（环境科学专业论文）基于3s技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究.pdf

a b s t r a c t p a r kw e t l a n di sa ni m p o r t a n tp a r to fe c o s y s t e mi nu r b a na r e a o n c et h ep a r kw e t l a n di si n d a n g e r ，r e g i o n a le g o e n v i r o n m e n ta l s oi sd e s t r o y e dc o r r e s p o n d i n g l y i tc a na f f e c tt h eu r b a n t r a v e l i n ga n dr e s i d e n t sr e s ta n dr e c r e a t i o na c t i v i t y t h ea p p e a r a n c ea n dd e t e r i o r a t i o no fp a r k w e t l a n de c o e n v i r o n m e n t ，t os o m ee x t e n t ，w i l lr e s t r i c te c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h i sa r e aw i t h c o n t i n u a n c e ，s t a b i l i z a t i o na n de x u b e r a n c e h o w e v e r , p a r kw e t l a n di ss t r o n g l yc o n t r o l l e db y h u m a nb e i n ga n dt h ed e c i s i o n - m a k i n go fp a r km a n a g e m e n th a sd i r e c te f f e c to nt h ed e v e l o p m e n t a n db a l a n c eo ft h ee c o s y s t e m t h e r e f o r e ，c a r r y i n go nt h ed y n a m i cm o n i t o ra n dt h ea p p r a i s a lt o t h ep a r kw e t l a n d ，c a nn o to n l yp r o v i d et h es c i e n t i f i ct h e o r yb a s i sf o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t p r o j e c t , m o r e o v e ra l s oh a st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u er e g a r d i n go t h e rp a r k sd e v e l o p m e n ti n o u rc o u n t r y t h em a j o rw o r ko ft h i sp a p e rw i l ls e l e c tb e i j i n gc h i e fc i t yp a r ka sar e s e a r c ha r e a a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lt h e o r i e ss u c ha sl a n d s c a p ee c o l o g y , t h eg r e ys y s t e mt h e o r y , w e a d o p tb u r g e o n i n gt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gg i sf u n c t i o ns p a t i a la n a l y s i sa n dg p sl o c a t i o n t e c h n o l o g yo u to fd o o r s ，a n a l y s i ss y n t h e t i c a l l yt h ed y n a m i cc h a n g eo fw e t l a n dr e s o u r c e sw i t ht h e w e t l a n dl a n d s c a p ep a a e r n ，t h ev e g e m t i o nc o v e r , t h ew a t e rq u a l i t yd y n a m i cc h a n g e f i n a l l yw e s e l e c tt h es u i t a b l et a r g e tt oa s s e s st h ee c o - e n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h ep a r kw e t l a n d ，p r o v i d e dt h e d e c i s i o n - m a k i n gb a s i sa n dt h et h e o r yi n s t r u c t i o nf o r t h ew e t l a n dp r o t e c t i o na n du s er e s e a r c h t h ef i n d i n g si n d i c a t e dt h a te a c ht a r g e to fb e i j i n ge a c hp a r ke c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a st h e d i f f e r e n c e t h ea d d i n gw a t e ra r c h e r yt a r g e tm e a s u r er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rq u a l i t yo ft h e s u m m e rp a l a c es h o u l db e r e rb et h eik i n d ；w a t e rq u a l i t yo ft h en o r t hs e ap a r k , t h ez i z h u y u a n p a r ka n dt h ey u y u a n t a np a r ki sg o o d ，i st h ei ik i n d ；w a t e rq u a l i t yo ft h ey o u t hl a k ea n dt h e c h a o y a n gp a r ki sb a d ，i st h ei vk i n d ；w a t e rq u a l i t yo ft h et a o r a n t i n gp a r ka n dl o n g t a np a r ki s v e r yb a d ，i st h ev k i n d c a r r i e so nt h eq u a l i t ys y n t h e t i ce v a l u a t i o nt ot h ep a r ke c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tt od e m o n s t r a t et h a tt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h es u m m e rp a l a c ei s g o o d ，b e l o n g st oil e v e l ；t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h en o r t hs e ap a r k ，t h ez i z h u y u a n p a r ka n dt h ey u y u a n t a np a r ka r eg o o d ，b e l o n gt oi il e v e l ；t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t q u a l i t yo f t h ey o u t hl a k ep a r ka n dt h ec h a o y a n gp a r ka r eo r d i n a r y , b e l o n g st oi i il e v e l ；t h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h et a o r a n t i n gp a r ka n dl o n g t a np a r ka r eb a d ，b e l o n g st oi vl e v e l n k e y w o r d s ：b e i j i n g ，p a r kw e t l a n d ，d y n a m i cc h a n g e ，e n v i r o n m e n tq u a l i t ya p p r a i s a l ，r e m o t e s e n s i n g ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m i i i 图表目录 图1 1 论文研究的整个技术路线1 6 图2 1 研究区主要分布图1 8 图2 2 图像数据处理流程图。2 l 图2 3 影像纠正的一般过程2l 图2 _ 4 朝阳公园s p o t 5 影像线形增强效果图2 2 图2 - 5s p o t 5 多光谱与全色影像融合效果图2 3 图2 6 颐和园和北海公园土地利用与覆盖解译结果2 6 图3 12 0 0 2 年和2 0 0 5 年玉渊潭景观分布2 7 图3 22 0 0 2 年玉渊潭景观指数曲线图2 9 图3 32 0 0 5 年玉渊潭景观指数曲线图。2 9 图3 42 0 0 5 年北海公园n d v i 专题图与n d v l 分布统计3 2 图3 5 北海公园植被覆盖度3 4 图3 - 62 0 0 5 年八个公园植被覆盖度。3 4 图禾1公同水质监测点分布与监测值3 6 图4 2 颐和园各监测点不同深度叶绿素含量3 7 图4 3颐和园三个深度的叶绿索含量分布图3 7 图4 4 颐和园各监测点4 i 同深度p h 值3 8 图4 5 颐和园i 个深度的p h 值分布图3 9 图4 6 颐和园各监测点不同深度溶解氧含量4 0 图4 7 颐和园三个深度的溶解氧含量分布图4 0 图4 8 颐和园各监测点小同深度氨氮含量4 l 图4 9 颐和园三个深度的氨氮含量分布图4 2 图4 - 1 0 ：4 - 同公园水质指数趋势图4 3 图4 1 l 不同公园水质指数趋势l 冬l 4 4 图4 1 2 不同公园水质指数趋势图4 5 图5 1公园湿地乍态环境质量评价技术路线4 9 表1 1 判断矩阵标度及其含义。1 3 表1 2 平均随机一致性指标l u 值1 4 表2 1 选用的遥感影像数据列表2 0 表2 2 北京公园湿地遥感解译标志2 5 表3 - 12 0 0 2 年和2 0 0 5 年玉渊潭景观数据表2 8 表3 22 0 0 2 和2 0 0 5 年玉渊潭景观指数2 9 表3 3 北海公园n d v i 的分布概率3 3 表3 _ 42 0 0 5 年八个公园植被与水体覆盖度。3 4 表4 1 北京公园湖泊水质评价标准。4 5 表4 2 水质监测数据的无量纲化4 6 表4 3 水质评价标准的无量纲化4 7 表4 4 关联度计算及评价结果4 8 表5 一l 公园湿地生态环境质量评价指标体5 0 表5 2 公园湿地生态环境质量评价等级5 2 表5 3 公园湿地生态环境质量评价结果5 2 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 等爰爱， 日期：璐碱日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 荽焱短 【= 期：锄年钥z 铀 首都师范大学硕上学位论文丛于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 第一章绪论 1 1 公园湿地功能及监测评价的目的意义 公园湿地足随着历史的发展及现代城市生活的需要而逐步产生的。湿地是人类最重要 的环境资本之一，也是自然界富有牛物多样性和较高生产力的生态系统，尤其是与人类家园 密切相关的城市公同湿地，1 i 但具有丰富的资源，还具有巨大的环境调动功能，景观美化 和生态效益。在古代，城巾湿地不仪为城巾居民提供必要的水资源，同时还为城市提供防御、 运输、防自然灾害、补充地下水源等服务功能，城市湿地具备了城市自然生态系统不可替 代的众多生态服务功能。湿地在洪水侵袭时提供了良好的泄洪途径，水例和水系的存在延 缓和减轻了洪水的冲击，使得岸边的城市和居民得以安全【。随着现代城市的发展，城市湿 地越来越成为现代城市发展的重要制约因子，在保障城市生态安全方面发挥了巨人的作用， 决定着城市的可持续发展。城市湿地的这些重要功能雨l 价值，一直是人类社会发展和城市 文明进步的物质和环境基础【2 】 可以归纳为以下几个方而： ( 1 ) 调节小气候的功能湿地可影响小气候，城市公园湿地的蒸发作用可保持城市的 湿度和降雨量，使区域条件稳定，城市环境质量得到改善。由于城市t 业的发展，城市热岛 效应很明显，使城市气温升高。有关资料显示，北京城区的气温比郊区高0 7 。c 。l 一时美国 城市与周围地区比较以后发现：市区窄气年平均温度高于郊区，太阳辐射减少2 0 ，风速减少 了1 0 3 0 。城市公同湿地的存在，使大量的降雨通过树木的蒸腾和蒸发，返回到大气中，然 后又以降雨的形式降到城市中。蒸发是耗热过程，城市湿地的蒸发作用能有效地降低区域 气温，减少城市热岛效应。如果湿地被破坏，区域的降雨量就会减少，城市的空气就会感到 t 燥。 ( 2 ) 储蓄雨洪净化水质的功能水足人类不可缺少的生态要素，湿地是人类发展工农 业生产用水和生活用水的主要来源。城市的公园湖泊，大都与河流相连，在输水、储水、 供水、控制防洪和净化水质中发挥着重要作用，是蓄水防洪的天然“海绵”，在降水季节分 配和年度分配不均匀的情况下，通过天然和人工湿地的调节，储存来自降雨过多的水，可以避 免城市发生洪水灾害，保证城市工业生产和居民生活有稳定的水源供给。另一方面，随着城 市工业的发展，t 业污染物，有毒物质进入湿地，通过湿地的物理、生物和化学过程，可使有毒 物质沉淀、降解和转化，起到净化水质的作用。 首都师范大学硕士学位论文基于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 ( 3 ) 美化环境和休闲旅游的功能公园湿地丰富的水体空间，水面多样的浮水和挺水 植物，以及鸟类和鱼类，都允满大自然的灵韵，使人心静神宁。壮观秀美的自然景色吸引着人 们去感受，去领略，使湿地成为重要的旅游资源，不仅可创造直接的经济效益，还具有重 要的文化价值。人类欣赏自然享受自然的情感通过诗歌、绘画等文学艺术方式表达出来后， 便形成了具有地方特色的精神文化，成为城市居民休闲娱乐，文化交流的重要场所。城市 公园湿地空气清新，负离子含量高，景观良好，是度假的好地方，许多公园建有小木屋、小凉 亭，游客和城市居民可以在那里品茗、聊天，观看湿地风光；许多公同还为游客提供游船， 游客在船卜随水波漂浮，欣赏水鸟、水景等，其乐无穷。 ( 4 ) 其他功能城市公园湿地还是重要的科研教育培训基地。公园湿地具有丰富的 动植物种群，景观与生境多种多样，是青少年学习的“第二课堂”。有些湿地冈含有过去和现 在生态过程的痕迹，而丌展环境监测、全球环境变化趋势、城市热岛效应、对照实验等科学 研究。同时，一些湿地物种烙下了生物进化、环境演变等方面的重要信息，它们为环境教育 利科学研究提供了熏要的材料和实验基地。 城巾公园湿地这一以水和绿色植物为主的自然环境景观，既可以增加城市绿地的景观 多样性，义可以提高城市生态系统内生物多样性的水平，进而提高城市生态环境的自我修 复功能。然而从上世纪7 0 年代开始，由于我国城市市政建设的问题，大量城市湿地长期 作为排污管道排污能力不足的补充形式，成为排泄城市生活污水、工业废水的通道，在洪 涝来临时，作为泄洪排涝的通道，结果导致了城市湿地富营养化，污水横流，特别是夏季， 臭气冲天。城市化进程中未注意环境保护，为此付出了沉晕的代价【3 1 。随着人类生活水平 的不断提高，对生活质量有了进一步的要求。人们渴望亲近自然，向往园林式安宁轻快的 风景，城市园林绿化成为城市建设过程巾对自然环境遭破坏的一种有效的补偿。人们开始 努力创造一种为城市居民提供的一定使用功能的自然化的游憩生活境域，城市公冈成为城 市的绿色基础设施，作为城市主要的公共开放空问，它不仅是城市居民的主要休闲游憩活 动场所，也是市民文化的传播场所【4 1 。城市公园湿地的建设，充分体现了人们物质生活丰 富后向往健康、舒适生活环境的愿望，也表明长期以来人们对湿地环境被破坏造成严重生 态后果丌始了认识和反思。 然而近年来，随着人u 的急剧增加、城市公园旅游负荷增大，公园湿地的环境再次面 临着很大的压力，加之人类对公园湿地认识仍然存在片面性，过多主观的追求优美环境的 改造，对a 然景观的保护意识依然比较淡薄，越来越多的湿地受到破坏和不合理的开发利 用。公园水质的恶化，生物多样性的丧失，及其功能和效益的衰退，严重削弱了公园湿地 2 首都师范大学硕士学位论文 基于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 的自然调节和旅游价值；由于人为的过多干扰，城市公同绿地过分的人工雕琢与堆砌，城 市公园景观多样性也受到影响。这样的现状要求政府必须重视起来，采取切实的方法对公 园湿地的建设管理进行监督和指导，而监督管理方案的制定必须建立在对公园湿地目前具 体状况、受破坏程度与破坏原因等详细准确的了解之上。如果对现状了解1 i 清就主观的制 定管理方案，只能足愈加加重了人为的干预，适得其反。对公园湿地进行合理的动态监测 与评价，就可以定性定量的反应公园湿地的现状及发展趋势，虽然不能马上使公园湿地的 环境质量得到改善，但是通过监测评价数据一方面可以为公众敲响保护生态环境的警钟， 另一方面更重要的是可以为政府决策部门提供真实的理论与数据参考，有利r 决策部门制 定出切实可行，因地制宜的管理政策。 1 2 研究现状与进展 3 s 技术的发展为湿地研究提供了新的技术手段和方法，是湿地研究工作的新契机。遥 感技术具有感测范围广、信息量大、获取信息快、更新周期短等特点，遥感信息的应h j 分 析也已从单一遥感资料向多时相、多数据源的复合分析过渡，从静态分析向动态监测过渡， 从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量分析过渡，从对各种现象的表面描述向软 件分析和计量探索过渡；地理信息系统则具有独特的窄问信息处理和分析功能，如宁问信 息查询、量算和分类、叠加分析、网络分析、缓冲区分析等，利用这些技术，可以从原始 数据中获得新的信息；全球定位系统则广泛应用于实地定点采样，辅助遥感影像处理等方 面。 3 s 技术在湿地研究领域中的应用起始于8 0 年代，美国、荷兰等发达国家在遥感技术 和计算机技术方面比较先进，而且境内湿地资源丰富，湿地研究开展的广泛而深入，利用 3 s 技术对湿地的动态、功能、景观分析及保护等方面进行了研究【5 】o 在我国，3 s 技术存资 源、环境等研究领域的应用也越来越广泛，其在湿地动态监测与评价方面发挥着积极的作 用。如中科院长春地理研究所的刘振乾【6 】 将3 s 技术综合应用于三角洲及滨海湿地资源的 调查研究，建：迸了合理的技术流程，并探讨了3 s 技术在湿地研究中的前景、问题和对策；国 家林、l k 局的韩爱惠等【7 1 将遥感技术应用于辽河三角洲地区，探讨了适合辽河三角洲地区的 遥感影像波段组合：千树功，黎夏掣8 】利用r s 与g i s 技术，全面开展湿地系统定量化研究的 思路和框架，重点分析了r s 与g i s 技术在湿地识别及类犁划分、湿地生物晕的遥感估测、 湿地景观演变的动态分析、湿地评价与湿地保护区建设、湿地管理信息系统等研究中的应 用趋势指出利用遥感与g i s 技术可以增强湿地研究的宏观性、动态性、定量性；中国科学 3 首都师范大学硕士学位论文基于3 s 技术的北京公园泓地动态变化与环境评价研究 院测量与地球物理研究所的黄进良f 9 】利用r s 与g i s 对多时想的遥感卫星影像进行处理， 研究1 9 4 9 年以后的洞庭湖湿地面积的季节变化与年际变化等。 随着3 s 技术在自然湿地的研究越来越广泛，各种人工湿地也越来越多地受到关注。 城市公同湿地独特的空问位置特征决定了它是人工湿地的一个熏要类型。对于城市公园湿 地的研究起步较晚，但研究进展迅速。王凌罗述金【l o 】在城市湿地景观的生态设计中指 出，城市的湿地景观，是城市景观的重要组成部分。由于湿地系统在生态上具有重要的调 节作用，在对其进行景观设计时，应充分考虑生态方面的设计。景观设计师需要在思想中 树立生态的观念，从而在对城市湿地系统的景观设计中，做到美学与生态学兼顾，使自然 与人类生活环境有良好的结合点，使人与自然达到和谐。李振海，赵蓉等【对城市生态河湖 进行了调查、研究和设计，说明水系在蓄纳、排洪等方面的晕要生态功能，同时也指出生 态景观河湖的设计施工、利用保护与传统的水利工程有很大差别，没有现成的导则、规范、 标准可言，也没有可供移植或照搬的经验。需要设计管理者有较高的文化艺术修养，丰富 的科学技术知识和追求高尚情境、探求世外桃源的兴趣和精神。邓朝晖【1 2 1 对景观格局在公 园景观水体富营养化防治中的作用进行了研究，指明了公园水体富营养化的来源、防治及 景观植物对水体营养盐的吸收作用，最后对公园富营养化的景观防治工程进行了设计。边 振兴【13 】对城市公园绿地土壤的基本特性、成冈和分类进行了研究，选取了6 个代表性公园， 通过选点采样和室内分析，探明了沈阳城市公园的土壤特性与形成原因，最后埘生态城市 的建设和土地资源的保护提出了建设性建议。 目前对公园湿地的研究，多是从公同的土地利用、景观格局、植被覆盖、生物多样性、 水质状况、土壤状况等方而来展开的。景观格局广义的讲包括景观组成单元的类型、数目 以及窄问分斫j 与配置。景观窄间格局一般指大小和形状不一的相互作用的景观斑块在窄问 上的配置，它是景观异质性的最要表现，是包括t 扰在内的各种生态过程在刁i 同的尺度上 作用的结果( 张金屯等，2 0 0 0 ) 。景观格局及其变化是自然、生物和社会要素相互作用的 结果，景观斑块的形状、大小、数量和空间组合影响着生物物种的分布、动物、径流和侵 蚀等生态过程和边缘效应( 王宪礼等，1 9 9 6 ) 。景观格局的显著特征之一就是可以及时准 确反映景观动态变化的基本过程，通过景观格局的动态研究，可以准确把握景观格局特征 和功能变化，为进一步景观分析打下良好基础。景观格局分析的目的是从看似无序的景观 斑块镶嵌中，发现潜在的、有意义的规律性。景观格局一般采用各种格局指数来描述，特 别是多指数综合捕述的方法应用极其普遍。景观指数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的特征。近年来，越米越多的学者研究景观生态系统空间特 4 首都师范大学硕上学位论文恭于3 s 技术的北京公园泓地动态变化与环境评价研究 征的亮度及其指标体系的建立，由此也产生了许多景观格局评价指标，这些指标为景观空 间格局的分析奠定了基础。如王根绪等( 1 9 9 9 ) 选取了斑块面积、斑块周长、景观多样性、 优势度、景观分离度、景观破碎度和分维数等7 个指标评价黑河下游三角洲的景观格局； 陈利顶等( 2 0 0 3 ) 选择了景观多样性指数、优势度、景观破碎度和景观分离度4 个指标分 析了人类活动与景观格局限性之间的关系；工仰麟等认为，从建立一套指标体系出发，景 观生态系统的空问结构特征至少应包括个体单元空间形念、群体单元的空间组合状况、单 元问的空间关联指数、结构的卒问变化规律几个方面。 植被覆盖度足监测地区或全球植被和生态环境的有效指标，足植被生长状况的重要指 示因子( 赵英时，2 0 0 4 ；张学霞等，2 0 0 5 ) 。植物遥感早期的研究主要集巾在植物及土壤覆盖类别 的识别、分类与专题制图等【1 4 】。随着遥感技术的飞速发展，植物遥感的晕点偏向于植物专题 信息的提取与表达方式卜，提出了多种植被指数，并利用植被指数进行植被的宏观监测以及 生物量的估算包括作物估产、森林蓄积量估算、草场蓄草量估算等【1 5 】。植被指数是遥感领 域中用来表征地表植被覆盖以及生长状况的一个简单而有效的度量参划1 6 】。植被在红光区 有较强的吸收，在红外波段有较强的反射，植被指数的建立正足基丁植被在这两个波段反差 较大的光谱特征【1 7 1 ，红波段和红外波段不同形式的组合构成了植被指数的核心【1 8 】【1 9 1 。 d u n c a n j ，s t o w d 2 0 i 等曾研究了墨西哥荒漠地区灌木林覆盖率与n d v i 的关系，得到了较好的 关系模型；l a r s s o n h 2 1 】分别从t m 、m s s 和s p o t 卫旱图像数据估算植被指数并建立了阿拉 伯森林地区植被指数与覆盖率的关系模型；，1 9 9 2 年，张 华【2 2 】提出了植被覆盖率与植被指 数的模型。1 9 9 7 年，d u n y a n g 等研究了美国内布拉斯加州n d v i 和温度问的关系，得出n d v i 和植物累积生长天数之间关系b - n d v i 和土壤温度之间关系有很好的一致性。2 0 0 1 年陈云 浩【2 3 】等发展了一套计算区域植被覆盖度的亚像元分解模型。 水质评价是按照评价i ：1 标，选择相应的水质参数、水质标准和评价方法，对水体的质 量利用价值及水的处理要求作出评定。水质评价是合理丌发利用和保护水资源的一项基本 工作【2 4 1 。湖泊水质现状评价已有多年历史。最初是通过对水的感观认识来评价水质的优劣， 如水的色、味、嗅等。前苏联学者w i v e m a d c k y 甲在1 9 世纪3 0 年代就开始对地球河湖的 水化学成分进行研究。而真正的河流水质监测工作始于1 9 世纪末，当时欧洲少数河流己 严重污染。最初只j l 【测溶解氧、p h 、大肠杆菌等几项，后来随着工业发展和规定的水质临 测项i ：1 己超过1 0 0 项。自5 0 年代起，国际水文学会在全球范嗣内开展水质研究计划。从 感观评价到后来的采用化学指标和生物指标，水质评价产生了一定程度的定量性。1 9 6 5 年， e k h o r t o n 提出了水质评价的质量指标法( q i ) ，以此标志着水质现状评价工作的开始。随后， 首都师范大学硕士学位论文 基于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 r m b r o w n 等于1 9 7 0 年提出了水质现状评价质量指数法( w q i ) n l n e m e r o w 在其河流污 染的科学分析一书中提出了另一中指数法一内梅罗法，并对纽约州的一些地面水的污 染情况进行了指数分析。其后，又有p r a i t 、古拉利等人提出各种指数法。1 9 7 7 年，r o s s 在总结以前的一些水质指数的基础上对英国的克鲁德河进行水质评价研究，提出了一种较 简明的水质指数计算方法。进入9 0 年代后，水质评价的方法得到了进一步的扩展，各种 数学方法和模型都得到了应用，如p u c k e t t 等应用主成分分析法对美国弗吉尼亚州某些河 流的主要离子化学冈素进行了研究。前东欧和苏联的多数学者在评价时不仅考虑物理一 化学指标，还考虑生物指标，使水质评价更加仝面和科学。我国的水环境质是评价工作开 始于1 9 7 3 年。最早是北京西郊环境质量评价研究，其巾包括了对水环境质量的评价内容， 在北京西郊环境质量评价工作中提出了水质质量系数：上海地区水系水质调查组提出了“有 机污染综合评价”的概念：在南京城区环境质罩综合评价研究中，提出了“水域质黄综合指 标”，使用了叠加型指数法：在图们江水系污染与水质资源保护研究中提出了均值型指数法。 1 9 7 8 年，中国科学院地耻研究所，在我国地表水水质污染现状评价中，提出了一种评价地 表水质污染指数，其目的足对我国东部的河流进行污染程度评价。7 0 年代末，广州进行了 水质分级评价。1 9 8 1 年第一次全国水质评价，采用了单项评价法、地图重叠法和按河流长 度加权的水质指数算术均值法。接着，在洋河水质评价中，打破了以往仅用一个确定的指 数评价水质的方法，提出了水质的隶属度概念。近年来，随着计算机技术的快速发展，模 糊数学、随机模型、灰色指数法、层次分析法、物元分析法、人工神经网络法等义相继应 用在水质评价中。现在，水质评价成为几乎所有综合环境质量评价中不可缺少的重要内容。 1 3 本文研究的立题依据、意义及目标 城巾人工公园湿地的研究已在多个城市开展，湿地评价研究也在诸多方面取得了明显 的进展。但对北京城市公园湿地的研究不多北京市内公园很多，城市公园以其优美的环境 成为市民休闲娱乐的重要场所。在很多公园，每天我们都能看到很多市民在跳舞、做操、 练剑等等，娱乐健身的文化气氛很浓厚。可是近些年来，北京公园湿地和许多地区的湿地 一样不同程度的遭到了过度的开发与破坏，城市公园湿地的环境不容乐观，我们看到公园 湖泊的水质在恶化，植被受破坏也很严重。特别是随着近年来北京这个现代化国际大都市 的迅猛发展，旅游业越来越盯盛，公园承载的游客负荷越来越重，人为的干扰与破坏，使 公园湿地生态系统受到严重的威胁。湿地植被遭到人为破坏，公园湖泊污染日益严重、水 质恶化，水体富营养化普遍发生，生态功能不断减退，已经在一定程度上影响了公园的休 6 首都师范大学硕士学位论文 基于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 闲和旅游价值。另一方面，公园湿地生态系统受管理者人为控制也比较严重，公园管理部 门的决策直接影响系统的发生发展与平衡。目前在公园湿地利用中存在着只注重短期效益 而忽视湿地资源的可持续性的问题，给湿地生态系统健康及其管理带来了诸多不利因素。而 随着现代城市的发展，城市公同湿地越来越成为现代城市发展的重要制约冈子，在保障城市 生态安全方面发挥了巨大的作用，决定着城市的可持续发展。所以对公园湿地的控制和管理 是势在必行，而北京的各个公园生态环境的状况存在着差异，要进行统一的监督管理，就 需要充分了解各个公冈的具体情况，所以对公同湿地生态环境、湿地保护利用等进行切实 可信的监测和全面评价，对公共决策和公园湿地保护利用均具有非常重要的理论和现实意 义。 h 前的湿地评价总体上定性研究较多。而以模拟模型为工具进行的定量研究则相对较 少；从生态学角度分析的较多，而利用3 s 技术综合研究的较少。所以，针对以卜城市公 园湿地研究的现状及监测评价的迫切性，本文选取了北京市内的重点公园，利用3 s 技术 分析了重点公同的景观格局、植被覆盖度等的变化，结合野外监测对公同水体进行了分析 评价，最后对公园整体生态环境进行了综合评价与对比。通过对比分析加深了对不同公园 湿地生态问题的认识。本文对8 个重点公园地具体分析比较，可以从一定程度上表现出北 京市内公园的整体现状，为北京公园湿地资源保护和合理利用决策提供科学依据，从而有 效的保护和利用北京公园湿地资源和环境，为人民提供良好的生活娱乐环境。 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 根据北京公园湿地生态环境的特点，本文首先通过遥感图象处理软件p c i 9 0 进行遥感 数据处理并提取出植被、水体、建筑等主要的环境专题因子，进行生态环境适时的动态变 化监测。然后利用地理信息系统软件a r c g i s 9 2 对数据进行管理和分析，分析环境因子的变 化趋势和凶了之问的相关天系，选定环境评价模型，实现市内公园环境质量状况的定性和 定量的评价研究。 利用h y d r o l a b 水质监测仪对公园湖泊的水质进行野外测定，结合常规的化学监测数 据，通过对不i 司深度、不同位置的水质数据进行比较，分析了周围环境对水质的影响；通 过不同公园间的比较，揭示了各公园的基本现状，为更科学的对公园生态环境进行评价提 供科学的指标依据。 7 首都师范大学硕士学位论文 基于3 s 技术的北京公园湿地动态变化j 环境评价研究 ( 1 ) 对北京市内公园湿地进行调查 对选取公园的植被覆盖情况以及景观格局的变化情况进行调查，包括各类湿地类型的 面积、分布、湿地区域的植被覆盖情况等。采用”3 s ”技术，选取近儿年的卫星遥感资料， 在室内分析和野外遥感判读相结合的基础上，采用全球定位系统( g p s ) 快速定位，制成 专题图，全面展示北京公园湿地的覆盖利用情况，并对各公园的景观格局和植被覆盖情况 进行分析对比。 ( 2 ) 重要公同湿地的动态监测与驱动冈子分析 根据北京公园湿地全面调杏的结果，选择典型的、有代表性的公园进行动态监测研究， 监测的内容主要包括植被覆盖度情况、景观格局变化情况、水环境变化情况等，并分析各 种冈子变化的原因及与周围环境的关系，根据这些变化也可以推测验证北京公同湿地资源 总的变化情况。本论文在评价各个因子时选取一个重点公园研究区，对一个公园的景观格 局、水质变化等进行趋势与原因的分析，进而用同样方法评价其他公园，最后构建通用的 监测与评价体系，建立评价模型，对公冈环境进行评价对比。 ( 3 ) 北京公园湿地生态环境总体评价 北京公园湿地是一个复杂的生态系统，评价工作和评价要素涉及多学科、多领域，研 究工作必须尊重系统科学、景观生态学、可持续发展等相关原理。在3 s 支持下，对影响 北京地区湿地区域环境的各个因子进行调查分析评价。针对不同的公园湿地类型，分别采 用层次分析法、景观生态学评价方法、综合指数法、灰色关联方法等进行单项指标评价和 综合评价。继而针对监测和分析的结果，简单分析公冈湿地变化的驱动冈子，为管理部门 提供决策支持。 1 4 2 研究方法 ( 1 ) 景观生态学方法 景观生态学是- - i - j 研究景观探讨景观优化利用的原理和途径的交义学科【2 5 】，它非常重 视空间结构与生态过程的相互作用，强调空间异质性，景观格局研究是其基础核心研究领 域之一【2 6 】。景观由相互作用和相互影响的生态系统组成，这些相互作用和影响是通过组成 景观的生态系统或称景观要素之间的物质、能量和信息流动实现的，进而形成整体的结构、 功能、过程以及相互的动态变化规律【2 7 1 。湿地景观格局取决于湿地资源地理分布和组分， 与湿地生态系统抗干扰能力、恢复能力、稳定性、生物多样性有着密切的关系1 2 8 1 ，是各种 生态在不同尺度上综合作用的结果【2 9 】。同时，湿地景观格局又是在不断发展变化着，因此， r 首都师范大学硕士学位论文 基于3 s 技术的北京公园泓地动态变化j 环境评价研究 分析湿地景观格局随着时间的动态过程可以揭示湿地景观变化的规律和机制，为最终实现 湿地资源的可持续利用提供理论依据2 7 1 。 1 ) 斑块面积和斑块周长 斑块面积和斑块周长是描述景观斑块形态特征的最基本要素，是景观空间格局分析的 基础，足各种景观指数计算和分析所需要的最基本数据。斑块的大小直接影响到单位面积 的生物量、生产力及物种组成和多样性等。 2 ) 景观破碎化指数 用来测度景观破碎度。在较大尺度研究中，景观的破碎化状况足其重要的属性特征。 景观的破碎化与人类活动紧密相关，与景观格局、功能和过程紧密联系。景观破碎化指数 反映出湿地的破碎程度，能为更好地保护自然生境，促进湿地生物的繁殖、扩散、迁移和 保护提供参考。破碎化指数( f n ) 的取值在o 1 之间，0 表示无破碎化存在，1 则代表已 完全破碎。破碎化指数为( 张金屯等，2 0 0 0 ) f = m p s ( n s 1 ) c ( 1 1 ) 式中，f n 表示某一景观类型斑块数破碎化指数；n c 表示研究区总面积与最小斑块面 积之比；m p s 表示景观中各类犁斑块的平均斑块面积除以最小的斑块面积： n f 表示景观 中某景观类型的总数。 3 ) 斑块分维数和稳定性指数 湿地是自然界中重要的景观类型，其形状不规则，具有自相似性，即有分形( 维) 的 性质。本文采用景观斑块的面积剧长分形( 维) 模型，来测定景观斑块剧边形状的复杂程 度。起表达式为 。= 苔萎c 等掣， 2 ， 豚2 i1 5 一d ( 1 3 ) 式中，d 表示斑块分维数；p k j 表示第k 种景观类型第j 个斑块的周长( m ) ；a k j 表示 该斑块的面积( m 2 ) 。s k 表示稳定性指数。d 的值在1 2 之间，d 愈靠近l ，斑块形状愈 简单；d 愈靠近2 ，斑块形状愈复杂。s k 为景观斑块稳定性指数，当s k 等于0 时，则代 表景观斑块处于布朗随机运动状态，越接近零值景观斑块稳定性越型3 0 1 。 4 ) 多样性指数 景观多样性指数h 是基于信息论基础之k ，用来度量系统结构组成复杂程度的指 首鄢师范大学硕士学位论文牡于3 s 技术的北京公园湿地动态变化与环境评价研究 数，是景观镶嵌体斑块丰富程度和均匀程度的综合反映，可以反映湿地景观要素的多少和 各类湿地景观所占比例的变化。当景观由单一要素构成时，景观是均质的，其多样性指数 为0 ；由两个以上的要素构成的景观，当各景观类型所占比例相等时，其景观的多样性为 最高；各景观类型所占比例差异增大，则景观的多样性下降。常用的包括以下两种： s h a n n o n w e a v e r 多样性指数( 有时亦称s h a n n o n w i e n e r 指数，或简称s h a n n o n 多样 性指数) ：h 表示为( 张会屯等，2 0 0 0 ) = 一( r i n r ) k = l ( 1 - 4 ) 式巾，p k 为景观类型k 所占景观总面积的比例；m 为景观类型的数目。 s i m p s o n 多样性指数 日一1 一覃 c = l ( 1 - 5 ) 式中，p k 为景观类型k 所占景观总面积的比例；m 为景观类型的数日。多样性指数 的大小取决于两个方面的信息：一是斑块类型的多少( 即十富度) ；- _ l 是个斑块类型在面 积上分和的均匀程度。对于给定的m ，当各斑块的面积比例相同时( 即p k = l m ) 时，h 达 到最大值 s h a n n o n - w e a v e r 多样性指数：h m a n = l n ( m ) ；s i m p s o n 多样性指数：h m a n = l - ( 1 m ) 。 通常，随着h 的增加，景观结构组成的复杂性也趋向丁增加。 本文主要采用s h a n n o n w e a v e r 多样性指数来计算湿地景观镶嵌体的多样性指数。 5 ) 优势度指数 景观优势度指数是测试景观多样性对最大多样性的偏离程度，或描述一种或几种景观 镶块体支配