官厅水库消落带的遥感探测及其健康评价

第一章绪论

第一节研究背景、目的及意义

一研究背景

官厅水库横跨河北省怀来县和北京市延庆县，位于北京市西北约80m的永定河官厅山峡的入口处，于1954年建成，其正常的蓄水位为479m(大沽高程)，对应的水面面积为157m2,水库坝址以上永定河流域面积43402m2。官厅水库处于群山环抱之间，四周山恋起伏，山、丘、川、盆地相间分布，山区面积、丘陵区面积、河川区面积分别为1419m2、16173m2、133038m2,分别占全流域面积的33%、37%。30%。官厅水库的总库容为4.116*10m3，控制流域面积42500m2,肩负着根治永定河工程的重要使命，是中华人民共和国成立后建设的第一座大型水库，是北京市集供水、防洪、水产、发电等多功能于一体的水库之一，也是怀来县发展农、林、渔业的主要水源之一。由于上游地区的城市经济建设发展以及能源基地的建设，官厅水库的来水量逐年减少，同时污染负荷的加剧，使官厅水库库区的水体逐渐富营养化，以至连年发生蓝藻水华现象，因此不符合国家所规定的饮用水源标准，于年退出了饮用水体系。

消落带的概念与早期研究的河岸带是相通的，20世纪70年代末，陆地生态系统同河水发生作用的植被区域被定义为河岸带。随后Lowrance等在广义和狭义两个层面上对河岸带的概念进行了定义，广义层面上认为生长于河流边的植物群落以及土壤湿度等生态参数具有明显梯度特征的植被地带，即河流对其产生直接影响的植被地带；而在狭义层面上河岸带可以认为地处河流、陆地两种生态系统的交界处，且延伸至受河流生态系统的直接影响的边缘地带，在己有的大量研宄中，许多学者往往基于狭义层面上河岸带的概念进行研宄。由于大型水利工程的兴建，导致区域内形成水库型消落带，对生态环境产生了巨大影响，因此消落带的研宄受到广泛重视。学者大多使用消落带、消落区;、消涨带;、涨落带;、涨落区;等专业术语，目前消落带;的专业术语逐渐被广大学者认可。消落带是指由于季节性的水位涨落，使河流、湖泊、水库周围被水淹没的土地，发生周期性的出露现象，形成陆地的一段特殊区域纵观不同学者的研究成果可知，消落带是一个独立且完整的生态系统，即消落带生态系统，该区域在长期或阶段性的水位涨落影响下，呈现反复淹没与出露的周期性特点，从而形成水陆生态系统共同控制的带状区域，因而，消落带生态系统作为水陆生态系统的交错区域，兼具水陆双重特性，并具有特殊的空间结构、生态功能、动态性变化等特征，在实现生态系统的可持续发展与动态平衡、动植物多样性的维持、生态系统安全的维护以及生态服务功能的体现等方面发挥着不可替代的重要作用。

二、研究目的

（一）消落带具有多样性、动态变化性、复杂性等特征，本文对官厅水库消落带进行长期动态监测，探测1983-2021年期间三十年来官厅水库消落带边岸的历史动态变迁，合理确定官厅水库消落带的有效影响范围。

（二）在此基础上，综合各类生态因子，科学、全面的对官厅水库消落带生态系统进行健康评价，对了解当前消落带生态系统的现状，引导消落带区域的合理规划与可持续发展具有重要意义，同时，也对遥感技术在消落带研究领域的理论、应用研究的丰富具有一定的促进作用。

第二节国内外研究进展

一、消落带研究进展

大型水库的修建，导致水库水位变化，从而形成消落带。人工水库在改变水库周围生态系统，提升水库水位线的同时，也引起了原水位涨落范围的变化，虽然小型人工水库的消落带影响范围相对较小，但由于其在蓄水量及掩没区域增加的双重影响下，消落带生态环境也将面临严重的问题。当前，国内对于消落带的研宄与国外相比处于较为基础的起步阶段，且研究主要集中于消落带的有效利用与科学管理领域，而在水库建设的实施调度过程中，消落带对其生态系统产生的影响，则往往缺乏相关的关注。作为当今世界上最大水利枢纽工程，三峡库区在水库水位季节性涨落的影响下形成的水位季节性涨落地带，由于其面积相对广大、消落带区域相对稳定等特点，引起了许多学者的关注与研究。其研究领域主要涉及三峡库区消落带的生态环境、地质灾害以及土地利用等方面。重庆市于2003年3月，正式启动了对三峡库区消落带生态环境问题及对策工作的研究，其涉及消落带基本情况、水土环境演变、岸边水质、生物多样性及耐掩树种选择、地质环境演变、水动力条件变化及库岸再造等个专题研宄组领域，并收集了大量宝贵资料，这对于消落带的管理利用提供了穷实的依据。此外，也有研宄依据不同的坡度与土壤类型信息将三峡库区消落带的从草业、林业、农业工程、渔业以及旅游资源等应用领域扩展到其他不同的应用领域，同时，相关研究也实现了对滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害对消落带利用过程中带来问题的评估。此外，当前三峡库区的生态重建研究主要涉及农业面源污染的控制、植被的恢复以及适宜植被类型的确定等方面，以工程、生态措施相结合的手段实现三峡库区消落带生态系统的重建。

与中国相比，西方发达国家的人地矛盾并不突出，同时其水库主要建设在人口稀少的地区，因而其研究领域主要涉及水库对生物多样性的保护，对水环境、库区生态系统的影响，以及水库对局地气候变化、温室效应的反馈等环境影响领域。国际上往往将水库消落带定义为河岸带，以突出河岸带对消落带研究的重要意义，相关研究主要集中在河岸带的提取及其缓冲区域宽度的确定，河岸带缓冲地段对氮磷元素的净化机制，河岸带植被、土地利用的变化研究，河岸带植被、土地利用、水体以及生物稱合作用下生态系统的变化、恢复与重建研究，河岸带生态系统动态演变过程的模拟，河岸带的科学管理，以及河岸带生态环境变化对区域、全球变化研宄中的反馈机制等。

二、遥感影像水边线提取研究进展

国内外许多学者在利用遥感影像进行水边线提取的过程中，提出了不同的监测算法。利用遥感手段获取水边线主要分为人工目视解译和计算机自动解译两种方法，传统的人工目视解译，主要以遥感影像中水边线的色调、纹理、图案、位置、空间分布与组合等影像特征作为目视判读标志，辅助水体周围与其具有鲜明对比度的地物，采用人机交互的手段，人工手动勾画水体与陆地的分界线。然而，传统的目视解译手段往往除存在解译周期长、成本高的缺点外，其解译精度还受判读者地学知识、野外经验以及专业积累等主观因素的影响。与之相比，计算机自动解译以其操作周期短、成本低、人为干预小的优势，在遥感影像水边线提取研究中获得较广泛的应用。计算机自动解译是以陆地与水体区分明显的波段为基础，依据影像中的色调、图案、纹理、形状、阴影、大小、位置等波谱与空间特征，采用遥感影像边缘检测算法来获得影像中的水陆分界线，或通过对影像的纹理特征进行水陆分离。在计算机软、硬件技术日益发展的条件下，计算机自动解译效率有了很大的提升，同时，不断涌现的各种高精度新算法也为准确的获取水边线提供了基础，使其成为解译技术发展的主流与趋势。

（一）基于中高分辨率卫星影像的水边线提取

水边线提取的实质是遥感图像边缘提取或水陆图像分割。近年来，国内外许多学者利用来自于空基、天基等多平台的中、高空间分辨率的Landsat、SPOT、IONOS、QuicBird、航空影像等影像数据，利用不同的手段来获取影像中的水边线。孙美仙等在对福建省海岸线进行提取分析的过程中，基于中等空间分辨率的影像，综合采用人工目视解译和计算机辅助分类的方法来进行研宄，其研究表明，人工目视解译和计算机辅助分类的结合是获取水边线的有效手段；王宇等提出一种新的基于数学形态学算法的水边线提取算法，由于该方法在对结构元素和变换方式的选择过程中具有一定的针对性，可以对某一类特定目标进行减弱或加强，因此在利用影像的近红外波段进行海岸线提取的过程中，可以同时获取河道、公路及地貌等边缘信息，其研究表明该方法可以有效的排除噪声干扰，从而提高工作效率；王常颖等在对不同海岸类型水边线的提取过程中，以数据挖掘技术中的关联规则为核心手段，针对不同海岸类型提出了不同的提取算法，其研究具有一定的针对性；张永继等以高空间分辨率的全色波段影像为数据源，综合影像的光谱与空间信息，提出了一种基于邻域相关信息与二维类间方差原理的快速自动海岸线提取方法，研究获得了较好的提取效果；朱小鹤等基于神经网络分类算法，利用影像有效的实现了水边线的提取，并进而基于多时相遥感影像对海岸线的变化状况进行了分析；冯兰梯等在对黄河三角洲地区进行水边线提取的过程中，采用高斯函数的一阶导数作为小波变换函数的核函数，通过对影像的近红外波段进行小波变换。

第三章官厅水库消落带的遥感探测.......19

第一节遥感影像预处理......19

一地图投影转换.......19

二辐射定标.....20

第四章官厅水库消落带信息提取及分析.........29

第一节1983-2021年官厅水库消落带景观格局的历史动态变迁分析.....29

一、1983-2021年官厅水库消落带景观格局时空变化趋势分析......29

第五章官厅水库消落带生态系统健舰价......42

第一节PSR（压力现实响应）模型......42

第二节评价指标选取原则........43

第五章官厅水库消落带生态系统健康评价

第一节 PSR（压力-现实-响应）模型

在PSR模型框架内，压力指标综合反映了自然及人类因素对生态环境引起的负荷，其包括人类在利用资源、能源进行生产过程中产生的环境破坏或干扰物质；现实指标综合反映了自然资源、环境质量以及生态系统在特定时期的现实；响应指标则表征了人类在面临各种生态环境问题时，所采取旳对策及措施，其包括所采取的减轻、阻止、恢复及预防的政策或措施。PSR模型通过描述人类生产、生活活动及其对生态系统健康状况的影响，并结合人类在应对生态系统环境变化所作出的响应来实现对人类活动的科学引导，其在研究中被广泛应用。

第二节评价指标选取原则

评价指标的选取是实现官厅水库消落带生态系统健康评价的基础，水库消落带生态系统受自然条件、生态环境、经济及社会因素的多重影响。为科学、系统、全面的反映官厅水库消落带生态系统的现状，评价指标的选取过程中应综合考虑各因素之间相互依存、相互制约的关系，评价指标的选取应遵循以下原则：

（一）科学性、系统性、客观性

为综合反映水库消落带生态系统的生态健康状况，评价指标的获取需建立在科学、系统、客观的基础上，消落带生态环境由于受经济、社会、自然复合系统的多种因素共同影响，在其评价指标的选取过程中，需综合考虑各指标之间的相互影响与相互作用，其生态系统评价指标权重的确定、计算方法的选取要遵循决策科学理论。

第六章结论及展望

第一节总结与结论

本文以官厅水库消落带为研究区，利用Sobel算子、Roberts算子、Laplacian算子的边缘检测技术，对中分辨率Landsat-TM 5卫星遥感影像近红外波段进行边缘检测，利用面向对象的分类方法对同期高分辨率WorldView-2卫星遥感影像进行消落带边岸提取，通过定性定量相结合的误差判别，选择最优算子；结合官厅水库消落带1983-2021年历史水文统计资料，确定年内枯水月和丰水月，利用中分辨率长时间序列的MSS/TM、高分辨率资源三号卫星数据，对1983-2021年官厅水库消落带的有效范围进行遥感探测及动态变迁分析；运用压力现实响应（模型，以遥感解译数据、统计监测数据为基础，蹄选出具有代表性的19项高度浓缩评价指标，应用AHP层次分析法确定指标权重，利用多层模糊综合评判方法，针对官厅水库消落带生态系统健康状况进行评价。通过研究。本文得出以下结论：

（1）分别利用Sobel算子、Roberts算子、Laplacian算子对2021年7月26日官厅水库消落带Landsat-TM5影像近红外波段进行边缘检测，作为测量值，根据消落带水体光谱特征，运用面向对象多尺度分割技术，对同期官厅水库消落带World VIew-2卫星数据进行消落带边岸提取结果作为真值，其总体精度达87.69%，appa系数为0.7302。采用目视观察分析的定性评价方法和计算相对误差的定量评价方法证明，Laplacian算子可以提取出绝大多数边缘，定位精度相对较高，引入相对误差和均值误差，其边缘检测结果的面积相对误差、岸线长度相对误差及均值误差都最小，因此确定Laplacian算子为官厅水库消落带边缘检测的最优算子。

参考文献（略）