基于遙感生態(tài)指數(shù)的焦作市生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

張 娟, 文廣超, 王恩營(yíng), 謝洪波, 劉正疆

(河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 454000)

資源枯竭型城市是指礦產(chǎn)資源開發(fā)已進(jìn)入晚期階段，資源型城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題—土地資源濫用[1]、水資源破壞[2]、大氣污染[3]、城市熱島效應(yīng)等[4]逐步凸顯，是我國(guó)城市發(fā)展過(guò)程中不可避免的問(wèn)題。中國(guó)先后于2008，2009，2012年分3批確定資源枯竭型城市，焦作市作為首批資源枯竭型城市，是中部地區(qū)資源枯竭型城市的典型代表[5]。近年來(lái)，隨著焦作市生態(tài)環(huán)境建設(shè)力度的加大，其生態(tài)環(huán)境明顯改善，“國(guó)家森林城市”、“全國(guó)水生態(tài)文明城市”和“國(guó)家文明城市提名城市”等一系列稱號(hào)的獲得，充分印證了其生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成效。研究焦作市生態(tài)環(huán)境演化特征對(duì)未來(lái)生態(tài)環(huán)境改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也可以為其他資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供建設(shè)參考。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)城市生態(tài)環(huán)境的方法逐漸增多，學(xué)者開始將多個(gè)遙感指數(shù)耦合監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。王萬(wàn)同[6]通過(guò)對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值遙感模型中分析，對(duì)中原城市群實(shí)現(xiàn)了逐年逐像元的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；徐涵秋[7]首次提出遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，其綜合考慮植被覆蓋、城市建設(shè)和地表溫度等因素，采用遙感手段可獲取的因子，客觀評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)狀況；茹克亞·薩吾提[8]采用遙感解譯指標(biāo)對(duì)新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的阜康市進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；魏力輝[9]基于遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了有效評(píng)價(jià)；魏偉[10]在綜合考慮武威市土地實(shí)際狀況的基礎(chǔ)上，利用遙感數(shù)據(jù)，借助GIS和RS技術(shù)，選取土壤侵蝕、土壤荒漠化、土壤含水量和土壤鹽漬化4個(gè)指數(shù)，構(gòu)建武威市土地生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系；白培勛[11]提出了一種基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線、原始航拍數(shù)據(jù)獲取及處理、水土保持生態(tài)建設(shè)基本監(jiān)測(cè)信息提取等步驟可實(shí)現(xiàn)快速有效監(jiān)測(cè)；王俊華[12]采用人機(jī)交互解譯方法提取多龍礦集區(qū)有關(guān)人類活動(dòng)、水文、荒漠化、金屬氧化物污染及草地覆蓋等信息，分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。前人在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面做了大量工作，但是針對(duì)資源枯竭型城市開展生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)相關(guān)研究的報(bào)道還不多見。為此，本研究選取典型資源枯竭型城市—焦作市為研究區(qū)，選用Landsat的5期影像數(shù)據(jù)，耦合綠度、濕度、溫度及干度指標(biāo)，基于RSEI模型定量得到了焦作市近20 a的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化特征，結(jié)合人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)剖析了社會(huì)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律，分析得到了不同生態(tài)指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的重要程度，以期為進(jìn)一步改善焦作市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀提供參考，同時(shí)為其他資源型城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)面積為4 071 km2，地理位置為35°10′—35°21′N，113°4′—113°26′E，位于河南省西北部，與山西省晉城市接壤，北依太行山，南臨黃河。地貌分為山區(qū)和平原兩大部分，總體北高南低，由西北向東南呈階梯式遞減，天然形成的平均坡度為2‰，由南部平原到北部山區(qū)，高程為80～1 200 m之間，高差起伏較大。焦作市轄沁陽(yáng)、孟州市兩市，修武、武陟、溫縣、博愛4縣及市區(qū)。沁陽(yáng)、博愛縣、市區(qū)、修武縣北部均為高山，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，其中修武縣經(jīng)過(guò)治理，部分村莊成為集旅游、休閑于一體的模范村莊；黃河流域橫穿孟州市、溫縣、武陟縣南部，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量近幾年有所好轉(zhuǎn)；中部區(qū)域受人類活動(dòng)影響最大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源包括遙感數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)兩部分，數(shù)據(jù)來(lái)源表述為：①焦作市行政區(qū)劃圖：來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，用于分析研究區(qū)范圍；②Landsat系列影像數(shù)據(jù)：來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局官方網(wǎng)站(https:∥www.usgs.gov)，影像數(shù)據(jù)清晰，覆蓋區(qū)云量較少。影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型為L(zhǎng)evel 1T地形矯正影像，為提高不同時(shí)相研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等[13]預(yù)處理。影像數(shù)據(jù)詳見表1。③人口、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：來(lái)源于2000，2006，2009，2014和2019年的《焦作市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

表1 Landsat系列影像數(shù)據(jù)介紹

1.3 研究方法

1.3.1 因子介紹 在反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量諸多因素中，綠度、濕度、熱度、干度是人類直觀感知生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要因素，常被用于評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境。

(1) 綠度指標(biāo)：歸一化植被指數(shù)(NDVI)是表征植被生長(zhǎng)情況的因子，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)植被和生態(tài)環(huán)境狀況[14]。

(1)

式中：ρRed，ρNIR分別為TM，ETM，OLI數(shù)據(jù)中紅、近紅外波段的反射率。

(2) 濕度指標(biāo)：植被種類、分布狀況及地表土壤中的水分均和濕度指標(biāo)緊密相關(guān)[15]，本文濕度指標(biāo)[16]用纓帽變換中的濕度分量WET表示。

TM：WET=0.031 5×ρBlue+0.202×ρGreen+0.310 2×ρRed+

0.159 4×ρNIR-0.680 6×ρSWIR1-0.610 9×ρSWIR2

(2)

ETM：WET=0.262 6×ρBlue+0.214 1×ρGreen+0.092 6×ρRed+

0.065 6×ρNIR-0.762 9×ρSWIR1-0.538 8×ρSWIR2

(3)

OLI：WET=0.151 1×ρBlue+0.197 2×ρGreen+0.328 3×ρRed+

0.340 7×ρNIR-0.711 7×ρSWIR1-0.455 9×ρSWIR2

(4)

(3) 干度指標(biāo)：裸露地和建筑用地會(huì)造成地表的“干化”，生態(tài)環(huán)境受二者面積及分布情況影響較大，所以干度指標(biāo)(NDSI)綜合考慮裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)。

SI=〔(ρSWIR1+ρRed)-(ρNIR+ρBlue)〕/〔(ρSWIR1+ρRed)+(ρNIR+ρBlue)〕

(5)

IBI={2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-〔ρNIR/(ρNIR+ρRed+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1〕}/

{2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)+〔ρNIR/(ρNIR+ρRed+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1〕}

(6)

NDSI=(SI+IBI)/2

(7)

(4) 熱度指標(biāo)：采用地表溫度表示，本研究采用大氣校正法反演LST。選擇影像的熱紅外波段進(jìn)行輻射定標(biāo)后求得黑體輻射亮度，再利用普朗克函數(shù)求出LST[19]。

Lλ=〔εB(LST)+(1-ε)L↑〕τ+L↓

(8)

B(LST)=〔Lλ-L↓-τ(1-ε)L↑〕/τε

(9)

LST=K2/ln〔K1/B(Ts)+1〕

(10)

式中：ρRed，ρGreen，ρBlue，ρNIR，ρSWIR1，ρSWIR2分別為TM，ETM，OLI數(shù)據(jù)中紅、綠、藍(lán)、近紅外、短波紅外1，短波紅外2波段的反射率；Lλ為熱紅外輻射亮度值；B(LST)為黑體輻射亮度； LST為地表真實(shí)溫度；ε為地表比輻射率；τ，L↓，L↑為大氣剖面參數(shù)。

1.3.2 遙感生態(tài)指數(shù) 遙感生態(tài)指數(shù)由徐涵秋提出，可用來(lái)定量化評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，分析其時(shí)空變化情況。計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)時(shí)需要對(duì)各因子歸一化，其目的是減少量綱不統(tǒng)一造成的誤差，使指標(biāo)具備時(shí)空一致性。因子歸一化時(shí)，可能會(huì)受到個(gè)別極端值的影響，使歸一化結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文采取方法是選取累積5%，95%的DN值作為置信區(qū)間，且將區(qū)間外的數(shù)據(jù)設(shè)置為最值，這樣可以有效避免極端值對(duì)歸一化的影響[20]。研究區(qū)有大片水域時(shí)會(huì)影響濕度指標(biāo)結(jié)果，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。焦作市除黃河、沁河兩條大型河流，還有丹河、大沙河等水域，因此需對(duì)研究區(qū)的水域做掩膜處理。提取水體信息方法為改進(jìn)歸一化水體指數(shù)[21]，結(jié)合Google Earth選擇合適的閾值提取水體。

4個(gè)因子歸一化后耦合進(jìn)行主成分變換，將獲取的PC1做減法運(yùn)算，得到初始生態(tài)指數(shù)RSEI0。為便于比較不同年份間的RSEI0，對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化處理。

RESI0=(1-PC1)

(11)

RSEI=(RSEI0-RSEIMin)/

(RSEIMax-RSEIMin)

(12)

式中：RSEI值在0～1之間； RSEI值越高,表示生態(tài)質(zhì)量越好。

主成分分析的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)4個(gè)指標(biāo)對(duì)主成分(PC)的貢獻(xiàn)率確定權(quán)重，減少主觀性，各年份主成分分析結(jié)果詳見表2。第一主成分(PC1)具有以下特征：PC1的貢獻(xiàn)率均大于75%，PC1包含了4個(gè)指標(biāo)中大部分特征，可用于創(chuàng)建遙感生態(tài)指數(shù)RSEI。

表2 研究區(qū)2000-2019年遙感生態(tài)指數(shù)主成分分析結(jié)果

1.3.3 人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù) 人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)城市生態(tài)環(huán)境變化起著重大影響，而人類活動(dòng)脅迫[22]是指人類活動(dòng)使生態(tài)環(huán)境朝著不好方向演變的各種因素，分析人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)將生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口等信息相關(guān)聯(lián)，可彌補(bǔ)遙感生態(tài)指數(shù)未考慮經(jīng)濟(jì)、人口等因素的不足。本文選取城鎮(zhèn)人口密度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度及第三產(chǎn)業(yè)增加值密度來(lái)衡量人類活動(dòng)強(qiáng)度。

城鎮(zhèn)人口密度：?jiǎn)挝粐?guó)土面積內(nèi)年末城鎮(zhèn)人口總數(shù)，宏觀上評(píng)估人口給焦作市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的壓力，計(jì)算公式為：

UPDi,t=(UPi,t×10 000)/A

(15)

式中：UPDi,t為第i個(gè)縣(區(qū))第t年人口密度(人/km2); UPi,t為第i個(gè)縣區(qū)第t年年末常住城鎮(zhèn)人口總數(shù)(萬(wàn)人);Ai為第i個(gè)縣(區(qū))國(guó)土面積(km2)。

產(chǎn)業(yè)增加值密度：?jiǎn)挝粐?guó)土面積內(nèi)GDP產(chǎn)業(yè)增加值數(shù)據(jù)，從宏觀層面評(píng)估產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)焦作市生態(tài)環(huán)境的影響。

DGDPi,t=GDPi,t/A

(16)

式中：DGDPi,t代表了第i縣(區(qū))第t年GDP密度(萬(wàn)元/km2); GDPi,t為第i縣(區(qū))第t年份GDP萬(wàn)元。

人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)：采用主成分分析法定量化評(píng)估焦作市不同時(shí)段社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算城鎮(zhèn)人口密度及各個(gè)產(chǎn)業(yè)增加值密度參量，據(jù)此計(jì)算人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)。

(17)

式中：HPI指人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù);λg指特征根;Fg指主成分分量(特征根和主成分分量可使用SPSS軟件計(jì)算得到)。

2 結(jié)果與分析

2.1 焦作市遙感生態(tài)指數(shù)

根據(jù)遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算公式，可得2000，2006，2009，2014和2019年中RSEI均值分別為0.607，0.651，0.447，0.348和0.370，2000—2014年焦作市生態(tài)環(huán)境呈倒“U”形變化，2014—2019年焦作市生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)。將各年份生態(tài)指數(shù)以0.2為間隔分為5級(jí)[23]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，較差(0.2～0.4)面積先降后升，優(yōu)等(0.8～1)面積先升后降，拐點(diǎn)均發(fā)生在2006年；差等(0～0.2)面積先升后降，良(0.6～0.8)面積先降后升，拐點(diǎn)發(fā)生在2014年；中等(0.4～0.6)面積2006占比最低，為12.6%，2000—2019年由34.1%降到20.8%。較差面積和優(yōu)面積的變化使得2006年RSEI值最高，差等面積下降和良面積、中等面積上升使得2014—2019年RSEI值上升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以改善。

從圖2可以看出，2000—2006年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域集中在北部山區(qū)，2000年以前北部山區(qū)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，被肆意開采，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差。2000年以后，政府開始對(duì)北部山區(qū)礦山進(jìn)行整治，如焦作市關(guān)停北山采石場(chǎng)，并將采石場(chǎng)打造成一處綜合性公園——縫山針公園，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以改善[24]；2009—2019年期間，焦作市出臺(tái)首部地方性法規(guī)——《焦作市北山生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》，焦作市政府投入了資金支持、加大了管理力度，對(duì)北山生態(tài)環(huán)境保護(hù)范圍、保護(hù)管理體制、保護(hù)規(guī)劃、保護(hù)區(qū)進(jìn)行了明確規(guī)定，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量由差、較差轉(zhuǎn)變?yōu)榱肌?yōu)。2006—2009年期間，城區(qū)由于人類活動(dòng)強(qiáng)度增大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)生惡化趨勢(shì)。環(huán)境治理過(guò)程中焦作市政府針對(duì)城區(qū)不斷加強(qiáng)治理力度，多措并舉，大力推動(dòng)焦作市自資源型城市向生態(tài)型旅游城市轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在： ①根據(jù)《河南省南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施方案》確定的“一山一渠兩流域”的總體布局，將黃河流域保護(hù)區(qū)及北部山區(qū)作為重點(diǎn)修復(fù)區(qū)域，采取管控、修山、治水、護(hù)渠、復(fù)綠、整地、擴(kuò)濕等綜合性治理措施，按照“一區(qū)一策”方案，焦作市相關(guān)部門從自身實(shí)際情況出發(fā)，開展了大量的生態(tài)保護(hù)工作，包括北部山區(qū)歷史遺留礦山生態(tài)恢復(fù)治理、流域水生態(tài)環(huán)境治理； ②焦作市近年來(lái)不斷加大對(duì)南水北調(diào)中線工程總干渠生態(tài)帶、山區(qū)生態(tài)體系、生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等重點(diǎn)生態(tài)工程的投入。例如，南水北調(diào)沿線50 m綠化帶、黑臭水體改造工程和中原沿線太極養(yǎng)生綠化等工程，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)取得一定成效。

圖1 焦作市生態(tài)質(zhì)量環(huán)境分級(jí)

焦作市各縣區(qū)RSEI變化如圖3所示。分階段來(lái)看，2000—2014年期間，除溫縣，其余縣區(qū)在2006年RSEI值最高，和焦作市整體變化規(guī)律一致，符合倒“U”形變化。2014—2019年，除博愛、修武縣及市區(qū)，其余縣區(qū)RSEI值均增加。市區(qū)、修武、武陟縣高于2019年RSEI均值，沁陽(yáng)市、溫縣遙感生態(tài)指數(shù)值較低，應(yīng)重點(diǎn)治理，以提高焦作市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

圖2 焦作市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布

圖3 焦作市各縣區(qū)2000-2019年RSEI指數(shù)變化

2.2 焦作市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析

將RSEI進(jìn)行差值運(yùn)算，得到2000—2019年焦作市生態(tài)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)圖(圖4)，其中紅色代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，綠色代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)，黃色為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)定。變化區(qū)域分為北部山區(qū)和南部平原，自焦作市轉(zhuǎn)型以來(lái)，焦作市政府不斷加強(qiáng)對(duì)北部山區(qū)環(huán)境治理，因此北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提高，呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)。2000—2006年期間，沁陽(yáng)、博愛、市區(qū)、修武、武陟等區(qū)域好轉(zhuǎn)，在此期間大力實(shí)施天然林保護(hù)、退耕還林、北山綠化等工程，5 a完成造林6.06×105hm2，關(guān)閉污染嚴(yán)重企業(yè)357家，2005年市區(qū)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良以上天數(shù)達(dá)286 d，比2000年增加近200 d；省控出境河流斷面水質(zhì)平均達(dá)標(biāo)率達(dá)到91%；2006—2009年期間，南部平原地區(qū)出現(xiàn)大面積惡化情況，原因是焦作市作為全國(guó)老工業(yè)城市，轉(zhuǎn)型初期工業(yè)布局不合理，城區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在不足，城鎮(zhèn)化率達(dá)到45.3%，未利用土地大幅減少，建設(shè)用地急劇增加；2009—2014年期間整體惡化區(qū)域明顯變少，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)，示范區(qū)和產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，關(guān)閉污染企業(yè)104家；自2014—2019年以來(lái)，焦作市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，主要?dú)w功于政府對(duì)生態(tài)環(huán)境治理的重視以及有力的政策支持，如焦作市根據(jù)“創(chuàng)建國(guó)家生態(tài)園林城市”的戰(zhàn)略部署，建設(shè)了如焦作森林動(dòng)物公園、大沙河濕地公園等生態(tài)公園，同時(shí)制定了《焦作市黃河灘區(qū)開發(fā)整理規(guī)劃和實(shí)施方案》，將武陟縣、孟州、溫縣境內(nèi)的黃河灘地規(guī)劃建設(shè)為4大生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得以改善。

2.3 人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響

由人類活動(dòng)脅迫綜合指數(shù)公式可得2000—2019年焦作市人口、經(jīng)濟(jì)因素占比變化情況(表3)，分析人類活動(dòng)綜合脅迫指數(shù)可得到，2000—2006年期間增幅最小，僅為3.05%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高；2006—2009年增幅為82.71%，生態(tài)環(huán)境大面積惡化；2009—2014年增幅變緩，為37.45%，生態(tài)環(huán)境面積惡化變緩；2014—2019年，脅迫增幅較2009—2014年變低，為35.43%，加上政府對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。2006—2009年第二產(chǎn)業(yè)占比增加，同期生態(tài)環(huán)境大面積惡化，第二產(chǎn)業(yè)的工業(yè)“三廢”便是導(dǎo)致環(huán)境污染的重要原因；2009年之后，焦作市政府大力支持旅游產(chǎn)業(yè)，第一、二產(chǎn)業(yè)占比下降，以旅游業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè)占比上升，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得焦作市由“黑色印象”向“綠色主題”轉(zhuǎn)變，極大地改善了生態(tài)環(huán)境。城鎮(zhèn)人口占比在2000年最低，此時(shí)中部縣(區(qū))生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好；隨著城鎮(zhèn)人口占比不斷增加，使得中部區(qū)域環(huán)境質(zhì)量不斷變差；2014年中共中央、國(guó)務(wù)院頒布了《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》，在此期間焦作市城鎮(zhèn)人口占比僅提高1%，速度變緩，生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。

圖4 焦作市2000-2019年生態(tài)環(huán)境變化

表3 焦作市2000-2019年社會(huì)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度因素占比變化情況

2.4 建模與驗(yàn)證

利用RSEI建立生態(tài)模型，可明確不同指標(biāo)的重要程度，對(duì)生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。提取各年份指標(biāo)及RSEI的DN值，將RSEI作因變量，綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)相關(guān)因子作自變量進(jìn)行逐步回歸分析。共取16 342個(gè)樣點(diǎn)，貫穿全影像的采點(diǎn)可保證回歸分析結(jié)果具有代表和客觀性，避免樣本數(shù)量過(guò)少和取樣不均而導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2000年回歸方程為：

RSEI=0.468+0.252×NDVI+0.296×WET-

0.327×NDSI-0.191×LST (R2=0.998)

(18)

2006年回歸方程為：

RSEI=0.478+0.263×NDVI+0.306×WET-

0.311×NDSI-0.110×LST (R2=0.998)

(19)

2009年回歸方程為：

RSEI=0.479+0.287×NDVI+0.308×WET-

0.319×NDSI-0.191×LST (R2=0.998)

(20)

2014年回歸方程為：

RSEI=0.499+0.260×NDVI+0.316×WET-

0.350×NDSI-0.207×LST (R2=0.998)

(21)

2019年回歸方程為：

RSEI=0.325+0.325×NDVI+0.345×WET-

0.416×NDSI-0.111×LST (R2=0.998)

(22)

結(jié)果分析可知，指標(biāo)均參與運(yùn)算未被剔除，可證明所選指標(biāo)的合理性。系數(shù)表示不同因子對(duì)遙感生態(tài)指數(shù)的影響，系數(shù)值越大，影響程度越深。從回歸系數(shù)來(lái)看，4個(gè)指標(biāo)對(duì)焦作市生態(tài)環(huán)境變化影響的重要程度表現(xiàn)為：干度>濕度>綠度>熱度。未利用地大幅減少，建設(shè)用地面積較快增長(zhǎng)，人類活動(dòng)強(qiáng)度增加，使得焦作市受干度指標(biāo)影響最大。當(dāng)因子系數(shù)為正，遙感生態(tài)指數(shù)隨因子增大而增大，反之相反。NDVI和WET系數(shù)為正，說(shuō)明植被和水域的增加可以對(duì)生態(tài)環(huán)境起正面影響，LST和NDSI系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明地表溫度升高及建筑物增加會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。不同年份正負(fù)回歸系數(shù)分別為：+0.548，-0.518；+0.569，-0.421；+0.595，-0.530；+0.576，-0.557；+0.670，-0.527。對(duì)比不同年份正負(fù)回歸系數(shù)可知，2000—2006年，正回歸系數(shù)增加，負(fù)回歸系數(shù)絕對(duì)值減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)；2006—2009年，正回歸系數(shù)增加，負(fù)回歸系數(shù)絕對(duì)值減少，負(fù)回歸系數(shù)值變化幅度遠(yuǎn)大于正回歸系數(shù)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化；2009—2014年，正回歸系數(shù)減少，負(fù)回歸系數(shù)絕對(duì)值增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化；2014—2019年，正回歸系數(shù)增加，負(fù)回歸系數(shù)絕對(duì)值減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)。模型預(yù)測(cè)與主成分分析結(jié)果相符，驗(yàn)證了該方法的可靠性。

3 討 論

(1) 生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)。王冠等[25]運(yùn)用三維生態(tài)足跡模型，以焦作市為例研究資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中生態(tài)環(huán)境變化，其認(rèn)為2000—2014年焦作市生態(tài)環(huán)境總體呈現(xiàn)倒“U”形變化趨勢(shì)，與本文利用RSEI模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，區(qū)別在于本文分析結(jié)果中倒“U”形峰值出現(xiàn)時(shí)間不同，造成差異的原因是受遙感影像時(shí)間分辨率、云量等因素影響，導(dǎo)致選取的影像時(shí)間間隔較大。因此客觀認(rèn)識(shí)遙感技術(shù)對(duì)于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及其可應(yīng)用范圍，區(qū)域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的具體問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2) 指標(biāo)因子排序。指標(biāo)因子權(quán)重受所評(píng)價(jià)地區(qū)地理、人類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)等因素綜合影響，因此對(duì)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，指標(biāo)因子的排序也會(huì)不同，需要遵循“因地制宜”的原則。張?jiān)郲26]在對(duì)鐘祥市作為研究區(qū)時(shí)得出植被對(duì)生態(tài)指數(shù)貢獻(xiàn)度最大；張乃明[27]研究新疆干旱區(qū)時(shí)指出干度指數(shù)、濕度指標(biāo)對(duì)RSEI指數(shù)的貢獻(xiàn)度中最小；程志峰[28]對(duì)蘇錫常城市群進(jìn)行逐步回歸方程中得出綠度在4個(gè)指標(biāo)中所占權(quán)重最大。焦作市北部山區(qū)植被覆蓋度較高，但曾經(jīng)歷多年的礦山開采活動(dòng)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境較為脆弱[29]，水土流失比較嚴(yán)重，且面積只占焦作市總面積的20.22%，近年來(lái)伴隨南部平原地區(qū)城市化進(jìn)程加快，人類活動(dòng)強(qiáng)度和城市建設(shè)用地占比激增，因此綜合分析認(rèn)為干度指標(biāo)對(duì)焦作市整體生態(tài)環(huán)境變化的影響最大。

(3) 脅迫綜合指數(shù)。本文選取人類活動(dòng)強(qiáng)度中的城鎮(zhèn)人口及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)增加值密度占比來(lái)計(jì)算脅迫綜合指數(shù)，進(jìn)而對(duì)焦作市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行定量分析，前人尚未考慮加入脅迫綜合指數(shù)對(duì)遙感生態(tài)指數(shù)模型進(jìn)行分析。謝正觀[30]指出焦作市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理限制了焦作市生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步發(fā)展。崔木花[31]以安徽省為例，指出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善有著重要促進(jìn)作用。因此針對(duì)焦作市的具體情況，應(yīng)該科學(xué)、合理地調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

(1) 2000，2006，2009，2014年焦作市遙感生態(tài)指數(shù)分別為0.607，0.651，0.447和0.348，生態(tài)環(huán)境處于先上升后下降趨勢(shì)；2014—2019年焦作市遙感生態(tài)指數(shù)上漲幅度為63.22%；

(2) 2000—2019年期間，焦作市生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變與社會(huì)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度、政策支持有關(guān)，第二產(chǎn)業(yè)占比降低及城鎮(zhèn)人口占比穩(wěn)定均有助于改善焦作市生態(tài)環(huán)境；

(3) 焦作市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受干度影響最大，濕度次之，綠度和熱度影響最小。干度對(duì)生態(tài)環(huán)境變化影響最大，主要原因是城市化進(jìn)程中建設(shè)用地不斷提高；

4.2 建 議

(1) 2019年沁陽(yáng)市、溫縣遙感生態(tài)指數(shù)低于焦作市遙感生態(tài)指數(shù)均值，治理重點(diǎn)應(yīng)在沁陽(yáng)市、溫縣，以期提高焦作市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；

(2) 在焦作市未來(lái)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)注意合理規(guī)劃、利用土地，恢復(fù)植被，減輕地表干化的程度；

(3) 應(yīng)注意焦作市流域水環(huán)境問(wèn)題，打好“碧水藍(lán)天”保衛(wèi)戰(zhàn)；武陟縣、沁陽(yáng)市、溫縣旅游資源豐富，例如太行山獼猴自然保護(hù)區(qū)、神農(nóng)山、青天河等，應(yīng)大力發(fā)展旅游業(yè)，增加第三產(chǎn)業(yè)占比，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。