【摘要】：土地利用/土地覆蓋(Land use and land cover,LULC)時空演變及其對水環(huán)境的多尺度影響已成為學界的熱點問題。流域LULC多尺度時空演變及其對水環(huán)境影響研究對流域土地利用優(yōu)化、水環(huán)境質(zhì)量改善及生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展具有重要理論和現(xiàn)實意義。本文以云南省典型高原湖泊流域--撫仙湖流域為研究區(qū),以遙感與地理信息技術(shù)為支撐,以優(yōu)于1米高分辨率遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,發(fā)展了一種能有效提高流域尺度高分辨率遙感影像分類精度的多尺度隨機森林分類方法,分析了流域LULC多尺度時空演變規(guī)律與驅(qū)動力,揭示了流域不同污染源區(qū)水質(zhì)對LULC類型與格局的尺度依賴性,構(gòu)建了流域水質(zhì)與LULC類型及格局的時空關(guān)系模型,識別了流域LULC類型及格局與水質(zhì)相互作用的特征尺度,在上述研究基礎(chǔ)上,基于LULC變化情景模擬流域水質(zhì)變化,提出了水環(huán)境保護策略與建議。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1、流域LULC時空演變特征。(1)LULC信息提取。基于隨機森林算法,融合初始分割尺度與最優(yōu)分割尺度的多尺度光譜、幾何和紋理對象特征,構(gòu)建了多尺度隨機森林(MSORF)方法,并利用初始分割尺度(BSVM)、最優(yōu)尺度分割(OSVM)、像素級分割(PSVM)、多尺度隨機森林(MSORF)方法對撫仙湖流域2005年、2008年、2011年、2014年、2017年高分辨遙感影像開展分類實驗和比較研究,結(jié)果表明MSORF分類精度總體優(yōu)于PSVM、BSVM、OSVM,其精度可分別提高約9%、7%、4%,該方法可用于流域尺度LULC信息提取。(2)流域2005~2017年LULC類型變化。水域、林地、耕地、草地為流域主要地表覆蓋類型,四種地類合計分別占總面積的95.59%(2005年)、95.00%(2008年)、93.89%(2011年)、93.43%(2014年)、92.50%(2017年)。其余六種地類(房屋建筑(區(qū))、道路、園地、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表)合計分別占總面積的4.41%(2005年)、5.00%(2008年)、6.11%(2011年)、6.57%(2014年)、7.50%(2017年)。人工地表類型呈逐年增加趨勢,而自然地表覆蓋類型則相反。其中,人工堆掘地2017年的面積是2005年的5倍,而水域面積僅變化了0.08%。LULC收入與支出分析表明,耕地、林地、草地的變化主要表現(xiàn)為數(shù)量的減少,而荒漠與裸露地表、道路、房屋建筑區(qū)、水域的變化則表現(xiàn)為空間位置的轉(zhuǎn)移。上述結(jié)果表明,受人類活動干擾較大的LULC類型變化顯著。流域LULC變化主要受坡度、高程和距最近道路的距離影響。(3)流域LULC動態(tài)度變化。流域單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用類型動態(tài)度分析結(jié)果表明,不同時空尺度下土地利用動態(tài)度存在差異。全流域尺度2005~2017年綜合土地利用動態(tài)度最大(2.18),而各河岸緩沖區(qū)2011~2014年最小(0.56)。子流域尺度上,代村河流域2005~2017年綜合土地利用動態(tài)度最大(6.87),而尖山河流域最小(1.64)。河岸緩沖區(qū)尺度上,各河岸緩沖區(qū)尺度上的綜合土地利用動態(tài)度值均大于5且100米緩沖區(qū)的值普遍大于其余緩沖區(qū)。而單一土地利用動態(tài)度變化最大的分別是:代村河河岸300米緩沖區(qū)內(nèi)的荒漠與裸露地表(50.6%)、尖山河河岸700米緩沖區(qū)內(nèi)的人工堆掘地(276.36%)、梁王河河岸300米緩沖區(qū)范圍內(nèi)的園地(344.63%)、馬料河河岸1000米緩沖區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)筑物(160.84%)、牛摩河河岸100米緩沖區(qū)范圍內(nèi)的草地(56.17%)�？傮w來看,流域LULC變化屬于極緩慢變化型,河岸緩沖區(qū)的動態(tài)度高于子流域和全流域,距離河岸100米和受人類活動影響較大的河岸的動態(tài)度較大,人類干擾是流域LULC動態(tài)度變化的重要推手。(4)流域LULC時空演變過程與表達。1)基于變化軌跡原理,在JQuery和ECharts環(huán)境中,以Java Script為開發(fā)語言,實現(xiàn)了流域5個時段10個LULC類型的轉(zhuǎn)換計算(3894種),揭示了各地類在研究時段的90種主要轉(zhuǎn)移路徑和方式,并將其動態(tài)可視化。2)構(gòu)建基于地類圖斑的LULC變化時空分析算法,并集成了時間軸動畫、多視窗和實體回溯三種方法全面刻畫了LULC時空演變過程。結(jié)果表明,耕地、園地、草地的變化量較大,分別為1.97%、1.59%、1.87%,水域變化最小(0.1%),LULC類型轉(zhuǎn)移方式不一。如耕地主要向“園地”、“林地”、“人工堆掘地”、“草地”轉(zhuǎn)換,而房屋建筑區(qū)主要向“人工堆掘地”、“園地”、“構(gòu)筑物”轉(zhuǎn)換。(5)流域LULC格局變化。選取的8個景觀格局指數(shù)分析表明:2005~2017年,流域景觀類型以林地為基質(zhì);斑塊總數(shù)呈增加趨勢,由17098個增加至20936個,增加近20%,景觀破碎化程度加劇;斑塊面積差異弱化,斑塊面積標準差由368減少至343;斑塊形狀進一步復(fù)雜化;斑塊自然連通性變化極小,由97.9減少至97.6。(6)流域土地利用強度變化。流域土地利用強度的空間自相關(guān)性隨空間尺度增加而下降;流域土地利用強度總體以較強為主,但區(qū)域差異顯著。撫仙湖北岸、南岸土地利用強度高,呈現(xiàn)高-高聚集。而在流域邊界線附近為低-低聚集。從子流域尺度上看,東大河流域、馬料河流域、代村河流域、路居河流域、牛摩河流域土地利用強度表現(xiàn)出高-高聚集,而其他流域的土地利用強度較低且呈零星分布,表現(xiàn)出高-低、低-高聚集特點。2、流域多尺度LULC變化與水質(zhì)的關(guān)系(1)流域水質(zhì)時空分異特征。1)入湖河流水質(zhì)總體較差,而湖心水質(zhì)仍為I類。入湖河流水質(zhì)年平均水質(zhì)均為劣V類。45個斷面中,化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)處于III類~劣V類的比例為47.67%,而總磷(Total Phosphorus,TP)則為75.56%;總氮(Total Nitrogen,TN)超標非常嚴重,劣V類占比約90%。2)入湖河流水質(zhì)空間變化差異顯著。城區(qū)流域的COD較高,磷礦區(qū)流域的TP較高,山區(qū)流域的TN值較高。COD、TN、TP在各個子流域的變化總體呈增加趨勢,其變化規(guī)律差異顯著。(2)流域LULC類型及格局與水質(zhì)的多尺度關(guān)系。在剖析LULC類型及格局與水質(zhì)關(guān)系時,充分考慮了流域內(nèi)部LULC和污染源的空間異質(zhì)性對水質(zhì)指標的影響差異。結(jié)果表明。1)LULC類型及格局對水質(zhì)的解釋率具有顯著差異。(1)流域各時空尺度下,不透水表面(Impervious Surface Area,ISA)、其他用地(人工堆掘地、荒漠與裸露地表)面積百分比均與水質(zhì)指標呈正相關(guān)且對水質(zhì)指標具有促進作用;而林草覆蓋是影響水質(zhì)的另外一個重要因子,其面積占比與水質(zhì)指標呈負相關(guān),這與預(yù)期的林草覆蓋可改善水質(zhì)的認識一致;種植土地(耕地、園地)與TN、TP呈負相關(guān),但其增減不能較好地解釋水質(zhì)變化,表明種植土地對水質(zhì)的影響復(fù)雜,這說明農(nóng)業(yè)用地的面積占比不是影響TN的主要因子,這與研究區(qū)農(nóng)藥化肥施用量、種植結(jié)構(gòu)以及與受納水體的距離、地形等因素有關(guān)。(2)子流域和河岸緩沖區(qū)尺度,景觀多樣性指數(shù)香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon’s Diversity Index,SDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon’s Evenness Index,SEI)、斑塊面積標準差(Patch Size Standard Deviation,PSSD)、平均形狀指數(shù)(Mean Shape Index,MSI)是影響水質(zhì)的重要因子。而其余景觀格局指數(shù)邊緣密度(Edge Density,ED)、斑塊連通性指數(shù)(Patch Cohesion Index,COHES)、面積加權(quán)平均分維數(shù)(Area-Weighted Mean Fractal Dimension Index,FRAC-AM)雖與水質(zhì)存在顯著的相關(guān)性,但表現(xiàn)出空間尺度差異性和不確定性,如景觀斑塊類型的總數(shù)(Number of Patch,NUMP)與水質(zhì)關(guān)系無法合理解釋。2)LULC類型及格局與水質(zhì)的多尺度關(guān)系特征明顯。(1)在城區(qū)流域范圍內(nèi)的河岸緩沖區(qū)300m是LULC類型對COD影響的最強空間尺度(特征尺度)。這與其余高原湖泊研究結(jié)果較為一致,該結(jié)論的普適性還有待進一步驗證。(2)LULC類型及格局對水質(zhì)影響特征存在共性:城區(qū)LULC類型及格局對COD影響最大,磷礦區(qū)對TP影響最大,村落農(nóng)田區(qū)對TN影響最大。其差異表現(xiàn)為:城區(qū)和磷礦區(qū)在緩沖區(qū)300m、500m和700m對COD和TP的解釋率較大,而在村落農(nóng)田區(qū)則表現(xiàn)為子流域尺度對水質(zhì)的解釋率最大。而不同區(qū)域LULC格局對水質(zhì)指標影響則表現(xiàn)為:在城區(qū)和磷礦區(qū),COD、TP在子流域內(nèi)被更好地解釋;而在村落農(nóng)田區(qū),TN在緩沖區(qū)700m能被更好地解釋,而TP則在緩沖區(qū)300m具有較高的解釋率。相比于河岸緩沖區(qū),子流域尺度下的景觀格局指數(shù)對水質(zhì)解釋度高。3)LULC時空演變下的撫仙湖與流域水環(huán)境質(zhì)量調(diào)控措施與建議。利用CLUE-S模型對流域2020年的LULC變化模擬發(fā)現(xiàn):自然變化情景勢必對入湖河流的水質(zhì)構(gòu)成嚴重威脅,進一步加重面源污染;而生態(tài)保護情景下則有利于提高流域內(nèi)入湖河流水質(zhì)質(zhì)量,可有效改善流域水環(huán)境。針對不同區(qū)域特征提出流域水環(huán)境保護目標相應(yīng)的土地利用類型及格局、土地利用方式的尺度優(yōu)化、區(qū)域生態(tài)修復(fù)策略。
【圖文】：

研究技術(shù)流程圖

論文組織結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X52;P901
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本文編號：2662275