全 文 ：长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展*
滕明君1 摇 曾立雄1 摇 肖文发1**摇 周志翔2 摇 黄志霖1 摇 王鹏程2 摇 佃袁勇2
( 1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 /国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091; 2华中农业大学园
艺林学学院, 武汉 430071)
摘摇 要摇 长江三峡库区是我国最重要的生态敏感区之一,受三峡水利工程和相关人类活动影
响,其生态环境变化显著.揭示三峡库区生态系统结构、功能和生态过程的变化对于维护库区
生态安全具有重要意义.生态环境遥感为此提供了关键途径,并在三峡库区生态环境研究中
受到重视.现有的三峡库区生态环境变化遥感研究往往存在较大差异,难以有效反映生态环
境变化和响应特征,加之生态本底和人类干扰活动的复杂性,三峡库区生态环境变化遥感研
究仍面临诸多挑战.本文对库区环境变化遥感研究的发展阶段、研究尺度、遥感数据和方法等
进行了系统总结,并从土地利用 /覆盖变化、植被变化、水土安全、生态服务价值评价、生态系
统健康与生态规划 5 个方面对库区生态环境变化遥感研究进展进行综述,在此基础上探讨了
当前三峡库区生态环境变化遥感研究存在的问题,并提出未来研究中需重点关注的主要科学
问题,以期为三峡库区生态环境管理和类似地区生态环境变化遥感研究提供参考.
关键词摇 生态环境变化摇 遥感摇 三峡库区摇 生态系统评估摇 生态过程
文章编号摇 1001-9332(2014)12-3683-11摇 中图分类号摇 Q149; X87摇 文献标识码摇 A
Research progress on remote sensing of ecological and environmental changes in the Three
Gorges Reservoir area, China. TENG Ming鄄jun1, ZENG Li鄄xiong1, XIAO Wen鄄fa1, ZHOU Zhi鄄
xiang2, HUANG Zhi鄄lin1, WANG Peng鄄cheng2, DIAN Yuan鄄yong2 ( 1 Institute of Forest Ecology,
Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry / Key Laboratory of Forest Ecology and En鄄
vironment, State Forestry Administration, Beijing, 100091, China; 2College of Horticulture and
Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430071, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2014, 25(12): 3683-3693.
Abstract: The Three Gorges Reservoir area (TGR area), one of the most sensitive ecological zones
in China, has dramatically changes in ecosystem configurations and services driven by the Three
Gorges Engineering Project and its related human activities. Thus, understanding the dynamics of
ecosystem configurations, ecological processes and ecosystem services is an attractive and critical is鄄
sue to promote regional ecological security of the TGR area. The remote sensing of environment is a
promising approach to the target and is thus increasingly applied to and ecosystem dynamics of the
TGR area on mid鄄 and macro鄄scales. However, current researches often showed controversial results
in ecological and environmental changes in the TGR area due to the differences in remote sensing
data, scale, and land鄄use / cover classification. Due to the complexity of ecological configurations
and human activities, challenges still exist in the remote鄄sensing based research of ecological and
environmental changes in the TGR area. The purpose of this review was to summarize the research
advances in remote sensing of ecological and environmental changes in the TGR area. The status,
challenges and trends of ecological and environmental remote鄄sensing in the TGR area were further
discussed and concluded in the aspect of land鄄use / land鄄cover, vegetation dynamics, soil and water
security, ecosystem services, ecosystem health and its management. The further researches on the
remote sensing of ecological and environmental changes were proposed to improve the ecosystem
management of the TGR area.
Key words: ecological and environmental changes; remote sensing; the Three Gorges Reservoir
area; ecosystem assessment; ecological process.
*国家公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406072)和湖北秭归三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: xiaowenf@ caf. ac. cn
2014鄄04鄄14 收稿,2014鄄08鄄19 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 12 月摇 第 25 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2014, 25(12): 3683-3693
摇 摇 气候和土地利用 /覆盖变化导致不同尺度生态
系统结构和功能变化[1-2],评估环境变化对生态系
统的影响和反馈已成为全球变化研究的核心内容之
一.以遥感影像为基础的生态环境遥感为此提供了
重要途径,尤其适用于区域或者更大尺度的生态环
境时空变化研究[3] .通过历史和当前遥感影像的定
性、定量解译,模拟评估变化环境下生态环境要素数
量、质量特征、动态、反馈,及其相互作用关系已成为
当前生态环境研究的热点[4-5] .
三峡库区是三峡水利工程的直接影响区域,地
处北亚热带北缘,包括湖北和重庆两省(市)共 20
个区县,面积约 5. 8伊104 km2 .三峡库区是我国最重
要的生态敏感区之一,三峡水利工程及相关的生态
移民、城市建设、土地利用变化、生态工程等人类活
动导致库区生态系统结构和功能快速变化,并使这
一地区形成独特的生态系统[6],从而增加了三峡库
区生态敏感性和生态系统变化的不确定性[7-9] . 在
此背景下,三峡库区生态环境变化受到广泛关注,成
为我国生态环境变化研究的重点内容之一,尤其是
人类活动驱动下库区生态环境要素组成、结构、过程
与功能的时空变化特征,以及区域生态系统管理成
为关注焦点[10] .由于在揭示区域生态环境变化中的
重要作用,遥感技术在三峡库区生态环境变化研究
中受到重视,众多研究得以开展. 然而,由于研究目
的、研究方法、数据源、尺度、精度等方面的差别,研
究结果间往往存在较大差异,难以有效反映生态环
境的变化响应特征. 同时,该区域地形条件复杂、云
雾频繁,加之人为活动的影响和土地利用类型的多
样,增加了生态环境遥感研究的复杂性和不确定
性[10],而遥感精度和生态环境指标需求的增加也使
三峡库区生态环境变化遥感研究面临诸多挑战. 本
文在回顾三峡库区生态环境变化遥感研究相关文献
的基础上,综述了三峡库区生态环境变化遥感研究
的发展阶段、研究尺度、数据分析方法等,并进一步
探讨三峡库区生态环境变化遥感研究的主要内容、
存在的问题和研究趋势,以期为三峡库区及相似地
区生态环境变化遥感研究提供参考.
1摇 三峡库区生态环境变化遥感研究的发展阶段
三峡水利工程对区域生态环境的影响受到广泛
关注,促使了三峡库区生态系统变化研究.遥感技术
能够有效反映生态系统要素的空间结构和质量特
征,因此,从三峡工程的论证阶段开始,遥感技术便
在三峡库区生态环境变化研究中受到重视[11-12] .其
图 1摇 三峡库区生态环境遥感研究文献的时间特征(根据知
网和 SCIE数据库,截至 2013 年 12 月)
Fig. 1摇 Temporal characteristics of references on remote sensing
of environment in the Three Gorges Reservoir areas ( based on
the CNKI and SCIE, update to December 2013).
发展可分为 2 个阶段(图 1):2000 年以前为探索阶
段,这一时期的研究主要利用中等分辨率的 Landsat
MSS / TM、SPOT和航拍影像等遥感数据进行生态环
境本底评估,揭示土地利用 /覆盖组成和结构特
征[11-12];2000 年之后,三峡库区生态环境变化遥感
研究进入快速发展阶段,除关注土地利用 /覆盖动态
变化[13]外,生态环境过程遥感研究,如土壤侵蚀时
空变化[14]、景观格局变化[15]等也得到重视,遥感数
据应用由单一分辨率开始向高分辨率(时间、空间
和光谱)数据应用转变[16-17],特别是 MODIS、SPOT
卫星的归一化植被指数(NDVI)在植被和土壤侵蚀
等相关研究中得以广泛应用. 此外,多源遥感数据、
GIS和相关生态环境模型的综合应用也受到重
视[18] .
2摇 三峡库区生态环境变化遥感研究的尺度、数据与
方法
摇 摇 尺度效应是景观结构、功能和过程的基本特征,
包括景观粒度和幅度两方面. 在三峡库区生态环境
变化研究中,景观粒度主要表现为遥感数据空间分
辨率的差异,而研究幅度则呈现较大的变化.早期研
究主要在库区[11]和典型工程区[12]两个尺度上进行
生态环境本底调查;随着三峡水利工程建设和蓄水
运行,主要研究尺度由库区和典型工程区资源评估
转向揭示人为活动影响下库区多尺度生态环境变化
与响应.目前,三峡库区生态环境变化遥感研究已涵
盖流域尺度、库区尺度、区段尺度、县域尺度、小流域
尺度、林分尺度和群落结构尺度,其中,库区生态系
统动态监测评估、县域尺度景观变化和小流域尺度
生态过程研究是主要尺度内容. 尽管现有研究已覆
盖多数空间尺度,但考虑到三峡库区复杂的地形和
生态系统结构特点,其主要生态过程的尺度效应、本
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征尺度和尺度耦合研究仍有待深入.
随着研究内容和尺度的扩展,遥感数据应用亦
呈多样化趋势. 2005 年前的研究所用遥感数据主要
是中等分辨率的 Landsat 和 SPOT 等影像[12],重点
区域则应用高分辨率航测数据. 2005 年后库区环境
遥感数据多样性显著增加,不同空间分辨率和光谱
分辨率遥感数据得以应用.目前,三峡库区生态环境
变化研究常用遥感数据可分为 3 类:1)用于库区生
态过程连续观测研究的 MODIS 和 SPOT 指数产品
等[19-20],时间分辨率较高,标准产品多样,可用于宏
观生态结构、过程和功能的连续监测评估;2)用于
中尺度研究的资源卫星数据,如 Landsat 影像、资源
卫星影像、SPOT4鄄5 多光谱影像等,这些数据时间范
围覆盖较长,且具有适中的时空分辨率,但受气象条
件影响较大,很难获取连续遥感数据,因而难以有效
反映短期生态变化,但适用于库区中尺度的土地利
用 /覆盖年际变化 /季节变化研究;3)高分辨率遥感
影像数据,如具有米或亚米级分辨率的航测数据、
IKONOS影像、Quickbird 影像、Rapideye 影像等,这
类数据可实现地物类型的精确解译,常用在小流域
或者县域尺度的研究[21-22] . 此外,近年来高光谱数
据和雷达数据也在库区生态环境变化研究中得到应
用,如 EO鄄1、环境卫星数据等.
随着高分辨率和多源遥感数据的应用,遥感解
译手段和精度日渐提高,在传统的土地利用 /覆盖定
性信息提取方面,面向对象的分类方法开始应
用[23];同时,更多研究开始关注生态环境定量遥感
研究,获取生态环境遥感参量,如植被覆盖度反
演[20]、土壤侵蚀评估[17, 24]、净初级生产力(NPP)评
估[25]、林分结构[16]等.随着多源卫星数据和相关生
态模型的综合应用,数据选择与同化问题日益凸显.
3摇 三峡库区生态环境变化遥感研究的主要内容
人类活动驱动下陆表生态环境要素(土地覆
被、水、土、森林、湿地、生物多样性等)组成、结构、
过程与功能的时空变化特征及其调控管理是三峡库
区生态环境安全的主要议题[10] . 围绕这一议题,众
多关于三峡库区生态环境变化遥感的研究得以开
展.现有研究可概括为 5 个主要研究方向:土地利
用 /覆盖变化、植被变化、水土安全、生态服务价值、
生态系统健康与生态规划等(图 2).
3郾 1摇 土地利用 /覆盖变化
土地利用 /覆盖变化是揭示区域生态环境变化
的最直观指标,三峡库区土地利用 /覆盖变化研究开
图 2摇 三峡库区生态环境变化遥感研究的主要内容(根据知
网和 SCIE数据库,截至 2013 年 12 月)
Fig. 2摇 Main research areas and their percent within the Three
gorges Reservoir area (based on the CNKI and SCIE, update to
December 2013).
玉: 土地利用 /覆盖变化 Land鄄use / land鄄cover changes; 域: 植被变化
Vegetation change; 芋:水土安全 Soil and water conservation; 郁:生态
服务 Ecosystem services; 吁: 生态系统健康与生态规划 Eco鄄health
and planning.
展较早,并受到长期关注. 以卫星影像、航测影像等
为基础的土地利用 /覆盖解译产品为此提供了多样
的基础数据支持. 2000 年前的研究主要关注库区土
地利用 /覆盖的空间变化;2000 年后库区土地利用 /
覆盖时空变化研究逐渐加强,尤其是在时序遥感数
据支持下,三峡库区长期土地利用 /覆盖变化研究得
以开展[26-27] .目前,三峡库区土地利用 /覆盖变化研
究重点关注人类活动影响下库区土地利用变化的时
空特征与驱动因素. 其中,以库区尺度[27-29]和县域
尺度[23,30-31]的研究为主,尤其对受水库建设影响较
大的县区和小流域关注较多[32-34] . 在以往的研究
中,Landsat TM / MSS和 SPOT遥感影像广泛应用,也
有少量研究[35]运用中巴资源卫星等国产遥感卫星
影像.
三峡库区土地利用 /覆盖发生了明显变化,其变
化过程可分为 2 个阶段:在三峡工程建设前期
(1990—2002 年)库区土地利用 /覆盖类型中农田占
主导地位,且有一定扩大趋势;而在三峡工程建设后
期(2002 年后),森林、灌丛、水体、建设用地等土地
利用 /覆盖类型比例逐渐提高,农田面积比例下
降[26-30] .但不同研究结果间仍存在差异,尤其是森
林、灌丛等类型的面积和比例变化方面差异较
多[13,29-30,32] .并且现有研究所关注的时段集中在水
利工程建设前后,长期气候变化和近期库区水位提
升和移民工程等导致的土地利用 /覆被变化仍不明
确.现有研究应用单一季节影像对土地利用 /覆盖进
行解译,难以精确反映植被覆盖的季节性差异. 此
外,三峡库区遥感数据受水汽条件影响较大[36-37],
586312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 滕明君等: 长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展摇 摇 摇 摇 摇
且遥感数据光谱分辨率、解译精度、土地利用 /覆盖
分类体系方面也存在差异. 这些因素增加了土地利
用 /覆盖变化研究的难度和不确定性.
以遥感为基础的景观格局变化研究也是三峡库
区生态环境变化研究的重要内容.目前,三峡库区景
观格局时空变化研究主要包括县域和库区两个尺
度.县域尺度研究多以 Landsat 时序影像为基础数
据,关注三峡工程建设期间典型县区的景观结构变
化趋势和景观格局变化驱动因素[15,32-33,38] . 尽管在
景观格局指数变化方面存在争议[15,33,39],但多数研
究表明,移民区建设和生态工程建设等人为干扰活
动是县域景观格局变化的主要驱动因素. 库区尺度
景观格局变化特征也存在争议[28,40-41],但总体来
看,在三峡工程建设和林业生态工程的耦合影响下,
库区森林景观破碎化程度逐渐降低,生态系统空间
布局结构有所改善[28,40] .现有研究偏重对景观格局
指数变化研究,缺乏对景观格局指数变化与生态过
程关系的研究.三峡库区地形和森林(植被)类型空
间变异较大,且不同研究的景观分类体系、遥感数据
分辨率和分析单元不尽一致. 这些因素都会对研究
结果造成较大影响[42] .
3郾 2摇 植被变化
遥感技术可为植被变化研究提供植被覆盖类
型、NDVI、覆盖度等众多植被评估指标,并能结合相
关生态学模型模拟植被生产力指标以反映植被活力
和功能状态.三峡库区植被变化遥感研究多以这些
内容为核心,探索三峡工程及相关建设、生态工程等
共同驱动下库区植被变化特征与规律,主要研究内
容包括植被覆盖遥感参量和植被生产力两方面.
目前,众多学者开展了三峡库区尺度及县域尺
度植被覆盖参量的评估反演研究,如植被类型[43]、
植被指数[19,44]、植被覆盖度[20,45]、森林郁闭度[46]
等.从所用数据来看,MODIS鄄NDVI / SPOT鄄NDVI 等
遥感数据产品是目前三峡库区植被覆盖研究的核心
数据,以此为基础的库区植被覆盖研究集中在 2000
年后,揭示出三峡库区植被覆盖呈上升趋势[20,44,47],
但地形、降水等因素导致植被覆盖具有明显的时空
异质性[20,48] .也有少数研究采用以 TM / ETM+等遥
感影像为基础的植被指数,主要集中在县域 /小流域
尺度[18,31,45] .受数据限制,长期植被变化遥感参量变
化研究较为缺乏.为深入揭示三峡库区植被参量的
时空变化特征,近年来一些学者对植被定量遥感反
演算法[47]、高光谱数据应用[49]、森林结构信息反
演[16]等进行了探讨. 从现有研究来看,库区植被覆
盖遥感参量指标主要停留在植被类型、数量和质量
层面,植被生理生态指标(如叶绿素含量、环境胁迫
状态、病虫害受害状态等)遥感研究未能开展,且遥
感数据分辨率对植被遥感参量的影响仍不清楚. 因
此,人类活动对三峡库区植被的影响机制仍不明确.
库区植被生产力研究主要包括植被净初级生产
力(NPP) [25,50]、森林蓄积量[51]、植被生物量[52-53]
等.其中,NPP评估研究较多,SPOT鄄VGT NDVI、MO鄄
DIS NDVI数据与 CASA 模型结合应用扮演了重要
角色[25,50],而在县区或者小流域尺度上,研究人员
多利用 Landsat TM或 SPOT多光谱数据开展植被生
产力评估研究[52,54] . 受遥感数据可获取性影响,库
区尺度植被 NPP 研究多集中于 1998 年后[25,50] . 以
往研究表明,三峡库区植被 NPP 具有明显的时空异
质性[25,50] .由于缺乏适宜于库区尺度的长期植被指
数数据,现有研究难以全面反映长期气候变化情景
下库区植被生产力的变化响应趋势及三峡工程建设
前后植被 NPP的变化情况,且缺少地面观测数据验
证.此外,在县域或小流域尺度,一些学者试图通过
对观测数据与遥感光谱信息间关系的回归分析建立
遥感影像光谱信息与植被生物量间的定量关系模
型,如森林蓄积量遥感预测模型[54]、植被生物量遥
感估算模型[52] .尽管植物生态参量与其光谱特征间
具有较好的定量关系,但传感器类型、大气、影像获
取季节、植被空间异质性等会影响遥感影像光谱信
息,且现有的光谱鄄生物量关系模型的普适性有待
提升.
3郾 3摇 水土安全
水土安全是三峡库区面临的核心生态环境问
题.长期以来,库区水土流失、非点源污染和水质监
测评估等研究内容受到高度关注. 遥感已成为三峡
库区水土安全变化研究的基础方法,提供了植被覆
盖类型定性数据和植被质量定量数据(如植被覆盖
度、植被指数),且遥感数据定性定量反演与水土评
估模型的综合应用为揭示库区水土安全时空异质性
变化提供了可靠途径.目前,三峡库区水土安全变化
研究主要围绕不同尺度上土壤侵蚀和面源污染的定
性定量评估、时空变化及其驱动因素展开.这些研究
初步揭示了人类干扰活动下三峡库区水土安全变化
趋势及其管理策略.
三峡库区土壤侵蚀遥感研究主要集中在土壤侵
蚀模数 /侵蚀量的空间分布、动态、影响因素等方
面[14,55-56] .从评估方法来看,主要分为基于全国土
壤侵蚀遥感调查技术规程的定性评估和基于 USLE /
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RUSLE 模型的定量评估两类. 前一类研究多依靠
TM、SPOT等卫星影像定性定量信息提取,参照全国
土壤侵蚀遥感调查技术规程进行土壤侵蚀状况的定
性 /半定量评估[57] .近年来,基于遥感数据的 RUSLE
定量模型的区域土壤侵蚀定量评估研究受到重视,
众多库区尺度和县域 /小流域尺度土壤侵蚀定量评
估研究得以开展.库区尺度的定量评估研究关注宏
观政策和土地利用变化驱动下土壤侵蚀的时空变化
特征[14,24,55,58],结果表明,三峡库区土壤平均侵蚀模
数为 16. 56 ~ 33. 17 t·hm-2·a-1,且在 1992—2002
年间呈增加趋势[24],在 2000—2008 年间呈降低趋
势[55,59],且三峡库区水土流失面积仍然较大[14] . 小
流域尺度上土壤侵蚀定量评估研究则更加关注小流
域不同景观配置模式对土壤侵蚀的影响及调控对
策[17,60-62] .这些研究以 Landsat、MODIS 等影像的土
地利用 /覆盖、植被指数等产品为基础,驱动 RUSLE
模型[17,60,63]、AnnAGNPS模型[61]等估算模型进行土
壤侵蚀定量评估. 此外,三峡库区的石漠化遥感评
估[64]也在近年开始受到重视.
综上,三峡库区土壤侵蚀遥感评估研究已经由
定性评估转向定量评估和揭示其时空变化特征,多
数研究认为,随着森林生态工程的开展,三峡库区土
壤侵蚀状况呈降低趋势[55,59],但土壤侵蚀仍处于中
度侵蚀[14,57-58],且存在空间不确定性[14] . 从遥感数
据来看, SPOT鄄NDVI、MODIS鄄NDVI、 TM / ETM+数据
成为库区尺度土壤侵蚀评估研究的基础数据,而在
中小流域土壤侵蚀研究中,TM / ETM+、SPOT 多光谱
遥感影像则提供了更大时间范围和更高空间分辨率
的植被覆盖与植被指数数据,且高分辨率遥感数据
与土壤侵蚀评估模型的结合开始受到关注. 由于缺
少对土壤侵蚀过程特征尺度和影响因素作用尺度的
系统研究,遥感数据对库区土壤侵蚀模拟结果的影
响仍不明确.
三峡库区非点源污染研究迅速增加.在区域非
点源污染评估中,遥感数据常被用以提取土地覆盖
类型 /植被覆盖特征等基础参数,驱动 MUSLE[65]、
SWAT[66-67]、L鄄THIA[68]、AnnAGNPS[69]等污染评估
模型,模拟不同土地利用变化对面源污染或水体污
染负荷的影响,尤其是结合实验测定和模型模拟的
研究受到广泛重视[65-67,69] . 这些研究多以 TM 遥感
影像为基础,揭示了小流域尺度上非点源污染的特
征及土地利用 /覆盖格局的驱动作用.然而,输入数
据精度对非点源污染结果具有较大影响[70],非点源
污染过程的尺度特征有待深入. 同时,现有研究表
明,三峡库区非点源污染风险仍处于较高水平,且时
空异质性较为明显[65,71] .
除土壤侵蚀和非点源污染研究外,一些学者开
始关注三峡库区水质遥感研究,基于地面和卫星遥
感数据的水体营养物质定量反演评估模型得以发展
应用[72-73] .
3郾 4摇 生态服务价值评估
人为活动驱动下三峡库区生态服务功能变化也
受到众多学者的关注.遥感数据与生态反演 /评估模
型的结合为库区生态系统服务价值评估提供了重要
途径.但相对于生态系统结构变化研究,三峡库区生
态服务价值评估研究较薄弱,现有研究多为县域 /小
流域尺度或部分功能类型的生态服务价值评
估[34,74-75] .总体来看,三峡库区生态系统服务功能
的时空变化规律仍不明确,一些基本的生态服务价
值评估问题仍未得到有效解决.
3郾 5摇 生态系统健康与生态规划
尽管已经开展了众多生态工程,但强烈人类干
扰活动的累积效应仍导致三峡库区生态系统退化严
重[8] .了解生态系统的健康状态及其时空变化特征
是开展生态系统管理的重要前提,基于遥感技术的
三峡库区生态系统健康研究受到重视. 现有研究多
关注区县或小流域生态系统健康状态在三峡工程建
设阶段的空间异质性,主要包括生态环境综合评
价[76]、生态脆弱性和敏感性评价[64,77-78]、生态系统
健康[48,79]、耕地质量评估[80-81]、生态安全评估与生
态风险评价[82-83]等,但对环境变化背景下库区生态
系统健康的时空变化研究关注较少,仅有的研究也
集中在小流域尺度[84] . 此外,少数学者关注了基于
遥感的库区景观规划研究,如移民建设规划评
估[85]、防护林类型空间优化配置[86-87]等. 综合来
看,不同分辨率遥感数据结合、定性定量遥感与生态
模型的结合是三峡库区生态系统健康评估研究的共
性.基于遥感的三峡库区生态系统健康评估研究初
步揭示了三峡水利工程建设前期库区生态系统健康
的空间异质性特征,但人为活动干扰驱动下三峡库
区生态系统健康的时空变化特征、驱动机制等仍不
明确.并且现有的研究多依靠 TM、SPOT 等遥感影
像数据,单一的空间分析单元精度导致生态系统健
康 /脆弱性的尺度响应仍不明确.
除上述几类研究外,近年来一些学者对三峡库
区地 质 灾 害 风 险 评 估[88], 地 表 地 物 信 息 提
取[36-37,89]、地表气象要素反演[90-91]、高光谱数据应
用[16]、植被酸雨胁迫[92]等开展了研究.
786312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 滕明君等: 长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展摇 摇 摇 摇 摇
4摇 讨摇 摇 论
受水利工程及相关工程建设、生态工程、气候变
化等多种因素影响,三峡库区生态系统结构和功能
发生了急剧而深刻的变化. 揭示库区生态系统要素
组成、结构、过程、功能的时空变化特征成为区域生
态环境变化遥感研究的主要目标.水源涵养、土壤保
育、生物多样性与洪水调蓄为三峡库区主导生态服
务功能.在这一背景下,土地利用 /覆盖、植被、水土
安全、生物多样性、生态服务、生态系统管理等生态
环境变化问题成为亟待回答的科学问题.在过去 20
年间,围绕这些问题众多遥感研究得以开展,可归为
5 个主要内容,包括土地利用 /覆盖变化、植被变化、
水土安全、生态服务价值评价、生态系统健康与生态
规划等.
三峡库区土地利用 /覆盖变化遥感研究、植被遥
感参量变化研究、水土安全遥感评估研究等较为深
入,现有研究已从库区尺度到小流域尺度上初步揭
示了三峡库区土地利用 /覆盖、植被类型及遥感参
量、土壤侵蚀、非点源污染的时空变化特征和影响因
素.总体来看,三峡库区景观破碎化程度较高,空间
异质性明显,人为活动对库区景观变化影响较大.但
在过去 10 年中,三峡库区生态环境状况趋于改善,
可能与积极的生态恢复和保育政策有关. 并且土地
利用格局的优化和植被持续恢复促使库区土壤侵蚀
和非点源污染程度有所下降. 但不同研究间仍存在
争议,且空间不确定性较为明显.除受人为干扰导致
的空间异质性影响外[38],其可能原因也包括土地利
用 /覆盖类型划分体系、遥感数据精度及分析单元大
小(粒度)方面的差异,但这些因素对库区生态环境
变化遥感研究的影响仍不明确.受数据限制,三峡库
区长期植被变化研究相对缺乏,三峡工程建设前后
植被类型变化及其影响因素仍不明确.并且,土壤侵
蚀遥感估算与坡面定量观测的结合尚有待加强.
基于遥感的三峡库区生态服务价值评估、生态
系统健康诊断与生态规划研究受到越来越多的关
注,但现有研究较为薄弱,且多集中在县域尺度或小
流域尺度研究,三峡工程建设及相关人类活动对库
区生态系统服务功能的影响及对策研究仍未有效展
开.此外,作为生物多样性热点地区[93-94],三峡工程
建设及相关人类活动必然给库区生态系统带来长期
而深刻的影响[95],可能导致部分动植物栖息地消失
和破碎化[7],但,三峡库区生物多样性及生物栖息
地变化遥感研究目前仍然缺乏.
从研究方法来看,三峡库区生态环境遥感研究
中定性和定量遥感的结合受到重视. RUSLE、CASA、
SWAT等生态系统评估模型的广泛应用使定性遥感
与定量遥感结合程度进一步加深,并且少数研究开
始将遥感数据、地面实测数据和生态模型相结合,揭
示库区生态过程 /功能的时空变化特征和趋势.但考
虑到三峡库区生态系统异质性较为显著,现有研究
中地面观测与定量遥感的结合程度相对较低,难以
准确反映生态环境要素的复杂时空异质性特征.
在三峡库区生态环境变化研究中,遥感数据日
趋多样化,高分辨率遥感数据和国产卫星影像应用
得到加强,多源时序数据应用受到重视. Landsat 系
列卫星影像为长期生态环境变化研究的基础数据,
但地形和气象条件影响问题仍未有效解决[96] . 因
此,融合多源卫星数据开展生态环境时空变化研究
十分必要[5,97],也在库区生态环境变化研究中开始
受到重视. 此外,基于高分辨率(空间、光谱和时间
分辨率)遥感数据产品的库区生态环境研究也逐渐
增多.在这一背景下,遥感数据选择与信息挖掘、多
源遥感数据同化等成为当前三峡库区生态环境变化
遥感研究面临的重要挑战.
5摇 三峡库区生态环境变化遥感研究中的关键问题
围绕三峡库区主导生态功能与生态敏感性,揭
示人类活动干扰和气候变化共同作用下三峡库区生
态系统组成、结构、过程、功能的时空变化及可持续
管理对策是开展三峡库区生态环境变化遥感研究的
主要目标.尽管众多学者在三峡库区生态环境变化
遥感研究方面做了大量工作,然而由于人类活动和
气候变化对区域生态环境影响的复杂性、三峡库区
生态系统的特殊性、数据可获取性等多方面因素的
影响,三峡库区生态系统结构、功能、过程和可持续
管理的遥感研究仍存在一些亟待解决的科学问题.
这些科学问题可概括为:
1)植被变化特征及驱动因素. 利用多源多时相
遥感数据对植被类型精细解译,通过遥感参量与地
面长期定位观测数据的结合,揭示植被类型、活力、
时空异质性、气候驱动与反馈机制等.
2)景观格局、水(污染)土(侵蚀)过程的时空变
化、特征尺度及尺度效应. 结合地面实测数据,评估
遥感数据精度、解译分类精度、分析单元大小、植被
分类方法等因素对景观格局指标和水土过程模型精
度的影响,并探索三峡库区景观格局和主要生态过
程的特征尺度,科学评估人为活动影响下三峡库区
8863 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
景观格局和水土过程的时空变化特征及相互作用
关系.
3)林分尺度和小流域尺度生态过程及其调控
机制.基于地面观测数据和高分辨率遥感数据(高
分辨率、高光谱遥感数据及雷达数据),构建光(波)
谱信息与小尺度生态系统结构、过程的定量关系,并
结合气象、地理环境等因素,探索植被生理生态指标
的光谱响应特征,揭示库区林分结构,C、N 循环过
程的时空变化规律和人为活动影响机制.
4)景观变化对生物多样性的影响及其对策. 针
对三峡库区生物多样性丰富的特点,基于三峡库区
生物多样性和物种连续监测结果,结合库区景观结
构、功能和过程变化遥感研究,分析人为活动引起的
生态破碎化和景观变化对库区生物多样性(尤其是
旗舰动植物物种)的影响,探索重大水电工程区生
物多样性保育对策.
5)生态系统服务功能时空变化、驱动机制与优
化.针对三峡库区独特的生态系统特征[6],在辨识
库区主要生态服务功能过程基础上,构建适宜于该
地区的生态系统服务价值评估体系,利用遥感数据
提供的多尺度时序土地利用 /覆盖、植被及其他遥感
参量时序数据,结合地面长期观测数据,开展库区生
态服务价值评估、制图、时空变化、景观驱动机制研
究,并探讨面向库区生态安全的生态服务功能优化
权衡对策.
6)基于多源遥感数据的生态环境遥感参量长
期变化特征.结合地面观测,探索有效的遥感数据同
化方法,提升对区域生态环境遥感参量的长期变化
研究能力,揭示气候变化、人类活动等因素对库区生
态系统的长期影响.
7)基于遥感的库区生态系统健康诊断与调控
策略研究,揭示其生态系统健康时空异质性和驱动
因素,探索景观调控策略.
8)三峡水利工程对库区生态系统结构功能的
影响评价研究.结合地面生态环境监测研究,利用多
源时序遥感数据获取的时序生态环境遥感参数和模
拟结果,评估三峡水利工程建设对库区生态系统结
构和功能的影响,揭示大型水利工程对区域生态系
统的累积效应.
9)生态管理措施对三峡库区生态系统结构、功
能和生态安全影响的遥感评估及优化策略. 针对库
区主要生态安全问题,利用库区生态环境遥感指标
和模拟结果,结合地面观测研究,评估生态工程对三
峡库区生态系统结构、功能和生态安全的作用及优
化策略.
10)基于遥感和地面观测的三峡库区消落带生
态过程与功能优化调控研究. 利用高时空分辨率遥
感数据获取消落带生态环境遥感参量数据,结合地
面生态学研究,揭示三峡库区消落带生态过程(如
C、N循环过程)时空变化规律及其影响机制,探索
消落带景观功能优化调控策略.
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作者简介 摇 滕明君,男,1980 年生,博士,在站博士后. 主要
从事生态系统服务功能评估与生态规划、3S 生态应用研究.
E鄄mail: tengmingjun@ hotmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
396312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 滕明君等: 长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展摇 摇 摇 摇 摇