基于Landsat數據的阿克蘇市生態環境質量地帶性分析

李清云，楊 光，楊勇強，王振錫

(新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】阿克蘇市的生態環境質量對阿克蘇地區的生態安全和資源利用有重要影響。2000年以來，自治區加快了新疆林業生態體系和產業體系建設步伐，陸續開展了森林分類經營、退耕還林、特色林果產業等重大林業工程，阿克蘇市生態環境質量在一定程度上得到了提高和改善。保護和改善阿克蘇市的生態環境質量關系南疆整體生態環境的平衡發展、南疆地區經濟的可持續發展和全面建成小康社會目標的實現具有戰略意義。【前人研究進展】我國生態環境質量評價起步雖早但始終停滯在探索階段，各個方面都沒有國外發展先進。國外Lee J T等[1]、Smith W等[2]、Espejel I等[3-4]在90年代初已經開展了許多生態環境影響評價工作；我國的葉亞平[5]、顏梅春[6]等在近年來才就生態環境質量方面進行大量的分析與評價。對新疆生態環境質量的研究工作也取得一定進展：周華榮[7]在2000年間對新疆當時的現狀進行了生態環境質量的綜合評價。2008年，王宏偉[8]等在伊犁河流域開展生態環境質量評價。【本研究切入點】而關于新疆阿克蘇市的區域生態環境質量評價方面的研究很少，且阿克蘇市區域生態環境質量評價及地帶性分析對該區域森林生態系統資源的可持續發展及其制定生態環境保護措施和發展規劃具有積極意義。【擬解決的關鍵問題】因此，對阿克蘇市進行生態環境質量評價顯得尤為必要。此次研究借助遙感技術手段，在獲取研究區植被(Greenness)、濕度(Wetness)、干度(Dryness)和熱度(Heat)4項指標的基礎上，綜合計算研究區遙感生態指數，對比分析阿克蘇市轄 4鄉2鎮1市直屬(依干其鄉、拜什吐格曼鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉、喀勒塔勒鎮、阿依庫勒鎮、阿克蘇市直屬)7處生態環境質量狀況，揭示阿克蘇市生態環境質量的地帶性分布特點，以期為區域生態環境管理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

阿克蘇市位于新疆維吾爾自治區西南部，塔克拉瑪干沙漠西北邊緣、塔里木河上游；地理坐標為東經79°39′～82°01′，北緯39°30′～41°27′，海拔1105.3 m。市轄4鄉2鎮1個市屬區域，包括依干其鄉、拜什吐格曼鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉、喀勒塔勒鎮、阿依庫勒鎮和市直屬(圖1)。阿克蘇市屬典型的大陸性暖溫帶干旱氣候區，光熱資源豐富，降水稀少，蒸發量大，氣候干燥，無霜期205～219 d，全年日照時數為2855～2967 h，年均氣溫9.9～211.5 ℃，日平均氣溫≥0 ℃，年降水量為42.4～94.4 mm。阿克蘇市干旱少雨，風大沙多，自然環境脆弱，環境承載能力較低。

阿克蘇市因受所處的地理位置和氣候因素的制約，全境土地資源自然條件較差。全市土地總面積約144.15萬hm2，其中未利用土地就達103.58萬hm2，占土地總面積的71.85 %?；哪⒏瓯凇Ⅺ}堿地及沙漠化的土地較多，土地總面積雖大，但總體質量偏差。阿克蘇市具有典型的綠洲地貌和灌溉農業的特征，農業、林業、牧業等生產基礎較好，在未利用土地中有大片可墾荒地，水資源相對豐富，開發潛力較大。阿克蘇河和多浪河是阿克蘇市境內兩條主要的河流。市境內的天然河、湖泊、人工水渠以及蘊藏量可觀的地下水庫等組成密布的水網，滋養著廣闊無垠的農田和郁郁蔥蔥的林地[9]。阿克蘇市林地大部分屬于荒漠此生林，農區人工林地以防護林體系為主，其次為經濟林[10]。研究區不含阿拉爾市。

1.2 研究方法

1.2.1 數據 數據包括遙感數據和矢量數據。遙感數據采用美國Landsat系列衛星遙感數據，來源于美國地質調查局(USGS)http://glovis.usgs.gov/網站。分別為1992年Landsat5 TM、2000年Landsat7 ETM+和2016年Landsat8數據，每個時期數據景號依次為146031、146032、146033、147031和147032，共計15景數據。矢量數據為阿克蘇市行政區劃界限。

1.2.2 遙感圖像預處理 遙感圖像預處理是本實驗中的生態環境質量指數提取的基礎。遙感圖像預處理包括輻射定標、大氣校正、幾何校正以及圖像鑲嵌與裁剪等[11]。

輻射定標，在ENVI中可使用通用定標工具得到符合大氣校正所要求輸入的輻射亮度文件；大氣校正則用ENVI中的FLAASH模塊進行校正；幾何校正采取二次多項式模型，圖像重采樣方法為最近鄰像元法，校正精度控制在0.5個像元以內；圖像鑲嵌，先將多幅圖像分別進行直方圖匹配，然后通過勻色、羽化、接邊線等操作實現圖像拼接，注意接邊處的色調盡量保持一致并且沒有明顯的分界線[12]。最后，利用阿克蘇市行政邊界圖裁剪出研究區影像。

圖1 阿克蘇市行政區劃圖Fig.1 Administrative division of Aksu

1.2.3 分量指標計算 本研究采用徐涵秋[13]提出區域生態環境質量的RSEI指數方法。在遙感圖像處理軟件中通過波段運算進行RSEI指數即植被、濕度、干度和熱度4項指標計算，采用NDVI代表綠度，WET代表濕度，LST代表熱度，NDSI代表干度。采用主成分分析法對以上4項指標進行圖像變換，將各項指標的標準化、主成分變換得到的生態環境質量指數RSEI，以0.2 為間隔分為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、一般(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)和優(0.8～1)5 個等級[14]。根據不同時期阿克蘇市生態環境質量分級專題圖，統計分析阿克蘇市不同鄉鎮生態環境質量的地帶性分布特點。

1.2.4 主成分分析與RSEI指數計算 綠度、濕度、干度、熱度4項指標計算采用徐涵秋[13]的計算方法。通過主成分分析法、歸一化處理等獲取生態環境指數RSEI。生態環境指數RSEI計算公式如下：

RSEI0=1-PC[f(NDVI，Wet，NDSI，LST)]

(1)

RSEI0為初始生態環境指數，歸一化處理采用公式(2)進行。

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(2)

2 結果與分析

2.1 生態環境質量指數提取

從表1可知，經過主成分分析及變換后各項指標主要信息都集中在第一主成分上，1992、2000和2016年的第一主成分特征值分別為0.018、0.180、0.099，它們的累計貢獻率分別為89.3 %、95.6 %、83.9 %，這3期數據的第一主成分特征值累計貢獻率均超過80 %，表明各個指標大部分特征信息已經集中在第一主成分上。因此，本實驗以主成分變換后的第一主分量來代表綠度、濕度、干度和熱度指標的信息，并以此構建生態環境質量指數。

表1 各指標主成分分析Table 1 Principal component analysis of each index

表2 阿克蘇市各項指標特征向量統計Table 2 Statistics tables of indicators of Aksu

表3 阿克蘇市各期數據遙感生態環境質量指數RSEITable 3 Data of each period of Aksu remote sensing eco-environmental quality index RSEI

由表2可看出，1992、2000和2016年3期數據的第一主成分主要都由綠度指標來反映，其中綠度指標越大，表明地表植被覆蓋率越大。濕度與綠度一樣，指標越大土壤濕度則越大，這兩者都可說明該地區生態環境質量好。但從熱度和干度的角度上來看，指標越大說明裸土面積越大，土地干化就越嚴重，生態環境質量則越差。綠度指標和濕度指標的值一般為正值，說明它們對生態環境質量起正面影響，這里濕度為負值，表明濕度起負面影響，反映出此地區比較干燥。熱度指標和干度指標一般為負值，說明這2個指標對生態環境質量起負面影響。

通過標準化處理這3期數據的最小值均為0(表3)，最大值均為1；均值分別為0.688、0.608、0.718。從生態環境質量指數RSEI結果表明，1992-2000年間，阿克蘇市的生態環境質量指數呈下降趨勢；而2000-2016年間呈上升趨勢。這是由于在2000年后自治區加快了新疆林業生態體系和產業體系建設步伐，陸續開展了森林分類經營、公益林建設、退耕還林、特色林果產業等重大林業工程，阿克蘇市生態環境質量在一定程度上得到了提高和改善。

2.2 各個鄉鎮生態環境質量指數分布特征

阿克蘇市下轄 4鄉2鎮，分別為依干其鄉、拜什吐格曼鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉、喀勒塔勒鎮、阿依庫勒鎮和阿克蘇市轄區。通過對阿克蘇市的鄉鎮進行生態環境質量指數RSEI分析，阿克蘇市生態環境質量表現出明顯的地帶性分布。

表4 阿克蘇市各期遙感數據鄉鎮RSEI指數分布統計表Table 4 Distribution of RSEI index of remote sensing data at each stage in Aksu

研究區各鄉鎮3個時期生態環境質量指數RSEI分布統計見表4，1992、2000和2016年阿克蘇市各鄉鎮RSEI分布圖見圖2～4。從表4可知，2016年阿克蘇市各鄉鎮生態環境質量按從好到差排序為托普魯克鄉、拜什吐格曼鄉、喀勒塔勒鎮、依干其鄉、市直屬、庫木巴什鄉和阿依庫勒鎮。托普魯克鄉在1992、2000、2016年3個時期RSEI指數分別為0.2873、0.2209、0.3107，排名始終位居第1位；而阿依庫勒鎮3個時期RSEI指數分別為0.1117、0.0574、0.1431，排名始終位居最后；阿克蘇市市直屬的RSEI 指數一直保持在第5名，分別為0.1832、0.0813、0.2437；喀勒塔勒鎮1992年的RSEI指數為0.2368，排名第2，2000和2016年均為第3，分別為0.1048、0.2663，拜什吐格曼鄉的RSEI指數情況與之相反。庫木巴什鄉和依干其鄉1992和2000年的RSEI指數排名分別位于第4和6位，2016年前者排名下滑2位，后者上升2位。一般而言，RSEI指數越大表示生態環境質量越好；RSEI指數越小則表示生態環境質量越差。由此可見，1992-2016年間，研究區托普魯克鄉的生態環境質量狀況相對較最好，阿依庫勒鎮的生態環境質量狀況相對最差?？傮w來看，研究區中部偏北區域(托普魯克鄉、拜什吐格曼鄉、喀勒塔勒鎮)生態環境質量相對較好，而西北部(庫木巴什鄉和阿依庫勒鎮)與東部荒漠、沙漠區域生態環境質量相對較差。

圖2 1992年阿克蘇市各鄉鎮RSEI分布Fig.2 RSEI distribution by township in Aksu in 1992

圖3 2000年阿克蘇市各鄉鎮RSEI分布Fig.3 RSEI distribution by township in Aksu city in 2000

從圖5可以看出，1992-2016年，阿克蘇各鄉鎮生態環境質量RSEI指數存在一定的動態變化。依干其鄉、拜什吐格曼鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉、喀勒塔勒鎮、阿依庫勒鎮、阿克蘇市轄區七個鄉鎮RSEI值均在1992-2000年間呈下降趨勢，而在2000-2016年間呈上升趨勢?？傮w而言，1992年至2016期間研究區各鄉鎮生態環境質量均表現為由差向好的趨勢發展。由此說明在2000年之前，由于對生態環境保護力度不大，研究區總體生態環境質量相對較差，在1992-2000年期間呈惡化態勢，而2000年后，響應國家林業局的號召，加快了區域林業生態體系和產業體系建設步伐，開展了森林分類經營、退耕還林、特色林果產業等一系列重大林業工程，阿克蘇市的生態環境質量有了明顯提高，這也充分體現了林業生態建設的效果的凸顯。

圖4 2016年阿克蘇市各鄉鎮RSEI分布Fig.4 RSEI distribution by township in Aksu city in 2016

圖5 阿克蘇市各鄉鎮RSEI指數統計圖Fig.5 RSEI index statistics for each township in Aksu

表5 阿克蘇市各鄉鎮RSEI指數分級比例統計表Table 5 Statistics of RSEI index grades of townships in Aksu

2.3 各個鄉鎮生態環境質量指數分級特征

使用ENVI軟件中Raster Color Slices工具將3期阿克蘇市下轄7個鄉鎮的RSEI指數以0.2為間隔劃分為差、較差、一般、良、優5個等級，并分別統計7個鄉鎮各個等級的像元數量占整個鄉鎮像元數量的百分比，統計結果見表5。

由表5可見，1992年阿克蘇市各鄉鎮RSEI指數分級中處于“較差”等級占比重最大，除托普魯克鄉僅為0.53 %和喀勒塔勒鎮為55.38 %以外，其余5個鄉鎮均在70 %以上，依干其鄉甚至高達95.22 %；處于“良”和“優”等級所占比例較小，其中托普魯克鄉分別為37.9 %和4.8 %，剩下的6個鄉鎮均不超過0.50 %。2000年各鄉鎮RSEI指數分級處于“差”等級所占比重最大，除托普魯克鄉無“差”級別外，其余的鄉鎮均在70 %以上，阿依庫勒鎮、市直屬、依干其鄉都在90 %以上；其次為“較差”等級，范圍是1.54 %～26.59 %，其中阿依庫勒鎮、市直屬、依干其鄉RSEI指數分級比例較低；在“一般”、 “良”和 “優”這3個等級中，只有托普魯克鄉處于“一般”、 “良”等級的百分比較高，分別為79.07 %和2.48 %，其余各個鄉鎮所占比例都低于0.30 %。直至2016年情況有所改善，“差”等級大幅度降低，拜什吐格曼鄉、市直屬、托普魯克鄉、依干其鄉全部無此情況；RSEI指數比例較大的等級是“較差”，庫木巴什鄉為最高值，為95.21 %；其次是“一般”等級，除托普魯克鄉外，都有所增長；“良”和 “優”這兩個等級也明顯提高，其中托普魯克鄉和依干其鄉的“良”等級有大幅度變化分別為60.1 %和54.7 %。

綜上所述，托普魯克鄉是阿克蘇市下轄的七個鄉鎮中生態環境質量最好的鄉鎮，因為在3個時期中它的RSEI指數等級“差”和 “較差”所占比重較小，“一般”、“良”和 “優”占的比重較多，而且從1992-2016年間，其生態環境質量指數分級比例呈現出逐漸上升的趨勢。阿依庫勒鎮和市直屬處于“差”和 “較差”等級比重較大，而其余3個等級所占比重較小，阿依庫勒鎮和市直屬則為7個鄉鎮之中生態環境質量較差的鄉鎮。拜什吐格曼鄉、喀勒塔勒鎮、庫木巴什鄉緊隨其后生態環境質量較為一般。依干其鄉1992和2000年雖然“差”和 “較差”占得比重極大，但是2016年卻有了很大改善，生態環境質量有所提高。根據以上分析結果，結合研究區“綠洲少、荒漠多”的地貌特點，說明研究區生態環境質量與其地帶性分布有一定的相關性。綠洲區域生態環境質量RSEI指數較大，說明該地區生態環境質量相對較好。反之，荒漠、沙漠區域環境質量RSEI指數較小，說明該地區生態環境質量相對較差。

3 討 論

本研究結果分析得出，阿克蘇市及其各鄉鎮的生態環境質量呈現了由低變高的過程，這與孫東琪[15]對20世紀90年代至2000年中國生態環境質量變化態勢結論接近。研究區后期生態環境質量的提高與新疆林業生態建設進程密不可分。2000年以來，為響應國家林業局的號召，新疆加快了區域林業生態體系和產業體系建設步伐，開展了森林分類經營、退耕還林、特色林果產業等一系列重大林業工程，阿克蘇市的生態環境質量有了明顯提高，這也充分體現了林業生態建設的效果的凸顯。此外， 周華榮[7]和劉建軍[16]在新疆生態環境現狀綜合評價研究中，認為阿克蘇市生態環境分級處于第四級，生態環境質量狀況較差，環境壓力較大，本文研究結果與之一致。由此可看出，自治區大力開展林業工程對阿克蘇市的生態環境改善起到重要作用。在阿克蘇地區進行生態環境質量評價可據此為依據發現本地所存在的生態環境問題，從而增強該地生態環境保護與管理工作使阿克蘇市生態環境質量在一定程度上得到提高，并改善阿克蘇地區的生態安全和資源利用狀況。

4 結 論

本文以阿克蘇市生態環境質量為研究對象，以1992、2000和2016年3個時期Landsat系列遙感影像為基礎，通過利用ENVI5.1進行數據預處理、主成分分析及變換，構建了RSEI指數，并對阿克蘇市的生態環境質量進行了地帶性分析，得到以下結論。

(1)研究區1992、2000、2016年3個時期的生態環境質量指數RSEI分別為0.688、0.608、0.718，表明阿克蘇市生態環境質量總體較差，1992-2000年呈下降趨勢，隨林業生態工程建設力度加大，2000-2016年呈上升趨勢。在1992-2016年期間研究區生態環境質量表現為正向發展趨勢。

(2)阿克蘇市各鄉鎮3個時期的生態環境質量指數RSEI分析表明，阿克蘇市生態環境質量表現出明顯的地帶性分布，研究區中部偏北區域(托普魯克鄉、拜什吐格曼鄉、喀勒塔勒鎮)生態環境質量相對較好，而西北部(庫木巴什鄉和阿依庫勒鎮)與東部荒漠、沙漠區域生態環境質量相對較差。阿克蘇市下轄的7個鄉鎮中，生態環境質量狀況相對較好的是托普魯克鄉，生態環境質量狀況較差的是阿依庫勒鎮。

(3)1992、2000和2016年3個時期，研究區7個鄉鎮生態環境質量也表現為先下降后上升趨勢，其中托普魯克鄉、拜什吐格曼鄉和依干其鄉變化幅度較大，生態環境質量改善明顯；阿依庫勒鎮、喀勒塔勒鎮、市直屬變化幅度較小，生態環境質量有所改善，而庫木巴什鄉變化幅度最小，環境質量改善不明顯。阿克蘇市各鄉鎮生態環境質量變化與其區域的地帶性和人類生態建設項目的實施進程緊密相關。