基于衛星遙感的天津地區生態環境質量氣象評價

梁冬坡 孫治貴 郭玉娣 宋鑫博

摘? ? 要：為全面了解天津市的生態環境變化狀況，更好地開展城市生態承載力評估、生態紅線調整、海綿城市建設等氣象保障服務工作，本文基于氣象觀測數據及多源衛星遙感數據，利用RS技術和GIS制圖技術，從植被覆蓋率、森林葉面積指數、城市地表熱環境、水體和濕地變化、生態質量氣象評價等方面對2008—2017年天津地區的生態環境狀況進行了研究。結果顯示：天津地區植被覆蓋率和森林葉面積指數與降水量關系密切，其變化趨勢受降水影響較大;隨著天津城市化發展，天津城市地表熱島強度和面積呈逐年增長趨勢，未來天津市區及環城四區的地表熱島有連綿成片并向濱海中心城區延伸發展的趨勢;天津的水庫和濕地受氣候變化和人為開發等因素的影響，于橋水庫、北大港水庫、東麗湖、團泊洼、七里海濕地、大黃堡洼也都發生了不同程度的改變;2008—2017年天津市的生態質量氣象評價結果經歷了由好變差又轉好的一個過程，2017年各區生態質量指標介于34.5～50.5之間，生態質量總體評價處于較好水平。

關鍵詞：衛星遙感;生態氣象;植被覆蓋率;地表熱環境;監測;評價;天津

中圖分類號：S127? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.12.012

Abstract： In order to fully understand the change of ecological environment in Tianjin， and carry out meteorological support services such as urban ecological carrying capacity assessment， ecological red line adjustment， sponge city construction better， based on meteorological observation data and Multi-source satellite remote sensing data， this paper used RS technology and GIS mapping technology， from vegetation coverage， forest leaf area index， urban surface thermal environment， water body and wetland. The ecological environment of Tianjin has been studied and analyzed from 2008 to 2017 in terms of change， ecological quality and meteorological evaluation. The results showed that： the vegetation coverage and forest leaf area index were closely related to the precipitation in Tianjin， and their change trend was greatly affected by the precipitation; with the development of urbanization in Tianjin， the intensity and area of urban surface heat island in Tianjin were increasing year by year， and in the future， the surface heat island in the urban area of Tianjin and the four areas around the city would be continuous and extended to the central coastal city; the trend of urban surface heat island in Tianjin with the influence of climate change and human development and other factors， Yuqiao reservoir， Beidagang reservoir， Dongli lake， Tuanpuwa， Qilihai wetland and Dahuangpuwa had also changed to varying degrees; the results of ecological quality meteorological evaluation of Tianjin in 2008—2017 have experienced a process from good to bad and then to good， and the ecological quality indicators of each region in 2017 were between 34.5～50.5， the overall evaluation of ecological quality is at a good level.

Key words： satellite remote sensing; ecological meteorology; vegetation coverage; surface thermal environment; monitor; evaluate; Tianjin

生態文明建設是中國特色社會主義事業“五位一體”總體布局的重要組成部分，做好生態文明建設氣象保障是氣象部門認真履職的重要內容。面對全球氣候變化和快速城市化進程，自然生態環境承載力和生態安全面臨著嚴峻考驗，迫切需要開展有針對性的多層次綜合性定量生態監測保障服務。近年來，以衛星遙感宏觀、實時、動態的對地觀測能力為代表的空間信息技術已被廣泛應用于生態環境領域，其所獲取的信息包括了大氣、陸表、水域等相關信息和數據，綜合應用遙感技術對區域生態環境進行評價，較好地解決了數據采集方式和評價技術手段多樣而造成的評價結果缺乏可比性的問題，當前無論國際還是國內，遙感技術被應用于各種尺度的生態環境調查中，成為監測和評價區域生態環境的有效手段。羅春等[1]選取Landsat TM遙感影像，分別提取綠度、濕度、干度和熱度4個生態因子作為評估指標，結合主成分分析方法，定量評估了常寧市近20年生態變化情況。徐涵秋等[2]基于2004/2015年Landsat影像，采用遙感信息反演技術和RSEI遙感生態指數，評估了雄安新區近11年地表不透水面、植被和水體三大覆蓋類型的變化，并預測新區建設的生態效應及其對熱環境的影響。王釗齊等[3]利用Lansdsast5 TM數據反演宜興市初級生產力、植被覆蓋度和地表溫度等生態參數，提出基于歸一化不透水指數的地表裸露度，綜合以上參數建立基于遙感參數的生態環境指數模型，并運用該模型定量評價江蘇省宜興市生態環境質量動態變化。高慧等[4]以資源一號02C衛星PMS數據為主要的數據源，對四川省普格縣開展了縣域生態環境遙感調查工作，選取生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數和環境質量指數5個評價指標分析研究區內的生物、植被、水資源、土地以及環境污染等情況。Ivits等[5]利用AVHRR遙感數據對西班牙安達盧西亞地區進行了生態環境評價，并且評估了農業活動對該區域的影響。

天津市氣象衛星遙感中心長年圍繞農業遙感監測、陸地生態環境監測和海洋生態環境監測開展氣象衛星遙感應用和生態氣象業務服務工作，本研究系統總結和分析了近十幾年來天津植被覆蓋率、森林葉面積指數、城市熱島、水庫濕地變化、生態質量氣象評價結果等變化規律和特征，特別是應用高時空分辨率多源衛星遙感數據進行監測分析，大大提高了天津市生態環境監測評估和分析結果的客觀性和精準度，為今后開展城市生態承載力以及氣候評估、生態環境紅線調整、海綿城市建設、近海岸海洋生態環境保護等生態文明建設氣象保障積累了經驗。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

天津市位于北緯38°34～40°15，東經116°43～118°04之間，一年四季氣候分明，年平均氣溫約為14 ℃，7月份氣溫最高，月平均溫度可達28 ℃左右，歷史最高氣溫曾突破41 ℃。

1.2 數據來源及處理

氣象數據來自2008—2017年13個國家氣象觀測站天津市范圍內的數據;地理信息數據來自測繪部門的包括天津市行政區界，DEM高程等;衛星數據為從地理空間數據云網站獲取的Landsat數據和氣象衛星數據廣播接收系統接收的數據。

衛星影像數據要進行輻射定標、大氣校正、幾何校正等預處理，在此基礎上進行研究區的裁剪和生態指標的計算。數據處理和分析用到的工具為ENVI和Arcgis9.3軟件。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋率計算? ? 植被覆蓋率是指某一地區植物垂直投影面積與該地域面積之比，用百分數表示[6]。植被覆蓋率不僅是衡量一個城市環境質量的重要指標，同時也是城市熱島、水土流失的重要影響因子，本文用年最大植被覆蓋率反映城市“綠色”程度。

利用MODIS衛星16 d合成的歸一化植被指數NDVI產品（NOD13Q1），獲取影響中每個像元的年最大和年最小NDV，根據公式（1）計算得到天津地區年最大植被覆蓋率。

式中，fc為植被覆蓋率，NDVImax為年最大歸一化植被指數，NDVImin為年最小歸一化植被指數。

1.3.2 城市熱島（冷島）計算? ? 地表溫度（LST）是區域和全球尺度地表物理過程中的一個關鍵因子，也是研究地表和大氣之間物質交換和能量交換的一個重要的地球物理參數，在地-氣間的物質和能量交換中扮演著重要角色，對地球上自然資源生成、植被生長、氣候變化和人類日常生活都有重要影響。采用葉彩華等[7]提出的地表熱島強度（Surfacce Urban Heat Island，簡稱SUHI）指標及等級劃分方法，基于EOS/MODIS的地表溫度（LST）數據進行估算，計算公式為：

式中，SUHIi為圖像上第i個像元所對應的熱島強度，Ti是衛星遙感數據反演的第i個像元所對應的地表溫度，n為郊區農田的有效像元數，Tcrop為衛星遙感數據反演的郊區農田的地表溫度。

1.3.3 水體面積估算? ? 利用徐涵秋等[2]提出的改進的歸一化化水體指數（MNDWI）法提取水體區域，并計算分析天津市主要水庫濕地的水體面積變化。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋率監測

由圖1可以看出，天津地區2008—2017年最大植被覆蓋率年際之間有較大差異，2008—2014年呈波浪式下降趨勢，其中2014年降到最低，為69.47%;2015—2017年有所回升，其中2016年的植被覆蓋率超過了近10年的平均值，為72.83%。由圖2可知，2014年植被覆蓋率低主要由于2013和2014年的年降水量偏少。

利用EOS/MODIS衛星遙感數據監測的天津市2017年各區縣的最大植被覆蓋率及空間分布（圖3、圖4），結果可以看出不同區縣植被覆蓋率差異較大，植被覆蓋率較高的地區主要集中在薊州區、寶坻區、寧河區、武清區以及靜海區等農業主產區。其中，寶坻區、薊州區和寧河區的植被覆蓋率位列全市前3名，且年最大植被覆蓋率都在75%以上;天津市城區和濱海新區植被覆蓋率較低，年最大植被覆蓋率在50%以下。

2.2 森林葉面積指數監測

葉面積指數（LAI）為單位地表面積上植被單面綠葉面積的總和，是陸面過程中的一個十分重要的結構參數，是表征植被冠層結構最基本的參量之一，可有效反映植物光合葉面積大小、植被冠層結構和健康狀況等信息。

森林生態系統對天津地區的生態環境有著至關重要的意義，薊州區是天津市唯一的半山區縣，也是天津市的“后花園”，被列為全國生態示范區、全國首家綠色食品示范區、第一批國家新型城鎮化綜合試點地區。此外，薊州山區的林地系統作為天津主要的生態涵養區，也是天津的生態屏障，同時薊州區還是天津市重要的水源地。利用林地的葉面積指數可以很好地反映和評估薊州區林地的長勢狀況。這里基于MODIS衛星16 d合成的葉面積指數數據產品，利用最大值合成法獲取薊州區年最大森林葉面積指數（圖5）。

從圖6和圖7可以看出，2008—2012年天津市薊州區林地年最大葉面積指數變化呈逐年減小的趨勢，2014—2017年的葉面積指數呈現逐年增長的趨勢。其中2013年薊州區林地的葉面積指數達到了近10年最大值，大于4.0。經與薊州區的年降水量對比分析發現，2013年葉面積指數突增的原因可能與2012年天津薊州區的降雨量遠遠超過常年均值有很大關系，較高的降雨量有效補給了土壤含水量，對翌年森林生態系統的改善較為明顯。

2.3 城市地表熱環境監測

熱島效應是由于人們改變城市地表而引起小氣候變化的綜合現象，是城市氣候最明顯的特征之一。城市熱島效應（Urban heat island effect），是指城市因大量的人工發熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市“高溫化”，城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象。在近地面溫度圖上，郊區氣溫變化很小，而城區則是一個高溫區，就像突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表高溫的城市區域，所以就被形象地稱為城市熱島[7-9]。

土地覆蓋類型與地表溫度緊密相關，地表熱輻射主要和下墊面地物的性質有關，不同的下墊面地物類型其地表溫度差異明顯，下墊面性質的不同，對城市熱島效應有重要的影響[10-11]。隨著城市建設的高速發展，城市熱島效應也變得越來越明顯。截至2017年，天津城鎮化率為82.9%，在中國大陸所有省市區中排名第三，僅次于上海和北京，城鎮化導致城市群、城市規模不斷擴大，城市下墊面土地覆蓋類型也發生較大變化，這種變化不可避免地影響了城市，特別是城區的地表溫度的空間分布。基于衛星遙感數據反演地表溫度，進而研究城市地面熱環境空間分布和變化規律，可為開展城市生態環境和宜居性評估、城市規劃合理性提供重要的參考依據。

如圖8所示，對比2001，2005，2010和2015年4個不同時期發現，整個天津的地表熱島強度（SUHI）平均值在2001年僅為1.01 ℃，較強熱島（SUHIi≥3 ℃）面積僅為615 km2;到2005年平均熱島強度增加至1.63 ℃，較強熱島（SUHIi≥3 ℃）面積增加至828 km2;到2010年平均熱島強度為2.17 ℃，較強熱島（SUHIi≥3 ℃）面積為1 282 km2;而到2015年平均熱島強度增加到3.34 ℃，較強熱島（SUHIi≥3 ℃）面積為2 754 km2。這種變化表明了天津市迅速擴展導致城市地表熱島增強增大的事實，地表熱島強度平均增速為每5年增加0.75 ℃，而較強熱島（SUHIi≥3 ℃）面積平均增速為每5年增加148 km2。圖8表明，近15年隨著市區-塘沽一線迅速發展，熱島帶面積顯著增加，未來市區及環城四區熱島有可能連綿成片，需要提前采取應對措施（如綠化）減緩城市地表熱島效應發展。

利用基于陸地資源衛星數據（Landsat）對比分析2001，2005，2011和2017年的天津市區、環城四區及濱海新區城鎮面積（圖9）監測結果發現，4年的城鎮居民地面積占總行政區面積的比例是20.58%，23.56%，29.29%和36.68%，城鎮居民地面積逐步增加擴大，并以市區和濱海新區塘沽為重點發展區域向四周擴展，與城市熱島監測結果比較吻合，分析說明隨著城市化發展建設，天津市熱島效應逐漸加強。

2.4 主要水庫濕地監測

天津市地處華北平原的東北部，海河流域下游，東臨渤海，北依燕山，西靠首都北京，是海河五大支流南運河、子牙河、大清河、永定河、北運河的匯合處和入海口，素有“九河下梢”、“河海要沖”之稱。三千多年來的渤海海退變遷在天津平原殘留下眾多湖泊、沼澤濕地，至今天津市共有于橋水庫、團泊洼水庫、北大港水庫、官港水庫、七里海濕地以及大黃堡洼等多處湖泊，在保護生物多樣性、凈化空氣、調節河川徑流、補給地下水、改善氣候和維持區域水分平衡中發揮重要作用。

近年來，受華北平原氣候干旱原因以及人為開發等影響，天津的水庫和濕地狀況發生了較大變化，為及時掌握和了解天津各水庫和濕地變化情況，利用陸地資源衛星數據對各水庫和濕地的水體面積進行了遙感監測和分析，為生態環境評價和保護提供背景數據。

2.4.1 于橋水庫? ? 從圖10可以看出，1984—2017年于橋水庫水體面積為75.50～88.00 km2，平均80.50 km2。2015年4月16日水體面積達到最大，為88.00 km2; 1984年5月28日水體面積達到最小，為75.50 km2。主要原因是受氣候干旱、水庫東側淺水區水庫水草影響，面積估算有所差異，從遙感圖上來看水庫面積變化不大，水庫東側庫區水體面積有所增加，但水庫水體顏色有所變化，初步分析是水庫水產養殖及水體浮游植物影響所致。

2.4.2 北大港水庫? ? 從圖11可以看出，1984—2017年北大港水庫面積為8.20～77.32 km2，平均39.52 km2。1984—2003年水體面積逐漸增大，其中2003年10月17日水體面積最大，為77.32 km2。此外除了2013年水體面積接近1984—2017年的均值外 ，2009年以后水體面積在8.20～16.90 km2，其中2017年10月17日水體面積最小，為8.20 km2。

2.4.3 東麗湖? ? 從圖12可以看出，1984—2017年，東麗湖水體面積為4.98～13.72 km2，平均9.95 km2。1984—2009年東麗湖處于豐水期，水體面積大于800 km2，其中2005年8月19日水體面積達到最大，為13.21 km2;2009年以后東麗湖開發力度加大，東湖水體面積縮小，2013—2017年東麗湖水體面積在7 km2以下，其中2017年10月23日最小，為4.98 km2。

2.4.4 團泊洼水庫? ? 從圖13可以看出，1984—2017年團泊洼水體面積為1.17～50.20 km2，平均31.46 km2。其中1994年水庫面積最大為50.20 km2，2001年、2003年與2009年受自然干旱影響，水體面積較小，2013—2017年水體面積穩定在35.06～38.02 km2。

2.4.5 七里海濕地? ? 從圖14可以看出，1984—2017年七里海水體面積為4.32～13.83 km2，平均9.11 km2。1984—2003年七里海處于枯水期，水體面積均小于7.00 km2，其中1984年面積最小，為4.32 km2。此后七里海進入豐水期，水體面積逐漸增大，且均大于8.00 km2，其中2017年10月17日水體面積最大，為13.83 km2。

2.4.5 大黃堡洼濕地? ? 從圖15可以看出1984—2017年大黃堡洼水體面積為15.42～57.74 km2，平均40.86 km2。1984—2007年大黃堡洼水體面積逐年增大，從1984年9月10日的15.42 km2增加至2007年4月3日的57.74 km2。2007年之后水體面積減小，其中2017年最小，為32.72 km2。從衛星遙感圖上看出大黃堡洼濕地水體面積主要受自然干旱影響，自然狀態較好。

2.5 生態質量氣象評價

生態環境質量評價是根據選定的指標體系和質量標準，運用恰當的方法評價某區域生態環境質量的優劣及其影響作用關系。而氣象因子作為生態系統的重要自然屬性，很大程度上影響著區域生態環境背景和生態環境適宜度。對生態質量開展氣象評價則是從氣象或氣候事件變化中反映某一時段生態質量狀況的變化趨勢。生態質量指標可以反映某一地區某一時段生態質量受氣象條件的影響好壞，為當地政府開展生態治理提供科學決策依據[12-14]。

按照中國氣象局《生態質量氣象評價規范（試行）》（氣發〔2005〕170號）規定[5]，生態質量指標=生態綜合評價指數×100=[濕潤指數×0.25+植被覆蓋指數×0.3+水體密度指數×0.2+（1-土壤侵蝕指數）×0.15+（1-災害指數）×0.1]×100。參照表1的生態質量氣象評價分級標準，通過數據分析得出2008—2017年天津市生年度態質量指標平均分布圖（圖16），可以看出，2008—2017年天津市各區生態質量指標介于34.5～50.5，生態質量總體處于較好水平。其中濱海新區北部較高，生態質量指標為50.16，薊州區、寶坻區和濱海新區中部次之，武清、寧河、北辰、濱海新區南部再次之，東麗、西青、津南、靜海較低，天津城區生態質量指標最低，生態質量指標僅為36.62。

3 結論與討論

文章基于氣象觀測數據及多源衛星遙感數據，利用RS技術和GIS制圖技術，從植被覆蓋率、森林葉面積指數、城市地表熱環境、水體和濕地變化、生態質量氣象評價等方面對天津地區的生態環境狀況進行了多年的動態監測，特別是應用高時空分辨率多源衛星遙感數據進行研究，大大提高了天津市生態環境監測評估和分析結果的客觀性和精準度。結果顯示，2008—2017年天津市的生態質量氣象評價結果經歷了由好變差又轉好的一個過程，2017年各區生態質量指標介于34.5～50.5，生態質量總體評價處于較好水平。

在生態文明建設以及“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大發展理念下，天津地區近些年開展的植樹造林、城市綠化、水土保持等措施對生態環境的改善已開始顯現了成效，但氣候干旱、城市發展等對生態環境的影響風險仍然不可低估，亟需有關部門引起重視，并加大天津生態環境承載力評估評價和生態保護修復力度。

為更好地開展城市生態承載力評估、生態紅線調整、海綿城市建設等方面的氣象保障服務工作，后續應繼續改進技術方法，建立科學全面的生態環境質量評價指標體系，研究設定生態環境氣象遙感監測客觀評價指數，為政府及有關部門提供優質有效的生態文明建設氣象保障服務。

參考文獻：

[1]羅春，劉輝，戚陸越.基于遙感指數的生態變化評估——以常寧市為例[J].國土資源遙感，2014，26（4）：145-150.

[2]徐涵秋，施婷婷，王美雅，等.雄安新區地表覆蓋變化及其新區規劃的生態響應預測[J].生態學報，2017，37（19）：6289-6301.

[3]王釗齊，李建龍，楊悅，等.基于遙感的城市生態環境質量動態變化定量評價——以江蘇省宜興市為例[J].寧夏大學學報（自然科學版），2017，38（3）：294-301.

[4]高慧，張景華，張建龍.基于資源一號02C衛星的縣域生態環境遙感調查——以普格縣為例[J].國土資源遙感，2017，29（S1）：144-150.

[5]LVITS E，CHERLET M，MEHL W， et al.Estimating the ecological status and change of riparian zones in Andalusia assessed by multi-temporal AVHEIR? datasets[J].Ecological indicators， 2009， 9（3）：422-431.

[6]李小文，王錦地.植被光學遙感模型與植被結構參數[M].北京：科學出版社，1995.

[7]葉彩華，劉勇洪，劉偉東，等.城市地表熱環境遙感監測指標研究及應用[J].氣象科技，2011，39（1）：95-101.

[8]杜晉苗，孫艷玲，馬振興，等.基于Landsat8的天津地區夏季城市熱島區分布特征研究[J].天津師范大學學報（自然科學版），2015，35（4）：41-47.

[9]田慶久，閔祥軍.植被指數研究進展[J].地球科學進展，1998，13（4）：327-333.

[10]唐菊莉，姚延娟，申維.基于RS和GIS技術環境星影像的武漢市土地分類方法的研究[J].測繪與空間地理信息，2013，36（3）：37-40.

[11]劉慧平，朱啟疆.應用高空間分辨率遙感數據進行土地利用與覆蓋變化監測的方法及研究進展[J].資源科學，1999，21（3）：23-27.

[12]毛文永.生態環境影響評價概論[M].北京：中國環境科學出版社，2003：153-247.

[13]黃志華.生態環境質量評價的研究發展綜述[J].中國科技博覽，2009（2）：244.

[14]劉少軍，張京紅，辛吉武，等.基于GIS的生態質量氣象評價建庫方法研究[J].地理空間信息，2007，5（1）：87-89.