丹江口水库消落区土地覆被空间格局分析

李伟萍，曾 源，张 磊，尹 锴，袁 超，吴炳方

丹江口水库消落区土地覆被空间格局分析

李伟萍1，2，曾 源1，张 磊1，尹 锴1，袁 超1，吴炳方1

(1.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101;2.中国地图出版集团，北京 100055)

基于10 m分辨率的DEM数据，对丹江口水库150 m、160 m、170 m和172 m水位淹没范围进行了提取;基于2009—2010年获取的RapidEye和Landsat－5 TM遥感数据，采用面向对象分类法，对丹江口水库172 m水位线以下的区域进行了土地覆被遥感监测。据此探讨了丹江口水库消落区土地覆被的空间特征，分析了引起土地覆被空间格局差异的影响因素。监测结果表明，丹江口水库150～160 m、160～170 m和170～172 m水位消落区的面积分别为232.0 km2、242.6 km2和43.1 km2;在各水位消落区内，土地覆被类型均以耕地为主，其面积均占各区间面积的50%左右;在低水位处裸地面积较大，高水位处森林面积较大。大坝水位调度和库岸坡度是丹江口水库消落区土地覆被空间格局差异的影响因子，高程低的区域受大坝水位调度和库岸坡度的双重影响，高程较高的区域则主要受库岸坡度的影响。

丹江口水库;消落区;土地覆被;遥感;RapidEye

0 引言

水库消落区是指水库季节性水位涨落使库区被淹没土地周期性出露于水面的区域［1－2］，是水生生态系统和陆生生态系统交替的过渡地带，是一类特殊的湿地生态系统［3］，起着水陆连接的重要作用，是水库水质安全的最后一道屏障［4］。消落区所引发的土壤侵蚀、水土流失、植物多样性丧失、地质灾害、水环境污染及流行性疾病等一系列生态环境问题，已经严重危及我国水环境的生态安全，其生态问题已成为社会各界关注的热点［5］。

丹江口水库是我国南水北调中线工程的水源地，其消落区的生态状况关系重大，其生态环境问题受到了社会各界的广泛关注［6］。不同的土地覆被类型对水质的影响程度不同，如农业用地可造成水体富营养化和水污染等水质问题［8－9］，丹江口库岸的土地覆被状况是水库水质安全的重要影响因素［9］。加强对丹江口水库消落区土地利用状况的监测和科学、信息化管理，具有十分重大的现实与长远意义。监测已形成消落区的土地覆被现状，分析消落区土地利用中存在的问题，可为大坝加高至170 m蓄水位后消落区的生态建设提供借鉴;监测丹江口170 m高程以下未来消落区的土地覆被现状，则能为下阶段170 m蓄水位消落区的生态环境研究工作提供重要的本底数据。

本文利用数字高程模型(DEM)数据提取了不同水位线的消落区范围，利用多源遥感数据对172 m水位线以下的区域进行土地覆被监测，据此探讨了土地覆被的空间特征，分析了引起土地覆被空间格局差异的影响因素。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

丹江口库区位于湖北省西北部、陕西省东南部和河南省西南部的结合处，包括河南省淅川县及湖北省丹江口市、郧县、十堰市、郧西县5个县市，地理范围为 E109°25'50″～111°43'00″，N32°14'10″～33°22'30″，总面积达 1.4 ×104km2(图1)。

图1 丹江口库区范围Fig.1 Location of Danjiangkou reservoir

丹江口库区地处汉江流域秦巴山地，高程在100～1 500 m之间，库区地貌形态多样，水库周边区域的高程较低、坡度较缓，离水库较远的区域坡度陡、切割深、高差大，以中、低山和丘陵为主。丹江口库区坡度在0～15°的区域面积约为0.58×104km2，坡度在15～25°的区域面积约为0.42×104km2，坡度大于25°的区域面积约为0.40×104km2。

丹江口水利枢纽建设工程分为两期，初期工程已于1973年建成，淹没范围涉及淅川县、丹江口市及郧县3个县市。枯水期以发电为主，库区水位升至157 m;汛期以防洪为主，夏汛水位降至149 m，秋汛水位152.5 m，水库死水位为139 m。2009年及2010年丹江口大坝水位调度情况如图2所示。

图2 丹江口大坝水位调度动态变化图［10］Fig.2 Dynamic scheduling of water level in Danjiangkou

后期续建加高工程计划于2013年建成，2014年投入运行，正常蓄水位为170 m，最低退水位为160 m，水库水面面积将达1 050 km2。届时，淹没范围涉及河南省淅川县和湖北省丹江口市、郧县、十堰市、郧西县5个县市。160 m水位线以下将形成永久性水面;160～170 m水位线区间将由原来的陆地生态系统转变为季节性湿地生态系统，随大坝水位调度而周期性出露于水面;170～172 m水位线区间是否被淹没，将受上游来水量的影响，成为潜在的消落区。

1.2 遥感数据准备

所用的数据包括RapidEye多光谱数据(获取日期为2009年11月和2010年9月)、Landsat－5 TM多光谱数据(获取日期为2009年10月)和10 m分辨率的DEM数据。

对遥感图像进行的预处理包括辐射校正和几何纠正。采用ERDAS ATCOR2模型，对各图像由于水汽和气溶胶导致的能见度下降进行了校正;以丹江口库区1∶10万比例尺的地形图为参考，采用二项式模型法对RapidEye及Landsat－5 TM数据进行了几何纠正。

1.3 野外数据采集

为检验土地覆被分类结果的准确性，本研究于2010年7月上旬和9月中下旬，对172 m水位线以下区域进行了详细的地面调查，途经河南省淅川县及湖北省丹江口市、郧县等3个县市。在野外调查工作中，利用车载GPS导航系统，结合本文所采用的遥感图像，选择具有典型代表性的区域布设采样点。每个采样点的观测要素包括经度、纬度、坡度及土地覆被类型等，共采集土地覆被样点153个。野外调查结果表明，丹江口大坝172 m水位线以下区域目前种植着大量的农作物(如玉米、棉花、水稻等)，部分区域种植着较多的果树(主要为柑橘)，也有灌木林、乔木林、针叶林、草地及建设用地等土地覆被类型分布。总体看来，将被淹没区域目前的土地覆被类型多样，植被覆盖度较高，植被长势较好。

2 研究方法

2.1 不同水位淹没范围提取

运用ArcMap空间分析模块，以175 m高程为回水末端，利用10 m分辨率的DEM数据，对坝前150 m、160 m、170 m和172 m水位时丹江口水库的淹没范围进行了提取。然后参照遥感图像进行目视人工修正，对所提取水位线的错误目标(如不连续的零星斑块等)进行删除，填补缺失的斑块，完善不精确的边界，得到不同水位的水面淹没范围。不同水位线之间的区域即为消落区。本研究选定的消落区高程分别为150～160 m、160～170 m和170～172 m范围。

2.2 土地覆被遥感监测

以反映丹江口水库消落区的生态环境特征为设计原则，在世界粮农组织(FAO)的土地覆被分类系统基础上，建立土地覆被分类系统，整体划分为二级，其中二级类型共10类(表1)。

表1 土地覆被分类系统Tab.1 Land －cover classification system

采用面向对象分类法对丹江口水库消落区土地覆被进行遥感监测。面向对象分类法是相对基于像元的分类方法所提出的，其分类不仅依靠地物的光谱特征，而且还根据目标地物的形状、颜色、纹理、结构等几何特征和结构信息，把具有相同特征的像元组成一个对象，然后根据每一个对象的特征进行分类［11］，在一定程度上避免了“异物同谱”和“同物异谱”现象对分类结果的影响［12］。该方法包括两个过程:影像分割和信息提取。影像分割遵循异质性最小的原则，把空间特征、光谱特征和形状特征等相似的邻近像元合并为一个同质的影像对象，分割后属于同一对象的所有像元都赋予同一含义［13］(图3)。分割尺度的大小决定了某种土地覆被类型是否存在，并对分类结果的精度有很大影响，尺度太小容易出现“椒盐”现象，分割尺度太大则不能体现地块的完整性。影像信息提取是基于模糊逻辑的分类系统，并不简单地将每个对象分到某一类，而是给出每个对象隶属于某一类的概率，根据地物特征及空间相关信息建立模糊逻辑的知识库进行信息提取［14］。

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

以Definiens公司eCognition 8.0图像处理软件为平台，采用多尺度分割方法，对不同遥感图像和不同地物分别采用不同的分割尺度，利用隶属度函数和最邻近法相结合的分类方法，对水库消落区进行土地覆被分类。经过多次不同尺度的分割试验后得出，在RapidEye图像中，区分植被和非植被两大类的最优分割尺度为100，详细分类的最优分割尺度为60;在Landsat－5 TM图像中，最优分割尺度为6，总体分类精度达到82%。

3 研究结果

3.1 消落区范围

根据DEM数据提取的150 m、160 m、170 m和172 m水位淹没范围(图4)，得到150～160 m、160～170 m、170～172 m水位消落区的面积分别为232.0 km2、242.6 km2、43.1 km2。

图4 丹江口水库172 m水位淹没范围Fig.4 Submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

3.2 土地覆被监测结果

丹江口水库172 m水位淹没区土地覆被现状遥感监测结果如图5所示。

图5 丹江口水库172 m水位淹没区土地覆被现状Fig.5 Land －cover status in submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

对172 m水位淹没区的土地覆被类型进行了统计分析。结果表明，淹没区水面面积最大，占淹没总面积的59.0%;其次为耕地，占淹没总面积的21.7%;其他土地覆被类型的面积较小，占淹没总面积的比例详见表2。

3.3 土地覆被精度验证

利用两次野外观测的153个采样点和Google Earth获取的36个样点，对上述土地覆被遥感监测结果进行精度验证，10类土地覆被类型的分类精度评价统计结果如表3所示。每种类型的用户分类精度均在70%以上，总体分类精度为82%。

表2 丹江口水库172 m水位淹没区土地覆被类型面积统计Tab.2 Acreage and percentage of land － cover types in submerging area at 172 m level in Danjiangkou reservoir

表3 丹江口水库172 m水位淹没区土地覆被遥感监测结果精度评价统计Tab.3 Kappa matrix for validation of image interpreting precision at 172 m level in Danjiangkou

4 分析与讨论

4.1 消落区土地覆被的空间格局

本文对172 m水位淹没区按150～160 m、160～170 m和170～172 m共3个梯级水位消落区进行了土地覆被类型的统计分析，统计结果如表4所示。由于所采用的两景RapidEye图像中，有一景为153 m水位时拍摄的，水位高于150 m，所以在150～160 m水位消落区的土地覆被分类结果中包含了一部分水库水面，这会在一定程度上影响该区间土地覆被空间格局的分析，因此本文在计算各土地覆被类型所占比重时，剔除了水面面积。

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

由表4可看出，在150～160 m水位消落区，耕地面积最大，占区间总面积的49.7%;其次为裸地、森林和草地;在160～170 m水位消落区，耕地面积最大，占区间总面积的53.5%;其次为森林、裸地、草地、建设用地和果园;在170～172 m水位消落区，耕地面积亦是最大，占区间总面积的49.0%;其次为森林。以上分析表明，耕地是各水位消落区的主要土地覆被类型;在高程较低处裸地面积比重较大，在高程较高处森林面积比重较大。

4.2 消落区土地覆被空间分布差异的影响因子

4.2.1 坡度

定义一级坡级为0～15°坡度的区域，二级坡级为15～25°坡度的区域，三级坡级为大于25°坡度的区域。在150～172 m水位消落区，一级坡度、二级坡度和三级坡度区域面积分别为 464.8 km2、42.3 km2和9.6 km2。剔除水库面积后，各土地覆被类型在不同坡度等级所占的面积比重如表5所示。其中，在一级坡度区域内，耕地所占的面积远大于其他土地覆被类型，其次是森林;在二级坡度区域内，耕地和森林的面积基本相当;在三级坡度区域内，森林的面积最大，其次为耕地和草地。

表5 各土地覆被类型在不同坡度级别中的面积比重Tab.5 Acreage proportion of land －cover types in different slope levels (%)

森林、灌木等林地的面积比重随坡级的增大呈递增的趋势。在一级坡度区，面积比重较小;在二级坡度区，面积比重明显高于一级坡度区内的面积比重;在三级坡度区，面积比重略有增大。究其原因，一级坡度区地势平缓，适合农作物的耕种，农作物分布较多，林地面积相应较小;而三级坡度区，地势较陡，不宜农耕，林地相对较多。

草地的面积比重随坡级的增大呈上升的趋势。究其原因，在坡度大的区域不利于农作物的耕种，故草地所占比重变大。

耕地的面积比重随坡级的增大呈递减的趋势。这是由于坡度小的区域适合农作物的耕种，坡度较大的区域既不易于耕作也不利于农作物的成活。

果园的面积比重在二级坡度区达到最大。这是由于研究区属于丘陵、山区，人地矛盾突出，以柑橘为主的果树只种植在缓坡地区，因此二级坡度区果园面积比重最大，在地势陡的区域，果树很难存活，三级坡度区域果园种植面积明显减少。

建设用地的面积比重随坡级的增大呈递减的趋势。这是由于坡度越大的区域，建设施工越难、交通越不便。

裸地在一级坡度区和三级坡度区的面积比重较大，在一级坡度区域面积比重较大，可能是由于库岸较平坦的区域水位动态涨落频繁，植被很难生长所致;在三级坡度区域面积比重较大可能是由于地势陡，部分区域的水土流失严重岩石裸露，植被不能生长所致。

4.2.2 大坝水位调度与大坝坡度

图6为各水位区间不同坡度级别面积比重图。

图6 各水位区间不同坡级面积比重Fig.6 Acreage proportion of different slope levels in different water levers

图6 可看出，在150～160 m、160～170 m和170～172 m这3个水位区间内，一级坡度区的面积均为最大，且面积比重均在80%以上;三级坡度区域面积最小，面积比重均不足3%。随着高程的升高，一级坡度的面积比重呈下降趋势;二级坡度的面积比重呈上升趋势;三级坡度的面积比重稍有上升，但幅度较小。

图7为150～160 m、160～170 m和170～172 m水位消落区不同土地覆被类型的面积比重变化图。随着高程的增加，森林、灌木、果园和建设用地的面积比重呈增大的趋势;裸地的面积比重呈减少的趋势;草地的面积比重呈先明显下降后缓慢递增的趋势;耕地的面积比重呈先上升后下降的趋势。

图7 各水位消落区不同土地覆被类型的面积比重Fig.7 Acreage proportion of land －cover types in different drawdown area

森林、灌木、果园等类型的面积比重随高程的增加均呈上升的趋势，在150～160 m水位消落区，森林、灌木、果园等类型面积比重较低。这是由于该区间受大坝调度水位动态淹没的影响，使森林、灌木和果树难以生长。此外，这3类土地覆被类型的空间分布规律与各水位消落区内二级坡度面积比重的变化趋势是一致的，说明这3种土地覆被类型的空间分布受大坝水位调度和库岸坡度的共同影响。

建设用地的面积比重随高程的增加呈增大的趋势。研究结果表明，在丹江口库区沿江两岸消落区范围内，离水库较远的区域建筑物、工矿用地以及道路等建设用地的面积比重较大。

裸地的面积比重随高程的增加呈先明显下降、后缓慢下降的趋势，在150～160 m水位消落区最大。究其原因，在150～160 m水位消落区内低水位区域受大坝水位调度的影响而出露于水面;尤其是150 m水位线附近的区域动态涨落很频繁，植被难以生长，因此裸地的面积较大。基于这样的原因，150～160 m水位消落区的裸地面积比重明显高于目前未受大坝水位调度影响的160～170 m和170～172 m水位消落区的面积比重。

草地的面积比重随高程的增加呈现先明显下降后缓慢上升的趋势，在150～160 m水位消落区达到最大。究其原因，在150～160 m水位消落区的低水位区域，由于受大坝水位调度的影响而出露于水面，有一部分消落区由于退水较晚、离居民区较远或坡度较陡等原因而不能被人们利用，在这部分区域中，草地的面积比重很大。150～160 m水位消落区的草地面积比重远高于目前未受大坝水位调度影响的160～170 m和170～172 m水位消落区的面积比重。

耕地的面积比重在150～160 m水位消落区较小，在160～170 m水位消落区达到最大，之后随高程的升高呈现下降趋势。究其原因，在150～160 m水位消落区受水位动态涨落的影响，部分区域不具备农作物种植和生长的条件，因此农作物种植面积比重相对较低;而在170～172 m水位消落区，高程较高、地势较陡区域所占的面积比重较大，适合耕种的区域较少，因此耕地的面积比重减小。

以上分析表明，丹江口水库150～160 m水位消落区土地覆被的空间分布受大坝水位调度和大坝坡度的双重影响，而160～172 m水位消落区土地覆被的空间分布主要受坡度的影响。

5 结论

(1)丹江口水库150～160 m水位消落区面积为232.0 km2，160～170 m水位消落区面积为242.6 km2，170 ～ 172 m 水 位 消 落 区 面 积 为43.1 km2。

(2)在丹江口水库172 m水位淹没区中，水面面积最大，其他土地覆被类型所占面积由大到小依次为耕地、森林、裸地、草地、建设用地和灌木。

(3)在150～160 m水位消落区中，耕地面积最大，其次为裸地、森林和草地，其他土地覆被类型的面积较小;在160～170 m水位消落区中，也是耕地面积最大，其次为森林、裸地、草地、建设用地和果园，其他土地覆被类型的面积较小;在170～172 m水位消落区中，还是耕地面积最大，其次为森林，其他土地覆被类型的面积较小。

(4)丹江口水库150～160 m水位消落区的土地覆被空间分布受大坝水位调度和库岸坡度的双重影响，160～172 m水位消落区的土地覆被空间分布受坡度的影响。

(5)丹江口水库消落区的土地覆被以农业用地为主，高强度的土地利用会导致水土流失、土壤退化、面源污染等生态环境问题，可能直接影响丹江口水库的水质安全，对其河岸带的天然植被恢复问题需引起重视。为确保丹江口库区水质安全和生态安全，在今后的研究中，应继续加强对丹江口消落区生态环境的监测。

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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

中国科学院战略性先导科技专项(编号:XDA05050108)和国务院南水北调项目“利用遥感技术对南水北调中线水源区生态环境变化的监测研究”共同资助。

李伟萍(1985－)，女，硕士研究生，主要从事生态遥感研究。

曾 源(1979－)，女，博士，副研究员，主要从事植被定量遥感研究。E－mail:yuanz@irsa.ac.cn。

(责任编辑:李 瑜)