付波霖，李 颖，朱红雷，幸泽峰

1 中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102 2 中国科学院大学，北京 100049

基于RS的湖岸带物理结构完整性评价方法
——以查干湖为例

付波霖1,2，李 颖1,*，朱红雷1,2，幸泽峰1,2

1 中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102 2 中国科学院大学，北京 100049

以查干湖流域为研究区，利用RS和GIS技术，基于水利部《河流(湖)健康评估指标、标准与方法V1.0》并加以改进，以500m×1000m为评价基本单元，整个研究区共有315个物理结构基本评价单元，建立基于RS的湖岸带物理结构完整性评价体系，该评价体系由目标层、准则层和指标层构成，其中准则层由湖岸带状况、湖岸线发育率和湖泊萎缩率3项组成，指标层由地形坡度、植被覆盖率等8项指标构成。研究结果表明：38个监测点中，查干湖23个，新庙泡15个，基于RS物理结构评价结果分别为0.67—0.76和0.35—0.45，地面实测评价结果分别是0.64—0.77和0.35—0.55。两种评价方法结果一致，并表明查干湖的湖岸带物理结构健康状态属于健康，新庙泡则属于亚健康。

湖岸带；物理结构完整性；指标体系；RS和GIS；基本评价单元

湖岸带是水陆生态系统间进行物质、能量和信息交换的生态过渡地带，对维持湖泊健康生命，保障社会和经济的健康发展具有十分重要的意义[1]。随着全球气候变化和人类活动加剧，湖泊面积急剧减少、污染加剧、生态环境恶化等问题日益凸显，湖岸带已经成为区域自然环境变化和人与自然相互作用最为敏感、影响最为深刻的地理单元[2]。湖岸带的保护和修复也正面临着严峻的挑战，湖岸带健康问题已成为湖泊研究的热点[3]。湖岸带物理结构完整性是湖泊健康的重要组成部分，其与湖泊健康密切相关，是评价湖泊生态系统是否健康的基础，对湖泊保护、管理以及湖泊社会服务功能的发挥具有重要意义[4]。

目前，国内外对湖泊的研究主要集中在三个方面：湖泊生态系统健康、湖泊形态结构健康和湖泊健康[5-8]。湖泊健康的内涵尚未明确，对湖岸带完整性评价研究较少，也未形成完整、公认的综合的指标评价体系。现行的湖岸带物理结构完整性评价方法主要是基于水利部《河流(湖)健康评估指标、标准与方法V1.0》(简称V1.0)。该评价方法是基于专家经验在湖岸带选取监测点位，布设10m×50m的样方，采用人工统计方法求得评价结果[9]。受自然条件限制和人为主观因素双重影响，基于监测样方的地面监测无法兼顾代表性、便利性和安全性，也很难全面准确的反映湖岸带结构稳定性状况。同时，湖岸带物理结构综合评价涉及内容广泛，所需数据繁多，目前较多采用的还是人工统计方法，在人力、效率和准确性等方面很难满足要求。

RS和GIS技术具有实时获取地表信息的能力和强大的空间分析能力，在研究湖岸线形态、水域面积动态变化、水质和土地利用之间关系以及湖泊形态结构健康评价等方面已得到了大量应用[10-12]，但基于RS和GIS的物理结构完整性评价方面研究甚少。鉴于此，本文拟结合水利部V1.0和湖泊形态结构健康评价的相关理论和方法，形成基于RS的物理结构完整性评价方法，并以查干湖作为研究区，通过遥感监测评价结果与野外实测评价结果对比分析，对遥感监测评价方法的科学性和合理性进行论证，以期丰富和建立适合我国的基于RS的湖泊健康评价方法。

图1 研究区位置Fig.1 location of Study area

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

查干湖地处松嫩平原腹地，霍林河末端与嫩江的交汇处。其东临嫩江及第二松花江，南为前郭灌区(第二松花江河谷冲积平原)及第二松花江与霍林河的低平原分水岭，西为霍林河河谷平原，北为大安台地及嫩江古河道(图1)。地势低平、起伏和缓，东南高，西南略高，中央及东北低[13]。地貌类型为冲积湖积平原与河谷冲积平原，其中冲积湖积平原分布于查干湖湖区低洼处，河谷冲积平原分布于霍林河河谷及嫩江古河道[14]。目前霍林河已断流，查干湖周边地区的人类活动(过度放牧、围垦湿地、油田和旅游开发等)改变了湖泊岸线、水面等的自然形态，破坏了湖岸带结构稳定性，极大影响了查干湖生态系统和湖泊健康，故对其进行湖岸带物理结构完整性评价已是势在必行的。

1.2 数据源

1.2.1 遥感数据

综合考虑遥感影像的可影像本身的质量和野外实地监测的时间，选取研究区2009年7月空间分辨率为30m的Landsat 5 TM遥感影像，轨道号是：119/29，其他数据包括，中国科学院地理科学与资源研究所基于TM和CBERS遥感影像解译的2005年的1∶100000的土地利用数据，中国科学院地理所(周成虎)编制的1∶500000的地貌数据，1950s 1∶100000地形图。

图2 野外调查路线Fig.2 Field survey route

参考2005年土地利用数据，采用人机交互的方式解译2009年的遥感影像，最终生成2010年土地利用数据并进行重分类，将水田、旱地、城镇用地、农村居民用地、工矿用地等重分类为人工干扰活动。

1.2.2 地面实测数据

考虑监测湖泊周边的地貌特征、景观格局、交通可达性等方面，在研究区湖岸带共布设38个监测点(图2)，每个监测点划设10m×50m的调查评价样方区。用Leica DISTO D5激光测距仪直接测量斜坡倾角和斜坡长度，进而反求斜坡高度，现场观察并记录湖岸带基质；采用多人目视估计取平均值的方法调查样方内植被覆盖率；在调查评价样方区内再选择多个1m×1m的样方，利用尼康D90相机从上往下垂直照相，最后利用图像处理软件，采用二值分割法，计算各小样方草本植物覆盖度，继而推算调查样区草本覆盖度，采用多人目视估计求平均值的方法估算乔木和灌木覆盖度；利用尼康D90相机拍摄照片记录湖岸带人类干扰活动类型。

图3 研究区地貌类型Fig.3 study area landforms

2 研究方法

2.1 评价范围界定

基于水利部V1.0的物理结构完整性实地监测对象主要有：湖岸带和陆域(湖岸带临近陆域50m以内)，调查基本单元是10m×50m的调查样方。而研究区位于松嫩平原腹地，湖岸带发育在冲积湖积平原与河谷冲积平原上，用Leica DISTO D5激光测距仪直接测量其宽度500—1000m之间，调查样方布设很难完全覆盖监测对象，所得评价结果显然不能全面、准确的反映湖岸带的结构稳定性。同时del Tánago M G和de Jalón D G等人研究评价河岸带状况的各种指标属性，指出在平原性较大的河流，合理的河岸带评价对象范围200—1000m[15]。

另外，大量研究结果表明湖岸带的结构稳定性和功能完整性取决于其植被类型及其覆盖度和连续性，还受制于一定距离和宽度的土地利用方式等人类活动的强度[16-17]。同时，湖区周围一定范围内土地利用状况与湖泊水质存在相关关系[18]。胡建等人将太湖流域分为13个水文生态单元，在景观尺度上研究土地利用格局与水质之间的相关关系，结果表明水质与林地面积占比呈正相关，与农田和居民用地的面积占比呈负相关[19]。张殷俊等以江苏吴江为例，采用缓冲区方法研究区平原河网水质与土地利用的格局关系，结果表明耕地在200缓冲区内比重的增加有利于改善水质，而耕地和居民用地在1000m缓冲区内比重增加易造成面源污染[20]。杨莎莎等人以苏子河流域内54个水质采样点为基点，研究结果表明，当缓冲区距离为300m时，耕地和居民地为主要的景观类型，其斑块密度等指数均较高，耕地的连通性较高，对水质的影响较大。缓冲区距离大于300m，林地面积比例较高，林地聚集连通程度较好，对水质改善具有一定作用[21]。

综合以上3个方面再结合研究区的地貌类型(图 3)，将查干湖水边线向陆域1km范围作为评价对象，并以500m为步长等分评价对象，形成315个基本评价单元(监测对象)(图9)。

2.2 评价指标体系构建及指标的获取

2.2.1 评价指标体系的构建

借鉴目前国内外已践行的河流(湖)健康评价方法中的物理结构完整性评价指标体系，再结合湖泊形态健康和V1.0的指标体系，选取RS技术易获取和具有湖岸带结构稳定性指示意义指标，建立基于RS的物理结构完整性评价体系(表1)。

表1 物理结构评价指标结构体系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 部分指标体系的生态学意义

文中指标体系中部分指标(如：自然植被覆盖率、植被覆盖度等)和水利部V1.0一致，其含义和生态意义在其标准与方法中已得到详细解释，在此不再赘述。重点解释以下两个指标：

水面变化区域差异。即以500m为步长等分湖岸线，由湖岸线向水域生成与监测对象相对应的500m×1000m的格网中历史年和评价年湖泊水面面积变化差异，其计算公式为:

(1)

式中,Ua、Ub分别是历史年和评价年湖泊面积，该指标直接反映了湖泊水面的涨落情况，水面的涨落进一步可以反映湖岸带岸坡的坡度陡缓程度，格网单元内，水面涨落变化越大，则岸坡坡度越小，反之坡度越大。

湖岸线发育率。其计算公式如下：

(2)

式中,SDI为岸线发育系数，S为湖泊周长，A为湖泊面积。该指标主要是反映湖岸带的不规则程度，SDI值越大，湖岸线越不规则，相对能够提供的沿岸带生境多样性越高，同时相应的沿岸带面积也较高，这就有可能支持更高的湖泊初级生产力[22]。

2.2.3 指标的获取

在评价对象范围内，利用1∶100000地形图数据计算研究区坡度，重分类之后的2010年LUCC数据，提取自然植被覆盖率和人工干扰，1∶500000地貌数据再结合地貌分区表(表2)获取地表岩性及提取1950s湖岸线。为保证湖岸线的精确性，Landsat TM 影像先计算NDVI再提取湖岸线和反演植被覆盖度。500m为步长等分湖岸线，由湖岸线向陆域生成覆盖整个研究区的315个矩形缓冲区，格网化研究区建立基本评价单元，详细过程见(图4)。

图4 提取指标技术流程Fig.4 Technical process of extracting indicators

表2 研究区地貌分区表Table 2 Study area landforms distribution

2.3 评价方法及赋分准则

构建定量或者定性指标体系是物理结构完整性评价的基础，其具体量化赋分标准是：植被覆盖度和湖泊萎缩率参照水利部V1.0的赋分标准，湖岸线发育率赋分标准参照湖泊萎缩率；其余指标赋分标准见表5，其计算方法(表3)。

物理结构层包括3个指标，其赋分PFr通过下式(3)计算，

PFr=LCr×LCw+SDRr×SDRw+LARr×LARw

(3)

式中变量和权重(表4)。

3 结果分析与讨论

根据岸线发育率的计算方法，查干湖和新庙泡的岸线发育率分别是10%、16%，湖泊萎缩率分别是-27%、26%，基于水利部V1.0和RS的物理结构评价指标赋分准则，岸线发育率赋分是60和40，湖泊萎缩率赋分分别是100、20；物理结构评价结果见图5，湖岸带状况见图6，图中的数值都是物理结构评价和河岸带状况结果除以100后得到的。

表3 基于RS的物理结构指标计算方法Table 3 The calculation method of index based on RS

表4 物理结构评价指标的权重赋值Table 4 The weight of physical structure evaluation

表5 基于RS的湖岸稳定性评估指标赋分标准Table 5 The score criteria of lakeshore stability evaluation

为便于对比地面实测方法的评价结果，基于RS的评价结果也分为两个尺度：监测点尺度和整体评价尺度，通过对两种方法的评价结果的对比分析，再结合河(湖)健康评估分级表(表6)，可以得到如下结论：

(1)在监测点尺度上，38个监测点(查干湖23个，新庙泡15个)中，干基于RS和地面实测物理结构评价结果分别是0.67—0.76和0.64—0.77，新苗泡的评价结果分别是0.35—0.45和0.35—0.55，对应监测点位中，评价数值存在差异，但绝大部分差异均在0.2之内，没有超越判定健康类型等级的阈值，不影响最终评价结果(图5)。这种差异主要原因是：监测结果中，部分点位的实测值高于RS计算的值，这个主要是由于遥感影像的时相性和空间分辨率的影响，反演植被覆盖度略低于实测值；部分点位实测值低于RS计算的值，则是由于地面实测结果都是基于湖岸带10m×50m样方区，考虑样方区的可达性，选取的样方区往往是人为干扰强度大的区域，同时目视判别样方区植被覆盖率，主观性较大，导致地面实测结果数值较低；另外，虽然水域面积区域变化和湖岸线发育率在指标体系中所占的权重值较少，但也会带来些许误差，特别是研究区为浅水湖，丰、枯水期水域面积的变化为26.5%，受限于遥感影像分辨率，提取水域面积会存在0.1个像元左右的误差，也会给最终的评价结果带来些许误差。

图5 物理结构评价结果Fig.5 physical structure evaluation results

图6 查干湖湖岸带状况评价结果Fig.6 Lakeshore's status evaluation results

表6 河(湖)健康评估分级表Table 6 River (lake) Health Assessment classification

(2)在整体评价尺度上，其物理结构评价结果分别是0.7和0.4，两种方法的物理结构评价结果在判断研究区的物理结构完整性状况上是吻合的(图5)，根据表6判定，查干湖物理结构均处于健康状态，新庙泡处于亚健康状态(表7)。

(3)两种尺度上，基于RS的物理结构评价结果和地面实测基于V1.0的实测评价结果的一致性进一步论证了1km评价对象的可靠性和将岸线发育系数作为评价指标引入物理结构评价指标体系的合理性。另外，基于RS的物理结构评价方法可以连续地获取整个湖岸带物理结构的健康状态(图7)，优于地面实测方法，同时从图7中，可以看到有一部分湖岸带的物理结构因受人为干扰较强而处于不健康状态的，但是地面实测的整体评价方法没有反映出来。

表7 湖岸带尺度物理结构数值Table 7 physical structure value of Lakeshore's scale

图7 湖岸带物理结构315个基本评价单元评价结果 Fig.7 Lakeshore′s physical structure evaluation results in 315 basic units

4 结语

(1)本文提出了基于RS的湖岸带物理结构完整性评价方法，并与传统的地面实测方法进行了对比，评价结果在监测点尺度和河岸带尺度两个尺度上与地面实测的评价结果一致，充分论证了该方法的可行性和评价指标体系合理性。

(2)河流(湖)健康评价目前还处于探索阶段，其指标体系、评价标准和评价方法都有待于进一步研究和完善。本文提出的基于RS的物理结构评价方法是以平原性湖泊(查干湖)为研究区的，该方法在平原性湖泊得到了论证，适用性较好，其他类型湖泊的适用性还需今后进一步论证。

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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

国家自然科学基金项目(41271113)

2014- 05- 04; < class="emphasis_bold">网络出版日期:

日期:2015- 05- 19

10.5846/stxb201405040881

*通讯作者Corresponding author.E-mail:liying@neigae.ac.cn

付波霖，李颖，朱红雷，幸泽峰.基于RS的湖岸带物理结构完整性评价方法——以查干湖为例.生态学报,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