随着城市化进程的加快，我国河网水系结构单一化和主干化的趋势越来越明显^[1]，造成了洪水宣泄不畅、生态环境恶化等次生环境问题的频频出现.针对水系功能退化的严峻形势，陈雷部长在2010年1月举办的全国水利规划计划工作会议上指出，要构建引得进、蓄得住、排得出、可调控的江河湖库水网体系，实现水量优化配置，提高供水的可靠性，改善生态环境^[2].河湖水系连通作为一个新形势下的治水方略已经受到高度重视，同时，有关水系连通方面的研究也越来越成为国内外学者关注的热点问题，例如文献^[2-9]分别对水系连通的概念、功能和结构的连通性等进行了研究，其中靳梦等对城市水系连通带来的功能影响进行了分析，左其亭等对水系连通的理论框架进行了探讨，茹彪就平原河网区水系结构的连通性进行了评价.然而上述研究多偏重于对河湖水系连通的概念内涵探讨，缺少对水系连通的形态格局及演变过程的描述.近年来，地理信息系统技术的广泛应用，为城市化进程下水系连通形态格局的演变研究带来很大方便.本文将地理信息系统中的ENVI软件运用到城市化下河湖水系连通形态格局的演变的研究中，为水系连通研究提供一种新的技术方法.

1 水系形态演变表征指标 1.1 水系形态演变驱动因素分析

河网水系是地球上最为重要的地域性景观，城市水系更是人类活动与自然过程交互作用最为强烈的地带之一.城市中水系的空间格局演变时受多种因素的影响，这些因素可以大致分为自然因素和人为因素，其中自然因素包括气候变化、洪灾、地震、河道侵蚀等自然作用力，人为因素包括对河流进行干预的各种人类活动，例如对河流进行填埋以及水利工程的修建等.随着全球气候的逐渐变暖、降雨量的减少，河流水系的径流量也在逐渐减少，河川径流量的减少使得城市水系中的有些河流出现了断流的现象，直接影响了河流水系本身的形态格局.另外，随着人类活动的增加，人类开始主导河流水系的演变，特别是城市化快速发展的地区，由于建筑用地的扩张、水利工程的修建，使得河网末端的一些中小河流被填埋，水域转换为城镇建设用地，导致区域河湖萎缩、水系结构破坏，进而导致河网水系的自然调蓄及河道排水功能明显下降，这些人类活动不仅明显改变了河流的形态格局，同时也已经成为区域洪涝灾害频发的原因之一^[10].但总体来看，在人类起主导作用的今天，人类活动对水系形态的影响已经远远超过自然因素的影响，成为城市化进程中水系形态演变的主导因素.

1.2 水系形态表征指标体系构建

水系形态格局是水系本身的形状和水系之间通过相互连通而形成的形态，其内涵包括两个方面：一方面，河流水系在发育的过程中，在自然因素和人为因素的影响下自身所形成的形态；另一方面，河流水系之间通过相互连通而形成连通状态.

对水系形态格局的描述，可采用景观生态学中的相关指标和方法.景观生态学认为河流是廊道的一种，同时用节点来描述廊道的外部特性.因此，可把河流的起源和交汇点看作节点，各节点之间的部分看作是廊道，河流水系可以看作是一种由水道、河床和河岸植被组成的特殊廊道，河流水系的连通使得河流水系在空间上相互交错，形成的一个水系网络^[11].从前面对水系形态格局的概念理解出发，可以将其表征指标分为结构形态指标和连通形态指标两类：结构形态指标从描述水系本身的结构出发进行指标的选取，用以反映区域当前水系的发育程度和水系本身的形态；连通形态指标从水系之间的连通形态出发进行指标的选取，用以反映水系中每个节点连通性的强弱以及物质能量交换的能力，并采用景观生态学中描述廊道之间连通性的一些指标来表征水系的连通情况.基于以上考虑，本文提出一套用于描述水系形态格局的指标体系，并依据科学性和目的性兼备、全面性和代表性相结合的原则一共选出了9个指标(如表 1所示)，其中包括6个必选指标，3个可选指标.

2 基于ENVI软件的水系连通形态指标提取

对于表 1中指标体系的数据，通常是通过水利部门的监测数据或科研人员的野外调研来获取，这种方法得出的数据尽管精度有保障，但由于研究区域广泛，全部调研下来需要耗费大量的人力物力，而只根据局部的信息又会使得数据不够详全，影响到指标的计算结果.近年来，随着地理信息技术的快速发展，利用ENVI软件提取遥感影像中的地物地貌信息，在数据精度和处理效率上有了新的突破^[12].

2.1 基于ENVI软件的遥感图件处理基本原理

利用ENVI软件对区域的河流水系进行提取，需要用到多波段法对水系信息进行初步的提取，然后用决策树分类法进一步提取出需要的水体.多波段法的原理是利用水体在各个波段具有的不同光谱信息，进行组合运算来增强水体的影像信息，从而实现对水体的提取，运用多波段法实现对归一化差异水体指数的提取，进而为决策树分类提供条件.其中，归一化差异水体指数的公式为

NDWI= (Green-NIR)/(Green+NIR)

式中：Green代表TM影像中的2波段；NIR代表TM影像中的5波段.

另外对于水体信息的进一步提取还需要用到ENVI中的决策树分类方法，决策树分类是一种基于遥感影像数据及其他空间数据，通过专家经验总结、简单的数学统计和归纳等方法获得分类的规则，从而进行遥感分类的方法^[13].本文运用基于专家经验总结的方法对遥感影像进行分类，具体的分类规则为：①若所提取出来的NDWI ＞0，则认为是水体；②若所提取出来的NDWI ＜0，则认为是非水体.

综合以上，对水体信息的提取技术上采用ENVI技术通过多波段运算和决策树分类两种方法来实现，采用这两种方法对遥感卫星上下载的TM卫星影像进行处理，从而可以实现对水体信息的提取.

2.2 指标值的获取步骤

利用从相关网站上下载的TM遥感影像作为基础资料^[14]，用ENVI软件对图像进行几何校正、增强处理，然后进行图像的裁剪、归一化水体差异指数(NDWI)提取和决策树分类，将研究区的水系网络提取结果与实际的水系网络图相互叠加，从而获取计算水系连通形态指标所需的不同年代的水系网络图.具体实现步骤如下：①下载卫星影像并进行裁剪得出所要研究区域的TM影像；②对遥感影像进行多波段运算，提取NDWI指数；③对提取出来的NDWI指数进行决策树分类，提取出来研究区域的河流水系信息；④把提取出来的河流水系信息输入到ARCGIS中进行进一步的栅格处理，并通过ARCGIS进行计算和统计，最终得出所研究区域的河流水系个数、节点数、河流长度和水域面积等指标信息.

3 实例应用

郑州市地跨黄河、淮河两大流域，总面积有7 446.3 km²，其中黄河流域占全市总面积的27%，淮河流域占全市总面积的73%.全市的湖泊水库面积有791.3 km²，大小河流124条，流域面积较大(≥100 km²)的河流有29条，其中黄河流域6条，淮河流域23条.过境河道有黄河、伊洛河，多年平均过境总水量444.1亿m³(黄河花园口站)，其中伊洛河过境水量31.4亿m³.随着城市化进程的加快，郑州市近年来河流水系发生了较大的变化，一些河道被填埋，河流单一化和主干化的趋势越来越明显，河流形态格局发生了较大变化，因此需要对城市化进程下郑州市的水系形态格局演变特征开展进一步的研究.

3.1 郑州市河网水系信息的提取

利用ENVI软件对郑州市的河流水系进行水系网络的提取，以1990年为例，提取河流水系的具体操作步骤如图 1(a)-(e)所示，其中图 1(a)为从遥感数据中心下载并进行裁剪而得到的郑州市的TM影像，把(a)中的影像进行多波段计算进而得到遥感影像(b)，为归一化水体差异指数NDWI的提取奠定了基础，接下来对(b)进行决策树分类得到(c)，从而更加明确郑州市的水系网络，图中白色的即为郑州市的水体，黑色的为其他，将(c)与实际的水系网络图进行叠加，对其中一些水系进行处理，得到较为清晰的郑州市水系网络图(d)，(d)为经过处理之后的郑州市的水系网络图，最后把(d)中的水系和水系直接的节点分别绘制出来，得到概化的郑州市水系网络图(e)，可以从(e)中得出郑州市的水系个数和节点数，进而可以代入指标中进行计算.

根据以上提取水系网络图的步骤，得2002年、2006-2010年各个年份的水系网络图(见图 2(a)-(f)).

3.2 郑州市水系连通形态的演变分析

根据郑州市的具体情况对连通形态指标进行筛选，最后选取了6个必选指标和2个可选指标，同时根据图 1、2进行节点数和水系个数的查找并带入到所选的指标中进行计算，得到城市化进程下不同年代的水系连通形态格局指标值，如表 2所示.

表 2中共有8个指标，其中有5个结构形态指标和3个连通形态指标，下面分别就这两类指标进行趋势分析，观察随着城市化进程的加快，郑州市水系连通的结构形态和连通形态指标所发生的变化，趋势分析图如图 3、4所示.

图 3中是郑州市水系连通结构形态指标随着城市化进程的加快而发生的变化.郑州市自20世纪80年代开启了城市化进程，1990-2000年是城市化的快速发展时期，郑州市的河流在这期间出现了不同程度的断流，除贾鲁河下游、七里河下游、潮河有少量基流外，其余河道无自然基流，城市化进程改变了城市的水文循环过程，同时在一定程度上改变了郑州市水系连通的格局，反映在图中即为结构形态指标在1990-2002年这段时间总体都呈现下降的趋势.2000-2010年，城市化发展加剧，人口的膨胀、经济的发展使得大多数工矿企业向河流中排放污水，堵塞了河道，同时由于增多的建筑用地，使得一些河道被填埋，郑州市水系的连通形态遭到了破坏，在趋势图中表现为水域面积、河道槽蓄容量和水面率指标在2002-2010年期间整体上呈现下降趋势.

从图 4中可以明显地看出，1990-2007年这段时间，连通形态指标整体呈下降趋势，且在2007年达到最小值，2007年以后统一呈现上升的趋势.

通过对郑州市实地情况调研，分析得出造成影响当地水系连通形态格局变化的主要原因包括：1)城市化的驱动作用.截止到2010年，郑州的城镇化率达到63.4%，近年来，郑州市持续保持每年提高一个百分点左右的水平，城市化改变了下垫面的条件，极大地影响中小洪水的产汇流关系，使得进入河流的水量变少.2)降水量的变化.郑州市的降水量和径流量随着时间而减少，平均每10年分别减少22.63 mm的降水量和12.76 mm的径流量，降水量和径流量的减少使得郑州市河流的水域面积减小，水面率变小.3)由于一些河道多年失修，因此淤积严重，影响了水系连通的形态.人工渠道东风渠1962年停灌后，淤积严重，同时两岸堤防残缺不全.1995-2000年间，郑州市政府先后投资1 161万元对东风渠进行清障、疏挖、护砌，已经取得明显效果.4)近年来实施的一系列水利工程建设对水系形态结构的重塑起到了一定的作用. 2007 年 10 月，《郑州市生态水系规划》正式成为具有约束力的地方法规.河道治理各项工程有序展开，索须河、潮河、七里河、十七里河等河道的综合治理工程先后展开，至2011年，经过治理后的河道初步显现出生态景观的雏形.同时先后又实施了东风渠引黄供水补源灌溉工程和南部河道水系输水工程，初步实现了生态水系“水通、水清、水美”的建设目标，因此2007年以后水系连通性能有所提高^[15].

4 结语

本文运用ENVI软件对城市化影响下的水系连通形态的演变进行了研究，以郑州市为例取得了较好的效果，为城市化下水系连通的研究提供了一种新的思路，但是对于水系连通形态格局演变的驱动因素还需要做进一步更深入的分析.郑州市城市化下水系连通形态格局的演变特征分析表明，随着城市化进程的加快，郑州市的水系连通格局发生了变化，1990-2007年期间郑州市的水系连通性变弱，水系结构单一化的趋势越来越明显，自1990年以来，郑州市河流总长度、水域面积、河道槽蓄容量、水面率等指标均在不断减少，水系连通结构形态指标整体上呈现下降的趋势.2007年以后，由于郑州市开展了以生态水系规划为指导的多项治理工程，郑州市的水系连通性能有所提高.