基于遙感技術及綜合指數法的廣州市自然生態環境評價*

牛安逸 馬姣嬌 陳志云,2

1 華南師范大學地理科學學院 廣州 510631 2 嘉應學院地理科學與旅游學院 廣東梅州 514015

基于遙感技術及綜合指數法的廣州市自然生態環境評價*

牛安逸1馬姣嬌1陳志云1,2

1 華南師范大學地理科學學院 廣州 510631 2 嘉應學院地理科學與旅游學院 廣東梅州 514015

對廣州市2014年ETM遙感影像進行解譯，得出植被覆蓋度(NDVI指數)、土壤指數(裸圖植被指數)及坡度3個環境因子的空間分布結果，再利用綜合指數法對歸一化后的環境因子進行加權疊加處理，得出廣州市自然生態環境最終評價結果。結果顯示：廣州市總體自然生態環境狀況不容樂觀，優等級別的地區僅占總面積的0.01%，良好級別的占4.5%，中等級別的占35.79%，差等級別的占59.70%；南部的城市核心區生態環境普遍較差，北部和東北部狀況較南部好。重視城市中綠地、綠道的建設，是改善區域環境質量、提高自然生態環境水平的有效途徑。

自然生態環境，環境評價，遙感解譯，綜合指數法，廣州

隨著近年來城市化水平的提高、城市面積的擴大，人們對土地覆被的改變也越來越強烈。為了滿足日益增長的人口對土地的需求，大量林地被砍伐，土地被平整或者硬化為道路，這些行為都對生態環境造成很大的威脅。目前世界各國都加強了對生態環境的監測和評價，評價手段也多種多樣。Costanza等[1]提出了生態系統服務價值評估的原理和方法，將生態環境水平以貨幣化的形式表現出來。Greymoer等[2]認為，通過區域生態環境承載力來分析評估區域可持續發展程度是一個重要方面，也是一種有效工具。Fang Lin[3]曾對中國城市化進程中的生態環境保障程度做過研究。近年來，遙感影像作為一項新興手段為生態環境監測和分析開辟了一條更有效的路徑[1]。本文以廣州市為研究對象，利用遙感技術和綜合指數法，對研究區的自然生態環境進行評價，以期為促進該區生態環境保護與可持續發展起到一定的參考作用。

1 研究區域概況及研究方法

1.1 研究區域概況

廣州市是廣東省省會，位于廣東省的中南部、珠江三角洲中北緣，接近珠江流域下游入海口，瀕臨南海。面積約為7 434 km2，人口1 308萬。廣州屬于丘陵地帶，地勢東北高、西南地，北部是森林集中的丘陵山區，中部為丘陵盆地，南部為沖積平原[5]。以廣州地區為主體的珠江三角洲地區城市化率在2014年已經達到約76%。2015年1月26日世界銀行發布的報告顯示，珠江三角洲已經超越日本東京，成為世界上人口和面積最大的城市帶。因此，研究和分析廣州地區的生態環境狀況，監測和評價生態環境質量，對正確處理城市化進程中的人地關系及實現資源與環境的可持續發展具有一定的現實指導意義。

1.2 研究方法

本研究基于綜合指數法對廣州自然生態環境的健康狀況進行評價，選取植被、土壤、地形3個最為基本的要素作為區域自然生態環境指標，通過遙感影像技術提取植被覆蓋度、土壤指數和坡度3個生態因子指數，經過歸一化處理和指數的疊加，得到最終廣州市自然生態環境評價結果。除此之外，自然生態環境的質量還受到生物豐度和人類活動的影響，但運用遙感方法較難監測，因此在本文不進行計算。

1) 遙感影像預處理。遙感影像來源于地理空間數據云提供的Landset7衛星30 m分辨率ETM+的珠三角地區分幅遙感影像，利用ENVI5.2進行快速大氣校正、拼接及掩膜處理，得到廣州市域2014年的遙感影像。

2) 植被覆蓋度生成，根據前人研究[6]的NDVI估算模型：

FC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

在式(1)中，NDVI為歸一化植被指數，應用于檢測植被生長狀態、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等，也稱為生物量指標變化，可使植被因素從水和土中分離出來。NDVImax表示區域最大NDVI值，NDVImin表示區域最小NDVI值。因為圖像中不可避免有噪點存在，NDVImin和NDVImax不一定是最小或最大的NDVI值，因此根據5%的累計百分比選擇置信度區間，最后由Band Math計算結果。

3) 土壤指數生成，根據Hay等1978年提出的裸土植被指數(GRABS)[7]：

GRABS=VI-0.091 78BI+5.589 59

(2)

在式(2)中，VI是穗帽變化[8]的綠度指數，BI是土壤亮度指數。BI和VI指數可分別用來評價裸土和植被行為，VI指數與不同植被覆蓋有較強相關性，土壤亮度對植被指數有相當大的影響，裸土信息變化的主要部分是由他們的亮度造成的，因此由VI和BI線性組合形成的裸土植被指數能很好地反映土壤的裸露情況[9]。

4) 生態因子歸一化處理及生態環境評價。在得出植被覆蓋度、土壤指數及坡度3個生態因子之后，直接用來評價是無法實現的，因為各個指標的量綱不一致，沒有可比性，因此要對各因子做歸一化處理。各指標量化分值依照其對生態環境質量的貢獻程度采用統一順序的原則，即按照它們對生態環境正向影響的大小從高到低分為10個等級，以此為依據，根據以下公式進行環境綜合評價：

E=W1FDv+W2GBABS+W3S

(3)

在式(3)中，E為自然生態環境的綜合指數，W是根據生態因子的貢獻度估算的權重，FC，GRABS，S分別為植被覆蓋度、土壤指數和坡度。通過專家打分法得到3個生態因子的權重：W1=0.65，W2=0.25，W3=0.1。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度分析

經過ENVI5.2計算可以得到像元值、像元個數及累計百分比的統計結果，以5%的累計百分比，同時對比直方圖，可以確定置信度區間：有效最大值和最小值對應的像元為NDVImin=0.07，NDVImax=0.70。根據植被對生態環境的貢獻程度，依據植被覆蓋度將像元分為10級，計算后結果如表1所示。

表1 植被覆蓋度歸一化指數

通過密度分割可以得到廣州市植被覆蓋度狀況(圖1)。從圖1中可以看出，廣州市植被覆蓋度呈北高南低、東多西少，總體程度中等，空間分布不均的規律。植被覆蓋度最高的地區出現在北部山區從化及東部的增城，除極少數區域存在覆蓋度90%以上的情況外，大多覆蓋度處于60%以下，植被呈連續分布狀，整體性較強。植被覆蓋度低于10%的地區占廣州市總面積的50.71%，集中分布在廣州市南部的城市核心區。該區域城市化水平高、人口密集，生態系統穩定程度低。白云山、大夫山、黃山魯、天河公園、火爐山及海珠濕地為城市核心區中較高植被覆蓋區，呈不連片分布狀，是廣州市重要的生態安全島。

2.2 土壤指數分析

裸土植被指數能夠較好地反映土壤被侵蝕的程度，從而在一定程度上表達了土壤的健康狀態。依照上述方法可以計算得到廣州市裸土植被指數分布區間為-280～6。根據像元數量所占百分比作歸一化處理，計算后結果如表2所示。

圖1 廣州市植被覆蓋度狀況

圖2 廣州市土壤指數狀況

表2 土壤歸一化指數

通過密度分割可得到廣州市土壤健康狀況(圖2)。從圖2中可以看出，廣州市土壤健康狀況分布與植被覆蓋度表現出較強的相關性。從空間分布上來看，受植被保育土壤作用的影響，指數最高值同樣出現在北部的從化區和東北部的增城區，最低值仍存在于南部的城市核心區。從結構上看，土壤等級為4～8的地區占全區面積的98以上，等級在8以上的土地不到9%，等級在3以下的地區不足3%。數值呈正態分布，大多數地區的土壤被侵蝕水平低，總體保育狀況良好。

2.3 坡度分析

坡度是造成水土流失的最大因素。通常情況下土壤侵蝕量與坡度呈正相關。根據DEM影像數據可以直接提取坡度信息，按坡度越低越有利于土地資源利用和減少災害發生原則，對坡度狀況進行歸一化處理：將坡度從高到低賦予1～10等級(表3)。

表3 坡度歸一化指數

通過密度分割可以得到廣州市坡度狀況(圖3)。從圖3中可以看出，受地形影響，廣州市大部分地區坡度等級較高。東北部分布著海拔400～500 m以上的山地，坡度在27°以上；增城區、花都區一帶嵌套分布著500 m下的地山丘陵，坡度在18°～27°；坡度小于18°的緩坡集中低分布在增城區、從化區及白云區；南部的城市核心區也有緩坡地零星分布，但主要以坡度接近0°的沖積平原為主。整體上看，坡度為0～9°的土地占總面積的90.43%，9°～18°的占6.09%，大于18°的僅占3.27%。

2.4 廣州市自然生態環境評價

根據綜合指數模對3幅圖進行疊加處理，可以得到一個單波段的灰度圖像。本研究進一步將結果分為4個環境等級(表4)，再對其進行密度分割，得到最終結果(圖4)

圖3 廣州市坡度狀況

圖4 廣州市自然生態環境評價結果

表4 生態環境等級

結果顯示，廣州市自然生態環境狀況不容樂觀。環境級別為差的土地占總面積的59.70%，中等占35.79%，良好占4.50%，優等僅占約0.01%。其中，自然生態環境為差的地區絕大多數為南部、西部的城市核心區以及北部的城鎮密集區；中等級別的地區主要分布在北部、東北部以及南部核心城市區的白云山地區，南沙區、花都區有少數嵌套分布；良好級別的地區零星分布在北部、東北部的山區，南部幾乎未見；優等級別的地區均無法連片存在，僅以幾個像素的形式出現在良好等級的地區之中。自然環境較差的地區往往都是城市人口集中的地區，這些地區對土地覆被的改變巨大，為自然災害的產生埋下了隱患。

3 結論與討論

1) 廣州是位于我國南部的國家級中心城市，處于目前世界上最大的城市群珠三角城市群中，必然承受著較為嚴重的人地矛盾。從評價結果上看，廣州市自然生態環境的現狀很不樂觀，大多數地區生態環境遭到破壞，生態系統穩定度差，生態結構不合理，為未來爆發環境災害事件埋下了隱患。盡管北部、東北部地區的生態環境較南部地區稍好，但是隨著大規模城市化運動的進行、土地利用程度的加強，以及近些年“撤市設區”“衛星城市”的推動，這些地區的生態環境狀況勢必呈現下降趨勢。

2) 本文著重討論的是廣州市域范圍內自然生態環境水平，而不是對城市生態系統的健康程度進行評價。盡管城區面積較大的地區通常比城區面積較小的地區自然生態環境差，但這并不意味著城市化水平高的地區就一定比城市化水平低的地區自然生態環境差。因為衡量城市化水平的要素中除了城區面積還有人口數量、職業性質及產業結構等要素。對比同屬珠江地區的香港，盡管城市化水平極高，但已發展的土地只占香港總面積1 100 km2的23.7%，即大約263 km2，大部分地區的自然生態環境狀況良好。這要求我們在進行城市化運動的過程中，要特別注意土地的集約、節約利用，做好土地的規劃及有效利用，加強對高層空間和地下空間的開發。

3) 在廣州南部的城市核心區中，仍有零星散布的環境級別相對較高的地區，在圖中呈斑塊狀分布。對比廣州市行政區劃圖后發現，這些地區都是面積較大的城市綠地或濕地公園，表明了一定規模的城市綠體能夠明顯改善所在區域的生態環境狀況。按照本文建立的評價體系，城區中的自然生態環境評價結果通常為“差”，但這些綠體以更高級別的環境狀態交錯分布在自然環境較差的城區中，改變了差等區域連片分布的狀態，成為城區中的生態安全島。廣州近些年始終不遺余力地進行綠道建設，積極響應廣東省的新一輪廣東大綠化，重視對生態環境的修復，一定程度上緩解了城市與環境之間的矛盾。同時在舊城改造的過程中，應考慮將一部分土地轉化為城市綠體，在城區中建立以綠地、綠道為組成的“點—軸”生態走廊，整體提升城區自然環境狀況。

4) 本研究選取植被覆蓋度、土壤指數及坡度作為環境因子進行研究，一定范圍內揭示了廣州市自然生態環境的總體狀況及空間差異，具有現實參考意義。但是以3個因子進行綜合評價得出的結果并不全面，未將河網密度和生物豐富考慮在內，有可能低估了廣州市實際的生態環境水平。盡管如此，廣州目前所面臨的生態環境與城市發展之間的矛盾是突出、尖銳的。繼續加強城市綠地、綠道建設，合理利用、開發城市邊緣區土地，妥善處理、修復生態退化地區，是實現自然環境健康發展、經濟可持續發展的重要手段。

注：圖1至圖4彩圖效果見封三。

[1]Costanza R,d’Arge R,de Groot R,et al．The value of the worldsecosystem and natural capital[J]．Nature,1997,386(5):253-260．

[2]Graymore M L M,Sipe N G,Rickson R E.Sustaining human carrying capacity: a tool for regional sustainability assessment[J].Ecological Economics,69(3):459-468.

[3]Lin Fang.The eco-environmental guarantee for China’s urbanization process[J].Journal of Geographical Sciences,2009,19(1):95-106.

[4]李洪義，史舟，沙晉明，等.基于人工神經網絡的生態環境質量遙感評價[J].應用生態學報，2006，17(8)：1475-1480.

[5]郭秀銳，楊居榮，毛顯強.城市生態足跡計算與分析：以廣州為例[J].地理研究，2003，22(5)：654-662.

[6]Wang Yajun,Lu Ruijie,Ma Yuzhen,et al.Response to climate change of different tree species and NDVI variation since 1923 in the middle arid region of Ningxia, China[J].Sciences in Cold and Arid Regions,2014,6(1):30-36.

[7]楊存建，劉紀遠，張增祥，等.遙感和GIS支持下的中國退耕還林還草決策分析[J].遙感學報，2002，6(3)：205-211.

[8]王軍戰，鮑艷松，張友靜，等.K-T變換在監測小麥地表參數中的應用[J].地理與地理信息科學，2010，26(3)：29-32.

[9]閆妍，朱教君，閆巧玲，等.基于遙感和GIS方法的科爾沁沙地邊界劃定[J].地理科學，2014，34(1)：122-12.

Natural Ecological Environment Evaluation in Guangzhou Based on Remote Sensing Technology and Comprehensive Index Method

Niu Anyi1Ma JiaoJiao1Chen Zhiyun1,2

(1.School of Geographical Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2.School of Geographic Science and Tourism, Jiaying University, Meizhou 514015, Guangdong, China)

Based on the interpretation of the ETM remotesensing image of Guangzhou in 2014,the spatial distribution results of three environmental factors including vegetation coverage index(NDVI),soil index(naked figure vegetation index)and the slope were collected.By adopting comprehensive index method after normalization of the environmental factors for weighted super position processing,the final ecological environment evaluation results was obtained for Guangzhou. The results showed that overall natural ecological environment in Guangzhou is not in good situation. The area with excellent eco-environment , fine eco-environment, medium eco-environment only accounts for 0.01%,4.5%and 35.79% of the total area, respectively, while 59.70%of the total area could be classified as inferior eco-environment.In the south of Guangzhou core area,the eco-environment is generally poor,while the north and northeast core area is relatively better.The effort taken to build green spaces and green belt in cities is the effective means toimprove regional environment quality and ameliorate the natural ecological environment.

natural ecological environment, environmental assessment,remotesensing interpretation, comprehensive index method, Guangzhou

2015-10-17

國家自然科學基金基于信息圖譜的珠三角人工紅樹林次生濕地生態系統健康研究(41271060)

牛安逸，碩士研究生，研究方向為環境生態、城市生態，E-mail：252553422@qq.com

馬姣嬌，碩士研究生，研究方向為環境生態、地理信息系統，E-mail：616789440@qq.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2015.06.003