全 文 ：第 35 卷第 23 期
2015年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.23
Dec., 2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41271113)
收稿日期:2014鄄05鄄04; 摇 摇 网络出版日期:2015鄄05鄄19
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: liying@ neigae.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201405040881
付波霖,李颖,朱红雷,幸泽峰.基于 RS的湖岸带物理结构完整性评价方法———以查干湖为例.生态学报,2015,35(23):7634鄄7641.
Fu B L, Li Y, Zhu H L, Xin Z F.Assessment of the integrity of the physical structure in the lakeshore zone of Chagan Lake, China, Based on Remote
Sensing.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7634鄄7641.
基于 RS的湖岸带物理结构完整性评价方法
———以查干湖为例
付波霖1,2,李摇 颖1,*,朱红雷1,2,幸泽峰1,2
1 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春摇 130102
2 中国科学院大学,北京摇 100049
摘要:以查干湖流域为研究区,利用 RS和 GIS技术,基于水利部《河流(湖)健康评估指标、标准与方法 V1.0》并加以改进,以
500m伊1000m为评价基本单元,整个研究区共有 315个物理结构基本评价单元,建立基于 RS 的湖岸带物理结构完整性评价体
系,该评价体系由目标层、准则层和指标层构成,其中准则层由湖岸带状况、湖岸线发育率和湖泊萎缩率 3项组成,指标层由地
形坡度、植被覆盖率等 8项指标构成。 研究结果表明:38个监测点中,查干湖 23个,新庙泡 15个,基于 RS物理结构评价结果分
别为 0.67—0.76和 0.35—0.45,地面实测评价结果分别是 0.64—0.77和 0.35—0.55。 两种评价方法结果一致,并表明查干湖的
湖岸带物理结构健康状态属于健康,新庙泡则属于亚健康。
关键词:湖岸带;物理结构完整性;指标体系;RS和 GIS;基本评价单元
Assessment of the integrity of the physical structure in the lakeshore zone of
Chagan Lake, China, Based on Remote Sensing
FU Bolin1,2, LI Ying1,*, ZHU Honglei1,2, XIN Zefeng1,2
1 Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: In this study, we propose a new physical structure integrity assessment method, using Chagan Lake, China, as
the study area. The method is based on the improved “river ( lake) health assessment index, standard and method of V1.0冶
of the Ministry of Water Resources. A 500 m伊1000 m grid was selected on the lakeshore zone as the basic evaluation unit.
An evaluation system of lakeshore physical structural integrity was established with 315 evaluation units by romte sensing
and geogragy information system technology. The system was composed of target layer, a criterion layer, and an indicator
layer. The criterion layer was composed of lakeshore condition, shoreline development rate, and lake atrophy rate. The index
layer was composed of slope, vegetation coverage rate, and water level change rate, in addition to 8 other indicators. For 23
sampling points in Chagan Lake and 13 monitoring points in Xinmiao Lake, the RS evaluation were 0.60—0.74 and 0.35—
0.52, respectively, while the field evaluation results were 0.64—0.77 and 0.35—0.55, respectively. The evaluation results
were in good agreement with the two evaluation methods, and consistently indicated that the physical structural integrity of
the lakeshore area of Chagan Lake was in a healthy state, while that of Xinmiao Lake was in a sub鄄healthy state.
Key Words: lakeshore zone; physical structural integrity; indicator system; RS and GIS; basic evaluation unit
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摇 摇 湖岸带是水陆生态系统间进行物质、能量和信息交换的生态过渡地带,对维持湖泊健康生命,保障社会和
经济的健康发展具有十分重要的意义[1]。 随着全球气候变化和人类活动加剧,湖泊面积急剧减少、污染加
剧、生态环境恶化等问题日益凸显,湖岸带已经成为区域自然环境变化和人与自然相互作用最为敏感、影响最
为深刻的地理单元[2]。 湖岸带的保护和修复也正面临着严峻的挑战,湖岸带健康问题已成为湖泊研究的热
点[3]。 湖岸带物理结构完整性是湖泊健康的重要组成部分,其与湖泊健康密切相关,是评价湖泊生态系统是
否健康的基础,对湖泊保护、管理以及湖泊社会服务功能的发挥具有重要意义[4]。
目前,国内外对湖泊的研究主要集中在三个方面:湖泊生态系统健康、湖泊形态结构健康和湖泊健
康[5鄄8]。 湖泊健康的内涵尚未明确,对湖岸带完整性评价研究较少,也未形成完整、公认的综合的指标评价体
系。 现行的湖岸带物理结构完整性评价方法主要是基于水利部《河流(湖)健康评估指标、标准与方法V1.0》
(简称 V1.0)。 该评价方法是基于专家经验在湖岸带选取监测点位,布设 10m伊50m 的样方,采用人工统计方
法求得评价结果[9]。 受自然条件限制和人为主观因素双重影响,基于监测样方的地面监测无法兼顾代表性、
便利性和安全性,也很难全面准确的反映湖岸带结构稳定性状况。 同时,湖岸带物理结构综合评价涉及内容
广泛,所需数据繁多,目前较多采用的还是人工统计方法,在人力、效率和准确性等方面很难满足要求。
RS和 GIS技术具有实时获取地表信息的能力和强大的空间分析能力,在研究湖岸线形态、水域面积动态
变化、水质和土地利用之间关系以及湖泊形态结构健康评价等方面已得到了大量应用[10鄄12],但基于 RS 和 GIS
的物理结构完整性评价方面研究甚少。 鉴于此,本文拟结合水利部 V1.0 和湖泊形态结构健康评价的相关理
论和方法,形成基于 RS的物理结构完整性评价方法,并以查干湖作为研究区,通过遥感监测评价结果与野外
实测评价结果对比分析,对遥感监测评价方法的科学性和合理性进行论证,以期丰富和建立适合我国的基于
RS的湖泊健康评价方法。
图 1摇 研究区位置
Fig.1摇 location of Study area
1摇 研究区概况与数据源
1.1摇 研究区概况
查干湖地处松嫩平原腹地,霍林河末端与嫩江的交
汇处。 其东临嫩江及第二松花江,南为前郭灌区(第二
松花江河谷冲积平原)及第二松花江与霍林河的低平
原分水岭,西为霍林河河谷平原,北为大安台地及嫩江
古河道(图 1)。 地势低平、起伏和缓,东南高,西南略
高,中央及东北低[13]。 地貌类型为冲积湖积平原与河
谷冲积平原,其中冲积湖积平原分布于查干湖湖区低洼
处,河谷冲积平原分布于霍林河河谷及嫩江古河道[14]。
目前霍林河已断流,查干湖周边地区的人类活动(过度
放牧、围垦湿地、油田和旅游开发等)改变了湖泊岸线、
水面等的自然形态,破坏了湖岸带结构稳定性,极大影
响了查干湖生态系统和湖泊健康,故对其进行湖岸带物
理结构完整性评价已是势在必行的。
1.2摇 数据源
1.2.1摇 遥感数据
综合考虑遥感影像的可影像本身的质量和野外实地监测的时间,选取研究区 2009 年 7 月空间分辨率为
30m的 Landsat 5 TM遥感影像,轨道号是:119 / 29,其他数据包括,中国科学院地理科学与资源研究所基于 TM
和 CBERS遥感影像解译的 2005 年的 1 颐 100000 的土地利用数据,中国科学院地理所 (周成虎)编制的
1 颐500000的地貌数据,1950s 1颐100000地形图。
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图 2摇 野外调查路线
Fig.2摇 Field survey route
参考 2005年土地利用数据,采用人机交互的方式
解译 2009年的遥感影像,最终生成 2010 年土地利用数
据并进行重分类,将水田、旱地、城镇用地、农村居民用
地、工矿用地等重分类为人工干扰活动。
1.2.2摇 地面实测数据
考虑监测湖泊周边的地貌特征、景观格局、交通可
达性等方面,在研究区湖岸带共布设 38 个监测点(图
2),每个监测点划设 10m伊50m 的调查评价样方区。 用
Leica DISTO D5激光测距仪直接测量斜坡倾角和斜坡
长度,进而反求斜坡高度,现场观察并记录湖岸带基质;
采用多人目视估计取平均值的方法调查样方内植被覆
盖率;在调查评价样方区内再选择多个 1m伊1m 的样
方,利用尼康 D90 相机从上往下垂直照相,最后利用图
像处理软件,采用二值分割法,计算各小样方草本植物
覆盖度,继而推算调查样区草本覆盖度,采用多人目视
估计求平均值的方法估算乔木和灌木覆盖度;利用尼康
D90相机拍摄照片记录湖岸带人类干扰活动类型。
图 3摇 研究区地貌类型
Fig.3摇 study area landforms
2摇 研究方法
2.1摇 评价范围界定
基于水利部 V1.0的物理结构完整性实地监测对象
主要有:湖岸带和陆域(湖岸带临近陆域 50m以内),调
查基本单元是 10m伊50m的调查样方。 而研究区位于松
嫩平原腹地,湖岸带发育在冲积湖积平原与河谷冲积平
原上,用 Leica DISTO D5 激光测距仪直接测量其宽度
500—1000m之间,调查样方布设很难完全覆盖监测对
象,所得评价结果显然不能全面、准确的反映湖岸带的
结构稳定性。 同时 del T佗nago M G和 de Jal佼n D G等人
研究评价河岸带状况的各种指标属性,指出在平原性较
大的河流, 合理的河岸带评价对象范围 200—
1000m[15]。 摇
另外,大量研究结果表明湖岸带的结构稳定性和功
能完整性取决于其植被类型及其覆盖度和连续性,还受
制于一定距离和宽度的土地利用方式等人类活动的强
度[16鄄17]。 同时,湖区周围一定范围内土地利用状况与
湖泊水质存在相关关系[18]。 胡建等人将太湖流域分为
13 个水文生态单元,在景观尺度上研究土地利用格局
与水质之间的相关关系,结果表明水质与林地面积占比
呈正相关,与农田和居民用地的面积占比呈负相关[19]。 张殷俊等以江苏吴江为例,采用缓冲区方法研究区平
原河网水质与土地利用的格局关系,结果表明耕地在 200 缓冲区内比重的增加有利于改善水质,而耕地和居
民用地在 1000m缓冲区内比重增加易造成面源污染[20]。 杨莎莎等人以苏子河流域内 54 个水质采样点为基
点,研究结果表明,当缓冲区距离为 300m时,耕地和居民地为主要的景观类型,其斑块密度等指数均较高,耕
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地的连通性较高,对水质的影响较大。 缓冲区距离大于 300m,林地面积比例较高,林地聚集连通程度较好,对
水质改善具有一定作用[21]。
综合以上 3个方面再结合研究区的地貌类型(图 3),将查干湖水边线向陆域 1km范围作为评价对象,并
以 500m为步长等分评价对象,形成 315个基本评价单元(监测对象)(图 9)。
2.2摇 评价指标体系构建及指标的获取
2.2.1摇 评价指标体系的构建
借鉴目前国内外已践行的河流(湖)健康评价方法中的物理结构完整性评价指标体系,再结合湖泊形态
健康和 V1.0的指标体系,选取 RS技术易获取和具有湖岸带结构稳定性指示意义指标,建立基于 RS 的物理
结构完整性评价体系(表 1)。
表 1摇 物理结构评价指标结构体系
Table 1摇 The physical structure of evaluation system
准则层
Criterion layer
指标层
Indicator layer
监测层指标 Indicators of Measuring layer
地面实测评价方法 基于 RS 评价方法
湖岸带状况 湖岸带稳定性(BKS) 岸坡倾角(SA) 地形坡度(SA)
Lakeshore condition 岸坡高度 (SH) 水面变化区域差异(WD)
植被覆盖率 (VCR) 植被覆盖率 (VCR)
湖岸带基质 (SM) 湖岸带基质(SM)
坡脚冲刷强度(ST)
植被覆盖度(BVC) 湖岸带植被郁闭度 反演植被覆盖度(BVC)
人工干扰程度(SHD) 湖岸带硬性砌护、采砂、沿岸建筑物、道路、河滨公园、采矿、农业耕种等 9类人
类活动
影像解译出的水田、旱地、城镇用地、农村居民
用地、工矿用地等人工干扰活动
湖岸线发育率
Shoreline development rate
评估年湖岸发育系数 ( SDIC ) 与历史年
(1950s)湖岸线发育系数(SDIR)
湖泊萎缩率
Lake atrophy rate
评估年湖泊面积 ( AC ) 与 历史 年
(1950s)湖泊面积(AR)
遥感解译提取湖泊面积
摇 摇 BKS: Bank slope stability; BVC: Bank vegetation coverage; SHD: Shore human disturbance; SA: Slope angle; SH: Slope height; VCR: Vegetation
cover rate; SM: Shore matrix; ST: Scour intensity; WD: Water difference
2.2.2摇 部分指标体系的生态学意义
文中指标体系中部分指标(如:自然植被覆盖率、植被覆盖度等)和水利部 V1.0 一致,其含义和生态意义
在其标准与方法中已得到详细解释,在此不再赘述。 重点解释以下两个指标:
水面变化区域差异。 即以 500m 为步长等分湖岸线,由湖岸线向水域生成与监测对象相对应的 500m伊
1000m的格网中历史年和评价年湖泊水面面积变化差异,其计算公式为:
WDr =
Ub - Ua
Ua
伊 100% (1)
式中,Ua、Ub分别是历史年和评价年湖泊面积,该指标直接反映了湖泊水面的涨落情况,水面的涨落进一步可
以反映湖岸带岸坡的坡度陡缓程度,格网单元内,水面涨落变化越大,则岸坡坡度越小,反之坡度越大。
湖岸线发育率。 其计算公式如下:
SDI = S
2 仔A
(2)
式中,SDI为岸线发育系数,S为湖泊周长,A为湖泊面积。 该指标主要是反映湖岸带的不规则程度,SDI 值越
大,湖岸线越不规则,相对能够提供的沿岸带生境多样性越高,同时相应的沿岸带面积也较高,这就有可能支
持更高的湖泊初级生产力[22]。
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2.2.3摇 指标的获取
在评价对象范围内,利用 1颐100000地形图数据计算研究区坡度,重分类之后的 2010 年 LUCC 数据,提取
自然植被覆盖率和人工干扰,1颐500000 地貌数据再结合地貌分区表(表 2)获取地表岩性及提取 1950s 湖岸
线。 为保证湖岸线的精确性,Landsat TM 影像先计算 NDVI 再提取湖岸线和反演植被覆盖度。 500m 为步长
等分湖岸线,由湖岸线向陆域生成覆盖整个研究区的 315个矩形缓冲区,格网化研究区建立基本评价单元,详
细过程见(图 4)。
图 4摇 提取指标技术流程
Fig.4摇 Technical process of extracting indicators
表 2摇 研究区地貌分区表
Table 2摇 Study area landforms distribution
地貌类型
Geomorphological types
地表高程 / m
The elevation
地表岩性
Lithology
分布位置及特征
Place and character
冲积湖积地平原 132—160 黄土状壤土 乾安县北部、查干湖北部等地。
Alluvial lacustrine plain 131—140 黄土状壤土 查干湖南部、西部等地
129—132 壤土、粘土 冲积湖积低平原的地形低洼处
河谷冲积平原 127—135 粘性土及砂 呈带状分布于二松左岸
River valley alluviation 127—132 粘性土及砂 霍林河河谷两侧
129—132 壤土、粘土 查干湖区
2.3摇 评价方法及赋分准则
构建定量或者定性指标体系是物理结构完整性评价的基础,其具体量化赋分标准是:植被覆盖度和湖泊
萎缩率参照水利部 V1.0 的赋分标准,湖岸线发育率赋分标准参照湖泊萎缩率;其余指标赋分标准见表 5,其
计算方法(表 3)。
物理结构层包括 3个指标,其赋分 PFr通过下式(3)计算,
PFr =LCr伊LCw+SDRr伊SDRw+LARr伊LARw (3)
式中变量和权重(表 4)。
3摇 结果分析与讨论
根据岸线发育率的计算方法,查干湖和新庙泡的岸线发育率分别是 10%、16%,湖泊萎缩率分别是-27%、
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26%,基于水利部 V1.0和 RS的物理结构评价指标赋分准则,岸线发育率赋分是 60 和 40,湖泊萎缩率赋分分
别是 100、20;物理结构评价结果见图 5,湖岸带状况见图 6,图中的数值都是物理结构评价和河岸带状况结果
除以 100后得到的。
表 3摇 基于 RS的物理结构指标计算方法
Table 3摇 The calculation method of index based on RS
准则层
Criterion layer
指标层
Indicator layer
权重
Weight
基于 RS物理结构评价计算方法
Calculation method of indicator based on RS
LCr BKSr 0.25 BKSr=(VCRr+SAr+SMr+WDr) / 4
BVCr 0.5 BVCr=(NDVI-NDVImin) / (NDVImax-NDVImin)
SHDr 0.25
SDRr SDRr= 1-
SDIC
SDIR
LARr LARr= 1-
AC
AR
表 4摇 物理结构评价指标的权重赋值
Table 4摇 The weight of physical structure evaluation
物理结构指标
Indicator of physical structure
权重标记
Weight sign
RS的权重数值
Weight coefficient based on RS
实测的权重值
Weight coefficient based on field survey
湖岸带状况 Lakeshore condition LCw 1 / 2 2 / 3
湖岸线发育率 Shoreline development rate SDRw 1 / 4
湖泊萎缩率 Lake atrophy rate LARw 1 / 4 1 / 3
表 5摇 基于 RS的湖岸稳定性评估指标赋分标准
Table 5摇 The score criteria of lakeshore stability evaluation
岸坡特征
Bank slope condition
稳定
Stable
基本稳定
basically stable
次不稳定
Metastable
不稳定
Unstable
分值 Value 90 75 25 0
地形坡度 Slope angle / (毅) 15 30 45 75
植被覆盖率 Vegetation cover rate / % 75% 50% 25% 0%
水面变化率 Water difference / % 15 30 45 60
人工干扰强度 Shore human disturbance / % 15 30 45 60
基质 Shore matrix /类别 基岩 岩土湖岸 黏土湖岸 非黏土湖岸
为便于对比地面实测方法的评价结果,基于 RS 的评价结果也分为两个尺度:监测点尺度和整体评价尺
度,通过对两种方法的评价结果的对比分析,再结合河(湖)健康评估分级表(表 6),可以得到如下结论:
(1)在监测点尺度上,38个监测点(查干湖 23个,新庙泡 15个)中,干基于 RS 和地面实测物理结构评价
结果分别是 0.67—0.76和 0.64—0.77,新苗泡的评价结果分别是 0.35—0.45 和 0.35—0.55,对应监测点位中,
评价数值存在差异,但绝大部分差异均在 0.2之内,没有超越判定健康类型等级的阈值,不影响最终评价结果
(图 5)。 这种差异主要原因是:监测结果中,部分点位的实测值高于 RS 计算的值,这个主要是由于遥感影像
的时相性和空间分辨率的影响,反演植被覆盖度略低于实测值;部分点位实测值低于 RS 计算的值,则是由于
地面实测结果都是基于湖岸带 10m伊50m样方区,考虑样方区的可达性,选取的样方区往往是人为干扰强度大
的区域,同时目视判别样方区植被覆盖率,主观性较大,导致地面实测结果数值较低;另外,虽然水域面积区域
变化和湖岸线发育率在指标体系中所占的权重值较少,但也会带来些许误差,特别是研究区为浅水湖,丰、枯
水期水域面积的变化为 26.5%,受限于遥感影像分辨率,提取水域面积会存在 0.1 个像元左右的误差,也会给
最终的评价结果带来些许误差。
9367摇 23期 摇 摇 摇 付波霖摇 等:基于 RS的湖岸带物理结构完整性评价方法———以查干湖为例 摇
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图 5摇 物理结构评价结果
Fig.5摇 physical structure evaluation results
图 6摇 查干湖湖岸带状况评价结果
Fig.6摇 Lakeshores status evaluation results
表 6摇 河(湖)健康评估分级表
Table 6摇 River (lake) Health Assessment classification
等级
Rank
类型
Classification
赋值范围
Number range
1 理想状况 0.8—1
2 健康 0.6—0.8
3 亚健康 0.4—0.6
4 不健康 0.2—0.4
5 病态 0.0—0.2
(2)在整体评价尺度上,其物理结构评价结果分别是0.7
和 0.4,两种方法的物理结构评价结果在判断研究区的
物理结构完整性状况上是吻合的(图 5),根据表 6 判
定,查干湖物理结构均处于健康状态,新庙泡处于亚健
康状态(表 7)。
(3)两种尺度上,基于 RS 的物理结构评价结果和
地面实测基于 V1.0的实测评价结果的一致性进一步论
证了 1km评价对象的可靠性和将岸线发育系数作为评
价指标引入物理结构评价指标体系的合理性。 另外,基
于 RS的物理结构评价方法可以连续地获取整个湖岸带物理结构的健康状态(图 7),优于地面实测方法,同时
从图 7中,可以看到有一部分湖岸带的物理结构因受人为干扰较强而处于不健康状态的,但是地面实测的整
体评价方法没有反映出来。
0467 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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表 7摇 湖岸带尺度物理结构数值
Table 7摇 physical structure value of Lakeshores scale
湖泊名称
Name
实测物理结构平均值
Physical structure value based on field survey
基于 RS物理结构平均值
Physical structure value based on RS
健康状态
Health status
查干湖 Chagan Lake 0.72 0.71 健康
新庙泡 Xinmiao Lake 0.44 0.40 亚健康
图 7摇 湖岸带物理结构 315个基本评价单元评价结果
摇 Fig.7 摇 Lakeshore忆 s physical structure evaluation results in 315
basic units
4摇 结语
(1)本文提出了基于 RS的湖岸带物理结构完整性
评价方法,并与传统的地面实测方法进行了对比,评价
结果在监测点尺度和河岸带尺度两个尺度上与地面实
测的评价结果一致,充分论证了该方法的可行性和评价
指标体系合理性。
(2)河流(湖)健康评价目前还处于探索阶段,其指
标体系、评价标准和评价方法都有待于进一步研究和完
善。 本文提出的基于 RS 的物理结构评价方法是以平
原性湖泊(查干湖)为研究区的,该方法在平原性湖泊
得到了论证,适用性较好,其他类型湖泊的适用性还需
今后进一步论证。
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1467摇 23期 摇 摇 摇 付波霖摇 等:基于 RS的湖岸带物理结构完整性评价方法———以查干湖为例 摇