基于遙感的生態環境質量評價

肖瑛

摘? 要：本課題以長株潭為研究區域，以landsat8-OLI影像、GDEM地形數據為數據源，選取植被、土壤、地形三類要素作為生態環境評價指標，經過歸一化處理，構建綜合指數評價模型，以此評估長株潭地區生態環境。研究結果表明：長株潭總體自然生態環境狀況良好，優等級別面積占全區面積的3.58%，良好級別的占52.85%，中等級別的占21.80%，差等級別的占21.77%;從地理空間分布上看，長株潭北部的城市核心區生態環境普遍較差，東北部和西南部的狀況較北部好。

關鍵詞：自然生態環境;環境評價;長株潭;綜合指數法;遙感;OLI;GDEM

中圖分類號：X820.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）33-0044-04

Abstract： This topic takes Changzhutan as the research subject， with landsat8-OLI images and GDEM terrain data as the data source， and selects three basic elements， i.e. vegetation， soil and topography， as the ecological environment evaluation. After normalization and exponential superposition， this paper integrated index evaluation method to finally obtain the results of the ecological environment evaluation of Changzhutan. The results show that the overall natural ecological environment of Changzhutan is in good condition： excellent level area accounts for 3.58% of the whole area， a good level accounts for 52.85%， medium levelaccounting for 21.80%， and the poor levelaccounts for 21.77 percent. From the point of view of geospatial distribution， in the northern part of the city， the ecological environment of the core area is generally poor.?Keywords： natural ecological environment; environmental assessment; Changzhutan; composite index method; remote sensing; OLI; GDEM

引言

生態環境不僅是人類賴以生存的基礎，更是社會可持續發展的必要保障，而生態環境的退化已成為了現在全球范圍內最嚴重的問題之一。近年來我國政府也在逐漸加強對生態環境的監測力度，常使用生態環境指數評估當地的環境質量，生態環境遙感本底值是反映區域生態環境質量現狀、容量、環境恢復能力等方面的系列指數[1]。遙感與GIS二者的有機結合能為生態環境調控提供大范圍方便加工、應用的動態時空變化信息。

1 研究區概況

長株潭城市群由長沙、株洲、湘潭所轄行政區域組成，位于湖南省中北部。區內地貌類型多樣，盆、嶺、崗、平等齊全，整體生長期長，水熱充足，氣候溫和。

作為全國城市群建設的先行者，長株潭地區2007年至2018年內人口年均增長速度高于全省年均人口增速，人口分布呈現集中的趨勢，研究長株潭地區的生態環境質量，對正確處理城市化進程中的人地關系及實現資源的可持續發展具有一定的現實意義。

2 數據與技術路線

本課題以長株潭為研究區域，利用landsat8-OLI數據、GDEM地形數據，選取植被覆蓋度、土壤指數以及地形這3個生態因子，構建生態環境質量評價模型，對長株潭地區的生態環境質量進行合理評價，并提出改善長株潭地區生態環境質量的建議與措施（圖1）。

2.1 數據源

在遙感監測及生態環境評價中，常用的遙感數據有TM、MODIS、SPOT、ETM、TIRS、OLI等遙感數據。本研究采用的遙感數據源為Landsat-8衛星搭載的OLI傳感器獲取遙感影像，共5景，空間分辨率為30m，選取2018年8月至10月六景影像，影像獲取時間植被生長特點較為茂盛，影像質量良好且無云。數據源為美國USGS網站（http：//glovis.usgs.gov/）。

本研究中所采用的數字高程模型（DEM）數據是分辨率為30m的GDEM的數據，投影為UTM。由于長株潭地區經緯度范圍分別為東經111°54′～114°15′、北緯26°03′～28°40′，下載9景DEM影像，數據源為地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）。

2.2 數據預處理

數據源為landsat8-OLI數據，目前Landsat8 OLI傳感器還沒有相應的穗帽變換模型，根據OLI和ETM+波段對照，OLI的Band2～7和ETM+的6個多光譜波段范圍相近，因此，在沒有出現最新OLI穗帽變換模型時，可以去除第一波段深藍波段，將ETM+的穗帽變換模型應用于OLI。

3 研究方法

上世紀60年代以來，國內外對生態環境質量評價的研究隨著3S技術的發展，由最初的單一要素、單一因子評價向多種因子、多要素的評價方向改變[2]。國內外都是基于遙感影像技術的基礎上進行生態環境評價質量模型構建，選取的評價因子也大致相同。

目前應用較多的生態環境質量評價方法有模糊評價法[2]、灰色關聯度法[3]和綜合指數法[4]。應用最為廣泛的是綜合指數法，它是指將一組相同或不同指數值進行統計學處理，對不同計量單位、性質的指標值對其實施標準化，最后轉化成一個綜合指數，以準確地對研究對象進行評價[5]。本文所使用的生態環境質量評價方法是綜合指數法。

3.1 植被覆蓋度提取

植被覆蓋度是根據前人研究的NDVI估算模型，見公式（1）。

其中，NDVI是歸一化植被指數，為減少圖像中不可避免的噪聲影響，本研究選取直方圖取兩頭“拐點處”的值為NDVImax和NDVImin，根據5%的累計百分比選擇置信度區間，結果如圖2所示。

3.2 土壤指數提取

土壤指數同樣采用前人研究的模型裸土植被指數（GRABS），見公式（2）：

其中，V1和B1分別為纓帽變換的綠度指數和土壤亮度指數。結果如圖3所示。

3.3 坡度提取

利用裁剪好的長株潭DEM數據在ENVI中使用/Terrain/Topographic Modeling工具得到坡度生成圖4。

4 長株潭生態環境質量評價

4.1 生態因子歸一化

評價因子生成后各指標的量綱不一致，采用統一順序原則，對各指標的歸一化衡量其對生態環境的貢獻程度，從高到低分為10個等級，對環境貢獻越大，編碼值越大，反之編碼值越小。

4.1.1 植被覆蓋度歸一化及結果分析

經過ENVI計算像元值、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=0.1，NDVImax=0.35。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。

通過密度分割可以得到長株潭地區植被覆蓋度狀況如圖5，從圖中可以看出長株潭地區植被覆蓋度南高北低，四周多中心少，總體程度中等，空間分布不均的規律。從表1中可知植被覆蓋度低于10%的地區占長株潭地區總面積的13.23%，集中分布在沿湘江建立的長株潭城市群核心區。該區域城市化水平高、人口密集、生態系統穩定程度低。

4.1.2 土壤指數歸一化及結果分析

土壤的組成與土壤侵蝕等現象息息相關，這里采用的是裸土植被指數作為土壤因子，同樣將裸土植被指數值劃分為10級，如果質量越好編碼越大，見表2。

通過密度分割可得到長株潭土壤健康狀況，從圖6可以看出，長株潭土壤健康狀況分布與植被覆蓋度表現出較強相關性。從空間分布上來看，指數最低值仍存在于長株潭中心城市核心區。從結構上看，土壤等級4～7的地區占全區的89.34%，等級在8以上的地區不到5%，等級在3以下的地區不足7%，數值呈正態分布，總體保育良好。

4.1.3 地形因子結果分析

一般情況下，侵蝕量和坡度成正相關，將研究區劃分10級坡度類型，按坡度越低越有利于土地資源利用的原則，較低的坡度區賦予較高分值，見表3。

通過密度分割可以得到長株潭坡度狀況，從圖7可以看出，受地形影響長株潭大部分地區坡度等級較低。整體上來看，坡度為0～8度的土地占全區面積的64.15%，坡度為8～33度的土地占全區面積的34.52%，坡度在33度以上的土地占全區面積的1.33%。

4.2 長株潭生態環境質量評價

本文最終的生態環境質量評價結果由“自然生態環境的綜合指數（E）”的大小決定。

自然生態環境的綜合指數能夠反映被評價區域生態環境質量狀況，按照公式（3）的計算方法就可以得到生態環境狀況指數的值，各項指標及其權重如表4所示。

根據E值，將生態環境分為4級，即9-10為優等、6-9為良好、4-6為中等、1-4為差，再對其結果進行密度分割，得到最終結果如圖8。

從統計結果表5看，長株潭自然生態環境質量良好，環境級別為良好的土地占全區面積的52.85%，優等占全區面積3.58%，中等占全區面積的21.80%，環境級別為差的土地僅占全區面積的21.77%。其中，自然生態環境為差的地區絕大部分為長株潭中部城市核心區以及南部和東北部的水域部分，這些地區往往屬于人口密集的城市核心區，對土地覆被的改變巨大，為自然災害的產生埋下了隱患。

5 結束語

本文利用landsat8-OLI數據、GDEM地形數據，選取植被、土壤、坡度三個生態因子，采用綜合指數法建立長株潭地區的自然生態環境評價模型。按照本研究建立的生態環境評價體系，城區中的自然生態環境評價結果一般為 “差”，但一些綠化帶以優等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。

在城市化進程中，需要特別注意土地資源的節約及合理利用，做好土地資源的規劃及有效利用，加強對高層空間和地下空間以及城市邊緣地區的開發會有助于提高城市生態環境，實現資源的可持續發展。比如在城區內進行綠道建設，積極響應湖南省的新一輪湖南大綠化，或在進行舊城改造的過程中，將一些土地作為綠地來建設，從而整體改善城市生態環境狀況。

參考文獻：

[1]李洪義，史舟，郭亞東，等.基于遙感與GIS技術的福建省生態環境質量評價[J].遙感技術與應用，2006，21（1）：49-54.

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[3]畢曉麗，洪偉.生態環境綜合評價方法的研究進展[J].農業系統科學與綜合研究，2001，17（2）：122-126.

[4]厲彥玲，朱寶林，王亮.基于綜合指數法的生態環境質量綜合評價系統的設計與應用[J].測繪科學，2005，30（1）：89-91.

[5]牛安逸，馬嬌嬌，陳志云.基于遙感技術及綜合指數法的廣州市自然生態環境評價[J].中國城市林業，2015，16（4）：40-45.