基于多源遥感的桐乡市水系格局演变研究.pdf
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1、基于多源遥感的桐乡市水系格局演变研究徐晨凯1,王珂1,2,黄璐1,2(1.浙江大学环境与资源学院,浙江杭州310058;2.浙江大学新农村发展研究院,浙江杭州310058)摘要:【目的目的】浙江省桐乡市水系受人类活动干扰巨大,定量评估桐乡市水系的演变过程对其未来水系优化布局与城市可持续发展具有重要意义。【方法方法】基于 1975、1998、2005、2012、2016、2019 年 6 期多源遥感影像与土地利用调查数据,采用目视解译方式获取水系数据,使用河网水系指标、景观格局指数、空间叠加分析等方法定量研究桐乡市河流和池塘的数量、结构、形态、功能、空间分布变化规律与原因。【结果结果】桐乡市河流
2、长度和面积在 2005 年前保持增加,在快速城镇化时期剧烈衰减,到 2016 年后快速恢复。级河流持续增长,支流在各个时间阶段变化显著。河网密度、支流发育系数、分形维度在整个过程中先增加再减小最后快速增加,河流水面率持续上升但在高速城镇化时期增速明显滞缓,河网环度与实际结合度不断波动并在 2016 年达到峰值。河网密度在近郊与远郊的变化远大于市区。在 2005 年前,河流水面率变化市区远郊近郊,开始快速城镇化后,市区近郊远郊。远郊的支流发育系数变化最不显著。桐乡市池塘面积同样经历了先增加后减小最后快速增加的过程,结构组成不断变化,养殖坑塘的激增是池塘面积改变的主要因素。池塘形态在发展中逐渐规整
3、,分布先聚集后离散最后重新连片,并在西部远郊区域产生大规模聚集。【结论结论】桐乡市不同时期水系变化受城市发展政策影响巨大,具有明显的阶段性,造成地方水系变化的主要原因包括城镇化发展、农业结构调整、生态治理与修复,与同类型平原水网城市变化特征存在异同。图 3 表 8 参 36关键词:多源遥感;水系格局;时空演变;桐乡市中图分类号:P331文献标志码:A文章编号:2095-0756(2024)02-0419-10WaterpatternchangesofTongxiangCitybasedonmulti-sourceremotesensingdataXUChenkai1,WANGKe1,2,HUA
4、NGLu1,2(1.CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,Zhejiang,China;2.TheRuralDevelopmentAcademy,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,Zhejiang,China)Abstract:ObjectiveTongxiangCityofZhejiangProvinceisatypical“canaltowninsouthoftheYangtze”.Itswatersystemhasbeengreatlydis
5、turbedbyhumanactivities.AssessingthechangesofthewatersysteminTongxiang is of vital importance to optimize the water pattern and enhance the sustainable development.MethodBasedonsixmulti-sourceremotesensingimagesandlandusesurveydatafrom1975,1998,2005,2012,2016and2019,thewatersystemdatawereobtainedbyv
6、isualinterpretationmethod.Thequantitativechangesinthenumber,structure,shape,function,andspatialdistributionofriversandpondsinTongxiangsince1975,werestudiedusingrivernetworkwatersystemindicators,landscapepatternindices,andspatialoverlayanalysis.Result(1)ThelengthandareaofriversinTongxiangincreasedbef
7、ore2005,declinedsharplyduringtheperiodofrapidurbanization,andrecoveredrapidlyafter2016.ThelengthandareaofClass-I收稿日期:2023-05-06;修回日期:2023-09-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(41971236)作者简介:徐晨凯(ORCID:0000-0001-9486-5870),从事资源评价与规划研究。E-mail:。通信作者:黄璐(ORCID:0000-0002-4552-1403),副研究员,博士,从事景观生态可持续性研究。E-mail:浙江农林大学学报,20
8、24,41(2):419428Journal of Zhejiang A&F Universitydoi:10.11833/j.issn.2095-0756.20230288riversincreasedinallphases,butthetributarieschangedsignificantly.(2)Therivernetworkdensity,tributarydevelopment coefficient,and fractal dimension increased first,then declined,and finally increased rapidlythrougho
9、ut the process.The river water surface rate continued to grow but the growth rate stagnatedsignificantlyduringtheperiodofrapidurbanization.Theringdegreeofrivernetworkandtheactualintegrationdegreefluctuatedcontinuouslyandreacheditspeakin2016.(3)Thevariationofrivernetworkdensityinsuburbanandexurbswasm
10、uchlargerthanthatofurbanareas.Before2005,thechangesofwatersurfaceratewerelargerinurbanareathanthatinexurbsandsuburbs.Butduringtherapidurbanizationperiod,thechangesofwatersurfaceratewerelargerinurbanareathanthatofsuburbsandexurbs.Thechangesoftributarydevelopmentindexwasnotsignificantinexurbs.(4)Thear
11、easofpondexperiencedthesameprocessasthatoftheriver.Itfirstincreased,thendecreasedandfinallyincreasedrapidly.Andthestructureofthepondwasconstantlychanging.Theproliferationoffarmingpondswasthemainfactorinthechangeofpondarea.Theshapeofthepondbecameregularduringthedevelopment,anditsdistributiongathered,
12、thendispersed,andfinallyreconnected.Large-scaleaggregationofthepondoccurredininthewesternofexurbs.ConclusionThechanges in the water system of Tongxiang in different periods have been greatly influenced by urbandevelopmentpolicies,mainlyincludingurbanizationdevelopment,agriculturalstructureadjustment
13、,ecologicalgovernance,andrestoration,andshowedobviousperiodicity.Thecharacteristicsofchangesinplainwaternetworkcitiesofthesametypearesimilaranddifferent.Ch,3fig.8tab.36ref.Key words:multi-sourceremotesensing;watersystempattern;spatialandtemporalevolution;TongxiangCity河湖水系维系着城市生态系统的稳定与发展,同时肩负着行洪排涝、蓄水
14、调节的功能,是城市水资源的重要载体,是生态环境的重要组成部分,是经济社会发展的重要支撑1。随着城市化进程的推进,人类活动严重影响了城市原有的水系格局,部分区域水质恶化、连通受阻、抵御灾害能力减弱,引起了一系列水生态、水安全问题,制约了城市的可持续发展2。因此,研究水系在城市发展中的演变规律已成为地理、水文、生态和城乡规划等多学科交叉的热点问题。国外学者早在 20 世纪 50 年代就提出了 HORTON 定律3和STRAHLER 分级法4,并广泛运用于自然河道的提取与分级排序工作中,为河流结构研究奠定了基础。他们侧重于预测流域河道形态的变化,常采用时空替代、相关性分析、回归分析等方法构建河流演变
15、模型,研究河流对城市化的响应规律56。一些学者总结了流域内的河流损失与土地利用变化相关的时空模式7,另一些学者关注城市水系变化的驱动因素,发现人类工程活动是城市发展中造成河流变化的主要原因8,并发现主干河流的修复对城市水系重构有积极的影响9。相比之下,国内的研究起步较晚,一开始侧重于研究水系的演变规律。通过获取各时期城市内的河流信息化数据,使用水系指数法、多重分形理论、地理加权模型等方法研究水系时空变化特征以及城市化下的空间响应1017,研究区多集中在长江三角洲1820、珠江三角洲21等城镇化发展较好且水网密布的平原地区。近年来,研究开始逐渐转向水生态文明城市概念和内涵的探讨2223。当前对水
16、系演变的研究由于数据的局限性,历史水系数据都是将地方行政部门提供的纸质地形图进行数字化获得,主要分析大面积流域内主干河流的宏观变化特征2426,忽视了细小径流在历史进程中的变化。同时现有研究大多关注河流及总水面的变化,较少考虑水系类型特别是池塘的变化,研究的详细性和系统性不足。如今,随着美国锁眼侦查卫星影像27以及航摄相片的解密,可以获得 20 世纪较高分辨率的影像数据。本研究通过土地利用调查数据与影像数据目视解译相结合的方式提取研究区的水系数据,同时将水系根据功能进一步划分成主干河流、支流、景观池塘、坑塘水面、养殖坑塘,使研究小区域范围水系的精细布局与变化成为了可能。桐乡市水乡特色鲜明,随着
17、工业化、城市化的快速发展,不少池塘和河流因发展空间和耕地占补平衡的需要而消失。定量研究桐乡市改革开放以来各时期的水系演变特征与驱动原因,分析水乡城市水系历史演变规律,对高水平建设现代江南水乡、城市可持续发展等具有重要指导和应用价值。420浙江农林大学学报2024 年 4 月 20 日1数据来源与研究方法1.1研究区概况浙江省嘉兴市桐乡市位于浙北平原地区,杭嘉湖平原腹地,30283048N,1201712040E,行政区下辖 3 个街道和 8 个乡镇。为了分析研究区内水系演变在城市化程度不同区域内的演变特征,定义市政府所在的梧桐街道为市区,与市区直接接壤的 6 个街道与乡镇为近郊,远离市区不直接
18、与之相邻的4 个乡镇为远郊。桐乡市境内河流属长江流域太湖运河水系,京杭大运河斜贯全境,全市有骨干河道47 条,组成纵横交错的水利引排灌溉渠道和水上运输网络。桐乡市行政区划分与城市主要水系分布见图 1。1.2数据来源考虑到数据的可获得性以及桐乡市不同阶段发展政策的差异,选取了 1998、2005、2012、2019 年4 个时间节点。通过新闻报道和对当地居民的调研,发现桐乡市居住区的水环境在 2016 年前后发生了明显变化,因此,将 2016 年作为 20122019 年的中间节点,并将其纳入到分析过程中。为了准确了解改革开放前的水系格局,选择经过解密的美国锁眼侦查卫星 KH-9 在 1975
19、年的影像作为原始对照。选取的影像数据成像时间均为当年的冬季,云量小于 10%,具体参数与来源信息说明详见表 1。以不同时期土地利用调查数据为基础,通过对遥感影像的目视解译来提取不同时期的水系数量和分布数据。1975 年水系面状矢量数据以可获取的最早土地利用调查数据(1988年)为底图,通过遥感影像目视解译获取。另外 5 期的水系面状矢量数据以对应年份的研究区土地利用变更调查数据(1998、2005、2012、2016 年)、第 3 次全国土地调查数据(2019 年)为基础目视解译获取。在ArcGIS中将解译得到的面状河流水系转换为栅格,使用软件中针对栅格的中心线自动捕捉工具获取线性河流矢量数据
20、,对自动提取的结果进行手动修正,提高数据的准确度。河流面积和河流长度分别指河流水面面积和河流中心线长度,使用河流水系面状矢量与线性矢量计算获得。池塘的实际功能一般分为景观池塘、坑塘水面和养殖坑塘。由于土地利用调查数据中已有坑塘水面与养殖坑塘 2 类数据,因此本研究在分类时直接参考了这 2 类池塘。目视解译获取的新增池塘,通过比对同期确定功能的池塘的形态、结构及周边地类分布情况来判断其是否为养殖坑塘。同时,本研究将公园绿地和旅游景区内部的池塘水面归类为景观池塘。各时期的水系数据在进行目视解译时均由当地政府提供的土地利用调查数据为基础,真实性高,精度可满足后续的研究要求。本研究使用的所有土地利用调
21、查数据与村镇级行政区矢量数据均由桐乡市自然资源和规划局提供。表1研究使用的影像数据来源及说明Table1Sourcesanddescriptionsoftheimagedataused影像名称成像年份空间分辨率/(mm)来源锁眼侦查卫星KH-9影像197566美国地质勘探局(USGS)浙江省黑白航摄相片199811桐乡市自然资源和规划局土地变更调查全彩航摄相片200511桐乡市自然资源和规划局资源三号卫星影像201222桐乡市自然资源和规划局高分二号卫星影像201611中国资源卫星应用中心高分二号卫星影像201911中国资源卫星应用中心0510 km乡镇街道主要池塘主干河流市区北近郊远郊图1桐
22、乡市概况与主要水系分布Figure1Overview of Tongxiang City and the distribution of majorwatersystems第 41 卷第 2 期徐晨凯等:基于多源遥感的桐乡市水系格局演变研究4211.3研究方法考虑到水系的景观生态功能与社会属性,以河道的平均宽度作为划分依据,对河流进行了分级12,20。其中,将河道平均宽度大于 40m 的河流定为级河流,2040m 为级,小于 20m 定为级。级与级河流统称为主干河流,构成了研究区水系的骨架。针对平原水系的特征,参考国内外相关研究常用的水系特征参数与表征指标2830,选用统一的指标识别并定量评价
23、不同时期桐乡市河网水系格局。选取的河网结构指标包括描述河网数量特征的河网密度(Dr)、河网水面率(Wp);描述河网形态特征的支流发育系数(K)、分形维度(D0);描述河网连通性的水系环度()、实际结合度()。由于池塘在空间中分散且相互之间不连通,为了分析池塘分布结构和形态的变化特征,本研究采用景观格局指数法31对池塘斑块进行了定量计算。选用的景观指数包括景观形状指数(LSI)、几何最近邻距离加权平均指数(ENNAW)和聚合度指数(AI)。2结果与分析2.1河流水系变化特征2.1.1各级河流变化按照河流功能与宽度对桐乡市的河流进行分级,统计各级河流在历史各时期的长度和面积变化(表 2)。桐乡市的
24、主干河流在 1998 年相较 1975 年增加了 8.29%的长度和 30.95%的面积,其中级河流的长度增加了 102.40%。尽管级河流数量最少,但在 19982016 年,桐乡市级河流长度持续增加,仅在 20162019 年略微减小。在 40a 间,级河流的长度和面积不断波动,总体略有减小,其中长度和面积的降幅分别为 6.25%和 10.62%。支流是桐乡市河流水系变化的主要因素,其长度在所有河流中占比最大,各时期变化幅度也较为明显。仅有 1975 和 2005 年,支流面积大于主干河流,其余年份支流面积均小于主干河流。在 2012 和 2019 年,支流长度和面积接近,但整个过程中有明
25、显减小和重新增加的趋势。表2各级河流长度和面积的变化Table2Changesinlengthandareaofriversatalllevels河流等级河流长度/km河流面积/km197519982005201220162019197519982005201220162019年主干河流58.18117.76135.87149.46179.12167.223.136.097.778.448.819.78511.75499.41415.77470.95389.83468.2012.2814.0911.1212.5010.3812.59合计569.93617.17551.64620.42568.9
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