库布齐沙漠湖泊主要分布在杭锦旗境内，集中于七星湖、什太庙、希纳格尔庙附近，面积减小和面积增大的湖泊在整个研究区范围均有分布，但减小的幅度远大于增大的幅度，湖泊面积减小的影响更为显著。

库布齐沙漠湖泊演变受到地质构造运动、气候变化、人类活动等因素的综合影响，其中降水量、蒸发量和气温不是影响库布齐沙漠湖泊面积变化的主要因素，湖泊面积变化所表现的空间特征可能是由不同湖泊区域补给来源不同、湖泊补给方式存在差异以及人为因素干扰造成。