烏魯木齊市遙感生態距離指數變化監測與評價

黃鈺涵，閆浩文，李小軍，吳小所，王卓

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，蘭州 730070；2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州 730070；4.蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070)

0 引言

干旱區的面積在全球陸地總面積中，占比達30%。中國的干旱區大部分位于西北地區，山地、荒漠、綠洲為內陸干旱區的三大地理系統[1]。而干旱區綠洲是以荒漠為基質、圍繞綠洲構成的特殊生態系統。綠洲景觀因荒漠基質的包圍而具有封閉性，且長期受干旱氣候制約，表現出較明顯的生態脆弱[2]。綠洲城市以綠洲為依托，保證人類社會的生產與生活，而各種生態問題如植被退化、土壤沙漠化、水資源短缺等，均對綠洲城市的可持續發展有著不同程度的影響。因此準確了解綠洲城市的生態狀況，明確城市變化對生態環境質量的影響，對于綠洲城市的生態環境治理和保護意義重大。

當前在生態環境變化監測領域廣泛應用遙感對地觀測技術，但以單方面指標評價居多，如利用植被指數研究植被覆蓋動態變化與人類活動的響應[3]；通過分析城市景觀格局變化，評估城市熱島效應[4]；提取城市建設用地信息，定量分析城市擴展動態變化[5]等。然而單因子評價一般側重于某個方面的變化對于環境的影響效應，評價結果略顯片面。為了能集成多個指標綜合客觀地評價生態環境變化，也有學者提出了一些綜合評價模型，如著名的“壓力-狀態-響應”概念模型[6]；利用主成分分析法綜合各個指標構建的城市遙感生態指數模型[7]；基于“成因-結果”指標的生態脆弱性評價模型[8]等。綜合評價模型解決了單一因子評價的片面性問題，使評價結果更加全面，但多個指標的權重如何確定才能保證評價結果的準確，又成為了環境評價研究中的一個重點。

烏魯木齊市是中國西北區域典型的干旱區綠洲城市，因人口數量增長、城市空間不斷擴張，加劇了生態環境壓力。有學者從土地利用角度說明烏魯木齊市生態環境變化，發現土地利用變化對綠洲環境造成的干擾逐年增加，城鎮建設雖能取得社會經濟效益，但是也導致了建設用地與綠化用地的矛盾[9-12]；王長建等研究發現城市化綜合水平的提高，對環境造成了負面沖擊效果[13]，作用十分明顯。而目前對于烏魯木齊市生態環境整體評價及其驅動因子方面的研究比較缺乏。

本研究在目前生態環境質量評價模型的基礎上，以Landsat TM/OLI遙感影像為數據源，考慮干旱區綠洲城市的自然環境特征，選取評價指標，構建遙感生態距離評價指數，分析綠洲城市的生態環境演變趨勢。該指數綜合評價生態環境質量變化的同時，解決了單因子評價的片面性與指標權重確定的主觀性問題，使得評價結果能夠全面、客觀地反映綠洲城市在研究期間內的生態環境變化趨勢。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

烏魯木齊是新疆維吾爾自治區首府，位于亞歐大陸腹地，是世界上與海洋距離最遠的內陸城市。烏魯木齊年降水量約為380 mm，氣溫7、8月份較高，1月份較低，屬于中溫帶大陸性干旱氣候。近幾年來隨著我國“一帶一路”政策的實施，烏魯木齊市借助國家政策的支持，城區建設不斷推進，城鎮化水平不斷提高，2018年城鎮化率達90.2%。

1.2 數據源

本文選取2003年、2010年、2017年的Landsat TM/OLI遙感影像為數據源，基于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)下載。為了獲得更準確的研究區信息，成像時間選擇了研究區植被生長狀態較好的7月或8月，然后將遙感影像進行相關的預處理，包含輻射校正、幾何校正、大氣校正等步驟，最后依據烏魯木齊市行政邊界裁剪出研究區影像。

2 研究方法

2.1 遙感生態距離指數評價模型

生態環境質量評價結果能否體現評價區域真實的環境狀況，關鍵在于評價指標選取的合理性。考慮到地區差異性，要針對研究區的自然環境特征選擇具有代表性的評價指標，指標具有可操作性且易獲取。烏魯木齊市與準噶爾盆地接壤，盆地內的古爾班通古特沙漠氣候干燥炎熱、降雨極少，生態環境惡劣，對烏魯木齊的城市生態環境造成了一定的影響，使得其脆弱且不穩定，極易受到外部因素的干擾。在氣候條件先天不占優的情況下，植被顯得尤為重要，對于干旱區城市來說植被可以保持水土、調節水循環、改善城市熱島效應，最能直接反映生態環境的變化趨勢[3，14]，因此植被指數常常應用在生態環境評價中。干旱缺水是烏魯木齊市重要的生態環境特征，不僅限制了城市的社會經濟發展，還影響植被與農作物的生長，所以選擇土壤濕度作為評價指標之一，代表研究區的土地干旱程度。綠洲城市是人類社會活動的體現，但因其水土條件較差，城鎮建設等人類活動又比較集中，極易造成地表“干化”，主要表現為建筑不透水面與裸露的土地，影響了原本的地表生態環境，因此在城市生態環境評價中采用建筑裸土指數代表城市“干度”[15]。由于北部與準噶爾盆地相鄰，烏魯木齊市生態環境受其影響致使土地退化[16]，沙漠化程度日益加重，因此反演沙漠化指數作為評價指標，分析研究區的沙漠化趨勢。針對研究區地理環境特征與主要的環境問題提出4個評價指標：綠度指標、濕度指標、干度指標、沙度指標。這些指標不僅影響干旱區綠洲城市環境的質量，還與人類的生產生活息息相關。

加權求和法是常用的指標評價方法，但在確定權重的過程中，不可避免主觀人為因素的干擾，最后導致評價結果有失偏頗，因此擬構建遙感生態距離指數(remote sensing eco-environment distance index，RSEDI)[17]將以上4個指標耦合成單一變量，可解決加權求和法易受人為因素干擾的問題。

2.2 生態環境評價指標提取

1)沙度指標。通過分析沙漠化與地表定量參數之間的變化關系，曾永年等[18]提出了基于Albedo-NDVI特征空間的沙漠化遙感監測差值指數模型(difference index of desertification，DDI)，該指數簡單明了、計算方便，能夠對沙漠化程度進行定量分析與變化監測，揭示沙漠化變化趨勢，因此利用該模型反演研究區沙漠化指數。先利用研究區遙感影像分別計算歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)與地表反照率Albedo，將NDVI與的值進行統計后歸一化處理，構建沙漠化差值指數模型。

2)干度指標。采用歸一化建筑與裸土指數(normalized difference built-up index，NDBI)反映地表裸露特征[19]，對指標分析后表明，城鎮與裸土的地表類型亮度值較高，其他類型的土地亮度值較低，可以反映裸露的地表，代表城市“干化”地表的分布。

3)綠度指標。應用遙感技術獲取的植被指數，廣泛應用于監測農作物生長、植被覆蓋變化及空間分布等方面。研究發現，概括差值植被指數(generalized difference vegetation index，GDVI)在干旱低植被覆蓋區，比歸一化植被指數(NDVI)有更高的敏感度，可以更準確地反映干旱區植被的覆蓋度變化[20]，因此在研究干旱區城市的環境變化時，選擇概括差值植被指數。

4)濕度指標。由纓帽變換所得的3個特征分量，亮度分量、綠度分量、濕度分量分別表征了不同的地表物理參量，普遍應用于遙感生態環境變化檢測[21]。本研究選取纓帽變換中的濕度分量用于計算干旱區土壤濕度，揭示土地旱情變化。

2.3 遙感生態距離指數計算

對于獲取的以上4個指標，計算遙感生態距離指數。該指數以4個生態評價指標構成一個四維空間，空間中生態質量最差的點以沙度指標、干度指標的最大值，綠度指標、濕度指標的最小值表示，以此計算空間中其他點到最差點的距離來評價生態環境的優劣，距離越小，即指數越小，代表生態質量越差，反之則代表生態質量越好。計算公式為：

(1)

式中：DI、BI、GI、WI分別表示某一個像元的沙度值、干度值、綠度值和濕度值。該指數的優點在于根據各個像元自身的指標值確定與生態最差點的距離，以此判斷該點的生態環境優劣，避免了人為確定各指標權重造成的結果不準確。將4個指標帶入公式(1)計算得到各個年份的生態指數，將指數按照99%的置信區間歸一化處理，減弱因季相不同造成的影響，即為所求遙感生態距離指數，指數值區間為0～1，值越高說明生態環境質量越好。

3 結果與分析

3.1 烏魯木齊市生態環境質量總體評價

表1統計了研究區各年份指標值與計算獲得的RSEDI指數的均值。根據表中各指標的變化可知，沙度指標均值在2003至2017年間不斷上升，說明土地沙漠化趨勢在研究區沒有得到有效的控制，對整體的生態質量造成了消極影響，應該采取對應的沙化治理措施。干度指標揭示了研究區的地表類型變化，2003年到2017年研究區城鎮建設面積增加，但同時隨著造林工程的推進，裸露的土地被植被覆蓋，正反效應相互抵消，所以反映建筑與裸土的干度指標均值在研究期間內變化不明顯。綠度指標與濕度指標，在2003到2017年期間均值都有所提高，表明烏魯木齊市的植被覆蓋面積有所增加，土壤濕度提高，干旱情況有所緩解。

表1 2003年、2010年、2017年4個指標與RSEDI指數的均值

單個指標的變化，僅能反映出研究區某一方面的變化特征，整體的生態質量變化很難體現。本文構建RSEDI指數集成各個指標，不僅能體現單個指標之間的關聯，而且可以綜合監測城市生態質量變化水平，相比于單個指標的評價更加全面。如表2所示，從RSEDI指數與各指標之間的相關性來看，相關度均值都在0.8以上，相關性很強，表明RSEDI指數具有綜合代表性，可以綜合代表研究區生態環境的變化。

表2 4個指標與RSEDI指數的相關系數

研究期間內，烏魯木齊市RSEDI均值從2003年的0.291上升到2010年的0.366，到2017年又進一步上升到0.405，14年來總體上升了39.18%，保持了持續增長的態勢。

圖1顯示了烏魯木齊市RSEDI指數空間分布情況。通過遙感影像能夠看到烏魯木齊市北部地區土地以荒漠為主，幾乎沒有植被覆蓋，對應的RSEDI指數值也很低，生態環境質量極差。而南部區域有高大的山脈，自然地理條件較好，加上退耕還林、荒山綠化等環境保護政策的作用，在2003到2017年間南部山區的RSEDI指數逐步提高，環境質量呈上升趨勢，使得烏魯木齊市的生態質量空間分布存在明顯的南北差異。整體上看2003年烏魯木齊市的環境質量以中等較差為主，到了2017年環境質量改善，整體呈中等良好的分布狀態。

圖1 烏魯木齊市遙感影像及對應RSEDI指數圖像

3.2 烏魯木齊市生態環境質量動態變化監測

將RSEDI指數值以0.2的等距離劃分為5個級別，指數從小到大分別代表生態環境質量差、較差、中等、良、優。統計2003年、2010年、2017年中各個等級所占面積及其百分比如表3所示。統計結果顯示，2003—2017年間烏魯木齊市生態等級變化明顯。生態環境質量等級為差和較差的區域面積所占百分比從32.4%和44.72%下降到2017年的16.04%和32.64%；中等級別區域面積明顯上升，2003年僅為19.01%，2017年達到39.36%；良級別的面積比例在研究期間上升了8.61%，優級別的面積比例略微下降。研究期間內，低等級生態質量的區域向高等級轉變，2017年中、良、優級別的土地增加了28.44%。

表3 2003—2017年間RSEDI各級別面積及其百分比

為了揭示烏魯木齊市生態環境的空間變化特征，對烏魯木齊市2003年到2017年的遙感生態距離指數進行差值計算，如圖2所示。與2003年比較，2017年生態環境改善的地區主要為中心城區以及東部和南部的山區，北部與準噶爾盆地接壤的米東區，生態環境呈持續退化的狀態。

圖2 基于差值法的2003—2017年烏魯木齊市RSEDI變化檢測

表4統計了2003—2017年不同生態環境質量變化等級的區域面積及其占總面積的百分比。生態環境等級提高的地區面積為8 277.98 km2，占比達到58.23%；生態環境等級保持不變的地區面積為3 239.82 km2，占22.79%；生態環境等級降低的地區面積較少，僅占全區面積的18.98%。生態環境等級上升的地區面積占比高于生態環境等級下降的地區，揭示了研究區生態質量整體提高的趨勢。

將提出的RSEDI綜合指標用于烏魯木齊市環境評價，分析后得出2003—2017年烏魯木齊市遙感生態距離指數明顯提高，表明城市生態環境正在不斷改善。查閱烏魯木齊市國民經濟和社會發展統計公報可知，近年來烏魯木齊市積極推進道路綠化、公共綠化和荒山綠化，2010年中心城區新增各類綠地30.667 km2；2017年全年新增綠地12 km2、退耕還林4 km2、裸露荒山綠化4.086 km2。可以看出以退耕還林、荒山綠化、城市環境改造等為主的環境保護措施，確實對改善生態環境有積極正面的影響。

表4 烏魯木齊市2003—2017年變化檢測

4 結束語

本研究選取能代表干旱區綠洲城市生態環境特點的沙度、干度、綠度、濕度作為評價指標，構建遙感生態距離指數，該指數完全基于遙感技術獲取，可以大范圍、快速、簡便地監測生態環境質量變化。應用于烏魯木齊城市生態變化評價中，分析了2003—2017年遙感生態距離指數的空間分布與動態變化。研究表明，烏魯木齊市的RSEDI指數均值14年來持續增長，從整個研究區的RSEDI指數空間分布可以看出，烏魯木齊的生態環境變化主要發生在中心城區以及東部和南部的山區，生態質量顯著提高。

基于Landsat TM/OLI數據，利用生態距離函數耦合沙度、干度、綠度和濕度指標，建立RSEDI指數，可以實現對烏魯木齊市城市生態變化監測與評價，得到的結論可作為烏魯木齊今后環境治理工作的參考和依據。