第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
湖泊作为地表覆盖的重要组成部分之一，是大气圈-水圈-岩石圈-生物圈等相互作用的连接点，是全球变化的指示器（沈吉，2009）。其变化以及所产生的生态环境效应是地质、气候事件和人类活动综合作用的结果。同时，湖泊所具有的防洪蓄水、旅游休憩、调节气候等功能是可持续发展的重要推手（刘永等，2007；蔡海生等，2010）。
近年来，区域自然环境变化和人类活动的干扰加剧导致湖泊水量、水质和水生生物物种和数量发生显著变化，湖泊生态系统退化、水体富营养化等现象频发，致使湖泊面临严重威胁（杨桂山等，2010），从而在一定程度上制约或影响了流域经济社会和谐发展。而湖泊水质除受地理位置、植被、土地利用/土地覆盖（LULC）（karr and schlosser，1978）和大气沉积物污染等因素的影响之外（Muller and Stum，1998），入湖河流对其影响也不容忽视（项颂等，2018）。入湖河流是湖泊外源汇入的重要通道，也是湖泊水资源的重要补给源，其水质水量变化直接影响湖泊水环境质量（Dong et al.，2014；Zhang et al.，2015；项颂等，2018）。
水体污染不仅受河道内源性污染影响，由人类活动等造成的外源性污染也不容忽视。LULC变化是人类活动直观的反映和外在表征，其变化过程可以理解为人类主要利用土地的自然和社会属性来满足自身发展的动态变化过程（梅艳，2009）。不合理的人类活动导致LULC变化，而LULC变化对人类生活具有一定的反馈制约作用（项颂等，2018）。
随着全球社会经济的快速发展，由LULC变化引起的水环境效应问题引起学界的关注（Sajikumar and Remya，2015；Giri and Qiu，2016；Zhou et al.，2016）。土地利用方式影响污染物的排放和传输过程，对河流水质具有重要影响（Thomas et al.，2013；王鹏等，2015）。LULC类型及格局与水质具有明显的尺度依赖性已成为共识。目前，大多数的研究聚焦于从土地利用方式、土地利用结构、土地利用格局等方面开展水质对LULC变化的响应研究，如林地、草地与水质指标存在显著的负相关关系，而耕地、建设用地则表现出较强的正相关关系（张殷俊等，2011；杨洁等，2017）。同时，大多数学者认为，由于土地利用方式的多尺度性和分布格局差异（Tu，2011；周文等，2012），LULC变化与水质指标存在明显的尺度相关性，进而导致土地利用方式与河流水质的相互关系研究存在不确定性。
1.1.2 研究意义
由于不同流域的土地利用方式、地形、气候、土壤和地质等存在差异（Tu，2011；周文等，2012），且流域水质污染来源多样以及污染物迁移转化过程复杂，加之流域边界划定的不确定性、景观类型比例的区域差异性、指数选择的人为性等因素，同时LULC变化的水文响应伴以任何气候方面的短期或长期变化则会更加复杂（Schulze，2000），致使研究结果具有一定的不确定性和显著的区域性，从而导致不同流域的LULC景观格局-水质的关联难有通用的模式。
因此，对于不同地区，LULC类型及格局对水质指标的尺度响应关系研究仍存在不确定性，为进一步理解二者之间关联机制，在未开展过类似研究且独具区域特色的地区针对此问题开展研究显得尤为必要。
作为云南省九大高原湖泊之一的抚仙湖是我国第二深水湖泊，面积和蓄水量分别居全国第8位和第3位（王苏民和窦鸿身，1998），是泛珠三角区域、珠江流域、西南地区发展的战略水资源和饮用水源，对区域社会经济发展具有重要支撑作用（高伟等，2013；翟子宁等，2015）。同时，抚仙湖是全球独具特色的低纬度、高海拔的高原湖泊生态系统，是研究生物多样性形成机制的重要湖泊之一。受东亚和西南季风影响，抚仙湖是全球变化响应极为敏感的代表性湖泊，备受国内外专家学者的青睐，已成为国内外湖泊研究热点之一，同时也是我国地学领域最具生态脆弱区研究价值的高原湖泊流域系统之一。然而，随着全球变化加剧、流域城镇化水平提高与社会经济发展加速，近年来抚仙湖湖体萎缩加快，水位下降明显，水域面积逐渐缩小，流域LULC变化显著，水土流失与土地退化严重，流域生态环境质量状况总体呈下降趋势（杨超等，2016；马骊驰等，2016；Li et al.，2017）；入湖河流与湖岸带的水质污染严重，湖体的水质环境因此受到严重威胁。流域水环境质量是流域水文-生态-经济和谐发展的重要基础，不合理的LULC变化是影响区域水环境变化的重要原因之一（张殿发等，2003）。
因此，针对抚仙湖流域LULC变化与水环境保护中的关键问题，本书从LULC变化与水质相互作用的角度出发，构建多尺度随机森林方法开展高分辨率遥感影像LULC信息提取，揭示流域LULC时空演变规律与过程，剖析流域LULC类型及格局和水质指标的时空分异特征；从河岸缓冲区、子流域、全流域空间尺度分析流域LULC类型及格局与水质的关系，辨析LULC变化与水质多尺度关联分析的特征尺度和敏感源区，构建LULC变化与水质变化的尺度关系模型，模拟LULC变化情景下的水质变化，探讨有利于流域水环境调控的合理措施，为促进流域人类活动与生态环境和谐发展提供决策支持，为流域土地利用规划、水环境保护提供科学依据；同时，为将抚仙湖打造成“美丽中国”的最佳名片、建成生态文明制度建设的示范区、建设绿色经济发展试验区、打造新型特色旅游小镇示范区提供相关数据支撑和决策支持。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 LULC遥感信息提取
LULC是全球对地观测的重要主题之一，也被认为是全球变化研究、地理国情监测、可持续发展规划、土地资源管理等领域不可或缺的重要基础地理数据（Pereira et al.，2013；徐冠华等，2013；刘纪远等，2014；陈军等，2016）。近年来，一些国家和国际组织［美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、地球观测组织（Group on Earth Observations，GEO）等］、大型国际遥感研究计划、国际合作研究计划［国际地圈-生物圈研究计划（international geosphere- biosphere program，IGBP）、世界气候研究计划（world climate program，WCRP）、全球能量与水循环实验（global energy and water experiment，GEWEX）、气候变率与可预测性计划（climate variability and predictability programme，CLIVAR）等对区域、国家、洲际和全球尺度的LULC变化信息需求日益增加。遥感技术为人类从多视角与多尺度认识地球提供新的方法与手段，同时也成为大尺度LULC变化监测的快速高效方式（匡文慧，2012）。20世纪初，航空摄影测量应用于区域尺度的LULC变化遥感制图。1957年人类进入航天时代，提高了人类观测和认识地球的能力。1972年美国发射第一颗陆地卫星（Landsat），为全球尺度LULC变化遥感制图奠定了基础。20世纪80年代，以陈述彭院士为代表的中国学者开始了LULC变化遥感制图方面的研究，并研制出版了《1∶100万中国土地利用图集》。近二十年来，LULC遥感信息提取相关研究随着对地观测传感器技术、信息技术、计算机技术发展而不断深入。LULC遥感信息提取研究主要包括LULC遥感监测数据源和LULC遥感信息提取算法。
1.LULC遥感监测数据源的发展
（1）中低分辨率光学遥感数据源。1972～2021年，NASA发射了系列陆地卫星（Landsat 1～Landsat 9），并向全世界免费提供遥感影像数据。国内外学者针对Landsat MSS、TM、ETM+和OLI影像研发了大量的分类算法开展LULC遥感信息提取（Lu and Weng，2007；Li et al.，2014）。1999年和2002年，美国分别发射了Terra和Aqua卫星，并搭载了中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradtometer，MODIS），其空间分辨率为250～1000m，MODIS的多波段数据被广泛用于反演全球尺度海洋水色，大气中的水汽、气溶胶，地表温度，大气温度，臭氧，LULC和地表特征参量等（梁顺林等，2014；Yang et al.，2016；Li et al.，2018）。从2003年开始，欧洲航天局实施哥白尼（Copernicus）计划（拟发射6颗对地球观测卫星）。目前已经发射了哨兵2A[Sentinel-2A（2015年）]和哨兵2B[Sentinel-2B]（2017年），多光谱成像仪覆盖了13个谱段（443～2190nm），空间分辨率有：10m（4个可见光谱段和1个近红外谱段）、20m（6个红光边缘谱段和短波红外谱段）、60m（3个大气校正谱段）。国内外学者已经广泛采用Sentinel-2A/B数据开展海洋和陆地水资源、森林、空气、土地利用、污染状况及其变化监测和LULC遥感制图（Lebourgeois et al.，2017；Mongus and Zalik，2018）。1999～2014年，中国发射了中巴地球资源卫星01星、02星、02B星、02C星和04星共五颗卫星，2008年发射了环境一号（HJ-1-A/B）卫星，环境一号卫星搭载了高光谱仪和超光谱成像仪，其空间分辨率为30～300m，环境一号卫星遥感可以快速有效提取LULC信息（何宇华等，2007；Bian et al.，2017；Yang et al.，2017）。2014年发射的高分二号卫星是我国首颗空间分辨率优于1m的光学对地观测卫星，被广泛应用于土地利用信息提取、土地变更调查、生态环境监测等方面（王忠武等，2015；胡茂莹，2016；蔡建楠等，2018；宋明辉，2019）。2016年我国成功发射高景一号01/02卫星，该卫星为我国商业运营的0.5m分辨率遥感卫星，主要用于地物识别提取（曾文等，2020；杨伯宇等，2021；黄志华等，2021）、城市违建的动态监测（郑琎琎等，2021）、数字地表模型（digital surface model，DSM）的自动提取等（陈湘广和张永军，2019）方面。2018年发射的高分五号卫星为我国首颗高光谱卫星，其在生态状况调查评估、生态红线监管、生物多样性等生态监管工作方面具有应用潜力（赵少华等，2018）。2019年发射的高分七号卫星为中国首颗亚米级测绘卫星，通过对比分析高分七号卫星数据，可实现土地资源执法监测地物解译，能够有效提取符合土地资源执法监测要求的各类图斑（刘安兴和刘春光，2021）。2020～2021年，
