基于遙感生態指數的區域生態環境質量評價研究綜述

(成都理工大學 四川 成都 610000)

一、研究現狀

生態環境監測是了解區域生態環境狀況必不可少的內容，是生態環境治理的前提和基礎。單一的地面監測具有一定局限性，而遙感具有高時效性、經濟方便且易獲取等優點，借助遙感技術進行生態監測，有助于我們更加全面、準確地了解區域生態環境，其在實時、動態監測區域生態環境質量等方面發揮著無可取代的作用。自20世紀90年代至今，遙感在理論和技術等方面日趨發展、完善，在區域生態環境監測與評價方面取得了豐碩成果。

徐涵秋[1]基于遙感技術提出了一個包含綠度、濕度、干度和熱度四個指標的遙感生態指數(RSEI)。國內學者們運用RSEI對不同區域的生態環境開展了生態環境質量量化分析及動態監測，明確指出研究區發展過程中存在的各種生態環境問題，進而為其發展提供針對性建議。徐涵秋[2](2013)以福州主城區為研究對象進行了生態環境評價，結果表明該地區2001—2009年生態環境質量呈下降趨勢。劉智才等[3](2015)運用RSEI分析了杭州1989—2010年的生態環境質量，研究表明21年來杭州生態環境質量下降，并得出城市建設用地不斷擴張是其生態環境質量下降的主要原因。王曉艷[4](2015)通過RSEI計算得出，1988—2007年精河縣生態環境質量下降，而在2007—2014年有所上升。彭麗媛等[5](2016)基于RSEI對瑪納斯河流域的生態環境質量進行了評價，結果顯示1993—2006年其生態環境呈變好的趨勢，為該流域的治理和保護提供了理論依據。

二、指標體系的建立

(一)指標體系的建立原則及優點

指標的選取遵循以下原則：(1)客觀性；(2)全面性；(3)適用性；(4)代表性；(5)可獲得性。

采用RSEI來評價區域生態環境質量，是因為該指數與其他方法相比具有以下優點：(1)評價指標中不僅包含自然因素，而且充分考慮到了人為活動對環境的影響；(2)采用主成分分析法計算RSEI，不僅減少了主觀因素的影響，而且更加方便；(3)數據處理及數值計算主要基于遙感影像，經濟便利，也更加科學。

(二)指標體系

(1)綠度指標(NDVI)：植被能較直觀反映區域內的生態環境狀況。歸一化植被指數(NDVI)是反映植被生長狀況和植被覆蓋度的重要參數，因此可以用NDVI來代表綠度指標。計算公式為：NDVI=(近紅外-紅光波段)/(近紅外+紅光波段)。

(2)濕度指標(WET)：纓帽變換得到的濕度分量[6]與水體、植被和土壤濕度密切相關，因此用濕度分量代表濕度指標。Landsat5 TM影像與Landsat8 OLI/TIRS影像的濕度計算公式略有不同。

對于Landsat5 TM影像，濕度計算公式為

Wet=0.0315×ρ1+0.2021×ρ2+0.3102×ρ3+0.1594×ρ4-0.6806×ρ5-0.6109×ρ7，

式中，ρi(i=1,…,5,7)代表Landsat TM影像各波段的反射率。

對于Landsat8 OLI/TIRS影像，

Wet=0.1511×ρ2+0.1973×ρ3+0.3283×ρ4+0.3407×ρ5-0.7117×ρ6-0.4559×ρ7，

式中，ρi(i=1,…,6,7)代表Landsat8 OLI/TIRS影像各波段的反射率。

(3)干度指標(NDSI)：一般情況，NDSI可以增強包括裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)在內的裸露地表信息，所以選用其來代表干度指標。干度計算公式為：NDSI=(SI+IBI)/2，

其中：SI=[(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3)+(ρ4+ρ1)]，

IBI={2×ρ5/(ρ5+ρ4)-[ρ4/(ρ4+ρ3)+ ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2×ρ5/(ρ5+ρ4)+[ρ4/(ρ4+ρ3)+ ρ2/(ρ2+ρ5)]}。

式中，ρi(i=1,…,5,6,7)表示Landsat TM影像各波段的反射率。

(4)熱度指標(LST)：熱度指標用地表溫度表示。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達式為：

Lλ=[εb(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑，

式中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度(K)，B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε,

TS計算公式為：Ts=K2/ln(K1/B(Ts)+1),

對于TM而言，K1=607.76W/(m2*μm*sr),K2=1260.56K。

對于TIRS Band10而言，K1=774.89W/(m2*μm*sr),K2=1321.08K。

(5)遙感生態指數(RSEI)：為使PC1大的數值代表良好的生態質量[1]，可用1減去PC1，得到初始的遙感生態指數RSEI0，即：RSEI0=1-PC1。

為方便對比指標，需對RSEI0進行歸一化處理，即：

RSEI=(RSEIi-RSEImin)/(RSEImax-RSEImin)。

式中，RSEI為遙感生態指數，值域為[0-1]，數值越大，表示生態質量越好[1]。

三、結語

近年來，國家、社會和公眾愈來愈重視生態環境。國內外越來越多的學者將研究方向向生態環境靠攏，不斷提出新的生態環境評價方法。本文研究的遙感生態指數由于具有數據易獲得、指標代表性強、客觀性強等優點，因此被越來越多的學者使用，對不同區域進行生態環境質量評價，更加全面、客觀地了解區域生態，從而為區域發展政策的制定提供科學理論支持，為響應“建設美麗中國”貢獻微薄之力。需要注意的是，遙感生態指數適用于陸地占比較多的區域，不適合水體為主的區域；如研究區水體較多，需對其進行掩膜處理。