土地利用变化影响下的中国湖泊动态遥感监测研究

论文摘要

湖泊作为地球水资源的重要组成部分,是全球碳循环与气候变化重要的调节器,在陆地表层系统与生态环境中发挥着重要作用。在气候变化和人类活动的共同作用下,世界各地的湖泊水资源水环境经历了显著的变化,面临着蓄洪能力减弱、水质污染与富营养化和生物多样性下降等生态环境问题。在全球气候变暖的背景下,随着社会经济发展和人口持续增长,中国正在经历着复杂的土地利用与土地覆盖变化,对我国湖泊的数量、面积和分布造成了严重的影响。然而,由于受数据源与技术手段等原因的限制,到目前为止还没有中国所有湖泊面积长期连续时空分布数据,并且缺乏定量分析气候因素与人类活动对中国湖泊面积变化影响的研究。本文利用长时序Landsat系列卫星遥感影像、全球地表水数据和中国土地利用数据,结合气象站点与社会经济统计数据,系统地探究了中国近30年湖泊面积时空动态变化及驱动因素,并重点分析了人口密集地区(长江中下游流域和城市区域)土地利用变化对湖泊空间分布与景观格局的影响。研究成果不仅包括建立了中国湖泊面积长时序变化数据库,而且取得了一系列重要发现,主要内容如下:1.长江中下游流域湖泊面积长时序变化分析。长江中下游流域拥有中国最密集的淡水湖泊资源,在长期人类活动影响下湖泊面积经历了急剧的变化,目前还没有研究定量地分析流域土地利用变化对湖泊面积的影响。本文利用长时序Landsat卫星遥感影像数据,建立了流域近40年湖泊面积变化数据库,系统地分析了流域湖泊数量、面积及分布的时空演化历程。在1975~2015年间,长江中下游流域湖泊水域面积经历了快速的萎缩,湖泊总面积减少了2132.3 km~2(减少了13.8%),湖泊个数从389个减少至363个。其中洞庭平原湖泊水域面积减少最为严重(减少了855.1 km~2),长江三角洲地区湖泊水域面积减少程度最低(减少了153.7 km~2)。并提出了遥感信息指数土地解译方法获得了所有湖泊土地利用转化类型与面积,结合气象数据与社会经济统计数据,探讨了人类活动与自然因素对于长江中下游流域湖泊变化的影响。研究表明,随着区域社会经济发展和人口增长,围湖造田、围栏养殖和填湖造房等人类活动是长江中下游流域湖泊面积锐减的主要驱动因素,湖泊水域转化为农业耕地、养殖坑塘和建筑用地的面积分别达898.3 km~2(34.6%)、627.7 km~2(24.2%)和64.5 km~2(2.5%)。气候变化、泥沙沉淀以及水文调控等因素对湖泊面积变化具有一定的影响,特别是对通江湖泊(洞庭湖和鄱阳湖),导致湖泊湿地中裸露洲滩植被面积达967.0 km~2(37.3%)。本研究揭示了在自然和人为因素作用下长江中下游流域湖泊面积演化历程,对流域湖泊管理与保护具有重要的意义。2.中国城市湖泊景观形态时空变化分析。城市湖泊是中国湖泊水资源的重要组成部分,在快速城市化进程中呈现出水域面积萎缩与景观破碎等水环境问题,目前仍然缺乏全国尺度上城市湖泊景观格局时空变化的研究。本文利用遥感土地利用数据集,通过人工目视检查与修正获取了1990年和2015年中国32个主要城市的建筑用地面积和湖泊水域面积,结合景观形态指数分析了城市湖泊景观形态时空动态变化,提出了湖泊萎缩类型指数定量地描述了城市化进程中湖泊水域面积演化历程。在近25年间,中国32个主要城市的湖泊水域面积与景观形态经历了剧烈的变化,城市湖泊水域面积减少了176.2 km~2(减少了24.2%),湖泊斑块数量减少了30.5%。同时,中国城市湖泊边缘密度增长了9.0%,并且景观形状指数和分形维度分别减少了4.6%和0.5%,这可以表明中国城市湖泊景观破碎程度变大且水域边界形状变得更加简单和规则。通过统计城市湖泊水域土地利用转化的类型与面积,探讨了快速城镇化背景下中国城市湖泊景观形态变化的驱动因素。研究表明,城市用地面积快速扩张是城市湖泊水域面积锐减的主要影响因素,城市建设活动将城市湖泊水域转化为建成区以及工业区等建筑用地的面积占据了湖泊减少面积的67.9%。此外,土地围垦活动也是造成城市湖泊面积减少的重要原因,城市湖泊水域被围垦为农业耕地的面积比例达19.9%。3.中国湖泊面积时空动态变化及驱动因素分析。探究中国湖泊面积长期连续时空变化及驱动因素一直以来是湖泊水资源水环境研究的难点问题。本文利用长时序全球地表水分布数据集,经过了大量的人工目视检查与修正,建立了近30年(1985~2015)中国湖泊面积变化数据库,分析了中国湖泊数量、面积和分布的时空动态变化,比较了不同湖区的湖泊面积长时序变化趋势。在过去几十年来,中国湖泊总面积增加了4616.7 km~2(增加了6.0%),湖泊总数量从2924个减少至2919个。其中包括109个消亡湖泊,主要出现在东北平原与山地湖区(50个)和内蒙古自治区(49个);以及104个新生湖泊,主要出现在新疆维吾尔自治区(53个)和青藏高原湖区(49个)。从长时序变化趋势来看,东北平原与山地、东部平原和云贵高原湖区湖泊水域面积呈现显著的减少趋势(0.48≤R~2≤0.91,p<0.05),而蒙新高原和青藏高原湖区湖泊水域面积具有显著的增长趋势(R~2分别为0.66和0.82,p<0.05)。利用遥感土地利用数据获取了中国湖泊流域内土地利用类型的面积与变化,探讨了流域土地利用变化对湖泊面积时空动态的影响。并结合气象站点与社会经济统计数据,通过对不同湖区的湖泊水域面积变化和自然与人为因素进行相关性分析,系统地评价了中国湖泊水域面积变化的驱动因素。中国东部平原、东北平原与山地以及内蒙古自治区的湖泊水域面积萎缩主要是由于区域人类活动的影响(包括农业灌溉、过度放牧、煤矿开采、城市扩张以及水利工程建造等),而青藏高原和新疆维吾尔自治区的湖泊水域面积不断扩张,主要驱动因素是降水量增长以及气候变暖背景下冰川积雪、冻土融解与退缩增大了湖泊水量补给。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究意义
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 长江中下游流域湖泊研究现状
•     1.3.2 中国城市湖泊研究现状
•     1.3.3 中国湖泊面积动态变化研究现状
•   1.4 本文研究内容与组织结构
•     1.4.1 研究目的
•     1.4.2 研究内容
•     1.4.3 论文组织结构
• 第二章 数据选择及预处理
•   2.1 遥感影像数据及预处理
•     2.1.1 光学卫星遥感数据概述
•     2.1.2 陆地卫星数据及预处理
•   2.2 水体数据
•   2.3 土地利用数据
•   2.4 辅助数据
•     2.4.1 气象数据与社会经济数据
•     2.4.2 SRTM地形数据
•     2.4.3 谷歌地球遥感数据
•   2.5 本章小结
• 第三章 长江中下游流域湖泊时空变化
•   3.1 研究区域与数据介绍
•   3.2 湖泊遥感监测及精度分析
•     3.2.1 湖泊水体遥感提取方法
•     3.2.2 湖泊土地利用转化遥感解译方法
•     3.2.3 湖泊水体遥感提取精度分析
•     3.2.4 湖泊土地利用转化精度分析
•   3.3 长江中下游流域湖泊面积时空变化
•   3.4 湖泊土地利用变化驱动分析
•     3.4.1 不同地区湖泊土地利用变化
•     3.4.2 不同类型湖泊土地利用变化
•   3.5 本章小结
• 第四章 中国城市湖泊景观形态变化
•   4.1 研究区域与数据介绍
•   4.2 城市湖泊景观形态分析
•   4.3 城市湖泊景观形态时空变化分析
•     4.3.1 城市湖泊景观形态指数统计
•     4.3.2 不同地区城市湖泊景观形态变化
•     4.3.3 城市湖泊面积收缩模式分析
•   4.4 城市化背景下湖泊土地利用变化
•     4.4.1 不同地区城市湖泊土地利用变化
•     4.4.2 不同城市的湖泊土地利用变化
•     4.4.3 城市扩张对湖泊流域的影响分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 中国湖泊面积时空动态变化
•   5.1 研究区域与数据介绍
•   5.2 中国湖泊面积提取与影响因素分析
•     5.2.1 中国湖泊面积提取方法
•     5.2.2 湖泊流域土地利用变化分析
•     5.2.3 湖泊面积变化驱动因素分析
•   5.3 中国湖泊面积时空动态变化
•     5.3.1 中国湖泊面积数据精度验证
•     5.3.2 中国湖泊面积时空变化分析
•     5.3.3 中国湖泊面积时序变化分析
•   5.4 中国湖泊流域土地利用变化分析
•   5.5 中国湖泊面积变化驱动因素分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文创新点与特色
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 图索引
• 表索引
• 攻读博士学位论文期间科研与论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 谢聪

导师: 黄昕

关键词: 湖泊,水域面积,遥感,土地利用,人类活动,气候变化,中国

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,地球物理学,水利水电工程

单位: 武汉大学

分类号: P343.3;P332

总页数: 134

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