闪电河上游生态环境时空变化遥感研究

陈明叶， 陈 磊, 周 询

(1.河北农业大学林学院，保定 071000； 2.北京师范大学地理科学学部，北京 100875;3.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京 100875)

闪电河上游生态环境时空变化遥感研究

陈明叶1， 陈 磊2,3, 周 询2

(1.河北农业大学林学院，保定 071000； 2.北京师范大学地理科学学部，北京 100875;3.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京 100875)

遥感技术的发展为生态环境的动态变化监测提供了有力的支撑。闪电河流域是京津冀地区重要的生态屏障，随着全球气候变化和人类活动的加剧，闪电河流域的生态环境变化得到了人们广泛的关注。为明确闪电河流域长时间序列的时空变化，本文利用1985—2015年近30 a间的遥感数据，对闪电河上游地区的生态环境现状及其关键因子水域、林地和草地的长时间序列变化进行了研究。结果表明，研究区2015年林地、草地、未利用地、水域和耕地面积分别为413.75 km2，276.90 km2，1 779.94 km2，17.29 km2和1 583.71 km2，分别占研究区总面积的10.16%，6.80%，43.72%，0.42%和38.90%； 在1985—2015年间，林地面积整体呈下降趋势，2015年总面积较1985年下降41.585 km2，下降速率为1.395 km2·a-1； 草地面积总体也呈下降趋势，2015年草地总面积较1985年下降58.69%，下降速率为9.47 km2·a-1； 水域面积基本保持不变。

闪电河； 生态环境； 时空变化； 遥感

0 引言

21世纪以来，人类进入了快速发展的阶段，对资源和生态环境产生了严重的影响。生态环境的恶化已经成为制约人类生存和发展的重要瓶颈，如何协调人类发展与环境保护之间的关系已成为人类面临的重大课题。闪电河流域是京津冀地区重要的生态屏障，不仅担负着为京津地区输送清风净水的重要使命，并且是中国候鸟3大迁徙路线之一和全球8条候鸟迁徙通道(东亚—印度通道)的中转站，是珍稀濒危鸟类的天堂，其生态环境的变化受到人们广泛关注。

生态环境评价研究始于20世纪60年代中期，70年代开始蓬勃发展。评价的领域逐步由城市[1]发展到农村[2]、山区[3]、环境保护区[4]和脆弱生态环境区[5]等诸多区域。评价方法也由单纯的野外实地调查发展到遥感监测评价。目前，国内环境遥感技术主要是围绕土地分类、类型识别、土地制图、资源调查、环境因素定量模型研究以及信息系统研究展开[6]。遥感技术为地表类型长时间序列的变化研究提供了多平台、多光谱、多时相、大范围的实时信息，为环境资源的生态格局和动态变化分析提供了有效方法。

以往闪电河流域的研究主要集中在基于SWAT(soil and water assessment tool)模型对流域的径流模拟[7]、植被区系研究[8]、水资源供需分析和开采潜力评价[9-10]以及不同介质中磷分布的研究[11]。缺乏对其生态环境长时间序列的动态变化及影响因素研究。本文利用1985—2015年近30 a间的遥感影像，对闪电河流域上游生态环境现状及关键环境因子(水域、林地和草地)长时间序列的变化进行了研究，并分析其变化的影响因素。以期为闪电河流域生态系统保护和管理提供理论和决策的依据，为建设美丽河北和确保首都周边地区生态安全提供科技支持。

1 研究区概况

闪电河是我国华北地区的重要河流之一，古称濡水，是滦河的源头。发源于河北沽源与丰宁2县交界的古巴颜屯图固尔山北麓，源头海拔2 206 m。该区具有重要的湿地资源，也是距京津最近、保存最完好的高原湿地。闪电河上游处于中温带半干旱大陆性季风气候区内，是内蒙古高原向华北平原的过渡地带。该区是我国典型的农牧交错带，年降水量为300～400 mm，其中60%～70%降水集中在7—9月，年蒸发量为1 700～1 800 mm，为降水量的4～5倍。主要土地利用类型包括林地、耕地、草地和未利用地，类型相对简单。

本文选取闪电河上游的河北省坝上沽源县小梁山向北至内蒙古太卜寺旗骆驼山镇段为研究区。其地理坐标范围为E115.59°～116.30°，N41.34°～41.98°，包括了闪电河上游主要支流，研究区总面积为4 071.6 km2，该区地理位置、TM遥感影像及其河流分布如图1所示。

图1 研究区地理位置(Landsat TM3(R)2(G)1(B)假彩色合成)Fig.1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据获取

为了研究闪电河上游地区的生态环境现状及其关键因子(水域、林地和草地)长时间序列的动态变化，本文利用1985—2015年近30 a间的Landsat TM/ETM+(http: //www.usgs.gov/)和高分遥感影像数据(http: //www.cresda.com/CN/)。剔除有云以及有条带等质量不好的影像，共获得可用影像数据55景，其中Landsat8数据共10景，包括2013—2015年间所有下载数据，其余数据均为Landsat5数据。所有数据下载条带号均为path124，row31。期间的1986年、1988年、1997年、1999年、2003年和2012年无下载数据，如图2所示。

图2 闪电河遥感数据集Fig.2 Remote sensing data sets of Shandian River

2.2 大气上界视反射率计算

表观反射率即为大气层顶表观反射率，是地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值，能在一定程度上反映地物的性质和特征。计算表观反射率公式如下

(1)

式中：ρ为大气层顶表观反射率(无量纲)； π为常量(球面度sr)；L为大气层顶进入卫星传感器的光谱辐射亮度，W·m-2·sr-1·μm-1；D为日地之间距离(天文单位)；ESUN为大气层顶的平均太阳光谱辐照度，W·m-2·μm-1；θ为太阳天顶角，θ=90°-β；β为太阳高度角[12]。

根据本文所选取的遥感数据类型与数据获取时间，通过查表选择相应的参数值，包括D，ESUN和θ，同L一起带入公式(1)可计算得到各波段相应的表观反射率数据。依据表观反射率数据进行多级再分类技术方法提取各类型区域。

2.3 训练区选择和监督分类

训练样本的选择是对照Google Earth选取各地类常年不变区域。训练区包括林地、草地、未利用地、水域和耕地5大类，为使不同年份分类结果具有可比性，采用相同训练样本将所有影像进行分类。分类方法采用监督分类法中的最大似然法。分类精度验证采用随机抽样法，随机产生1 600个点，通过对高分遥感影像进行目视判读，统计随机点的分类结果与实际地物类型是否相符，得到分类精度。

3 结果分析

3.1 生态环境现状分析

以2015年为例分析闪电河流域土地利用和土地覆盖的现状。图3描述了2015年研究区土地利用/覆盖分布现状、主要土地覆盖面积及其所占研究区总面积的百分比。

图3 2015年土地利用情况Fig.3 Land use situation in 2015

由图3(a)可以看出，研究区土地利用类型共分为林地、草地、未利用地、水域和耕地5类。研究区内林地主要分布于研究区西南方向的古巴颜屯图固尔山北麓； 草地主要分布于各支流河道的两侧，沿河道顺流而下； 水域主要分布于闪电河水库及邻近的2个湖泊之中。

研究区内主要为未利用地和耕地，面积分别为1 779.9 km2和1 583.7 km2，分别占研究区总面积的43.72%和38.90%； 其次是林地，覆盖面积为413.75 km2，占研究区总面积的10.16%； 然后，草地覆盖面积为276.90 km2，占研究区总面积的6.80%； 水域覆盖面积最少，仅为17.29 km2，占研究区总面积的0.42%，如图3(b)和(c)所示。2015年闪电河上游的关键生态因子水域、草地和林地共占研究区总面积的17.83%。

3.2 30 a间生态环境关键因子时空变化分析

为研究闪电河上游关键生态因子的时空变化，假设耕地区域常年不变，通过统计不同区域在多期分类结果中被判定为耕地的次数确定耕地区域。最终选择以出现耕地15次的区域作为耕地，并进行耕地掩模。将所有分类结果与耕地掩模波段运算，将耕地去除。

以1985年为基准年，分析研究区近30 a间生态环境关键因子(林地、草地、水域和未利用地)每隔5 a的变化规律，如图4所示。

图4 近30 a间闪电河主要生态关键因子动态变化Fig.4 Dynamic changes of major ecological factors of Shandian River in recent 30 years

3.2.1 林地变化

研究区1985年林地面积为419.103 km2，随后林地面积发生波动，至2015年变为377.245 km2。 1985—2000年15 a 间林地面积整体呈下降的趋势，2000—2015年15 a间林地面积呈上升趋势。但林地近30 a间变化总体呈下降趋势，总面积较1985年下降41.585 km2，下降速率为1.395 km2·a-1。林地变化规律如图7所示。

图5 林地变化规律Fig.5 Change of forest area

分析其原因主要是由于近30 a间经济发展和人口增长迅速，导致人们对木材的需求增加，乱砍乱伐现象所造成的。其中1995年林地面积上升迅速，可能是由于80年代末90年代初的三北防护林重大工程的实施导致[13]。2000年林地又迅速减少，其原因主要是由于2000年沽源县遭受干旱灾害，年极端最高气温达36.1℃，导致大量新生树木死亡[14]。2000年大旱之后树木逐渐恢复，林地面积呈上升趋势。表明人类活动与极端的气象灾害是导致林地变化的主要因素。

3.2.2 草地变化

研究区域内1985年草地面积为484.414 km2，从1985—2005年30 a间草地面积一直呈减少趋势，2005—2010年间草地面积迅速增加，2010—2015年间又恢复为下降趋势。草地面积总体呈下降趋势，总面积较1985年下降58.69%，下降速率为9.47 km2·a-1。草地变化规律如图6所示。

图6 草地变化规律Fig.6 Change of grass land area

分析草地面积变化原因主要是1985—2000年间由于人口增加，放牧严重导致草地逐年下降。2000—2005年间的突增主要原因和政府政策有关，2001年沽源县全面禁牧政策开始实施[15]，导致草地面积回升。2005—2015年间草地变化情况如图7所示。

(a) 2005—2010年间草地增加区域 (b) 2010—2015年间草地减少区域

图72005—2015年间草地变化情况

Fig.7Changeareaofgrasslandfrom2005to2015

由图7(a)可以看出，草地面积增加区域主要是由未利用地变化而来，变化区域主要分布在河道旁边以及山坡上，说明草地的变化与放牧有直接关系。2010—2015年间草地面积下降，主要由于禁牧政策放松，牧民恢复放牧导致本就脆弱的草地生态系统退化，面积急剧减少。除了放牧外，草地面积的减少和耕地面积的增加有关，近年来沽源发展错季蔬菜产业，大面积的机械化种植[16]，导致耕地面积增加，草地面积减少。由图7(b)可以看出，原来分布于河流两岸的草地区域变成耕地，导致2010—2015年间草地减少。草地近30 a间的减少说明了闪电河上游近年来生态环境脆弱，急需保护。草地的变化说明政策的导向对于生态环境的保护和改善起着重要的作用，不论是三北防护林工程还是全面禁牧政策都可以使闪电河上游的生态环境得到改善，关键在于政策实施的持续性。

3.2.3 未利用地变化

该区1985—2000年15 a间未利用地总体呈上升趋势，2000—2015年15 a间总体呈下降趋势，未利用地近30 a间来总体呈上升趋势，1985—2015年间未利用地面积共增加了326.137 km2，增长速率为10.87 km2·a-1。未利用地变化规律如图8所示。

图8 未利用地变化规律Fig.8 Change of unused land area

本文未利用地即裸地，近30 a间未利用地与草地呈明显负相关关系，相关系数R2为0.8，如图9所示。裸地的增加印证了过度放牧对闪电河上游的生态系统的破坏作用。

图9 未利用地和草地的相互关系Fig.9 Relationship between unused land and grass land

3.2.4 水域变化

闪电河上游水域面积近30 a间变化不大，1985—1995年间水域呈上升趋势，1995—2000年间呈下降趋势，2000—2015年间呈现缓慢上升又缓慢下降的趋势，整体上水域面积变化不大，2015年较1985年增加了0.009 km2。水域变化规律如图10所示。

图10 水域变化规律Fig.10 Change of water area

水域面积近30 a间基本保持不变的趋势，主要原因是闪电河上游水域面积主要是由1个水库和2个湖泊构成，水库和湖泊的蓄水调节功能使水域不会有太大的变化，其中2000年水域面积最少，与前面提到的2000年的大旱有关。表明闪电河上游的水域面积主要受极端气候的影响。

4 讨论与结论

1)本文对闪电河上游生态环境的现状及生态环境关键因子水域、林地和草地的动态变化进行了分析。发现2015年闪电河上游研究区内的生态环境关键因子水域、林地和草地的面积之和仅占研究区总面积的17.83%，耕地和未利用地面积占研究区总面积的82.17%。充分说明该区域的生态环境脆弱，亟需保护，稍有不慎将成为京津冀地区的风沙源，对京津冀地区的生态安全构成威胁。

2)闪电河流域是我国北方典型的农牧交错带，在这种特殊的土地类型区域内，土地利用和土地覆盖的变化十分复杂，驱动因素较多，既有退耕还草、退耕还林等政策性的保护措施，又有过度放牧、土地撂荒和耕地开发扩张等人为破坏因素[17-18]，且不同年份变化差异极大。因此，在我国北方的农牧交错带，利用遥感技术获取较为准确的耕地面积是一个难题[19]。而且研究闪电河流域上游生态环境关键因子的变化情况，仅利用单期遥感影像数据进行可耕种区域的提取精度较低，错分和漏分现象较为严重[20]。此外，考虑到该地区的耕地面积变化趋势复杂，用可耕种面积代替耕地面积进行分析，其包括了耕地和其周边与耕地不断互相转化的其他土地覆盖类型，以此为基础进行后续的研究。为了提高分类结果的可信度和可耕种区域的提取精度，利用长时间序列遥感数据，通过多级再分类技术方法提取可耕种区域进行掩模，将所有影像耕地去除。但仍有部分区域耕地未去除完全，因为其所占比例很小故将未去除完全的耕地归到未利用地中。此方法也为农牧交错带的可耕种面积的提取提供了新方法和新思路。

3)本文闪电河流域上游研究区内近30 a间，林地面积共减少了41.585 km2，年均下降速率为1.395 km2·a-1。草地面积共减少了284.288 km2，年下降速率为9.47 km2·a-1。未利用地面积共增加了326.137 km2，年增长速率为10.87 km2·a-1。水域面积整体变化不大，2015年较1985年水域面积仅增加了0.009 km2。草地近30 a间则减少了58.69%，主要由于严重放牧和耕地占用导致。草地的减少说明了闪电河上游生态环境在恶化，生态脆弱，需要保护。

4)本文利用近30 a间的遥感影像研究闪电河上游的生态环境变化，评价结果与实际相符，此方法可为基于遥感技术开展其他河流湿地的生态环境监测提供参考方法。本文的不足之处是未对气候与生态环境的相互关系进行分析，在之后的工作中应该明确气候对生态环境要素的影响。

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Aremotesensingstudyofspatio-temporalchangesofecologicalenvironmentofShandianRiver

CHEN Mingye1, CHEN Lei2,3, ZHOU Xun2

(1.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China; 2.FacultyofGoographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.GlobalChangeandEarthSystemScienceInstitute,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

The development of remote sensing technology provides strong support for monitoring the dynamic changes of the ecological environment. Shandian River is the ecological barrier of Beijing, Tianjing and Hebei Province. The eco-environment of Shandian River has aroused more and more attention among people, with the global climate change and human activities. In this paper, the authors used the remote sensing images obtained from 1985 to 2015 to study the changes of eco-environment of the upstream of Shandian River. Some conclusions have been reached: in 2015, the area of forest, grassland, unused land, water and cultivated land in study area was 413.75 km2, 276.90 km2, 1 779.94 km2, 17.29 km2, and 1 583.71 km2respectively, with the percentage being 10.16%，6.80%，43.72%，0.42% and 38.90% respectively. From 1985 to 2015, the forest area exhibited a downward trend, with the declining rate being 1.395 km2·a-1. The grass land was declined too, with the declining rate between 9.47 km2·a-1. The water remains unchanged in the past 30 years.

Shandian River; ecological environment; spatio-temporal changes; remote sensing

10.6046/gtzyyg.2017.04.25

陈明叶,陈磊,周询.闪电河上游生态环境时空变化遥感研究[J].国土资源遥感,2017,29(4)：166-172.(Chen M Y,Chen L,Zhou X.A remote sensing study of spatio-temporal changes of ecological environment of Shandian River[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：166-172.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0166-07

2016-04-12；

2016-11-25

河北省科学技术厅项目“坝上闪电河湿地生态环境质量评价与监测技术研究”(编号： 14274203D)资助。

陈明叶(1988-),女,在读博士,主要从事生态环境变化方面的研究。Email: chenmy53719@163.com。

陈 磊(1983-),男,博士后,主要从事全球生态环境变化研究。Email: chenmy53719@163.com。

(责任编辑：陈理)