基于ETM＋影像的唐山地區生態環境質量評價

張明華，譚 悅

（1.廈門理工學院 空間信息科學與工程系361024福建 廈門；2.桂林理工大學 地球科學學院 廣西 桂林541004）

生態環境是人類社會生存與發展的基礎，保護生態環境、實施可持續發展戰略，已經成為全世界的共識，美國、日本、歐洲等發達國家十分注重生態環境的保護與評價工作，已先后研制并發射了大量的環境遙感衛星和傳感器，對大氣、水和生態環境等進行監測，20世紀90年代以來，國內外學者對生態環境質量監測與評價開展了大量的研究工作［1－4］。

目前，生態環境質量評價主要是以統計和觀測資料為主要數據源，對非定量評價因子以專家評分方法進行量化和確定其權值，以行政區域（市或縣）為評價單元進行評價［5－7］，這種方法實質上是一種半定量的評價方法，數據來源復雜、信息獲取時間不一致甚至相差久遠，評價因子繁多龐雜，評價結果受主觀和人為因素影響大，導致評價結果的可信度不高甚至與實際情況相差甚遠。近年來，隨著遙感技術的快速發展，有些學者開始直接利用遙感影像來提取生態環境因子來進行生態環境質量評價［8－9］，提高了信息獲取、更新速度和評價的定量化程度，但僅局限于利用遙感影像提取個別生態環境信息，對遙感影像中生態環境信息的利用極不充分。本文以唐山地區為試驗區，在國土資源部《唐山市周邊地區礦產資源開發多目標遙感調查與監測》項目研究的基礎上，探討利用遙感技術挖掘遙感影像中的生態環境信息，直接從ETM＋影像中提取生態環境質量評價指標因子，以像元為評價單元對唐山地區生態環境質量進行評價，結合GIS支持下的空間統計分析，查明唐山地區生態環境質量狀況和空間分布，為改變唐山市及周邊地區生態環境差的不利狀況［10］，改善和提高生態環境質量提供重要的參考依據。

1 研究區概況

研究區主要包括唐山市及周邊豐潤、豐南、灤縣、灤南四縣所轄地帶。其地理坐標范圍為東經117°30′－119°17′，北緯39°06′－40°05′，唐山市地處環渤海灣中心地帶，北依燕山，南臨渤海，東與秦皇島市接壤，西與北京、天津毗鄰，地勢北高南低，北部為山地，發育暖溫帶森林灌叢植被，以天然次生和人工針、闊混交林為主，中部和南部分別為山前平原和濱海平原。屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，其年平均氣溫11.3℃，年平均降雨量620－750mm，境內主要有灤河、陡河、還鄉河、沙河等河流。唐山地區礦產資源豐富，主要有煤、鐵和非金屬等多種優勢礦產。

2 研究方法

2.1 圖像預處理

研究區包含四景ETM＋衛星影像（121／32、121／33、122／32、122／33），成像時間為2005－2006年8－10月，影像清晰，含云量均在5%以下，無條帶和噪聲干擾，質量較好。先以1∶10萬地形圖在ENVI 4.2軟件下以二次多項式模型、雙線性內插方法分別對四景ETM＋影像進行幾何精校正，然后以121／32景影像為基準，對其余三景影像進行相對輻射校正，利用像元灰度值建立多時相遙感圖像各個波段之間的校正方程，采用偽不變特征法對遙感圖像進行歸一化處理。用基于坐標參考方法對四景影像進行圖像鑲嵌，對研究區行政區劃矢量文件（.shp格式）進行投影變換，再在ENVI 4.2下轉換為感興趣區（ROI），對研究區鑲嵌影像進行裁剪，生成研究區生態環境質量評價遙感影像底圖。

2.2 土地覆蓋類型劃分

土地覆蓋類型是反映一個地區生態環境狀況的重要表征參數。以TM7（R）、TM 4（G）、TM 1（B）波段組合與TM8全色波段進行影像融合，通過對比度擴展和均衡化處理，生成覆蓋研究全區的假彩色影像作為遙感解譯底圖。通過影像的光譜特征和空間結構，結合野外遙感地面調查，建立各種土地覆蓋類型的遙感解譯標志，對唐山地區土地覆蓋類型進行圖像識別與解譯分析，得出主要土地覆蓋類型為裸地、耕地、水體、鹽堿地、建筑用地、林地。

在對影像進行波譜統計分析的基礎上，結合研究區地物類型及特征，選擇第TM1－5、TM7六個波段在ENVI 4.2下進行土地覆蓋類型的樣本采集，然后用訓練樣本進行影像的監督分類。由于研究區絕大部分地區為平原區，地勢變化小，圖像分類選用較為成熟的最大似然法，通過反復的樣本純化和分類試驗，得出唐山地區不同土地覆蓋類型的分類影像圖，對比遙感解譯圖與野外調查資料，抽取一定數量像元進行精度檢驗，林地、水體分類精度達86%以上，其分類總精度達83%。

2.3 生態環境質量評價

生態環境質量評價的關鍵問題包括3方面內容：生態環境質量評價指標體系、評價因子權重值的確定、生態環境質量評價模型。

2.3.1 生態環境質量評價指標 目前，國內對生態環境質量評價還沒有統一的規范和方法，不同學者因研究的區域和地理背景不同，所采用的指標體系有所差異［11－14］，參照國家環境保護總局頒布的《生態環境狀況評價技術規范（試行）（HJ／T192－2006）》，一個地區生態環境質量綜合評價一般需涉及生物的豐度、植被情況、土地退化、水資源和污染承載5個方面因素，考慮到研究區的基礎數據和遙感圖像特征，本文選擇生物豐度、植被覆蓋度、土地退化、水資源狀況4個方面的遙感指數作為評價指標。

（1）生物豐度指數。生物多樣性是人類社會賴以生存和發展的基礎，生物豐度決定著生態系統的面貌，是反映生態環境質量最本質的特征之一。根據國家環境保護總局生態環境狀況評價技術規范（試行）（HJ／T192－2006）生物豐度信息間接用土地覆蓋類型來獲取，其計算模型為：

式中：Abio——生物豐度指數；a1——林地；a2——草地；a3——水域濕地；a4——耕地；a5——建設用地；a6——未利用地；A——區域總面積。

（2）植被覆蓋度。植被是構成生態環境系統的基本成分，直接反應一個地區生態環境狀況。由于紅光和紅外波段包含90%以上的植被信息，通常利用植物在近紅外與紅光兩個波段光譜值的差異值來估算植被覆蓋度，多采用歸一化植被指數（NDVI）［15］求取。即：

式中：TM4、TM3分別代表TM 影像的第4波段圖像、第3波段圖像的亮度值。

（3）土壤亮度指數。土壤亮度指數是體現土壤裸化程度的一種定量指數，反映一個地區的土壤退化程度。土壤亮度指數可以從TM影像中用纓帽變換的亮度分量（TC1）或NDSI指數［16］來提取。其中：

式中：TM3、TM2分別代表TM 影像的第3波段圖像、第2波段圖像的亮度值。

唐山地區兩種亮度指數與土地覆蓋類型的關系如圖1。對比研究表明，TC1與NDSI呈二次函數關系（近似拋物線），但NDSI在非水體覆蓋區對不同地類的差異性反映更明顯，擬采用NDSI指數提取土壤亮度指數。

圖1 唐山地區土地覆蓋類型與土壤亮度指數關系圖

（4）土壤濕度指數。土壤濕度指數是反映土壤中水分含量和作物水分狀況的一個指標，土壤濕度也是各類生態系統中的重要因素之一。土壤濕度指數可用纓帽變換的濕度分量（TC3）或 NDMI指數［17］求取。其中：

式中：TM2、TM5分別代表TM影像的第2波段圖像、第5波段圖像的亮度值。

唐山地區兩種濕度指數與土地覆蓋類型的關系如圖2。對比研究表明，兩種濕度指數TC3與NDMI呈非線性函數關系，但NDMI反映地物差異性好于TC3，擬采用NDSI指數提取土壤亮度指數。

圖2 唐山地區土地覆蓋類型與地壤濕度指數關系圖

2.3.2 評價因子權重值 對生態環境評價因子權重的確定方法較多，為減少評價中的主觀性，擬選擇主成份分析法來計算各評價因子的權重。

首先，對各評價指標采用統計法去除極像元后，進行標準化處理（范圍 ［0，5］），并求解參評因子之間的相關系數：

式中：i、j——參評因子數（i、j＝1，2，3，4）；k——參評因子影像像元數；rij——第i個參評因子和第j個參評因子之間的相關系數；N——研究區像元總數；xik、xjk——第i、j個因子影像的第k個像元點的DN值；ˉxi、ˉxj——第i、j個因子影像像元的平均值。

其次，根據相關系數計算各評價指標影像的相關系數矩陣，用雅可比法求出特征值λi，再求解主成分貢獻率和累積貢獻率。其中：

貢獻率：

累積貢獻率：

式中：i——指標影像數；N——主成分數；zi、vi——第i個主成分貢獻率、累積貢獻率；λi、λk——第i、k個評價指標影像的特征值。

然后，計算各個參評因子在各個主成分上的比重系數、公因子方差。其中：

式中：j——參 評 因 子 數；i——主 成 分 數；P（pcai，xj——第j個參評因子xj在第i主成分pcai上的比重系數；λi——第i主成分的特征值；eij——第i主成分的特征值的第j分量；m——所選取的主成分的數量。

公因子方差：

式中：j——參評因子數；i——主成分數；Hj——第j個參評因子的公因子方差；P（pcai，xj）——第j個參評因子xj在第i主成分pcai上的比重系數；zi——第i個主成分貢獻率；m——所選取的主成分的數量。

最后，對各參評因子指數的公因子方差進行歸一化處理，即得各參評因子的權重值w（表1）。

2.3.3 生態環境質量評價 目前，生態環境質量評價方法或模型主要有層次分析法、綜合指數法、模糊評價法、人工神經網絡法等。為了全面綜合地反映研究區的自然生態現狀，根據各參評因子的權重，以影像像元為評價的基本單元，采用綜合指數法對所有參評因子影像進行逐像元運算和評價，其生態環境質量綜合指數（W）的計算模型為：

式中：N——參評因子總數；wi——第i個參評因子的權重系數；xi——第i個參評因子指數。

表1 評價因子指數在主成分中的系數及權重值

在ENVI 4.2平臺中根據評價指標影像和權重值進行數學運算，得出生態環境質量綜合指數影像圖，影像各像元點的DN值即為所求的綜合指數（W），范圍為［0，5］。根據統計直方圖所顯示的生態環境綜合指數的空間分布特征，并參照《生態環境狀況評價技術規范（試行）（HJ／T192－2006）》，將生態環境質量綜合指數劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4級，分別對應于優、良、中等、差4種生態環境質量等級。最后得出唐山地區生態環境質量分級圖如附圖13。

3 結果與分析

通過在ENVI 4.2中進行影像分割和在Arc－Gis9.2中的拓撲分析、屬性統計，得出唐山地區不同等級的生態環境質量區的占地面積及不同土地覆蓋類型的占地面積如表2。

利用行政區劃矢量圖對唐山地區生態環境質量綜合指數分級圖進行裁剪，根據行政區劃進行生態環境質量統計，得出唐山地區各區縣不同生態環境質量等級的分布面積如表3，各區縣生態環境質量指數平均值如表4。

3.1 唐山地區生態環境質量特征與分布

唐山地區生態環境質量分布不均一，Ⅰ級分布較局限、面積小，主要在豐潤區、灤縣的北部山地區域，占總面積的2.76%；Ⅱ級分布范圍較廣、面積較大，主要在豐潤區南部、豐南縣、灤南縣東部地區，約占總面積的32.11%；Ⅲ級在各區縣分布也較廣泛，主要集中在唐山市、豐南縣西南部，占總面積的26.57%；Ⅳ級主要分布在研究區的東部和北部、以灤縣、灤南縣、唐山市分布最多，占總面積的31.68%。

唐山地區所轄各區縣生態環境質量存在較大差異。唐山市城市化程度較高，建筑用地面積比例較大，生態環境質量中等，以Ⅲ級為主，占總面積的48.85%；豐潤區耕地分布較廣，北部有大量的林地，生態環境質量綜合指數均值最高，以Ⅱ級最多，占總面積的44.4%，Ⅲ、Ⅳ級也占有一定量的比例；豐南縣耕地、林地均有較大面積的分布，濱海鹽堿地也分布較廣，生態環境質量綜合指數均值排第2位，以Ⅱ級、Ⅲ級為主，分別占總面積的35.24%和29.16%；灤縣耕地分布廣，但裸地面積也較大，生態質量質量以Ⅳ級和Ⅱ級為主，分別占總面積的58.42%和25.25%；灤南縣鹽堿地分布較廣，耕地由于鹽堿化作用，使生態環境質量下降，生態環境質量以Ⅲ、Ⅳ級為主，分別占總面積的29.72%和42.58%。

表2 唐山地區生態環境質量分區面積 km2

表3 唐山地區生態環境質量統計 km2

對比唐山地區礦產資源開發及礦山環境狀況［18］，唐山市、灤縣及周邊地帶由于過度的礦業開發和忽視后期的恢復治理，在唐山市東部及東南部灤縣等礦集區，由于煤礦、鐵礦及非金屬礦露天開采，使地表覆蓋層受到破壞或剝離，造成基巖裸露、植被損毀和耕地破壞，同時，大量的固體廢棄物（煤矸石、鐵礦剝離物、尾礦）占壓耕地，部分耕地、林地變為裸地或建筑用地，使生態環境質量下降。

表4 唐山地區生態環境質量指數（w）均值

3.2 生態環境質量與土地覆蓋類型的關系

唐山地區林地生態環境質量為Ⅰ級和Ⅱ級，以Ⅱ級為主，分別占林地面積的85.6%和14.6%；耕地、建筑用地、鹽堿地和裸地的生態環境質量變化較大，包含了Ⅱ級－Ⅳ級三個等級，其中，耕地屬于人工生態系統，生態環境質量總體較好，主要以Ⅱ級為主，約占耕地面積77.43%，Ⅲ級、Ⅳ級分別占14.67%、7.9%；建筑用地是人類活動較為強烈的區域，以Ⅲ級為主，占建筑用地面積的81.67%，別外，Ⅳ級、Ⅱ級分別占11.5%和6.83%；鹽堿地生態環境質量較差，主要為Ⅲ級和Ⅳ級，分別占鹽堿地面積的41.92%和54.82%，Ⅱ級占5.23%；裸地生態環境質量最差，Ⅳ級占總面積77.3%，Ⅲ級占19.2%，Ⅱ級僅占3.5%。

4 結論

唐山地區生態環境質量存在較大的差異，西部、北部和南部地區林地和耕地分布面積較廣，生態環境質量較好，而中部地區城鎮建筑用地和礦產資源開發占地較多，東部裸地分布較廣，東南部受海水侵蝕鹽堿化程度較高，生態環境質量較差。因此，合理有序地進行礦產資源開發、重視和加強礦產開發后的恢復治理，控制城鎮建設用地的快速擴張，減輕海水侵蝕和改良鹽堿地等是從宏觀上控制和改善唐山地區生態環境質量的有效途徑。

唐山地區生態環境質量與土地覆蓋類型有較密切的關系，研究表明：林地生態環境質量最好，全部為Ⅰ級和Ⅱ級，耕地生態環境質量次于林地，以Ⅱ級為主，建筑用地以Ⅲ級為主，鹽堿地生態環境質量較差，主要為Ⅲ、Ⅳ級，裸地的生態環境質量最差，大多數為Ⅳ級。總體上，生態環境質量表現出“林地＞耕地＞建筑用地＞鹽堿地＞裸地”的特點。

隨著城市擴展和礦產資源開發快速增長，唐山市及周邊地區大量耕地被占用，過度的礦業開發和忽視后期的恢復治理，使大量地表覆土層被剝離，造成基巖裸露、植被損毀和耕地破壞，同時，大量的固體廢棄物（煤矸石、鐵礦剝離物、尾礦）占壓耕地，使唐山市、灤縣及灤南縣等礦集區生態環境質量下降。加強礦產開發的監管和整治、改善礦山生態環境是提高唐山地區生態環境質量急需解決的重要問題。

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