第 1 章 绪论
1.1 选题背景与研究意义
1.1.1 选题背景
人类以群居为主要生活方式，城市是人类活动的主要聚集地，科学技术的进步使得人类的居住环境不断改善。“城市化”成为当下的焦点词汇，这一过程极大的影响着人类社会发展，“城市化”不仅体现了当前经济发展的主要方向，同时也是衡量一个区域经济水平高低的重要标志。
在城市化进程中，人类通过不断对自然地表进行改造，创造更加适宜生产和生活的土地利用类型，以提高生产便利性和生活质量。这一过程改变了城市原本的景观格局。对一个城市而言，城市土地利用结构就是其各类型土地的占地比例在空间结构上的相互作用关系。近些年，在世界经济快速增长的大背景下，我国城市扩张速度加快，现代化城市建设成为主流，引起土地利用/覆被变化速度加快[1-2]，这也导致城市结构产生了较大的变化。合理的规划和使用土地，能够对社会经济和自然环境产生极大的良性影响[3-7]，提高土地利用的效率对经济有直接的促进作用，也能推动环境系统良性循环[8]。
湖泊水体是地表水的重要组成部分，湖泊水质的好坏也是衡量环境优劣的重要参考。湖泊水质往往受到土地利用/覆被变化直接或者间接影响[9-10]，例如在城市化过程中快速扩张的不透水表面（Impervious Surface Area, ISA），它通过改变城市地表结构，在很大程度上阻隔了地表水与地下水之间的交换，同时增大了地表径流的速度和流量，在与湖泊物质交换过程中使大量无法降解和吸收的污染物流入湖泊中，致使水体富营养化[11]；不透水表面导致城市热岛效应加剧，使水体温度升高，最终导致蓝藻水华爆发等；耕地和草地则会使水体中氨氮磷等元素增多[12-13]。大量研究表明，土地利用/覆被变化引起的非点源污染是导致湖泊水质恶化的主要原因，不同的土地利用/覆被对水质有很大的影响。
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1.2 研究综述
土地利用/覆被变化（land use cover change）简称 LUCC，是人类改变环境的重要表现，是城市发展的重要产物，也是城市环境改变的重要因素之一[27-28]。利用遥感手段进行监测是目前使用最广泛的方法。人类通过对土地资源的使用和改变，从而获取更多的自然资源。遥感技术的发展使得对地观测变得简单、快速、精确，利用多源遥感数据获得长时间序列上大范围的土地利用/覆被变化信息，可以快速有效的分析局部环境变化诱因和过程[29]。
水质是衡量水环境优劣的标志，湖泊水体通过其自身的生物、化学以及物理反应，以水质化学指标的形式表现出来。近年来，各种指标监测检验设备快速迭代，在各类高性能传感器的支持下，水体中化学指标和水质参数的获取周期变快，精度有了显著提高，这让学者更容易监测水环境变化过程。
土地利用/覆被变化与区域环境的相关研究以及湖泊水质相关研究已经成为近年来国内外学者的研究热点问题，利用 RS 技术和 GIS 技术探索流域尺度内土地利用与水环境的响应过程，是该问题的主要研究方法。结合本文研究的主题，通过梳理归纳国内外学者在土地利用覆被变化监测提取方法和 LUCC 与水质相关性这两个问题最新的研究动态，从两个方面对其进行总结。
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第 2 章 研究区域及数据预处理
2.1 研究区概况及数据来源
2.1.1 研究区概况
昆明市是云南省经济发展中心，也是国家“一带一路”发展战略重要城市。本文以滇池流域为研究区，滇池流域是云南省省会城市昆明市的重要组成部分，也是昆明市人口和经济的主要聚集区，滇池流域地处西南高原，属于北亚热带湿润季风气候，具有明显的低纬度高原疾风气候特征，雨量充沛，降水时间长，主要集中于每年 5 月~10 月，滇池流域总面积为 2843.16km2，流域内囊括昆明市大部分行政区，包括五华区、官渡区、西山区、呈贡区、海口区以及晋宁区等多个主城区，流域中主要水体是位于流域中心处的滇池。
滇池坐标跨度 24°28′13″N~25°27′26″N、102°29′14″E~103°00′51″E。滇池水面面积 298 km2，约占流域总面积的 10.4%，库容水量约 13 亿立方米，除滇池西岸因地形为山地无法开发，其他沿岸地区均已有较完善的开发建设。环滇池散布10 余个湿地公园，负责调节水质和生态环境。滇池流域的水系由汇入滇池的 21条河流构成，主要有洛龙河、梁王河、大河、柴河、宝象河、捞鱼河、东大河以及盘龙江组成，其中以盘龙江最长。流域内地貌以山地和丘陵为主，山地中植被覆盖较好，部分丘陵植被有不同程度的破坏。流域中耕地包括旱地和水田两种类型。研究区域如图 2 所示：
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2.2 遥感影像预处理
2.2.1 辐射校正
受制于遥感系统自身限制，对地物信息难以完全准确记录，所以通常获取的影像与真实的地物信息存在一定误差。这些误差在图像分类和地物识别过程中会产生一定的影响，导致终的分类结果与实际地物有较大不符。因此在图像分类分析之前，需要对图像进行一定的预处理。几何校正目的是纠正原始图像中的几何扭曲与变形，辐射校正则是对图像中存在的模糊和噪音的纠正，以得到一个真实的图像。
传感器在获取影像时，拍摄角度并非完全的俯视角度，因此在原始图像中地物的几何位置形状、大小、尺寸、方位等特征与其对应的地面地物的特征往往是不一致的，通过几何校正可以消除遥感影像与真实地物形态上的差异。美国地质勘探局（USGS）发布的 L1 级遥感产品已经经过系统的几何校正，因此在本文研究中就直接采用了经过校正的遥感数据。
辐射校正指光学遥感数据获取过程中，对产生的一切与辐射有关的误差的校正，其中包括辐射定标与大气校正，三者关系如下图 2.3 所示：
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第 3 章 土地利用分类及空间分析方法 ............................... 18 3.1 土地利用/覆被变化信息提取方法 ................................ 18
3.1.1 建立土地利用/覆被变化分类系统 ................................. 18
3.1.2 监督分类与非监督分类 .............................. 18
第 4 章 滇池流域土地利用/覆被变化的时空过程分析 ...................... 31
4.1 流域土地利用信息提取及精度检验 .......................... 31
4.2 滇池流域各类型土地面积转移分析 ................................... 33
第 5 章 滇池水质变化过程分析和滇池水质与流域土地利用变化的相关性分析 ......................... 42
5.1 滇池水质变化趋势 ....................... 42
5.2 距离衰减与空间交互作用下滇池子流域的空间影响力 ........................... 45
第 5 章 滇池水质变化过程分析和滇池水质与流域土地利用变化的相关性分析
5.1 滇池水质变化趋势
为匹配滇池流域土地利用变化特点，在研究滇池水质变化情况时将研究年份分为 1999 年~2008 年和 2009 年~2013 年两个阶段进行趋势度分析。
（1）滇池草海与外海
滇池以海埂大坝为界，北侧为滇池草海，南侧为滇池外海，滇池草海占整个滇池水面面积的 3.3%，水体富营养化严重。滇池草海深入昆明市五华区，南侧与滇池相连，大观河、西坝河河水由此汇入滇池。20 世纪 60 年代昆明市大力开展“围湖造陆”行动，对滇池草海水质造成了巨大的破坏，但近几年随着滇池水质治理行动的开展，草海水质已经逐年变好，在 2018 年滇池水质监测报告中，滇池草海水质已经由Ⅴ类转为Ⅳ，水质轻度污染。
由表可知，草海区域内水温上升明显，通过了? = 0.05显著性检验，特别是1999 年~2008 年间，通过了? = 0.01显著性检验，草海由于面积远小于外海并且相比外海更靠近主城区，1999 年~2008 年间主城区扩张显著，这引起更多热岛效应，因此草海水温增加显著，这也是后来导致滇池蓝藻水华爆发的主要原因之一，2008 年后水温存在一定波动，变化显著性降低；草海中 PH 和高猛酸盐均有上升趋势，并且通过了? = 0.05显著性检验，斜率分别为 0.023 和 0.17；溶解氧也呈现上升趋势，通过了? = 0.01显著性检验，斜率为 0.133；化学需氧量和叶绿素呈现下降趋势，并且都通过了? = 0.01显著性检验，经过 Theil – Sen 检验斜率分别为 – 2.52 和-0.006，下降趋势显著，在 1999 年~2008 年间，这两种化学指标也呈现出显著下降趋势，分别通过了? = 0.1和? = 0.05显著性检验；氨氮、总磷、总氮在 1999 年~2008 年间呈上升趋势，并且都通过了? = 0.01显著性检验，这是由于在 2008 年以前，草海周围分布大量耕地，农药和化肥残留物通过雨水等被带入草海中，引起水质中氮磷等化学物质增加，而后随耕地逐渐减少且分布疏散，氨氮、总磷和总氮呈下降趋势但未通过显著性检验。
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第 6 章 结论与展望
6.1 本研究的主要结论
近 30 年来，昆明市发展迅速，滇池周边开发速度不断加快，本文研究中通过对滇池流域 1999 年~2013 年间的土地利用/覆被变化情况分析，发现流域内土地利用/覆被类型发生了显著的改变，这一变化对滇池的水环境造成了巨大的影响。大量的耕地、林地的开发使用对城市环境自我净化能力带来更多的负担，这一问题也是制约滇池流域乃至昆明市环境优劣的关键点。
过度开发以及城建用地巨量增加导致滇池流域水环境平衡被破坏，除滇池西侧为陡坡山区外，均被大量开发，这是导致滇池水质恶化的重要因素，昆明逐渐发展成以滇池为中心，向四周辐射的扩张趋势，最终致使城市包围滇池；研究发现，昆明市主城区以及呈贡部分区域中草地等绿化用地随年份增加明显增多，且出现范围逐年变大，这标志着人们对优质生态环境的需求日益增加，对改善滇池水质有益。
通过分析各土地利用类型的空间影响力，并结合土地利用变化情况，导致各类土地利用类型空间影响力发生变化一方面是由于人类改造环境使土地原始结构变化造成，另一方面也不可忽视距离差异导致的近滇池则影响力大，远离滇池则影响力小；从相关性折线图中也发现城建用地对多数水质参数存在显著的相关关系，其中很大部分是因为城建用地距离滇池较近造成的。林地对水质有促进作用，但由于林地均远离滇池，对滇池影响力有限，研究中也发现林地对水质产生影响相比其他三类土地利用类型滞后时间更长。
参考文献（略）