丹江口水庫消落區土地覆被空間格局分析

李偉萍，曾 源，張 磊，尹 鍇，袁 超，吳炳方

丹江口水庫消落區土地覆被空間格局分析

李偉萍1，2，曾 源1，張 磊1，尹 鍇1，袁 超1，吳炳方1

(1.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101;2.中國地圖出版集團，北京 100055)

基于10 m分辨率的DEM數據，對丹江口水庫150 m、160 m、170 m和172 m水位淹沒范圍進行了提取;基于2009—2010年獲取的RapidEye和Landsat－5 TM遙感數據，采用面向對象分類法，對丹江口水庫172 m水位線以下的區域進行了土地覆被遙感監測。據此探討了丹江口水庫消落區土地覆被的空間特征，分析了引起土地覆被空間格局差異的影響因素。監測結果表明，丹江口水庫150～160 m、160～170 m和170～172 m水位消落區的面積分別為232.0 km2、242.6 km2和43.1 km2;在各水位消落區內，土地覆被類型均以耕地為主，其面積均占各區間面積的50%左右;在低水位處裸地面積較大，高水位處森林面積較大。大壩水位調度和庫岸坡度是丹江口水庫消落區土地覆被空間格局差異的影響因子，高程低的區域受大壩水位調度和庫岸坡度的雙重影響，高程較高的區域則主要受庫岸坡度的影響。

丹江口水庫;消落區;土地覆被;遙感;RapidEye

0 引言

水庫消落區是指水庫季節性水位漲落使庫區被淹沒土地周期性出露于水面的區域［1－2］，是水生生態系統和陸生生態系統交替的過渡地帶，是一類特殊的濕地生態系統［3］，起著水陸連接的重要作用，是水庫水質安全的最后一道屏障［4］。消落區所引發的土壤侵蝕、水土流失、植物多樣性喪失、地質災害、水環境污染及流行性疾病等一系列生態環境問題，已經嚴重危及我國水環境的生態安全，其生態問題已成為社會各界關注的熱點［5］。

丹江口水庫是我國南水北調中線工程的水源地，其消落區的生態狀況關系重大，其生態環境問題受到了社會各界的廣泛關注［6］。不同的土地覆被類型對水質的影響程度不同，如農業用地可造成水體富營養化和水污染等水質問題［8－9］，丹江口庫岸的土地覆被狀況是水庫水質安全的重要影響因素［9］。加強對丹江口水庫消落區土地利用狀況的監測和科學、信息化管理，具有十分重大的現實與長遠意義。監測已形成消落區的土地覆被現狀，分析消落區土地利用中存在的問題，可為大壩加高至170 m蓄水位后消落區的生態建設提供借鑒;監測丹江口170 m高程以下未來消落區的土地覆被現狀，則能為下階段170 m蓄水位消落區的生態環境研究工作提供重要的本底數據。

本文利用數字高程模型(DEM)數據提取了不同水位線的消落區范圍，利用多源遙感數據對172 m水位線以下的區域進行土地覆被監測，據此探討了土地覆被的空間特征，分析了引起土地覆被空間格局差異的影響因素。

1 研究區及數據源

1.1 研究區概況

丹江口庫區位于湖北省西北部、陜西省東南部和河南省西南部的結合處，包括河南省淅川縣及湖北省丹江口市、鄖縣、十堰市、鄖西縣5個縣市，地理范圍為 E109°25'50″～111°43'00″，N32°14'10″～33°22'30″，總面積達 1.4 ×104km2(圖1)。

圖1 丹江口庫區范圍Fig.1 Location of Danjiangkou reservoir

丹江口庫區地處漢江流域秦巴山地，高程在100～1 500 m之間，庫區地貌形態多樣，水庫周邊區域的高程較低、坡度較緩，離水庫較遠的區域坡度陡、切割深、高差大，以中、低山和丘陵為主。丹江口庫區坡度在0～15°的區域面積約為0.58×104km2，坡度在15～25°的區域面積約為0.42×104km2，坡度大于25°的區域面積約為0.40×104km2。

丹江口水利樞紐建設工程分為兩期，初期工程已于1973年建成，淹沒范圍涉及淅川縣、丹江口市及鄖縣3個縣市。枯水期以發電為主，庫區水位升至157 m;汛期以防洪為主，夏汛水位降至149 m，秋汛水位152.5 m，水庫死水位為139 m。2009年及2010年丹江口大壩水位調度情況如圖2所示。

圖2 丹江口大壩水位調度動態變化圖［10］Fig.2 Dynamic scheduling of water level in Danjiangkou

后期續建加高工程計劃于2013年建成，2014年投入運行，正常蓄水位為170 m，最低退水位為160 m，水庫水面面積將達1 050 km2。屆時，淹沒范圍涉及河南省淅川縣和湖北省丹江口市、鄖縣、十堰市、鄖西縣5個縣市。160 m水位線以下將形成永久性水面;160～170 m水位線區間將由原來的陸地生態系統轉變為季節性濕地生態系統，隨大壩水位調度而周期性出露于水面;170～172 m水位線區間是否被淹沒，將受上游來水量的影響，成為潛在的消落區。

1.2 遙感數據準備

所用的數據包括RapidEye多光譜數據(獲取日期為2009年11月和2010年9月)、Landsat－5 TM多光譜數據(獲取日期為2009年10月)和10 m分辨率的DEM數據。

對遙感圖像進行的預處理包括輻射校正和幾何糾正。采用ERDAS ATCOR2模型，對各圖像由于水汽和氣溶膠導致的能見度下降進行了校正;以丹江口庫區1∶10萬比例尺的地形圖為參考，采用二項式模型法對RapidEye及Landsat－5 TM數據進行了幾何糾正。

1.3 野外數據采集

為檢驗土地覆被分類結果的準確性，本研究于2010年7月上旬和9月中下旬，對172 m水位線以下區域進行了詳細的地面調查，途經河南省淅川縣及湖北省丹江口市、鄖縣等3個縣市。在野外調查工作中，利用車載GPS導航系統，結合本文所采用的遙感圖像，選擇具有典型代表性的區域布設采樣點。每個采樣點的觀測要素包括經度、緯度、坡度及土地覆被類型等，共采集土地覆被樣點153個。野外調查結果表明，丹江口大壩172 m水位線以下區域目前種植著大量的農作物(如玉米、棉花、水稻等)，部分區域種植著較多的果樹(主要為柑橘)，也有灌木林、喬木林、針葉林、草地及建設用地等土地覆被類型分布?？傮w看來，將被淹沒區域目前的土地覆被類型多樣，植被覆蓋度較高，植被長勢較好。

2 研究方法

2.1 不同水位淹沒范圍提取

運用ArcMap空間分析模塊，以175 m高程為回水末端，利用10 m分辨率的DEM數據，對壩前150 m、160 m、170 m和172 m水位時丹江口水庫的淹沒范圍進行了提取。然后參照遙感圖像進行目視人工修正，對所提取水位線的錯誤目標(如不連續的零星斑塊等)進行刪除，填補缺失的斑塊，完善不精確的邊界，得到不同水位的水面淹沒范圍。不同水位線之間的區域即為消落區。本研究選定的消落區高程分別為150～160 m、160～170 m和170～172 m范圍。

2.2 土地覆被遙感監測

以反映丹江口水庫消落區的生態環境特征為設計原則，在世界糧農組織(FAO)的土地覆被分類系統基礎上，建立土地覆被分類系統，整體劃分為二級，其中二級類型共10類(表1)。

表1 土地覆被分類系統Tab.1 Land －cover classification system

采用面向對象分類法對丹江口水庫消落區土地覆被進行遙感監測。面向對象分類法是相對基于像元的分類方法所提出的，其分類不僅依靠地物的光譜特征，而且還根據目標地物的形狀、顏色、紋理、結構等幾何特征和結構信息，把具有相同特征的像元組成一個對象，然后根據每一個對象的特征進行分類［11］，在一定程度上避免了“異物同譜”和“同物異譜”現象對分類結果的影響［12］。該方法包括兩個過程:影像分割和信息提取。影像分割遵循異質性最小的原則，把空間特征、光譜特征和形狀特征等相似的鄰近像元合并為一個同質的影像對象，分割后屬于同一對象的所有像元都賦予同一含義［13］(圖3)。分割尺度的大小決定了某種土地覆被類型是否存在，并對分類結果的精度有很大影響，尺度太小容易出現“椒鹽”現象，分割尺度太大則不能體現地塊的完整性。影像信息提取是基于模糊邏輯的分類系統，并不簡單地將每個對象分到某一類，而是給出每個對象隸屬于某一類的概率，根據地物特征及空間相關信息建立模糊邏輯的知識庫進行信息提?。?4］。

圖3 RapidEye影像分割Fig.3 Segmentation of RapidEye image

以Definiens公司eCognition 8.0圖像處理軟件為平臺，采用多尺度分割方法，對不同遙感圖像和不同地物分別采用不同的分割尺度，利用隸屬度函數和最鄰近法相結合的分類方法，對水庫消落區進行土地覆被分類。經過多次不同尺度的分割試驗后得出，在RapidEye圖像中，區分植被和非植被兩大類的最優分割尺度為100，詳細分類的最優分割尺度為60;在Landsat－5 TM圖像中，最優分割尺度為6，總體分類精度達到82%。

3 研究結果

3.1 消落區范圍

根據DEM數據提取的150 m、160 m、170 m和172 m水位淹沒范圍(圖4)，得到150～160 m、160～170 m、170～172 m水位消落區的面積分別為232.0 km2、242.6 km2、43.1 km2。

圖4 丹江口水庫172 m水位淹沒范圍Fig.4 Submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

3.2 土地覆被監測結果

丹江口水庫172 m水位淹沒區土地覆被現狀遙感監測結果如圖5所示。

圖5 丹江口水庫172 m水位淹沒區土地覆被現狀Fig.5 Land －cover status in submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

對172 m水位淹沒區的土地覆被類型進行了統計分析。結果表明，淹沒區水面面積最大，占淹沒總面積的59.0%;其次為耕地，占淹沒總面積的21.7%;其他土地覆被類型的面積較小，占淹沒總面積的比例詳見表2。

3.3 土地覆被精度驗證

利用兩次野外觀測的153個采樣點和Google Earth獲取的36個樣點，對上述土地覆被遙感監測結果進行精度驗證，10類土地覆被類型的分類精度評價統計結果如表3所示。每種類型的用戶分類精度均在70%以上，總體分類精度為82%。

表2 丹江口水庫172 m水位淹沒區土地覆被類型面積統計Tab.2 Acreage and percentage of land － cover types in submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

表3 丹江口水庫172 m水位淹沒區土地覆被遙感監測結果精度評價統計Tab.3 Kappa matrix for validation of image interpreting precision at 172 m level in Danjiangkou

4 分析與討論

4.1 消落區土地覆被的空間格局

本文對172 m水位淹沒區按150～160 m、160～170 m和170～172 m共3個梯級水位消落區進行了土地覆被類型的統計分析，統計結果如表4所示。由于所采用的兩景RapidEye圖像中，有一景為153 m水位時拍攝的，水位高于150 m，所以在150～160 m水位消落區的土地覆被分類結果中包含了一部分水庫水面，這會在一定程度上影響該區間土地覆被空間格局的分析，因此本文在計算各土地覆被類型所占比重時，剔除了水面面積。

表4 不同水位消落區土地覆被面積Tab.4 Acreage of land －cover types in different drawdown areas (km2)

由表4可看出，在150～160 m水位消落區，耕地面積最大，占區間總面積的49.7%;其次為裸地、森林和草地;在160～170 m水位消落區，耕地面積最大，占區間總面積的53.5%;其次為森林、裸地、草地、建設用地和果園;在170～172 m水位消落區，耕地面積亦是最大，占區間總面積的49.0%;其次為森林。以上分析表明，耕地是各水位消落區的主要土地覆被類型;在高程較低處裸地面積比重較大，在高程較高處森林面積比重較大。

4.2 消落區土地覆被空間分布差異的影響因子

4.2.1 坡度

定義一級坡級為0～15°坡度的區域，二級坡級為15～25°坡度的區域，三級坡級為大于25°坡度的區域。在150～172 m水位消落區，一級坡度、二級坡度和三級坡度區域面積分別為 464.8 km2、42.3 km2和9.6 km2。剔除水庫面積后，各土地覆被類型在不同坡度等級所占的面積比重如表5所示。其中，在一級坡度區域內，耕地所占的面積遠大于其他土地覆被類型，其次是森林;在二級坡度區域內，耕地和森林的面積基本相當;在三級坡度區域內，森林的面積最大，其次為耕地和草地。

表5 各土地覆被類型在不同坡度級別中的面積比重Tab.5 Acreage proportion of land －cover types in different slope levels (%)

森林、灌木等林地的面積比重隨坡級的增大呈遞增的趨勢。在一級坡度區，面積比重較小;在二級坡度區，面積比重明顯高于一級坡度區內的面積比重;在三級坡度區，面積比重略有增大。究其原因，一級坡度區地勢平緩，適合農作物的耕種，農作物分布較多，林地面積相應較小;而三級坡度區，地勢較陡，不宜農耕，林地相對較多。

草地的面積比重隨坡級的增大呈上升的趨勢。究其原因，在坡度大的區域不利于農作物的耕種，故草地所占比重變大。

耕地的面積比重隨坡級的增大呈遞減的趨勢。這是由于坡度小的區域適合農作物的耕種，坡度較大的區域既不易于耕作也不利于農作物的成活。

果園的面積比重在二級坡度區達到最大。這是由于研究區屬于丘陵、山區，人地矛盾突出，以柑橘為主的果樹只種植在緩坡地區，因此二級坡度區果園面積比重最大，在地勢陡的區域，果樹很難存活，三級坡度區域果園種植面積明顯減少。

建設用地的面積比重隨坡級的增大呈遞減的趨勢。這是由于坡度越大的區域，建設施工越難、交通越不便。

裸地在一級坡度區和三級坡度區的面積比重較大，在一級坡度區域面積比重較大，可能是由于庫岸較平坦的區域水位動態漲落頻繁，植被很難生長所致;在三級坡度區域面積比重較大可能是由于地勢陡，部分區域的水土流失嚴重巖石裸露，植被不能生長所致。

4.2.2 大壩水位調度與大壩坡度

圖6為各水位區間不同坡度級別面積比重圖。

圖6 各水位區間不同坡級面積比重Fig.6 Acreage proportion of different slope levels in different water levers

圖6 可看出，在150～160 m、160～170 m和170～172 m這3個水位區間內，一級坡度區的面積均為最大，且面積比重均在80%以上;三級坡度區域面積最小，面積比重均不足3%。隨著高程的升高，一級坡度的面積比重呈下降趨勢;二級坡度的面積比重呈上升趨勢;三級坡度的面積比重稍有上升，但幅度較小。

圖7為150～160 m、160～170 m和170～172 m水位消落區不同土地覆被類型的面積比重變化圖。隨著高程的增加，森林、灌木、果園和建設用地的面積比重呈增大的趨勢;裸地的面積比重呈減少的趨勢;草地的面積比重呈先明顯下降后緩慢遞增的趨勢;耕地的面積比重呈先上升后下降的趨勢。

圖7 各水位消落區不同土地覆被類型的面積比重Fig.7 Acreage proportion of land －cover types in different drawdown area

森林、灌木、果園等類型的面積比重隨高程的增加均呈上升的趨勢，在150～160 m水位消落區，森林、灌木、果園等類型面積比重較低。這是由于該區間受大壩調度水位動態淹沒的影響，使森林、灌木和果樹難以生長。此外，這3類土地覆被類型的空間分布規律與各水位消落區內二級坡度面積比重的變化趨勢是一致的，說明這3種土地覆被類型的空間分布受大壩水位調度和庫岸坡度的共同影響。

建設用地的面積比重隨高程的增加呈增大的趨勢。研究結果表明，在丹江口庫區沿江兩岸消落區范圍內，離水庫較遠的區域建筑物、工礦用地以及道路等建設用地的面積比重較大。

裸地的面積比重隨高程的增加呈先明顯下降、后緩慢下降的趨勢，在150～160 m水位消落區最大。究其原因，在150～160 m水位消落區內低水位區域受大壩水位調度的影響而出露于水面;尤其是150 m水位線附近的區域動態漲落很頻繁，植被難以生長，因此裸地的面積較大?；谶@樣的原因，150～160 m水位消落區的裸地面積比重明顯高于目前未受大壩水位調度影響的160～170 m和170～172 m水位消落區的面積比重。

草地的面積比重隨高程的增加呈現先明顯下降后緩慢上升的趨勢，在150～160 m水位消落區達到最大。究其原因，在150～160 m水位消落區的低水位區域，由于受大壩水位調度的影響而出露于水面，有一部分消落區由于退水較晚、離居民區較遠或坡度較陡等原因而不能被人們利用，在這部分區域中，草地的面積比重很大。150～160 m水位消落區的草地面積比重遠高于目前未受大壩水位調度影響的160～170 m和170～172 m水位消落區的面積比重。

耕地的面積比重在150～160 m水位消落區較小，在160～170 m水位消落區達到最大，之后隨高程的升高呈現下降趨勢。究其原因，在150～160 m水位消落區受水位動態漲落的影響，部分區域不具備農作物種植和生長的條件，因此農作物種植面積比重相對較低;而在170～172 m水位消落區，高程較高、地勢較陡區域所占的面積比重較大，適合耕種的區域較少，因此耕地的面積比重減小。

以上分析表明，丹江口水庫150～160 m水位消落區土地覆被的空間分布受大壩水位調度和大壩坡度的雙重影響，而160～172 m水位消落區土地覆被的空間分布主要受坡度的影響。

5 結論

(1)丹江口水庫150～160 m水位消落區面積為232.0 km2，160～170 m水位消落區面積為242.6 km2，170 ～ 172 m 水 位 消 落 區 面 積 為43.1 km2。

(2)在丹江口水庫172 m水位淹沒區中，水面面積最大，其他土地覆被類型所占面積由大到小依次為耕地、森林、裸地、草地、建設用地和灌木。

(3)在150～160 m水位消落區中，耕地面積最大，其次為裸地、森林和草地，其他土地覆被類型的面積較小;在160～170 m水位消落區中，也是耕地面積最大，其次為森林、裸地、草地、建設用地和果園，其他土地覆被類型的面積較小;在170～172 m水位消落區中，還是耕地面積最大，其次為森林，其他土地覆被類型的面積較小。

(4)丹江口水庫150～160 m水位消落區的土地覆被空間分布受大壩水位調度和庫岸坡度的雙重影響，160～172 m水位消落區的土地覆被空間分布受坡度的影響。

(5)丹江口水庫消落區的土地覆被以農業用地為主，高強度的土地利用會導致水土流失、土壤退化、面源污染等生態環境問題，可能直接影響丹江口水庫的水質安全，對其河岸帶的天然植被恢復問題需引起重視。為確保丹江口庫區水質安全和生態安全，在今后的研究中，應繼續加強對丹江口消落區生態環境的監測。

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The Spatial Pattern of Landcover in the Drawdown Area of Danjiangkou Reservoir

LI Wei－ ping1，2，ZENG Yuan1，ZHANG Lei1，YIN Kai1，YUAN Chao1，WU Bing － fang1
(1.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.China Map Publishing Group，Beijing 100055，China)

In this paper，the location of the submerging area at different water levels(150 m，160 m，170 m and 172 m)in Danjiangkou reservoir basin was detected based on the DEM data，and the landcover below 172 m level was obtained by using object－oriented classification approach based on RapidEye and Landsat－5 TM data.The authors analyzed not only the spatial patterns of the landcover in the drawdown areas but also the impact factors.The results show that the acreage of the drawdown area at 150－160 m，160－170 m and 170－172 m level is 232.0 km2，242.6 km2and 43.1 km2respectively.The acreage of the cultivated land is the largest，accounting for about 50%in every drawdown area.In addition，the acreage of the bare land is larger at the low water level，while that of the forest is larger at the high water level.Dynamic scheduling and slope constitute the impact factors on the spatial pattern of landcover.Both have a significant impact on the distribution of landcover in the low elevation region，while the slope has a significant impact on the distribution of landcover in the high elevation region.

Danjiangkou reservoir;Drawdown area;Landcover;Remote sensing;RapidEye

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0108－07

2011－02－28;

2011－03－16

中國科學院戰略性先導科技專項(編號:XDA05050108)和國務院南水北調項目“利用遙感技術對南水北調中線水源區生態環境變化的監測研究”共同資助。

李偉萍(1985－)，女，碩士研究生，主要從事生態遙感研究。

曾 源(1979－)，女，博士，副研究員，主要從事植被定量遙感研究。E－mail:yuanz@irsa.ac.cn。

(責任編輯:李 瑜)