天宮二號對地觀測數據在生態評價中的應用研究

孫 明，鐘仕全，謝 敏，蒙良莉

（1.廣西壯族自治區氣象減災研究所/國家衛星氣象中心遙感應用試驗基地，南寧 530022；2.廣西壯族自治區氣候中心，南寧 530022；3.廣西師范學院地理科學與規劃學院，南寧 530001）

生態環境是人類賴以生存發展的物質基礎，人類活動影響其所在的生態環境變化，反過來生態環境狀況的好壞直接關系著人類社會的可持續發展的能力［1］。人們對自然生態環境質量的重視程度逐漸提高，傳統的環境評價方法越來越滿足不了社會發展的需要，而遙感技術由于具有快速、實時和大范圍獲取數據的優勢［2-5］，被廣泛應用于生態環境各個領域，為生態環境動態監測、評價環境質量提供了來源和有效手段［6］。目前，生態環境質量的評價逐步由定性轉為定量［7-11］，遙感技術發展為生態環境的時空變化定量化評價提供了有力的支持。目前，基于遙感的綜合指數法在國內運用較為成熟［12-15］，利用與生態環境密切相關的因子，如植被覆蓋度、土壤指數、坡度指數、生態系統凈初級生產力等，根據不同因子對生態環境的貢獻程度大小賦予不同權重，通過對不同因子的加權疊加，得出自然生態環境評價模型。本文以“天宮二號”太空實驗室所搭載的寬波段成像儀影像為數據源，綜合利用植被覆蓋度、土壤亮度以及地形坡度因子，構建馬山縣生態環境質量定量評價模型，探討天宮二號寬波段成像儀在生態環境監測中的應用，研究成果能夠為決策部門科學地進行生態環境保護與修復提供支撐，對該數據的應用推廣具有積極的意義。

1 研究區概況

馬山縣隸屬于廣西壯族自治區南寧市，地處桂中南部，大明山北麓，屬亞熱帶季風氣候區。東部多大石山，西部多丘陵，地形以喀斯特石山為主，是全區有名的山區縣之一。馬山縣行政區域總面積234100km2，其中：石山區面積131800km2，占全縣總面積的56.30%；丘陵面積為102300km2，占43.70%。

2 材料與方法

2.1 數據源

表1 天宮二號寬波段成像儀參數

寬波段成像儀是新一代寬波段、寬視場和“圖譜合一”的光學遙感器，具有可見近紅外、短波紅外和熱紅外三個譜段，在400km的軌道下，空間分辨率分別是100m、200m和400m，成像寬度可以達到300km（詳見表1），適宜開展內陸湖泊、陸地大尺度土壤和植被分布等地標探測、水汽與氣溶膠等大氣探測，以及海洋和海岸帶水色、水溫、海水污染探測等方面應用。本文所用數據可見近紅外波段影像，成像時間為2017年12月21日。

2.2 研究方法

本研究基于綜合指數法對馬山縣生態環境的健康狀況進行評價，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，得到最終馬山縣自然生態環境評價模型。

（1）遙感影像預處理。寬波段成像儀的可見近紅外通道影像為L2級，進行了系統幾何校正，還需要進行幾何精校正，本文以landsat8 OLI數據為參考影像，對天宮二號影像進行校正，校正精度控制在0.5像元內，利用行政邊界數據對影像進行裁切，得到馬山縣的天宮二號寬波段成像儀的遙感影像（圖1，見彩頁）。

（2）植被覆蓋度。植被覆蓋度能夠反映生態環境質量是否適合植被生長，是表征植被的一個重要生物參量，其遙感估算模型［16］可以表示為：

式中，NDVI為歸一化植被指數，NDVImax和NDVImin分別為研究區內最大和最小NDVI值，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）土壤亮度指數。土壤亮度指數對生態環境的優劣有一定的指示意義，其遙感估算模型［17］為：

（4）生態因子歸一化處理及生態環境評價。由于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［18］：

在公式（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，NDSI，S分別為植被覆蓋度、土壤亮度指數和坡度。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。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度分析

通過ENVI軟件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%的累計百分比的統計結果，以5%的累計百分比，同時對比直方圖，確定置信度區間：有效最大值和最小值對應的像元為NDVImin=0.01，NDVImax=0.64。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2所示。

表2 植被覆蓋度歸一化指數

表3 土壤亮度歸一化指數

表4 坡度歸一化指數

通過密度分割可以得到馬山縣植被覆蓋度狀況（圖2，見彩頁），從圖中我們可以看出，馬山縣的植被覆蓋度分布較為平均，全縣植被覆蓋度高于50%的區域約占全縣面積的60%，植被覆蓋度最高的區域主要集中在中部的大明山區；縣城東北部以及西南部為巖溶山區，植被多為低矮灌草，植被覆蓋度在50%～80%；植被覆蓋度低于10%的區域主要集中在馬山縣城以及巖溶地區的裸露地帶。

3.2 土壤亮度指數分析

土壤亮度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馬山縣的土壤亮度指數，對其做歸一化處理后，計算結果如圖3（見彩頁）所示。

從圖4（見彩頁）可以看出，土壤健康狀況分布于植被蓋度表現出很強的相關性。從空間分布上看，受植被保育土壤作用的影響，指數最高值出現在中部大明山地區，其次為東北部與西南部的巖溶石漠化地區，最低值出現在縣城區域以及巖溶石漠化地區的裸土地塊。從結構上看，等級4～7的地區占全縣面積的93%以上，等級在8以上的不足5%，等級在3以下的不足2%，呈正態分布。

3.3 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的原則，對坡度狀況進行歸一化，將坡度從高到低賦予1～10級（圖4，見彩頁）。

馬山縣坡度在36°以下區域占全縣面積的94%以上，其中，坡度在27°以下區域占全縣面積的71%，主要分布在縣城區、巖溶石漠化裸土區以及大明山的大部分地區；坡度在63°以上的區域不足1%。

3.4 自然生態環境評價

根據綜合指數模型，對植被覆蓋度歸一化指數、土壤亮度歸一化指數以及坡度歸一化指數進行波段疊加運算，結合野外調查數據，將馬山縣生態環境質量劃分為優、良、中、差4個級別，不同等級的環境狀況指數的空間分布特征，體現了環境狀況的區域性差異（圖5，見彩頁）。利用廣西石漠化區分布矢量數據對馬山縣生態環境質量等級數據進行裁剪，對石漠化區與非石漠化區分別進行統計，不同等級統計結果見表5。

表5 馬山縣生態環境質量等級統計

結果顯示，馬山縣整體生態環境狀況較好，生態環境等級主要以中和良為主，占全縣總面積的80.65%，主要分布在大明山區以及巖溶石漠化區；等級優的地區主要分布在大明山區，僅占比2.04%，其中，等級為優的部分79%分布在非巖溶山區；等級為差的主要分布在馬山西南部的永州鎮、馬山縣城、東北部的金釵鎮等人類活動較為密集的區域以及巖溶石漠化地區的裸地區域，占全縣面積的17.31%；其中，79%的等級為差的區域主要分布在巖溶山區。受衛星成像時間的限制，本文所用的天宮二號成像時間為2017年12月21日，馬山縣主要的糧食作物以水稻和玉米為主，在12月底均已完成收割，導致農田區域的地表呈現裸露狀態，進而影響該地區的植被覆蓋度指標，導致農田區域的環境等級被分為差的等級，后期可以利用多時相的遙感影像對馬山縣生態環境等級進行精度的修訂。

4 結論與討論

（1）天宮二號寬波段成像儀可見近紅外影像在生態環境監測方面具有廣闊的應用空間，配合短波紅外譜段影像以及熱紅外譜段影像，能夠實現對地表生態環境的全方位監測。

（2）馬山縣的生態環境質量總體較好，生態環境質量主要以中和良為主，占全縣總面積的80.65%；等級差的區域主要分布在巖溶石漠化地區；等級為優的區域較少，僅占全縣總面積的2.04%，主要分布在大明山區。

（3）選取植被覆蓋度、土壤亮度指數以及坡度作為環境因子進行研究，一定程度上揭示了馬山縣自然生態環境的總體狀況及空間差異，具有一定的參考意義；但僅以3個因子進行綜合評價得出的結果并不全面，在后續的研究中，可以進一步考慮使用天宮二號寬波段成像儀的熱紅外譜段數據反演地表溫度產品，綜合生物豐度等因子，對生態環境質量進行全面、綜合的評價，以期得到更為準確的評價模型。