閃電河上游生態環境時空變化遙感研究

陳明葉， 陳 磊, 周 詢

(1.河北農業大學林學院，保定 071000； 2.北京師范大學地理科學學部，北京 100875;3.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院，北京 100875)

閃電河上游生態環境時空變化遙感研究

陳明葉1， 陳 磊2,3, 周 詢2

(1.河北農業大學林學院，保定 071000； 2.北京師范大學地理科學學部，北京 100875;3.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院，北京 100875)

遙感技術的發展為生態環境的動態變化監測提供了有力的支撐。閃電河流域是京津冀地區重要的生態屏障，隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，閃電河流域的生態環境變化得到了人們廣泛的關注。為明確閃電河流域長時間序列的時空變化，本文利用1985—2015年近30 a間的遙感數據，對閃電河上游地區的生態環境現狀及其關鍵因子水域、林地和草地的長時間序列變化進行了研究。結果表明，研究區2015年林地、草地、未利用地、水域和耕地面積分別為413.75 km2，276.90 km2，1 779.94 km2，17.29 km2和1 583.71 km2，分別占研究區總面積的10.16%，6.80%，43.72%，0.42%和38.90%； 在1985—2015年間，林地面積整體呈下降趨勢，2015年總面積較1985年下降41.585 km2，下降速率為1.395 km2·a-1； 草地面積總體也呈下降趨勢，2015年草地總面積較1985年下降58.69%，下降速率為9.47 km2·a-1； 水域面積基本保持不變。

閃電河； 生態環境； 時空變化； 遙感

0 引言

21世紀以來，人類進入了快速發展的階段，對資源和生態環境產生了嚴重的影響。生態環境的惡化已經成為制約人類生存和發展的重要瓶頸，如何協調人類發展與環境保護之間的關系已成為人類面臨的重大課題。閃電河流域是京津冀地區重要的生態屏障，不僅擔負著為京津地區輸送清風凈水的重要使命，并且是中國候鳥3大遷徙路線之一和全球8條候鳥遷徙通道(東亞—印度通道)的中轉站，是珍稀瀕危鳥類的天堂，其生態環境的變化受到人們廣泛關注。

生態環境評價研究始于20世紀60年代中期，70年代開始蓬勃發展。評價的領域逐步由城市[1]發展到農村[2]、山區[3]、環境保護區[4]和脆弱生態環境區[5]等諸多區域。評價方法也由單純的野外實地調查發展到遙感監測評價。目前，國內環境遙感技術主要是圍繞土地分類、類型識別、土地制圖、資源調查、環境因素定量模型研究以及信息系統研究展開[6]。遙感技術為地表類型長時間序列的變化研究提供了多平臺、多光譜、多時相、大范圍的實時信息，為環境資源的生態格局和動態變化分析提供了有效方法。

以往閃電河流域的研究主要集中在基于SWAT(soil and water assessment tool)模型對流域的徑流模擬[7]、植被區系研究[8]、水資源供需分析和開采潛力評價[9-10]以及不同介質中磷分布的研究[11]。缺乏對其生態環境長時間序列的動態變化及影響因素研究。本文利用1985—2015年近30 a間的遙感影像，對閃電河流域上游生態環境現狀及關鍵環境因子(水域、林地和草地)長時間序列的變化進行了研究，并分析其變化的影響因素。以期為閃電河流域生態系統保護和管理提供理論和決策的依據，為建設美麗河北和確保首都周邊地區生態安全提供科技支持。

1 研究區概況

閃電河是我國華北地區的重要河流之一，古稱濡水，是灤河的源頭。發源于河北沽源與豐寧2縣交界的古巴顏屯圖固爾山北麓，源頭海拔2 206 m。該區具有重要的濕地資源，也是距京津最近、保存最完好的高原濕地。閃電河上游處于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區內，是內蒙古高原向華北平原的過渡地帶。該區是我國典型的農牧交錯帶，年降水量為300～400 mm，其中60%～70%降水集中在7—9月，年蒸發量為1 700～1 800 mm，為降水量的4～5倍。主要土地利用類型包括林地、耕地、草地和未利用地，類型相對簡單。

本文選取閃電河上游的河北省壩上沽源縣小梁山向北至內蒙古太卜寺旗駱駝山鎮段為研究區。其地理坐標范圍為E115.59°～116.30°，N41.34°～41.98°，包括了閃電河上游主要支流，研究區總面積為4 071.6 km2，該區地理位置、TM遙感影像及其河流分布如圖1所示。

圖1 研究區地理位置(Landsat TM3(R)2(G)1(B)假彩色合成)Fig.1 Location of the study area

2 數據與方法

2.1 數據獲取

為了研究閃電河上游地區的生態環境現狀及其關鍵因子(水域、林地和草地)長時間序列的動態變化，本文利用1985—2015年近30 a間的Landsat TM/ETM+(http: //www.usgs.gov/)和高分遙感影像數據(http: //www.cresda.com/CN/)。剔除有云以及有條帶等質量不好的影像，共獲得可用影像數據55景，其中Landsat8數據共10景，包括2013—2015年間所有下載數據，其余數據均為Landsat5數據。所有數據下載條帶號均為path124，row31。期間的1986年、1988年、1997年、1999年、2003年和2012年無下載數據，如圖2所示。

圖2 閃電河遙感數據集Fig.2 Remote sensing data sets of Shandian River

2.2 大氣上界視反射率計算

表觀反射率即為大氣層頂表觀反射率，是地物表面反射能量與近地表太陽入射能量的比值，能在一定程度上反映地物的性質和特征。計算表觀反射率公式如下

(1)

式中：ρ為大氣層頂表觀反射率(無量綱)； π為常量(球面度sr)；L為大氣層頂進入衛星傳感器的光譜輻射亮度，W·m-2·sr-1·μm-1；D為日地之間距離(天文單位)；ESUN為大氣層頂的平均太陽光譜輻照度，W·m-2·μm-1；θ為太陽天頂角，θ=90°-β；β為太陽高度角[12]。

根據本文所選取的遙感數據類型與數據獲取時間，通過查表選擇相應的參數值，包括D，ESUN和θ，同L一起帶入公式(1)可計算得到各波段相應的表觀反射率數據。依據表觀反射率數據進行多級再分類技術方法提取各類型區域。

2.3 訓練區選擇和監督分類

訓練樣本的選擇是對照Google Earth選取各地類常年不變區域。訓練區包括林地、草地、未利用地、水域和耕地5大類，為使不同年份分類結果具有可比性，采用相同訓練樣本將所有影像進行分類。分類方法采用監督分類法中的最大似然法。分類精度驗證采用隨機抽樣法，隨機產生1 600個點，通過對高分遙感影像進行目視判讀，統計隨機點的分類結果與實際地物類型是否相符，得到分類精度。

3 結果分析

3.1 生態環境現狀分析

以2015年為例分析閃電河流域土地利用和土地覆蓋的現狀。圖3描述了2015年研究區土地利用/覆蓋分布現狀、主要土地覆蓋面積及其所占研究區總面積的百分比。

圖3 2015年土地利用情況Fig.3 Land use situation in 2015

由圖3(a)可以看出，研究區土地利用類型共分為林地、草地、未利用地、水域和耕地5類。研究區內林地主要分布于研究區西南方向的古巴顏屯圖固爾山北麓； 草地主要分布于各支流河道的兩側，沿河道順流而下； 水域主要分布于閃電河水庫及鄰近的2個湖泊之中。

研究區內主要為未利用地和耕地，面積分別為1 779.9 km2和1 583.7 km2，分別占研究區總面積的43.72%和38.90%； 其次是林地，覆蓋面積為413.75 km2，占研究區總面積的10.16%； 然后，草地覆蓋面積為276.90 km2，占研究區總面積的6.80%； 水域覆蓋面積最少，僅為17.29 km2，占研究區總面積的0.42%，如圖3(b)和(c)所示。2015年閃電河上游的關鍵生態因子水域、草地和林地共占研究區總面積的17.83%。

3.2 30 a間生態環境關鍵因子時空變化分析

為研究閃電河上游關鍵生態因子的時空變化，假設耕地區域常年不變，通過統計不同區域在多期分類結果中被判定為耕地的次數確定耕地區域。最終選擇以出現耕地15次的區域作為耕地，并進行耕地掩模。將所有分類結果與耕地掩模波段運算，將耕地去除。

以1985年為基準年，分析研究區近30 a間生態環境關鍵因子(林地、草地、水域和未利用地)每隔5 a的變化規律，如圖4所示。

圖4 近30 a間閃電河主要生態關鍵因子動態變化Fig.4 Dynamic changes of major ecological factors of Shandian River in recent 30 years

3.2.1 林地變化

研究區1985年林地面積為419.103 km2，隨后林地面積發生波動，至2015年變為377.245 km2。 1985—2000年15 a 間林地面積整體呈下降的趨勢，2000—2015年15 a間林地面積呈上升趨勢。但林地近30 a間變化總體呈下降趨勢，總面積較1985年下降41.585 km2，下降速率為1.395 km2·a-1。林地變化規律如圖7所示。

圖5 林地變化規律Fig.5 Change of forest area

分析其原因主要是由于近30 a間經濟發展和人口增長迅速，導致人們對木材的需求增加，亂砍亂伐現象所造成的。其中1995年林地面積上升迅速，可能是由于80年代末90年代初的三北防護林重大工程的實施導致[13]。2000年林地又迅速減少，其原因主要是由于2000年沽源縣遭受干旱災害，年極端最高氣溫達36.1℃，導致大量新生樹木死亡[14]。2000年大旱之后樹木逐漸恢復，林地面積呈上升趨勢。表明人類活動與極端的氣象災害是導致林地變化的主要因素。

3.2.2 草地變化

研究區域內1985年草地面積為484.414 km2，從1985—2005年30 a間草地面積一直呈減少趨勢，2005—2010年間草地面積迅速增加，2010—2015年間又恢復為下降趨勢。草地面積總體呈下降趨勢，總面積較1985年下降58.69%，下降速率為9.47 km2·a-1。草地變化規律如圖6所示。

圖6 草地變化規律Fig.6 Change of grass land area

分析草地面積變化原因主要是1985—2000年間由于人口增加，放牧嚴重導致草地逐年下降。2000—2005年間的突增主要原因和政府政策有關，2001年沽源縣全面禁牧政策開始實施[15]，導致草地面積回升。2005—2015年間草地變化情況如圖7所示。

(a) 2005—2010年間草地增加區域 (b) 2010—2015年間草地減少區域

圖72005—2015年間草地變化情況

Fig.7Changeareaofgrasslandfrom2005to2015

由圖7(a)可以看出，草地面積增加區域主要是由未利用地變化而來，變化區域主要分布在河道旁邊以及山坡上，說明草地的變化與放牧有直接關系。2010—2015年間草地面積下降，主要由于禁牧政策放松，牧民恢復放牧導致本就脆弱的草地生態系統退化，面積急劇減少。除了放牧外，草地面積的減少和耕地面積的增加有關，近年來沽源發展錯季蔬菜產業，大面積的機械化種植[16]，導致耕地面積增加，草地面積減少。由圖7(b)可以看出，原來分布于河流兩岸的草地區域變成耕地，導致2010—2015年間草地減少。草地近30 a間的減少說明了閃電河上游近年來生態環境脆弱，急需保護。草地的變化說明政策的導向對于生態環境的保護和改善起著重要的作用，不論是三北防護林工程還是全面禁牧政策都可以使閃電河上游的生態環境得到改善，關鍵在于政策實施的持續性。

3.2.3 未利用地變化

該區1985—2000年15 a間未利用地總體呈上升趨勢，2000—2015年15 a間總體呈下降趨勢，未利用地近30 a間來總體呈上升趨勢，1985—2015年間未利用地面積共增加了326.137 km2，增長速率為10.87 km2·a-1。未利用地變化規律如圖8所示。

圖8 未利用地變化規律Fig.8 Change of unused land area

本文未利用地即裸地，近30 a間未利用地與草地呈明顯負相關關系，相關系數R2為0.8，如圖9所示。裸地的增加印證了過度放牧對閃電河上游的生態系統的破壞作用。

圖9 未利用地和草地的相互關系Fig.9 Relationship between unused land and grass land

3.2.4 水域變化

閃電河上游水域面積近30 a間變化不大，1985—1995年間水域呈上升趨勢，1995—2000年間呈下降趨勢，2000—2015年間呈現緩慢上升又緩慢下降的趨勢，整體上水域面積變化不大，2015年較1985年增加了0.009 km2。水域變化規律如圖10所示。

圖10 水域變化規律Fig.10 Change of water area

水域面積近30 a間基本保持不變的趨勢，主要原因是閃電河上游水域面積主要是由1個水庫和2個湖泊構成，水庫和湖泊的蓄水調節功能使水域不會有太大的變化，其中2000年水域面積最少，與前面提到的2000年的大旱有關。表明閃電河上游的水域面積主要受極端氣候的影響。

4 討論與結論

1)本文對閃電河上游生態環境的現狀及生態環境關鍵因子水域、林地和草地的動態變化進行了分析。發現2015年閃電河上游研究區內的生態環境關鍵因子水域、林地和草地的面積之和僅占研究區總面積的17.83%，耕地和未利用地面積占研究區總面積的82.17%。充分說明該區域的生態環境脆弱，亟需保護，稍有不慎將成為京津冀地區的風沙源，對京津冀地區的生態安全構成威脅。

2)閃電河流域是我國北方典型的農牧交錯帶，在這種特殊的土地類型區域內，土地利用和土地覆蓋的變化十分復雜，驅動因素較多，既有退耕還草、退耕還林等政策性的保護措施，又有過度放牧、土地撂荒和耕地開發擴張等人為破壞因素[17-18]，且不同年份變化差異極大。因此，在我國北方的農牧交錯帶，利用遙感技術獲取較為準確的耕地面積是一個難題[19]。而且研究閃電河流域上游生態環境關鍵因子的變化情況，僅利用單期遙感影像數據進行可耕種區域的提取精度較低，錯分和漏分現象較為嚴重[20]。此外，考慮到該地區的耕地面積變化趨勢復雜，用可耕種面積代替耕地面積進行分析，其包括了耕地和其周邊與耕地不斷互相轉化的其他土地覆蓋類型，以此為基礎進行后續的研究。為了提高分類結果的可信度和可耕種區域的提取精度，利用長時間序列遙感數據，通過多級再分類技術方法提取可耕種區域進行掩模，將所有影像耕地去除。但仍有部分區域耕地未去除完全，因為其所占比例很小故將未去除完全的耕地歸到未利用地中。此方法也為農牧交錯帶的可耕種面積的提取提供了新方法和新思路。

3)本文閃電河流域上游研究區內近30 a間，林地面積共減少了41.585 km2，年均下降速率為1.395 km2·a-1。草地面積共減少了284.288 km2，年下降速率為9.47 km2·a-1。未利用地面積共增加了326.137 km2，年增長速率為10.87 km2·a-1。水域面積整體變化不大，2015年較1985年水域面積僅增加了0.009 km2。草地近30 a間則減少了58.69%，主要由于嚴重放牧和耕地占用導致。草地的減少說明了閃電河上游生態環境在惡化，生態脆弱，需要保護。

4)本文利用近30 a間的遙感影像研究閃電河上游的生態環境變化，評價結果與實際相符，此方法可為基于遙感技術開展其他河流濕地的生態環境監測提供參考方法。本文的不足之處是未對氣候與生態環境的相互關系進行分析，在之后的工作中應該明確氣候對生態環境要素的影響。

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Aremotesensingstudyofspatio-temporalchangesofecologicalenvironmentofShandianRiver

CHEN Mingye1, CHEN Lei2,3, ZHOU Xun2

(1.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China; 2.FacultyofGoographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.GlobalChangeandEarthSystemScienceInstitute,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

The development of remote sensing technology provides strong support for monitoring the dynamic changes of the ecological environment. Shandian River is the ecological barrier of Beijing, Tianjing and Hebei Province. The eco-environment of Shandian River has aroused more and more attention among people, with the global climate change and human activities. In this paper, the authors used the remote sensing images obtained from 1985 to 2015 to study the changes of eco-environment of the upstream of Shandian River. Some conclusions have been reached: in 2015, the area of forest, grassland, unused land, water and cultivated land in study area was 413.75 km2, 276.90 km2, 1 779.94 km2, 17.29 km2, and 1 583.71 km2respectively, with the percentage being 10.16%，6.80%，43.72%，0.42% and 38.90% respectively. From 1985 to 2015, the forest area exhibited a downward trend, with the declining rate being 1.395 km2·a-1. The grass land was declined too, with the declining rate between 9.47 km2·a-1. The water remains unchanged in the past 30 years.

Shandian River; ecological environment; spatio-temporal changes; remote sensing

10.6046/gtzyyg.2017.04.25

陳明葉,陳磊,周詢.閃電河上游生態環境時空變化遙感研究[J].國土資源遙感,2017,29(4)：166-172.(Chen M Y,Chen L,Zhou X.A remote sensing study of spatio-temporal changes of ecological environment of Shandian River[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：166-172.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0166-07

2016-04-12；

2016-11-25

河北省科學技術廳項目“壩上閃電河濕地生態環境質量評價與監測技術研究”(編號： 14274203D)資助。

陳明葉(1988-),女,在讀博士,主要從事生態環境變化方面的研究。Email: chenmy53719@163.com。

陳 磊(1983-),男,博士后,主要從事全球生態環境變化研究。Email: chenmy53719@163.com。

(責任編輯：陳理)