基于TM影像的南水北调中线水源地生态景观变化分析-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目：基TM影像的南水北调中线水源地生态景观变化分析 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要.(1)第一部分 引言 .(1)1. 生态景观概念. . (1)2. 研究意义.(1)第二部分 研究区概况.(2)第三部分 材料和方法.(5)1. 数据来源.(5)2. 研究方法.(6)3. 生态景观格局评价指标.(7)第四部分 结果分析.(2)第五部分 结论.(8)第六部分 结束语.(9) 第第七部分 参考文献.(9)Abstract.(9) 基于TM影像的南水北调中线水源地生态景观变化分析 摘要：以近20年的南水北调中线水源地TM影像为基础采用软件提取水源区生态景观变化的数据分析原因，随着科学技术的发展，尤其是遥感、GIS 技术及计算机技术的发展，景观格局的定量分析方法得到不断地完善。目前主要有三大类：景观空间格局指数、景观格局分析模型和景观模拟模型。它们被用来对景观格局的静态和动态进行分析，并在森林、农业、湿地、城市、区域流域景观格局中得到广泛应用，成为推动景观格局持续发展的有力研究手段。但在指标方法的选取上，不同的景观类型都各有侧重。文章在总结近 10 年来，景观格局定量分析方法的分类、内容及作用等研究进展的基础上，根据国内外学者在不同领域的实证研究，归纳探讨了在不同景观格局研究中对定量分析方法应用的一般规律。改善黄淮海地区的生态环境状况，实现可持续发展，改善当地饮水质量，有效解决北方一些地区地下水因自然原因造成的水质问题，如高氟水、苦咸水和其他含有对人体不利的有害物质的水源问题，有利于回补地下水，保护湿地和生物多样性。改善因缺水而恶化的环境，较大地改善北方地区的生态和环境特别是水资源条件。关键词：TM影像；南水北调中线；生态景观引言生态景观格局变化分析生态景观格局变化分析是景观生态学研究的核心问题之一。研究生态景观格局的动态变化，可以从各种景观变化中总结出有序的规律，揭示景观格局与生态系统变化之间的相互作用，从而对景观格局变化的方向、尺度以及时间等进行模拟、评估和预测，为资源利用和环境建设提供重要的参考。生态景观是一个宏观系统，大量空间数据的获取、分析和处理是景观尺度研究的重要特征。遥感（ RS ）和地理信息系统（ GIS ）技术是研究生态景观格局的重要工具，特别是在研究各种景观现象的分布规律、演变特征、空间镶嵌关系以及生态景观格局的模拟等方面起着重要的作用。南水北调中线工程是我国跨省区、跨流域的重大调水工程，工程的实施对水源地经济社会发展产生了约束和限制，生态贫困、经济贫困和知识贫困相互交织使其陷入了贫困累积的恶性循环，生态补偿及其资金的高效分配成为破解汉江水源地贫困累积循环的抓手和关键节点，因此必须从水源地自我发展能力培育的角度出发，构建集公平、效率于一体的生态补偿资金分配模式。本文选择南水北调中线湖北河南水源地为研究区，根据1990年和2006年的TM数据，结合地理信息技术、数理统计方法和景观生态学方法，对水源地区各生态景观格局的变化进行分析，为流域的生态保护目标定量分析和生态基流计算提供依据，并可为研究区生态恢复及环境管理提供决策依据和理论支持。1研究区概况近期从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前平原开渠输水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加北调水量。中线工程具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点，是解决华北水资源危机的一项重大基础设施。中线工程可调水量按丹江口水库后期规模完建，正常蓄水位170m条件下，考虑2020年发展水平在汉江中下游适当做些补偿工程，保证调出区工农业发展、航运及环境用水后，多年平均可调出水量141.4亿m3，一般枯水年(保证率75%)，可调出水量约110亿m3。南水北调中线河南水源区 （以下简称水源区）指丹江口库区的淅川、西峡、内乡、邓州、栾川、卢氏6 县，土地总面积 7815.34km2 ，总人口 404.69万人，共有林地面积 462 140hm2 ，农地面积 74081 hm2 ，25度以上坡耕地 12740hm2 （占农地面积 18%）。水土流失面积 4143.65km 2 ，平均侵蚀模数 2 922t/km 2 .a，需要开展预防保护的面积 365888 hm 2 。水源保护区生态建设工程规划分两期实施，规划退耕还生态林 6300hm 2 ，荒山造林 123734 hm 2 ，工程集中在丹江口库区取水水源地及其周边的 6县，是对引水区产生直接影响的区域，生态建设工程包括退耕还林草、荒山育林、坡改梯建设三部分，一期规划 2013 年完成，二期规划将于 2020 年完成。南水北调中线水源区是供水的重要地区，尤其近年来南水北调工程进行，中线水源区在湖北河南乃至全国空间经济和政治地位更加重要。然而伴随着人类开发利用水资源及水利工程的修建，流域生态系统及环境发生了不同程度的变化8。因此，研究该地区生态景观格局的变化规律，不仅对该区域生态环境建设、资源开发、土地治理和农业产业结构调整具有重要的现实意义，而且对研究我国生态脆弱区生态、资源和人口的可持续发展也具有重要的参考价值。2数据来源和方法3.1 数据来源本文数据源采用90年和06年TM数据。最后，利用研究区边界图合成该研究地区的整体影像。3.2 研究方法首先，利用遥感影像处理软件 ENVI ，对两期遥感图像进行几何校正、波段组合9、增强以及裁剪等处理，得到遥感解译的基础图件；然后，确定遥感解译的标志以及生态景观类型，通过人机交互式的目视解译方式，绘制出生态景观类型专题图；然后，利用 GIS 相关软件，导入解译结果，进行拓扑分析、属性赋值及相关的统计计算；最后，对选择的生态景观指数进行计算，并对比分析计算结果，研究生态景观格局变化特征。具体的研究方法与步骤如图 1所示。3.3 生态景观格局评价指标根据研究区土地利用和覆盖特点，结合 MSS/TM/ETM 卫星遥感影像光谱特征，将研究区划分为水田、旱地、林地、草地、水域、居民工矿建设用地和未利用土地 7 种景观类型。对于生态景观空间格局及其变化的考察，需要一套合理的指标体系，以反映生态景观的个体形态特征及整体多样性特征。景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。通过景观格局指数分析可以揭示各土地利用类型（景观要素）的变化特征和变化机制以及对区域生态系统的影响。结合研究区的生态景观格局特征和研究目的，本研究选取以下指标来研究区域生态景观格局的动态变化，其计算方法如下：（ 1 ）斑块破碎度（ Fragmentation ）。描述生态景观被分割的破碎程度，公式为：C i=N i/A i （ 1 ）（ 2 ）斑块分形维数（ Fractal Dimension ）。描述生态景观斑块几何形状复杂程度，公式为：F i=2 ln(L i/4)/ ln(A i) （ 2 ）（ 3 ）分离度（ Isolation ）指数。指某一生态景观类型中不同元素个体分布的离散程度，公式为：I i=(N i/A) 0.5 /2(A i/A) （ 3 ）（ 4 ）多 样 性（ Diversity ）指 数（ Shannon-Weaver ）。反映生态景观类型的多少和各生态景观类型所占比例的变化，公式为：H =- i =1m(P iln P i) （ 4 ）（ 5 ）破碎化（ Fragmentation ）指数。反映区域生态景观类型被分割的破碎程度，公式为：F r=(N p-1)/N c100% （ 5 ）（ 6 ）优势度（ Dominance ）指数。表示生态景观多样性对最大多样性的偏离程度，或景观由少数几个主要景观类型控制的程度，公式为：D =ln m + i =1m(P iln P i) （ 6 ）（ 7 ）均匀度（ Evenness ）指数。描述生态景观里不同景观类型的分配均匀度，公式为：E =H/ ln m 100% （ 7 ）在公式（ 1 ） - 公式（ 7 ）中，m 为生态景观类型数目；N i 为生态景观类型 i 的斑块数量；A i 为生态景观类型 i 的面积；N p 是所有生态景观类型的斑块总数；N c 是用栅格个数表示的研究区生态景观总面积；A为研究区总面积；L i 为生态景观类型 i 的周长；P i 为第i类生态景观面积在总景观面积中的比例。4结果分析（ 1 ）通过遥感解译，得出不同时期南水北调中线水源地生态景观类型专题图（ 2 ）各类生态景观类型中水田、水域、建设用地、未利用土地的斑块面积较小，景观分离度均大于 1.0 ，由于人类经济活动等的影响，大多数为人工景观，形状较为简单。旱地、林地和草地的景观分离度均小于 1.0 ，这些类型主要分布在河谷沟壑地带，受河流等的侵蚀作用影响，形态复杂，破碎度高，景观斑块数量多；林地、居民工矿建设用地的面积在增加，90年和06年相比分别上升了6.05% 和 24.12% ，说明植树造林和工程建设呈增长趋势。未利用土地的斑块数减少了 23 个，面积比下降 16.8% ，反映了当地的开荒，以及沙地治理等工作取得了一定成果，促使其面积减少。不同类型生态景观分离度差异明显。水田、水域、建设用地、未利用土地的景观分离度明显大于旱地、林地和草地。在时间变化上，水田、水域和建设用地的变动幅度明显，表现为建设用地分离度逐渐下降，即从 90年代的 5.946 ，下降为 2007 年的4.783 。 主要是由于该地区工矿企业持续增长，促进了城镇化的快速发展。水田和水域表现出明显的增长趋势，从 90 年代的 2.157 、 4.336 ，增长为2007 年的 5.965 和 6.598 ，主要原因是气候的变化，很多水田面积减少，分离度增大；以及工矿企业数量的持续增多，增加了对水田和水域的人为分割。而未利用地则表现出明显的阶段性差异， 90年代 20年代分离度增大，在90年和07年又明显减小。主要原因是 2000 年之前，该地区工程建设、矿业等数量持续增多，而 2000 年以后，国家加大生态保护力度，退耕还林、植树造林力度的加大，也促进了未利用地的生态恢复和再开发。表一 不同时期各生态景观指数Table1 Indices of landscape pattern in different periods年份生态景观类型板块面积面积百分比斑块破碎度斑块分形维数分离度指数1990水田453.201.360.1992.0471.908旱地14655.1444.110.3992.0230.475林地7702.7423.180.9542.0711.014草地8112.5024.420.7582.1660.881水域508.801.531.0082.2004.057建设用地1725.905.195.5632.2335.174未利用地66.810.200.6882.2249.252合计33225.10100.002006年水田160.670.480.3172.1724.051旱地15677.2047.190.3312.0110.419林地7673.9223.100.8992.0730.986草地7564.4222.770.6592.1700.850水域359.021.081.5652.3296.018建设用地1879.235.665.8082.2385.067未利用地67.370.200.6092.1958.662合计33381.82100.00（ 3 ）生态景观的基质是耕地，三期南水北调耕地面积在景观中所占比例分别为 47.5% 、45.5% 、 47.4% 、 47.0% 、 45.8% ，耕地景观属绝对优势景观。其中，旱地占绝大多数面积，且其分离度最小。除了耕地之外，林地和草地也是优势景观，二者此消彼长，两者景观分离度也较小。 90 年代耕地、林地和草地的斑块分离度指数分别为 0.475 、1.014 和 0.881 ，而同期居民工矿建设用地、水域和未利用土地斑块分离度指数分别为 5.174 、 4.057 和9.252 。由此可见，尽管各类生态景观在近 30 年都发生了不同程度的增减变化，但耕地仍然是其景观基质。表2不同时期生态景观异质性指数比较Table2 Indices of landscape pattern in different periods年份破碎度指数多样性指数优势度指数均匀度指数19900.89070.97182.91770.499420060.87550.92822.87420.4770（ 4 ）景观优势度表现为阶段性变化，但是幅度较小。5结论值得注意的是，尽管以上调研和咨询建议是针对核心水源区十堰市提出的，但经过调研发现，在整个调水区域均存在这些共性问题。包括陕西、河南在内的整个调水区域均存在经济增长困难、生态补偿的长效机制缺乏、水质水量监测能力不足、不重视调水的不确定性等严重问题。这些区域的问题解决不好，将严重地影响到南水北调中线工程的实施。因此，咨询组认为以上咨询建议同样适用于整个调水区域。十堰市建立“国家级生态经济综合改革试验区”可以为调水区的其他区域提供范例；生态补偿长效机制同样适用于非核心水源区。在丹江口库区上游流域面积超过1 000平方公里的支流控制断面增设水质监测站点，使水质监测站点覆盖全流域所有重要支流；高度重视库区上游水利工程的水量截留及气候变化对调水水量保证的不确定性影响，通过建立水量的保障与预警机制，积极防范影响核心水源区稳定供水的风险，能够有效保证中线工程“有水可调，安全调水”。只有解决好整个调水区域的经济环境问题，才能从根本上保证南水北调中线工程的顺利实施。1990年至2006年，南水北调水源区各类生态景观斑块的数量、面积及空间格局都发生了不同程度的变化，但耕地始终是其景观基质，在景观格局中占主导地位。耕地斑块面积减少，但分离度和破碎度增加；草地和林地斑块面积增加，破碎度和分离度减小；居民工矿建设用地面积显著增加；未利用土地斑块面积有所减少，但破碎度、分离度和分形维数显著增加。从生态景观格局变化来看，南水北调水源区景观斑块分布趋于破碎化；景观多样性指数和景观均匀度指数均在 90 年代有所增加， 2000 年锐减，之后逐渐回升；景观优势度也在 90 年代有所增加，后逐渐减小。说明研究区生态景观的异质性有所改进，景观格局处于快速调整并趋于稳定发展阶段。耕地和未利用土地面积减少以及林地和草地面积增加是国家“退耕还林还草”等各项生态环境治理项目实施的结果。为了增加渭河流域生态景观的多样性，以及增强抗御自然灾害的能力，实现资源利用与环境建设的相互促进，共同发展。今后应该不断完善政增加科技和资金投入，进行科学规划，以加强本地区的生态景观建设。Abstract：Analysis of change in ecological patterns is one of key issues in landscape ecology .Studying the dynamic changes in landscape pattNearly 20 years of the water source to TM image-based data analysis because of the software to extract water ecological landscape change: With the development of science and technology, especially remote sensing and GIS technology and the development of computer technology, landscape pattern quantitative analysis methods continue to improve. At present, there are three categories: landscape spatial pattern index, landscape pattern analysis models and landscape simulation models. They are used for static and dynamic landscape pattern analysis, and are widely used in forestry, agriculture, wetlands, urban, regional watershed landscape pattern, to become a powerful research tool to promote the sustainable development of landscape pattern. Select indicator methodologies, different landscape types have different emphases. Article to summarize the past 10 years, the landscape pattern quantitative analysis on the basis of the method of classification, content and role of research progress, according to scholars in different areas of empirical research, inductive probe。Discuss the general laws of the quantitative analysis of applications in different landscape pattern. Improve the ecological environment of the Huang-Huai region to achieve sustainable development, improve local water quality, effective solution to the problem of water quality in some areas of the north of groundwater due to natural causes, su