近30年黃河三角洲生態環境遙感評價

侯學會 李新華 隋學艷 梁守真 王猛

摘要：受自然和人為因素的影響，黃河三角洲生態環境日益脆弱，制約了該地區的可持續發展。以四期Landsat數據為數據源，計算綜合研究區綠度、濕度和干度三種信息的遙感生態指數，并基于主成分分析法確定三因子的權重，對黃河三角洲1987—2016年間的生態環境時空格局開展定性和定量評價。研究發現，黃河三角洲生態環境在空間上存在顯著差異，從內陸向沿海，生態環境逐漸變差，且生態環境質量一般的區域占研究區陸地面積的47.20%～58.99%。近30年，研究區生態環境質量整體呈下降趨勢，但又有波動，以1995年前后生態環境質量相對較好。本研究結論與已有成果比較一致，可以為黃河三角洲生態環境保護和資源開發提供一定的參考依據。

關鍵詞：遙感生態指數；Landsat 數據；黃河三角洲；生態環境

中圖分類號：S127文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）02-0007-06

Abstract Affected by natural and human factors， the ecological environment of the Yellow River Delta is increasingly fragile， which restricts the sustainable development of this region. Based on four phrases Landsat data as the remote sensing data sources，we calculated a remote sensing ecological index （RSEI） combining three indicators from remote-sensing components as greenness， wet and dryness， and determined their weights based on principal component analysis.Then the spatial and temporal pattern of ecological environment in the Yellow River Delta from 1987 to 2016 was evaluated according to the RSEI. It was found that the ecological environment of the Yellow River Delta had significant differences in spatial pattern， which showed gradually deteriorating from inland to coastal areas， and the ratio of the “general” degree occupied 47.20%～58.99% of the total research area. In the past 30 years， the eco-environmental quality of the research area declined as a whole but fluctuated during different periods.The ecological environment quality was relatively the best in 1995. The conclusion of this paper was consistent with the existing results， and it could provide some references for the ecological protection and resource development of the Yellow River Delta.

Keywords Remote sensing ecological index；Landsat data；The Yellow River Delta； Ecological environment

黃河三角洲是我國暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地生態系統，也是我國東部沿海綜合資源最豐富的地區之一。另外，黃河三角洲地處山東省藍黃色經濟帶的核心地段，水庫建設、油田開發、養殖業等人類活動不斷加劇。雖然有國家制定的各項保護政策，但受全球氣候變化和社會經濟發展等因素的影響，該地區生態系統受到了不同程度的干擾和破壞，生態環境愈加脆弱，對該地區進行生態環境評價研究，可為黃河三角洲生態環境的可持續發展提供重要依據。

傳統生態環境調查方法需耗費大量的人力、物力，且調查周期較長，監測范圍有限。遙感技術以其宏觀、快速和實時的優點，在生態環境領域得到廣泛應用，已成為區域生態環境評價的重要手段之一[1-5]，如已基于遙感數據開展了對濱海濕地[1，2]、森林[6]、草地[7，8]、城市[9]等生態系統的生態環境評價。在對比國家環境保護部的《生態環境狀況評價技術規范》[10，11]基礎上，徐涵秋構建了遙感生態指數（remote sensing ecological index，RSEI）[12]。與已有生態環境評價方法相比，RSEI不受人為因素的影響，組成指標完全通過遙感數據計算獲得，能比較客觀地評價區域生態環境質量，且與我國環境評價標準因子——生態環境狀況指數（ecological index，EI）具有較好的一致性。

針對黃河三角洲的生態環境，許多學者也開展了相關研究，如基于遙感和統計數據，利用層次分析法對黃河三角洲生態環境質量進行總體分析[13]，基于遙感數據對黃河三角洲景觀格局進行探討等[14-17]。但已有研究在進行生態環境時間序列對比分析時，都只是對研究區各年的生態環境狀況分別進行歸一化，忽略了不同年份間生態環境整體狀況的差異，導致歸一化后的年際生態環境指數可比性差。因此，本文在前人研究的基礎上，以四期Landsat數據為遙感數據源，以現代黃河三角洲為主要研究區，以遙感指標在時間范圍內的整體性與統一性為參考依據，對黃河三角洲近30年的生態環境時空格局進行分析評價，以期為黃河三角洲生態環境保護與開發提供科學依據。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

本文以現代黃河三角洲為主要研究區，其范圍是以墾利縣魚洼為頂點，北起挑河口，南至宋春榮溝，主要位于東營市轄區內，包括河口區東部、墾利北部和利津東部（圖1）。現代黃河三角洲屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫12.1℃，年均降水量551.6 mm，其中70%的降水集中在夏季，是我國暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地，地處山東省藍黃經濟帶的核心。研究區土壤類型主要為隱域性潮土和鹽土，植被以鹽生植被為主，植物種群組成簡單，主要以蘆葦（Phragmites australis）、檉柳（Tamarix chinensis）和堿蓬（Suaeda salsa） 為主。生態系統比較脆弱。

1.2 遙感數據

數據源為1987—2016年間覆蓋研究區的四景Landsat 影像，行列號為121/34，為盡量消除衛星影像獲取時間差異帶來的結果不確定性，充分體現研究區植被信息，使用的遙感數據成像時間為8、9月份，具體成像時間及傳感器分別為1987-08-11 Landsat 5、1995-09-18 Landsat 5、2008-09-05 Landsat 5、2016-08-26 Landsat 8。

提取生態環境指標前需要對不同傳感器獲取的數據進行輻射校正、大氣校正和幾何校正等預處理，以獲得真實的地物光譜信息。本研究在ENVI 5.1下對Landsat 影像進行預處理，主要步驟為：①利用Landsat 5/8 影像定標文件對影像進行輻射定標，將原始DN（digital number）值轉換為輻亮度；②利用FLAASH模型對輻亮度進行大氣校正，得到真實地表反射率數據；③利用一景精校正后的Landsat 7（121/34）影像，對4景Landsat數據進行幾何校正，將誤差控制在0.5個像元內。

2 研究方法

2.1 遙感生態指數構建

借鑒徐涵秋提出的遙感生態指數（remote sensing ecological index，RSEI），考慮Landsat 5和Landsat 8兩個傳感器波譜差異，僅以自然生態環境的3個重要指標作為擬建生態指數的評價指標，即綠度、干度和濕度，其中以歸一化植被指數NDVI作為綠度表征，干度指數NDSI表征干度，纓帽變換后的濕度分量wet作為濕度的表征，不考慮溫度對生態環境的影響。

2.2 生態指標構建

（1）歸一化植被指數NDVI：

（2）干度指數NDSI以裸土指數SI和建筑指數IBI二者耦合而成，即：

公式（2）～（5）中的ρi （i= 1，2，…，5）分別為Landsat第1波段（藍波段）、第2波段（綠波段）、第3波段（紅波段）、第4波段（近紅外）、第5波段（短波紅外）的反射率。

（3）濕度指數wet：在ENVI軟件中對預處理后的tm衛星數據進行纓帽變換，取纓帽變換后的濕度分量作為本研究使用的濕度指數。

2.3 生態指標歸一化

由于據公式計算出的NDVI、NDSI、wet量綱不同，在后續分析之前，需先進行歸一化處理，將不同量綱的數據規范到[0，1]區間，轉化為無量綱指標。歸一化公式為：

其中，NIi為正規化后的某一指標值；Indicatori為該指標在像元i的值；Indicatormax為該指標的最大值；Indicatormin為該指標的最小值。為使不同年份具有統一性和可比性，本研究中Indicatormax和Indicatormin分別取該指標在整個研究時段內的最大值和最小值。

2.4 各生態指標因子權重的確定

RSEI表征的是NDVI、NDSI和wet三個因子的綜合信息，各因子在RSEI中的貢獻和地位通過其權重表示，為消除人為因素在各因子權重確定時的影響，本文基于主成分分析法（principal component analysis，PCA）進行多指標集成，自動客觀地確定各因子的貢獻度。結果如表1所示。在四個不同年份，3個指標的第一主成分（PC1）的累積貢獻率均超過了75%，說明第一主成分最大限度地集合了各指標的特征，能夠用來創建綜合評價參數。而且，在PC1中，綠度指數NDVI和濕度指數wet的權重均為正值，說明這兩個因子對生態環境起正面作用，而干度指數NDSI的貢獻值為負，說明其對生態環境起負面作用，這與實際情況相符。

3 結果與分析

3.1 RSEI空間格局

根據表1主成分分析結果，我們分別建立了不同年份的RSEI綜合指標集。為了更好地對遙感生態指標進行評價，我們依據公式（6）對RSEI同樣做歸一化，其中RSEImax和RSEImin分別指當年RSEI的最大值和最小值。結果如圖2所示。

可以看出，受黃河來水來沙、海水沖刷及人類活動的影響，研究區陸地面積和水域面積一直處在變化狀態，據統計，四個時期研究區陸地面積分別為20.16、21.49、22.53、20.43 hm2。從內陸向沿海，生態環境指標逐漸降低，特別是海岸帶附近，RSEI都在0.4以下，生態環境質量較差。相對其他區域，河流沿岸生態環境質量相對較好，一般在0.5以上。以00.6的區域僅為0.001%，而1995年該等級區域幾乎占到了陸地面積的一半，為46.62%。

3.2 RSEI時間變化特征

為更好地展現研究區生態環境時間變化特征，我們按照3.1中的“差、一般和良”三個等級劃分標準對四期非水體區域的RSEI重新賦值為1、2、3，然后進行兩兩相減，根據相減的數值大小，將生態環境變化結果分為5個等級，如圖3所示。

與1987年相比，2016年研究區生態環境質量下降程度較小，僅有2.83%的區域呈現顯著變差趨勢，32.72%的區域略微變差，生態環境向良性改變的區域占到14.98%，生態環境質量未發生改變的區域占到49.48%。分時間段來看，1987—1995年，研究區生態環境整體呈現改良趨勢，且改良面積占到研究區面積的57.92%，生態環境變差的區域僅為7.64%；1995—2008年，生態環境發生改變的區域為56.29%，其中，46.12%的區域生態環境質量略微變差；2008—2016年，除生態保護區外，研究區生態環境質量主要呈下降趨勢，下降面積占研究區陸地面積的45.69%，其中2.23%的區域呈現顯著變差的趨勢，43.46%的區域呈略微變差趨勢，未發生改變的區域所占比例為52.07%。

4 結論

本研究完全基于遙感數據構建生態環境評價指標，以開展現代黃河三角洲近30年生態環境評價。結果發現，受自然和人為因素的共同影響：

（1）黃河三角洲生態環境在空間上存在顯著差異，從內陸向沿海，生態環境逐漸變差，且大部分區域的生態環境質量一般，這與東營市農業地質背景分區結果（數據來源于東營市農業地質背景調查）比較一致。

（2）從時間變化上來看，受耕地、建設用地、陸地水域、鹽堿地、鹽田、養殖水面等人工用地面積不斷增加而草地和灘涂等自然植被面積減少的影響[18，19]，1987—2016年，研究區生態環境質量整體呈下降趨勢，生態環境質量變好的區域主要集中在被劃為生態林區和草場封育畜牧養殖區的河流沿岸及被劃為自然生態保護區的黃河入海口區域。

（3）四個時間段內，研究區生態環境質量呈現“變好—一般變差—變差”的波動趨勢，其中以1995年前后生態環境質量相對較好，這與章蟄[18]、蔡冬梅[20]等采用生態系統服務評價模型得到的研究結果一致。

黃河三角洲濕地是世界上比較特殊的濕地之一，其生態系統倍受國際關注。近幾十年，受自然和人為因素的共同影響，該地區生態環境日益脆弱。本文基于遙感數據開展的黃河三角洲生態環境評價，結論與已有研究結果比較一致，可以為黃河三角洲生態環境保護和資源開發提供一定的參考依據。

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