基于RS和GIS的塔里木河流域生态环境动态变化与生态需水研究

摘要

随着科技水平的不断提高和人口数量的急剧增长,人们正以前所未有的速度和规模改变着自身赖以生存的生态环境,由此带来了水土流失、土地沙化、植被退化等一系列给人类生产活动构成巨大威胁的生态环境问题,因此,监测、分析生态环境及其变化已成为当前国内外众多专家、学者广泛关注的热点问题。塔里木河流域地处我国干旱少雨的西部地区,人类活动的不断加剧及水资源的无序过度开发和低效利用,使得流域的整体生态环境十分恶劣,已成为制约绿洲生态稳定和社会经济可持续发展的主要障碍,并直接影响到我国西部开发的战略问题。为改善流域生态环境,自2000年5月至2004年6月,塔里木河流域管理局会同有关单位组织实施了6次应急生态输水,使流域的生态环境发生了很大变化。本文以塔里木河流域多源遥感影像和多类型、多尺度的基础地理数据为研究基础,选取可反映塔里木河流域不同区域生态环境特征的指示性指标,通过对遥感影像信息自动提取、跨带海量数据建库、生态环境动态变化监测以及天然植被生态需水估算等关键问题进行了研究,取得了以下主要成果和结论： (1)根据流域生态环境本底特征,分别选取土地利用、土壤盐渍化、植被覆盖、植被类型、土地沙漠化等五个生态因子作为为评价对象,基于分级分类思想及密度分割技术,通过分类体系划分、解译标志设置、生态模型建立、遥感信息自动提取、野外验证、知识库构建等方法,完成了1999～2004年多源影像数据的信息自动提取,提取精度高达87.7％,校正后达到95.4％,满足了研究区生产的实际需求。 (2)通过分析研究区的数据现状和未来发展需求,采用空间数据和属性数据一体化、多源数据无缝集成的建库思想和分层、分级及分块的数据组织方法以及双机互备的集群服务器架构体系,通过要素编码设计、数据组织、数据无缝拼接、一键入库、优化存储等关键技术,构建了DLG库、DRG库、DEM库、DOM库、水利工程库、生态环境库、社会经济库、多媒体库、元数据库及成果库等十大数据库,完成了研究区50多年来多源、多尺度、多类型、跨带海量空间数据和属性数据的无缝集成和统一管理,入库数据高达600GB左右。 (3)针对海量数据入库效率低、操作繁琐等问题,提出“一键入库”的建库思路,将Arc/info脚本、SDE命令及Oracle命令有机结合,融数据库结构设计、数据检查配置、入库脚本生成等众多命令为一加密批处理文件,通过运行该文件完成了海量基础数据的自动入库及跟踪管理,极大地提高了海量数据的入库效率。 (4)基于多源遥感专题数据和多尺度基础地理数据,进行了塔里木河流域五个生态因子的动态变化监测及定性定量分析,揭示了应急生态输水前后研究区1999～2004年间各生态因子的面积变化幅度、年变化率、时空演变趋势和引起变化的主要驱动力。分析结果表明：应急输水工程实施后,流域的整体生态环境趋于好转,下游“绿色走廊”正处于积极的恢复状态,人口压力以及人类活动是引起塔里木河流域生态环境变化的主要驱动力。 (5)通过分析塔里木河干流区域天然植被生态需水状况,建立了研究区天然植被生态需水概念及量化模型,并基于RS、GIS技术和潜水蒸发理论计算分析了干流上、中、下游区域对应于3期遥感影像数据(1999、2002、2002)天然植被现状生态水平下的生态需水量,提出了流域面向可持续发展的生态建设模式。 本文构建的集RS、GPS、GIS、SDE及数据仓库等多种信息技术为一体的运行化流域生态环境监测服务体系,具有信息提取精度高、数据管理方便、移植性好、可操作性强等优点,可为流域水资源的统一调度管理、生态环境评价及经济的可持续发展规划制定提供科学依据,具有重要的理论和现实意义,可在其它流域推广使用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出

1.2研究的目的与意义

1.3国内外研究进展

1.3.1生态环境动态监测研究进展

1.3.2生态需水研究进展

1.4研究的不足之处

1.5本论文的主要研究内容

1.6研究的技术路线

1.7本章小结

2研究区概况及研究基础

2.1流域自然概况

2.2流域社会经济状况

2.3流域水文地质特征

2.4流域生态环境状况

2.4.1整体状况

2.4.2区域状况

2.5研究基础

2.5.1遥感数据

2.5.2基础数据

2.5.3属性数据

2.6本章小结

3生态环境遥感信息提取应用研究

3.1引言

3.1.1信息提取研究概述

3.1.2基于分层分类方法的生态环境信息自动提取

3.2分类标准体系划分

3.2.1土地利用分类

3.2.2土地沙漠化分类

3.2.3土壤盐渍化分类

3.2.4植被覆盖度分类

3.2.5植被类型分类

3.3遥感信息提取

3.3.1遥感数据预处理

3.3.2解译标志建立

3.3.3知识库设计

3.3.4专题信息提取

3.4信息提取精度评价

3.5本章小结

4海量数据建库关键技术研究

4.1引言

4.1.1数据库存储技术研究进展

4.1.2数据库在流域生态环境领域的应用

4.1.3研究区数据库建设状况分析

4.1.4研究区数据库构建技术路线设计

4.2研究区数据分析整理

4.2.1基础数据源

4.2.2数据分析整理

4.3海量数据库构建关键技术

4.3.1要素编码设计

4.3.2数据组织设计

4.3.3无缝数据拼接

4.3.4特征数据表设计

4.3.5一键入库设计

4.4数据库优化设计

4.4.1服务器配置优化

4.4.2 ArcSDE存储优化

4.5数据库安全设计

4.5.1设计总体需求

4.5.2数据库安全设计

4.6本章小结

5研究区生态环境动态变化分析

5.1引言

5.2研究方法与度量指标选择

5.3研究区生态环境动态变化分析

5.3.1上游土壤盐渍化的动态变化

5.3.2干流土地利用的动态变化

5.3.3下游生态环境的动态变化

5.4研究区生态环境变化驱动因子分析

5.5本章小结

6基于RS、GIS的研究区天然植被生态需水量计算

6.1生态需水概述

6.2研究区天然植被分布及生态需水特征

6.2.1研究区天然植被组成

6.2.2干流天然植被生态需水特征

6.3基于生态水文过程的土壤-植被-大气连续体水循环生态过程识别

6.3.1 SPAC系统水分循环过程

6.3.2 SPAC系统水量平衡关系

6.4研究区天然植被生态需水量计算

6.4.1计算模型与量化流程

6.4.2模型中主要参数的确定

6.4.3计算结果分析

6.4.4面向可持续发展的流域生态建设

6.5本章小结

7总结与展望

7.1研究总结

7.2主要创新点

7.3展望

致谢

参考文献

附录