基于RS的湖岸帶物理結構完整性評價方法
——以查干湖為例

付波霖，李 穎，朱紅雷，幸澤峰

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102 2 中國科學院大學，北京 100049

基于RS的湖岸帶物理結構完整性評價方法
——以查干湖為例

付波霖1,2，李 穎1,*，朱紅雷1,2，幸澤峰1,2

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102 2 中國科學院大學，北京 100049

以查干湖流域為研究區，利用RS和GIS技術，基于水利部《河流(湖)健康評估指標、標準與方法V1.0》并加以改進，以500m×1000m為評價基本單元，整個研究區共有315個物理結構基本評價單元，建立基于RS的湖岸帶物理結構完整性評價體系，該評價體系由目標層、準則層和指標層構成，其中準則層由湖岸帶狀況、湖岸線發育率和湖泊萎縮率3項組成，指標層由地形坡度、植被覆蓋率等8項指標構成。研究結果表明：38個監測點中，查干湖23個，新廟泡15個，基于RS物理結構評價結果分別為0.67—0.76和0.35—0.45，地面實測評價結果分別是0.64—0.77和0.35—0.55。兩種評價方法結果一致，并表明查干湖的湖岸帶物理結構健康狀態屬于健康，新廟泡則屬于亞健康。

湖岸帶；物理結構完整性；指標體系；RS和GIS；基本評價單元

湖岸帶是水陸生態系統間進行物質、能量和信息交換的生態過渡地帶，對維持湖泊健康生命，保障社會和經濟的健康發展具有十分重要的意義[1]。隨著全球氣候變化和人類活動加劇，湖泊面積急劇減少、污染加劇、生態環境惡化等問題日益凸顯，湖岸帶已經成為區域自然環境變化和人與自然相互作用最為敏感、影響最為深刻的地理單元[2]。湖岸帶的保護和修復也正面臨著嚴峻的挑戰，湖岸帶健康問題已成為湖泊研究的熱點[3]。湖岸帶物理結構完整性是湖泊健康的重要組成部分，其與湖泊健康密切相關，是評價湖泊生態系統是否健康的基礎，對湖泊保護、管理以及湖泊社會服務功能的發揮具有重要意義[4]。

目前，國內外對湖泊的研究主要集中在三個方面：湖泊生態系統健康、湖泊形態結構健康和湖泊健康[5-8]。湖泊健康的內涵尚未明確，對湖岸帶完整性評價研究較少，也未形成完整、公認的綜合的指標評價體系。現行的湖岸帶物理結構完整性評價方法主要是基于水利部《河流(湖)健康評估指標、標準與方法V1.0》(簡稱V1.0)。該評價方法是基于專家經驗在湖岸帶選取監測點位，布設10m×50m的樣方，采用人工統計方法求得評價結果[9]。受自然條件限制和人為主觀因素雙重影響，基于監測樣方的地面監測無法兼顧代表性、便利性和安全性，也很難全面準確的反映湖岸帶結構穩定性狀況。同時，湖岸帶物理結構綜合評價涉及內容廣泛，所需數據繁多，目前較多采用的還是人工統計方法，在人力、效率和準確性等方面很難滿足要求。

RS和GIS技術具有實時獲取地表信息的能力和強大的空間分析能力，在研究湖岸線形態、水域面積動態變化、水質和土地利用之間關系以及湖泊形態結構健康評價等方面已得到了大量應用[10-12]，但基于RS和GIS的物理結構完整性評價方面研究甚少。鑒于此，本文擬結合水利部V1.0和湖泊形態結構健康評價的相關理論和方法，形成基于RS的物理結構完整性評價方法，并以查干湖作為研究區，通過遙感監測評價結果與野外實測評價結果對比分析，對遙感監測評價方法的科學性和合理性進行論證，以期豐富和建立適合我國的基于RS的湖泊健康評價方法。

圖1 研究區位置Fig.1 location of Study area

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

查干湖地處松嫩平原腹地，霍林河末端與嫩江的交匯處。其東臨嫩江及第二松花江，南為前郭灌區(第二松花江河谷沖積平原)及第二松花江與霍林河的低平原分水嶺，西為霍林河河谷平原，北為大安臺地及嫩江古河道(圖1)。地勢低平、起伏和緩，東南高，西南略高，中央及東北低[13]。地貌類型為沖積湖積平原與河谷沖積平原，其中沖積湖積平原分布于查干湖湖區低洼處，河谷沖積平原分布于霍林河河谷及嫩江古河道[14]。目前霍林河已斷流，查干湖周邊地區的人類活動(過度放牧、圍墾濕地、油田和旅游開發等)改變了湖泊岸線、水面等的自然形態，破壞了湖岸帶結構穩定性，極大影響了查干湖生態系統和湖泊健康，故對其進行湖岸帶物理結構完整性評價已是勢在必行的。

1.2 數據源

1.2.1 遙感數據

綜合考慮遙感影像的可影像本身的質量和野外實地監測的時間，選取研究區2009年7月空間分辨率為30m的Landsat 5 TM遙感影像，軌道號是：119/29，其他數據包括，中國科學院地理科學與資源研究所基于TM和CBERS遙感影像解譯的2005年的1∶100000的土地利用數據，中國科學院地理所(周成虎)編制的1∶500000的地貌數據，1950s 1∶100000地形圖。

圖2 野外調查路線Fig.2 Field survey route

參考2005年土地利用數據，采用人機交互的方式解譯2009年的遙感影像，最終生成2010年土地利用數據并進行重分類，將水田、旱地、城鎮用地、農村居民用地、工礦用地等重分類為人工干擾活動。

1.2.2 地面實測數據

考慮監測湖泊周邊的地貌特征、景觀格局、交通可達性等方面，在研究區湖岸帶共布設38個監測點(圖2)，每個監測點劃設10m×50m的調查評價樣方區。用Leica DISTO D5激光測距儀直接測量斜坡傾角和斜坡長度，進而反求斜坡高度，現場觀察并記錄湖岸帶基質；采用多人目視估計取平均值的方法調查樣方內植被覆蓋率；在調查評價樣方區內再選擇多個1m×1m的樣方，利用尼康D90相機從上往下垂直照相，最后利用圖像處理軟件，采用二值分割法，計算各小樣方草本植物覆蓋度，繼而推算調查樣區草本覆蓋度，采用多人目視估計求平均值的方法估算喬木和灌木覆蓋度；利用尼康D90相機拍攝照片記錄湖岸帶人類干擾活動類型。

圖3 研究區地貌類型Fig.3 study area landforms

2 研究方法

2.1 評價范圍界定

基于水利部V1.0的物理結構完整性實地監測對象主要有：湖岸帶和陸域(湖岸帶臨近陸域50m以內)，調查基本單元是10m×50m的調查樣方。而研究區位于松嫩平原腹地，湖岸帶發育在沖積湖積平原與河谷沖積平原上，用Leica DISTO D5激光測距儀直接測量其寬度500—1000m之間，調查樣方布設很難完全覆蓋監測對象，所得評價結果顯然不能全面、準確的反映湖岸帶的結構穩定性。同時del Tánago M G和de Jalón D G等人研究評價河岸帶狀況的各種指標屬性，指出在平原性較大的河流，合理的河岸帶評價對象范圍200—1000m[15]。

另外，大量研究結果表明湖岸帶的結構穩定性和功能完整性取決于其植被類型及其覆蓋度和連續性，還受制于一定距離和寬度的土地利用方式等人類活動的強度[16-17]。同時，湖區周圍一定范圍內土地利用狀況與湖泊水質存在相關關系[18]。胡建等人將太湖流域分為13個水文生態單元，在景觀尺度上研究土地利用格局與水質之間的相關關系，結果表明水質與林地面積占比呈正相關，與農田和居民用地的面積占比呈負相關[19]。張殷俊等以江蘇吳江為例，采用緩沖區方法研究區平原河網水質與土地利用的格局關系，結果表明耕地在200緩沖區內比重的增加有利于改善水質，而耕地和居民用地在1000m緩沖區內比重增加易造成面源污染[20]。楊莎莎等人以蘇子河流域內54個水質采樣點為基點，研究結果表明，當緩沖區距離為300m時，耕地和居民地為主要的景觀類型，其斑塊密度等指數均較高，耕地的連通性較高，對水質的影響較大。緩沖區距離大于300m，林地面積比例較高，林地聚集連通程度較好，對水質改善具有一定作用[21]。

綜合以上3個方面再結合研究區的地貌類型(圖 3)，將查干湖水邊線向陸域1km范圍作為評價對象，并以500m為步長等分評價對象，形成315個基本評價單元(監測對象)(圖9)。

2.2 評價指標體系構建及指標的獲取

2.2.1 評價指標體系的構建

借鑒目前國內外已踐行的河流(湖)健康評價方法中的物理結構完整性評價指標體系，再結合湖泊形態健康和V1.0的指標體系，選取RS技術易獲取和具有湖岸帶結構穩定性指示意義指標，建立基于RS的物理結構完整性評價體系(表1)。

表1 物理結構評價指標結構體系Table 1 The physical structure of evaluation system

BKS:Bank slope stability; BVC:Bank vegetation coverage; SHD:Shore human disturbance; SA:Slope angle; SH:Slope height; VCR:Vegetation cover rate; SM:Shore matrix; ST:Scour intensity; WD:Water difference

2.2.2 部分指標體系的生態學意義

文中指標體系中部分指標(如：自然植被覆蓋率、植被覆蓋度等)和水利部V1.0一致，其含義和生態意義在其標準與方法中已得到詳細解釋，在此不再贅述。重點解釋以下兩個指標：

水面變化區域差異。即以500m為步長等分湖岸線，由湖岸線向水域生成與監測對象相對應的500m×1000m的格網中歷史年和評價年湖泊水面面積變化差異，其計算公式為:

(1)

式中,Ua、Ub分別是歷史年和評價年湖泊面積，該指標直接反映了湖泊水面的漲落情況，水面的漲落進一步可以反映湖岸帶岸坡的坡度陡緩程度，格網單元內，水面漲落變化越大，則岸坡坡度越小，反之坡度越大。

湖岸線發育率。其計算公式如下：

(2)

式中,SDI為岸線發育系數，S為湖泊周長，A為湖泊面積。該指標主要是反映湖岸帶的不規則程度，SDI值越大，湖岸線越不規則，相對能夠提供的沿岸帶生境多樣性越高，同時相應的沿岸帶面積也較高，這就有可能支持更高的湖泊初級生產力[22]。

2.2.3 指標的獲取

在評價對象范圍內，利用1∶100000地形圖數據計算研究區坡度，重分類之后的2010年LUCC數據，提取自然植被覆蓋率和人工干擾，1∶500000地貌數據再結合地貌分區表(表2)獲取地表巖性及提取1950s湖岸線。為保證湖岸線的精確性，Landsat TM 影像先計算NDVI再提取湖岸線和反演植被覆蓋度。500m為步長等分湖岸線，由湖岸線向陸域生成覆蓋整個研究區的315個矩形緩沖區，格網化研究區建立基本評價單元，詳細過程見(圖4)。

圖4 提取指標技術流程Fig.4 Technical process of extracting indicators

表2 研究區地貌分區表Table 2 Study area landforms distribution

2.3 評價方法及賦分準則

構建定量或者定性指標體系是物理結構完整性評價的基礎，其具體量化賦分標準是：植被覆蓋度和湖泊萎縮率參照水利部V1.0的賦分標準，湖岸線發育率賦分標準參照湖泊萎縮率；其余指標賦分標準見表5，其計算方法(表3)。

物理結構層包括3個指標，其賦分PFr通過下式(3)計算，

PFr=LCr×LCw+SDRr×SDRw+LARr×LARw

(3)

式中變量和權重(表4)。

3 結果分析與討論

根據岸線發育率的計算方法，查干湖和新廟泡的岸線發育率分別是10%、16%，湖泊萎縮率分別是-27%、26%，基于水利部V1.0和RS的物理結構評價指標賦分準則，岸線發育率賦分是60和40，湖泊萎縮率賦分分別是100、20；物理結構評價結果見圖5，湖岸帶狀況見圖6，圖中的數值都是物理結構評價和河岸帶狀況結果除以100后得到的。

表3 基于RS的物理結構指標計算方法Table 3 The calculation method of index based on RS

表4 物理結構評價指標的權重賦值Table 4 The weight of physical structure evaluation

表5 基于RS的湖岸穩定性評估指標賦分標準Table 5 The score criteria of lakeshore stability evaluation

為便于對比地面實測方法的評價結果，基于RS的評價結果也分為兩個尺度：監測點尺度和整體評價尺度，通過對兩種方法的評價結果的對比分析，再結合河(湖)健康評估分級表(表6)，可以得到如下結論：

(1)在監測點尺度上，38個監測點(查干湖23個，新廟泡15個)中，干基于RS和地面實測物理結構評價結果分別是0.67—0.76和0.64—0.77，新苗泡的評價結果分別是0.35—0.45和0.35—0.55，對應監測點位中，評價數值存在差異，但絕大部分差異均在0.2之內，沒有超越判定健康類型等級的閾值，不影響最終評價結果(圖5)。這種差異主要原因是：監測結果中，部分點位的實測值高于RS計算的值，這個主要是由于遙感影像的時相性和空間分辨率的影響，反演植被覆蓋度略低于實測值；部分點位實測值低于RS計算的值，則是由于地面實測結果都是基于湖岸帶10m×50m樣方區，考慮樣方區的可達性，選取的樣方區往往是人為干擾強度大的區域，同時目視判別樣方區植被覆蓋率，主觀性較大，導致地面實測結果數值較低；另外，雖然水域面積區域變化和湖岸線發育率在指標體系中所占的權重值較少，但也會帶來些許誤差，特別是研究區為淺水湖，豐、枯水期水域面積的變化為26.5%，受限于遙感影像分辨率，提取水域面積會存在0.1個像元左右的誤差，也會給最終的評價結果帶來些許誤差。

圖5 物理結構評價結果Fig.5 physical structure evaluation results

圖6 查干湖湖岸帶狀況評價結果Fig.6 Lakeshore's status evaluation results

表6 河(湖)健康評估分級表Table 6 River (lake) Health Assessment classification

(2)在整體評價尺度上，其物理結構評價結果分別是0.7和0.4，兩種方法的物理結構評價結果在判斷研究區的物理結構完整性狀況上是吻合的(圖5)，根據表6判定，查干湖物理結構均處于健康狀態，新廟泡處于亞健康狀態(表7)。

(3)兩種尺度上，基于RS的物理結構評價結果和地面實測基于V1.0的實測評價結果的一致性進一步論證了1km評價對象的可靠性和將岸線發育系數作為評價指標引入物理結構評價指標體系的合理性。另外，基于RS的物理結構評價方法可以連續地獲取整個湖岸帶物理結構的健康狀態(圖7)，優于地面實測方法，同時從圖7中，可以看到有一部分湖岸帶的物理結構因受人為干擾較強而處于不健康狀態的，但是地面實測的整體評價方法沒有反映出來。

表7 湖岸帶尺度物理結構數值Table 7 physical structure value of Lakeshore's scale

圖7 湖岸帶物理結構315個基本評價單元評價結果 Fig.7 Lakeshore′s physical structure evaluation results in 315 basic units

4 結語

(1)本文提出了基于RS的湖岸帶物理結構完整性評價方法，并與傳統的地面實測方法進行了對比，評價結果在監測點尺度和河岸帶尺度兩個尺度上與地面實測的評價結果一致，充分論證了該方法的可行性和評價指標體系合理性。

(2)河流(湖)健康評價目前還處于探索階段，其指標體系、評價標準和評價方法都有待于進一步研究和完善。本文提出的基于RS的物理結構評價方法是以平原性湖泊(查干湖)為研究區的，該方法在平原性湖泊得到了論證，適用性較好，其他類型湖泊的適用性還需今后進一步論證。

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Assessment of the integrity of the physical structure in the lakeshore zone of Chagan Lake, China, Based on Remote Sensing

FU Bolin1,2, LI Ying1,*, ZHU Honglei1,2, XIN Zefeng1,2

In this study, we propose a new physical structure integrity assessment method, using Chagan Lake, China, as the study area. The method is based on the improved “river (lake) health assessment index, standard and method of V1.0” of the Ministry of Water Resources. A 500m×1000m grid was selected on the lakeshore zone as the basic evaluation unit. An evaluation system of lakeshore physical structural integrity was established with 315 evaluation units by romte sensing and geogragy information system technology. The system was composed of target layer, a criterion layer, and an indicator layer. The criterion layer was composed of lakeshore condition, shoreline development rate, and lake atrophy rate. The index layer was composed of slope, vegetation coverage rate, and water level change rate, in addition to 8 other indicators. For 23 sampling points in Chagan Lake and 13 monitoring points in Xinmiao Lake, the RS evaluation were 0.60—0.74 and 0.35—0.52, respectively, while the field evaluation results were 0.64—0.77 and 0.35—0.55, respectively. The evaluation results were in good agreement with the two evaluation methods, and consistently indicated that the physical structural integrity of the lakeshore area of Chagan Lake was in a healthy state, while that of Xinmiao Lake was in a sub-healthy state.

lakeshore zone; physical structural integrity; indicator system; RS and GIS; basic evaluation unit

國家自然科學基金項目(41271113)

2014- 05- 04; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2015- 05- 19

10.5846/stxb201405040881

*通訊作者Corresponding author.E-mail:liying@neigae.ac.cn

付波霖，李穎，朱紅雷，幸澤峰.基于RS的湖岸帶物理結構完整性評價方法——以查干湖為例.生態學報,2015,35(23):7634- 7641.

Fu B L, Li Y, Zhu H L, Xin Z F.Assessment of the integrity of the physical structure in the lakeshore zone of Chagan Lake, China, Based on Remote Sensing.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7634- 7641.

1NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102，China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049，China