基于高分影像的抚仙湖流域多尺度LULC时空演变及其与水质关系研究

发布时间：2020-05-13 17:16

【摘要】：土地利用/土地覆盖(Land use and land cover,LULC)时空演变及其对水环境的多尺度影响已成为学界的热点问题。流域LULC多尺度时空演变及其对水环境影响研究对流域土地利用优化、水环境质量改善及生态环境持续发展具有重要理论和现实意义。本文以云南省典型高原湖泊流域--抚仙湖流域为研究区,以遥感与地理信息技术为支撑,以优于1米高分辨率遥感影像、基础地理信息数据和水质监测数据为数据源,发展了一种能有效提高流域尺度高分辨率遥感影像分类精度的多尺度随机森林分类方法,分析了流域LULC多尺度时空演变规律与驱动力,揭示了流域不同污染源区水质对LULC类型与格局的尺度依赖性,构建了流域水质与LULC类型及格局的时空关系模型,识别了流域LULC类型及格局与水质相互作用的特征尺度,在上述研究基础上,基于LULC变化情景模拟流域水质变化,提出了水环境保护策略与建议。主要研究内容和结论如下:1、流域LULC时空演变特征。(1)LULC信息提取。基于随机森林算法,融合初始分割尺度与最优分割尺度的多尺度光谱、几何和纹理对象特征,构建了多尺度随机森林(MSORF)方法,并利用初始分割尺度(BSVM)、最优尺度分割(OSVM)、像素级分割(PSVM)、多尺度随机森林(MSORF)方法对抚仙湖流域2005年、2008年、2011年、2014年、2017年高分辨遥感影像开展分类实验和比较研究,结果表明MSORF分类精度总体优于PSVM、BSVM、OSVM,其精度可分别提高约9%、7%、4%,该方法可用于流域尺度LULC信息提取。(2)流域2005~2017年LULC类型变化。水域、林地、耕地、草地为流域主要地表覆盖类型,四种地类合计分别占总面积的95.59%(2005年)、95.00%(2008年)、93.89%(2011年)、93.43%(2014年)、92.50%(2017年)。其余六种地类(房屋建筑(区)、道路、园地、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地表)合计分别占总面积的4.41%(2005年)、5.00%(2008年)、6.11%(2011年)、6.57%(2014年)、7.50%(2017年)。人工地表类型呈逐年增加趋势,而自然地表覆盖类型则相反。其中,人工堆掘地2017年的面积是2005年的5倍,而水域面积仅变化了0.08%。LULC收入与支出分析表明,耕地、林地、草地的变化主要表现为数量的减少,而荒漠与裸露地表、道路、房屋建筑区、水域的变化则表现为空间位置的转移。上述结果表明,受人类活动干扰较大的LULC类型变化显著。流域LULC变化主要受坡度、高程和距最近道路的距离影响。(3)流域LULC动态度变化。流域单一土地利用动态度和综合土地利用类型动态度分析结果表明,不同时空尺度下土地利用动态度存在差异。全流域尺度2005~2017年综合土地利用动态度最大(2.18),而各河岸缓冲区2011~2014年最小(0.56)。子流域尺度上,代村河流域2005~2017年综合土地利用动态度最大(6.87),而尖山河流域最小(1.64)。河岸缓冲区尺度上,各河岸缓冲区尺度上的综合土地利用动态度值均大于5且100米缓冲区的值普遍大于其余缓冲区。而单一土地利用动态度变化最大的分别是:代村河河岸300米缓冲区内的荒漠与裸露地表(50.6%)、尖山河河岸700米缓冲区内的人工堆掘地(276.36%)、梁王河河岸300米缓冲区范围内的园地(344.63%)、马料河河岸1000米缓冲区范围内的构筑物(160.84%)、牛摩河河岸100米缓冲区范围内的草地(56.17%)。总体来看,流域LULC变化属于极缓慢变化型,河岸缓冲区的动态度高于子流域和全流域,距离河岸100米和受人类活动影响较大的河岸的动态度较大,人类干扰是流域LULC动态度变化的重要推手。(4)流域LULC时空演变过程与表达。1)基于变化轨迹原理,在JQuery和ECharts环境中,以Java Script为开发语言,实现了流域5个时段10个LULC类型的转换计算(3894种),揭示了各地类在研究时段的90种主要转移路径和方式,并将其动态可视化。2)构建基于地类图斑的LULC变化时空分析算法,并集成了时间轴动画、多视窗和实体回溯三种方法全面刻画了LULC时空演变过程。结果表明,耕地、园地、草地的变化量较大,分别为1.97%、1.59%、1.87%,水域变化最小(0.1%),LULC类型转移方式不一。如耕地主要向“园地”、“林地”、“人工堆掘地”、“草地”转换,而房屋建筑区主要向“人工堆掘地”、“园地”、“构筑物”转换。(5)流域LULC格局变化。选取的8个景观格局指数分析表明:2005~2017年,流域景观类型以林地为基质;斑块总数呈增加趋势,由17098个增加至20936个,增加近20%,景观破碎化程度加剧;斑块面积差异弱化,斑块面积标准差由368减少至343;斑块形状进一步复杂化;斑块自然连通性变化极小,由97.9减少至97.6。(6)流域土地利用强度变化。流域土地利用强度的空间自相关性随空间尺度增加而下降;流域土地利用强度总体以较强为主,但区域差异显著。抚仙湖北岸、南岸土地利用强度高,呈现高-高聚集。而在流域边界线附近为低-低聚集。从子流域尺度上看,东大河流域、马料河流域、代村河流域、路居河流域、牛摩河流域土地利用强度表现出高-高聚集,而其他流域的土地利用强度较低且呈零星分布,表现出高-低、低-高聚集特点。2、流域多尺度LULC变化与水质的关系(1)流域水质时空分异特征。1)入湖河流水质总体较差,而湖心水质仍为I类。入湖河流水质年平均水质均为劣V类。45个断面中,化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)处于III类~劣V类的比例为47.67%,而总磷(Total Phosphorus,TP)则为75.56%;总氮(Total Nitrogen,TN)超标非常严重,劣V类占比约90%。2)入湖河流水质空间变化差异显著。城区流域的COD较高,磷矿区流域的TP较高,山区流域的TN值较高。COD、TN、TP在各个子流域的变化总体呈增加趋势,其变化规律差异显著。(2)流域LULC类型及格局与水质的多尺度关系。在剖析LULC类型及格局与水质关系时,充分考虑了流域内部LULC和污染源的空间异质性对水质指标的影响差异。结果表明。1)LULC类型及格局对水质的解释率具有显著差异。(1)流域各时空尺度下,不透水表面(Impervious Surface Area,ISA)、其他用地(人工堆掘地、荒漠与裸露地表)面积百分比均与水质指标呈正相关且对水质指标具有促进作用;而林草覆盖是影响水质的另外一个重要因子,其面积占比与水质指标呈负相关,这与预期的林草覆盖可改善水质的认识一致;种植土地(耕地、园地)与TN、TP呈负相关,但其增减不能较好地解释水质变化,表明种植土地对水质的影响复杂,这说明农业用地的面积占比不是影响TN的主要因子,这与研究区农药化肥施用量、种植结构以及与受纳水体的距离、地形等因素有关。(2)子流域和河岸缓冲区尺度,景观多样性指数香农多样性指数(Shannon’s Diversity Index,SDI)和香农均匀度指数(Shannon’s Evenness Index,SEI)、斑块面积标准差(Patch Size Standard Deviation,PSSD)、平均形状指数(Mean Shape Index,MSI)是影响水质的重要因子。而其余景观格局指数边缘密度(Edge Density,ED)、斑块连通性指数(Patch Cohesion Index,COHES)、面积加权平均分维数(Area-Weighted Mean Fractal Dimension Index,FRAC-AM)虽与水质存在显著的相关性,但表现出空间尺度差异性和不确定性,如景观斑块类型的总数(Number of Patch,NUMP)与水质关系无法合理解释。2)LULC类型及格局与水质的多尺度关系特征明显。(1)在城区流域范围内的河岸缓冲区300m是LULC类型对COD影响的最强空间尺度(特征尺度)。这与其余高原湖泊研究结果较为一致,该结论的普适性还有待进一步验证。(2)LULC类型及格局对水质影响特征存在共性:城区LULC类型及格局对COD影响最大,磷矿区对TP影响最大,村落农田区对TN影响最大。其差异表现为:城区和磷矿区在缓冲区300m、500m和700m对COD和TP的解释率较大,而在村落农田区则表现为子流域尺度对水质的解释率最大。而不同区域LULC格局对水质指标影响则表现为:在城区和磷矿区,COD、TP在子流域内被更好地解释;而在村落农田区,TN在缓冲区700m能被更好地解释,而TP则在缓冲区300m具有较高的解释率。相比于河岸缓冲区,子流域尺度下的景观格局指数对水质解释度高。3)LULC时空演变下的抚仙湖与流域水环境质量调控措施与建议。利用CLUE-S模型对流域2020年的LULC变化模拟发现:自然变化情景势必对入湖河流的水质构成严重威胁,进一步加重面源污染;而生态保护情景下则有利于提高流域内入湖河流水质质量,可有效改善流域水环境。针对不同区域特征提出流域水环境保护目标相应的土地利用类型及格局、土地利用方式的尺度优化、区域生态修复策略。
【图文】：

研究技术流程图

论文组织结构
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52;P901
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本文编号：2662275