第1章 绪论
自 1750 年工业革命以来，自然环境的恶化程度与工业文明为人类带来的物质财富反比增长。特别是进入 20 世纪 50 年代以后，随着社会生产力水平的不断提高及社会经济的发展，人类对环境的影响范围和强度都在不断加大，由此引起的生态环境问题也在不断扩大和加剧，如水土流失，土地荒漠化，森林和草地资源减少，生物多样性减少等，这些都严重阻碍了社会的安定及经济的持续发展。实践证明，哪里注重生态环境的保护、建设、合理开发和经营，哪里就会获得巨大的经济效益、环境效益和社会效益，实现科学发展、可持续发展。因此近年来人们越来越重视生活质量的提高，对生态环境问题的关注越来越多，政府也提出了“生态环境也是一种生产力，保护生态环境就是保护生产力，建设生态环境就是发展和创造生产力”的理念，且已经采取了一系列保护及重建措施，但生态环境恶化仍是全球面临的最主要问题之一。了解和认识生态环境变化的原因，抑制生态环境恶化的趋势，协调经济发展与环境保护之间的关系，走可持续发展的道路，己成为世界各国的重要课题，成为国际社会普遍关心的焦点之一[1]。流域作为社会-经济-自然的庞大复合生态系统，其形成受自然地理、气候条件、人类干扰等因素的影响，是多因素综合作用下的产物。因此，对流域的综合开发一定要遵循区域地理环境整体性和差异性原则，全面、综合、系统地进行，从而推动流域社会、经济、生态的可持续发展。考虑到生态系统的开放性和复杂性，在国际上，以一个流域为完整的生态单元进行生态系统管理，以保持流域内的生态平衡，促进流域经济社会的可持发展，己经被视为一种一体化的综合管理模式及实现可持续发展的途径。同时，在全流域尺度上能够较为准确地掌握其生态环境及资源的质量数量的空间分布，对于制定流域宏观规划和宏观监督具有重要作用。
第2章 研究区概况
2.1 研究区的界定
研究区界线的确定是进行流域研究的前提。传统的流域确定方法是按实际测量数据在地形图上勾勒出界线再将其数字化，为了便于研究，也有学者将河流流经的行政单元作为整个流域范围。随着计算机技术和 RS、GIS 技术的发展，直接从数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）中提取流域范围及水文信息已成为当前研究流域地貌等信息的一种重要手段。目前从 DEM 提取河网从而确定流域范围的方法主要有：Greysukh、Pekuker、Douglas 等人提出的利用谷地连成河网法，O.Callaghan、Mark 等人[26]提出的利用流向信息识别河网法，Yoeli 提出的利用谷线搜索提取河网法以及叶爱中、夏军等人[27]提出的自动提取河网划分子流域的方法。这些方法在许多学者对流域水文特征的研究中得到了很好的运用，特别是第二种方法，已被 ESRI公司推出的 ArcGIS 软件所采用。本文采用来自 CGIAR-CSI 网站提供的 SRTM 分辨率为 30 米的 DEM 数据，pA-GIS 网站提供的新疆边界矢量数据[28,29]，利用ArcGIS9.3软件的Arc Hydro水文数据模型，进行特克斯河流域范围的提取与确定。具体流程见图 2-1 所示：
上述处理流程主要包括以下几个步骤：1. 坑洼填充：该过程是为了消除洼地与尖峰所造成的逆流现象，以便提高流域界线提取的精度。但在 DEM 中有些洼或尖峰真实地形的表现，因此，在填充之前要计算洼地的深度，设置合理的阈值进行填充。2. 流向的确定：确定 DEM 各栅格单元的水流方向是进行地表水文分析的基础。流域空间内地表径流总是从地势高处向地势低处流动，最后经流域的最低点排出流域[30]。在 Arc Hydro 中，利用 Flow Direction()函数来确定流向，该函数采用 D8 算法计算中心单元格与其他相邻单元格的落差，从而确定中心栅格的水流方向。3. 汇流量计算：汇流量的计算是基于水流方向数据统计而来的，其目的是为了确定河流网络，进而确定子流域界线。在 Arc Hydro 中，FlowAccumulation( )函数用以计算汇流累积量数值矩阵，该矩阵数值表示所有流入单元格的累积上游单元格数目，汇流数值越大，说明该单元格越易形成地表径流。4. 河网提取：当汇流量达到某一值后，就会形成地表径流，大于等于该临界值的栅格单元则会构成河流网络。阈值的大小将会影响潜在河流的密度，因此在初始进行分析时，要选择从小到大的几个阈值，观察提取出的河道详细程度，与现有地形水系资料进行对比，最终确定阈值的大小。本文通过不断的实验和利用现有地形图进行验证，最终确定 17000 为研究区的集流阈值。5. 流域界线确定：河网数据生成后，可通过流域出口点确定整个流域的范围。本文在缺少流域出口数据的情况下，以河流的结点作为流域出口点，得到研究区的子流域。通过 GIS 的空间分析功能，合并碎小流域，形成大的研究区范围。由于特克斯河为国际河流，叠加新疆行政界线，最终确定位于我国的流域范围。下图 2-2 为所提取的研究区范围及水系分布图。
2.2 自然环境特征
2.2.1 地理位置
特克斯河流域位于新疆伊犁哈萨克自治州境内，地理位置介于东经 80°9′～83°43′、北纬 42°15′～43°36′。流域南起天山主脉哈尔克他乌山，西端深入哈萨克斯坦共和国，东北部与巩乃斯河流域相连归属于伊犁河流域。全流域总面积为 27671.6km2，位于我国境内的面积为 23168km2，涉及到新疆伊犁哈萨克自治州和巴音郭楞蒙古自治州的 5 个县区。特克斯河流域包括山区、山间盆地、山麓倾斜平原、河谷平原区，是一个相对完整独立的自然综合体。
2.2.2 地形地貌
特克斯河流域位于新疆伊犁河谷东南缘，是伊犁河流域的重要组成部分。南部主要是哈尔克他乌山，山脉呈东西偏北走向，平均海拔在 3000m 以上，终年积雪区是流域内众多支流的发源地。哈尔克他乌山和中天山乌孙山之间为昭苏盆地和特克斯谷地。昭苏盆地由山前冲积-洪积倾斜平原和特克斯河阶地组成，属高位盆地，海拔在 1600~1900m 地形平坦开阔，是新疆主要的粮油牧草产区。特克斯谷地呈南西-北东走向，自西向东倾斜，长 70 余公里，宽 10~20公里，海拔 1200~1800m。
2.2.3 气象气候
特克斯河流域南部的天山主脉，是阻挡南疆塔克拉玛干沙漠干热风的天然屏障，北部的中天山山脉减弱了来自北冰洋的寒冷气流，而向西敞开的地形使来自大西洋、黑海和巴尔喀什的暖湿气流可以长驱直入，这使得该流域内的气候呈大陆性北温带气候。其特点是四季分明，冬长夏短、春温回升快而不稳，秋温下降迅速。受地形影响，山区与平原气候差异显著，冬季平原寒冷少雪，山区有逆温带则温暖雪厚；平原夏季炎热短促，山区凉爽无夏。流域内设有昭苏气象站和特克斯气象站，据两站多年的气象观测资料分析显示，流域内年降水量随高程增加而递增，年蒸发量、年平均气温随之而递减。流域内年降雨主要集中在 4~9 月份，占全年降雨量的 80%，多年平均降雨量为 400mm，年均温为 4.2°，年均蒸发量为 1358mm，年无霜期 150~179d，年平均风速为 2.25m/s，另外流域内多雷暴和冰雹，是该区农业生产的主要自然灾害。
2.2.4 河流水系 ...................................................................................24
2.2.5 土壤植被 ..................................................................................24-25
2.3 社会经济条件 ..................................................................................25
2.4 流域生态环境状况.................................................................................. 25-27
第3章 生态环境质量评价模型的建立 ..................................................................................27-32
3.1 流域生态环境评价指标体系的建立 ..................................................................................27-29
3.1.1 评价指标选取的原则.................................................................................. 27
3.1.2 评价指标体系的建立 ..................................................................................27-29
3.2 流域生态环境评价方法的构建.................................................................................. 29-32
3.2.1 生态环境质量评价的基本方法.................................................................................. 29-31
3.2.2 生态环境评价标准.................................................................................. 31-32
第4章 数据预处理及评价指标的提取.................................................................................. 32-55
4.1 数据来源及信息提取技术流程 ..................................................................................32-34
4.1.1 数据来源 ..................................................................................32-33
4.1.2 遥感信息提取技术流程 ..................................................................................33-34
4.2 数据预处理.................................................................................. 34-38
第5章 研究区生态环境质量动态变化研究.................................................................................. 55-65
5.1 研究区生态环境状况综合指数的计算 ..................................................................................55-56
5.2 研究区生态环境质量动态变化分析 ..................................................................................56-65
第6章 结论
本文以国家863计划(2008AA121504) 协作项目——“干旱区资源与环境遥感监测”为依托，选取研究区三期遥感影像为主要数据源，结合大量相关统计资料，采用RS与GIS相结合的方法，运用生态环境质量综合评价方法，较系统的评价了特克斯河流域生态环境的动态变化，得到了较为理想的效果，并生成了研究区土地利用/覆盖类型图、植被覆盖等级图、土壤侵蚀空间分布图，对客观认识研究区的生态环境状况、合理开发流域内的资源及生态保护措施的实施都具有积极的参考价值及指导意义。本研究主要取得了以下成果：(1) 在《生态环境状况评价技术规范》（HJ/T192－2006）规定的生态环境评价一般性指标评价的基础上，结合特克斯河流域现存的生态环境问题，选取了生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数4个一级指标及其下的14个二级指标作为参评因子，构建了研究区生态环境评价体系。(2）以特克斯河流域1990年、2000年和2010年TM/ETM遥感影像为数据源，采用分层分类方法，得到研究区的土地利用/覆被专题图，并进行了精度评估，分类精度分别达到了81.7%，82.7%，86.6%，分类的精度保证了后继各类土地资源面积统计工作的可靠度，因而研究结果也具有较高的准确性。(3) 基于像元二分模型原理，通过设置置信域，计算了研究区植被覆盖度，并制作了植被覆盖度等级图，为实现土壤侵蚀反演提供了可靠的植被因子信息。(4) 在GIS技术的支持下，通过对影响土壤侵蚀的各因子进行空间叠加分析，得到研究区三期土壤侵蚀信息，并制作了土壤侵蚀强度等级图，分析研究区域土壤侵蚀的整体特点及空间分布特征，为深入分析研究区土壤侵蚀动态变化提供了直观的图面资料。(5) 通过建立生态环境综合指数计算模型，计算了研究区三期生态环境综合指数，并对各参评因子进行了分析。分析发现生物丰度指数、植被覆盖指数与生态环境质量呈现高度的正相关性，而这两个指数的变化取决于研究区内林地和草地面积的变化，所以在进行生态环境的保护和管理时，应加强草地的管理，控制放牧强度，增加天然草地的培育和改良。保护河谷次生林，提高研究区绿地面积。
本文在特克斯河流域生态环境质量评价的基础上进行了一些有益的研究，由于自身水平及客观条件的限制，在研究的理论及方法中遇到的实际问题还需要做进一步的深入探讨。(1). 本文所用遥感数据为 30 米分辨率的 TM/ETM 影像，分辨率不高，加上个人在遥感图像处理分析上的知识有限，这在一定程度上影响了分类的结果。今后可采用高分辨率影像，并加强相关地物特征的分析，以便进一步提高影像的分类精度。(2). 本文仅选取了三期遥感影像对研究区的生态环境质量动态变化进行了研究，时间跨度为 20 年。虽能说明生态环境质量演变的趋势，但不利于分析导起生态环境质量变化的驱动力，因此，今后应采用多时段的遥感数据进行研究。(3). 由于生态环境本身是一个巨系统，引起其质量变化的因素错综复杂且具有相对性。本文只选取了最具代表性的 4 个指标，虽得到 1990 年-2010 年间研究区生态环境质量变化的一般特点，但仍然是初步的，其他因素有待于进一步的详细分析与研究。(4). 本文主要总结出了一整套基于 RS 与 GIS 的生态环境遥感监测方法及评价方法，但未能建立研究区生态环境质量监测与评价系统。