基于遙感生態指數模型的阜康市生態環境動態變化監測與評價

茹克亞·薩吾提， 阿不都艾尼·阿不里,3,5，李 虎， 尼加提·卡斯木， 李曉航

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態環境研究所, 烏魯木齊 830046;4.新疆衛星應用工程中心, 烏魯木齊 830000; 5.新疆大學 生態學博士后流動站, 烏魯木齊 830046)

近些年來，隨著社會的快速發展，人類活動生態環境之間的密切關系顯得日益突出，社會、經濟、生態的協調發展模式成為了區域可持續發展的核心問題，因此生態環境破壞造成的土地和森林退化、地表沉陷、土壤污染、水資源污染與枯竭、植被破壞和粉塵污染等一系列的生態環境問題逐漸成為人們廣泛關注與研究的熱點[1-3]。

目前，生態環境監測、評價方法與手段比較多，其中，遙感技術以快速、實時及可實現大范圍監測等優勢被廣泛地應用于生態環境領域，成為評價區域生態環境的有效手段[4]。國內外學者在利用遙感技術進行生態環境評價方面開展了大量研究工作[5]，尤其是在城市、礦區、森林、公路、湖泊、土地、植被指數和地表溫度反演等方面的動態監測和評估方面廣泛應用[6-13]。由于生態環境是由多種自然和人文因素組成的一個復雜的動態系統，單一的生態因子無法客觀、全面地反映生態環境變化[14]。徐涵秋[15]提出的新型遙感生態指數(Remote sensing Based Ecological Index,RSEI)是一個能夠集成多種指標因素且完全基于遙感信息的遙感綜合生態指數，將綠度分量(NDVI)、濕度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和熱度分量(LST)4個遙感指數綜合起來進行計算一種新方法，該方法在區域生態環境的快速監測與評價中具有一定的優勢和使用價值[16]。弓盛洋[17]運用遙感生態指數(RSEI)，對濮陽市城區生態環境質量進行監測和評價，揭示了濮陽市生態環境的基本特征，為以后濮陽市生態環境的治理與建設提供了科學依據。劉智才等[18]利用杭州市采用新型的遙感生態指數評估了杭州市年間的生態變化，并發現建筑用地的大量擴張是導致杭州市生態質量下降的最重要因素。張浩等[19]計算遙感生態指數RSEI，進行南京市生態環境變化定量分析評價，并指出該區域生態環境質量的下降與不透水面的大幅增加密切相關。

新疆作為國家一帶一路戰略中處于絲綢之路經濟帶的核心區[20]，國家十三五規劃的順利進行和建成小康社會目標的實現區位優勢比較明顯。但是，新疆地區植被覆蓋低較低，沙漠化、荒漠化、降雨少、蒸發大、生態環境比較脆弱，外來因素影響比較敏感。阜康市作為新疆比較重要的工業城市，自然資源的過量開發和和阜康市經濟社會發展過程中不斷地承接許多內地高耗能、高污染、資源型企業對于脆弱的生態系統會造成不可估量的損失，因此對該區生態環境變化進行周期性監測和研究有重大的意義[21]。本研究以新疆天山北坡經濟帶的阜康市為例，采用綜合遙感生態指數對該區域的生態環境動態變化進行探討，該研究成果將為城市生態質量快速評價與城市生態環境建設提供方法和科學依據。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

阜康市位于新疆東天山山脈北坡，準噶爾盆地南部,地理坐標為43°45′—45°30′N，87°46′—88°44′E。東面與吉木薩爾縣相鄰，西臨烏魯木齊市米東區，北接阿勒泰地區福海縣。阜康市土地總面積為8 444.71 km2，該地區境內氣候垂直地帶性分布特征顯著具有新疆地區典型地理地貌特征(山地-綠洲-荒漠)[21]，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候、四季分明、冬季嚴寒且夏季炎熱，降水稀少且分布不均，山區中部的年降水量為530.11 mm，平原區為187.5 mm，沙漠區則通常只有144.7 mm，由于該地區位于古爾班通古特沙漠邊緣，植被覆蓋度較低，水資源比較欠缺，生態環境相對較為脆弱[22]。

1.2 數據獲取與處理

本文為了更好地掌握阜康市生態環境狀況及其變化，使用了從美國地質調查局網站下載(網址：http:∥www.gscloud.cn/)的遙感數據，數據采集時間分別是2000年9月2日、2008年9月7日和2016年9月13日的Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI遙感數據。為了避免大氣、地形和光照等因素對不同年份遙感圖像處理精度，減少不同時相影像在地形、光照和大氣等方面的差異，保證影像間空間疊加分析的準確性，在ENVI 5.3下對這3期遙感影像分別進行輻射定標和大氣校正，并依照行政區界線進行圖像裁剪[23]。

2 指數選擇及遙感生態指數模型

2.1 指標選擇

綜合遙感生態指數(RSEI)將綠度分量(NDVI)、濕度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和熱度分量(LST)4個遙感指數波段組合成新的指數影像后，并進行主成分分析，然后將其第一主成分歸一化處理，即可生成RSEI。

研究區除城市建成區外，還包括部分裸土，因此，采用建筑指數IBI和土壤指數SI二者相結合生成的“建筑—裸土指數”NDBSI來表示干度指標[24]。這4種指標的計算公式與參考參數如圖1所示。

圖1 生態遙感指數計算流程

計算式中：B，G，R，NIR，SWIR1，SWIR2分別代表TM第1，2，3，4，5，7波段以及OLI的1，3，4，5，6，7 波段的反射率。對于Landsat5 TM影像；S1=0.031 5；S2=0.202 1；S3=0.310 2；S4=0.159 4；S5=-0.680 6；S6=-0.610 9[25]；對于Landsat8/OLI影像；S1=0.151 1；S2=0.197 3；S3=0.328 3；S4=0.340 7；S5=-0.711 7；S6=-0.455 9[26]。

地表溫度計算中，L6和L10分別為TM熱紅外6，10波段在傳感器處的輻射值；T為傳感器處溫度值；DN為像元灰度值；gain和bias為6，10波段的增益與偏置值：K1和K2為定標參數，它們都可以從用戶手冊獲得。對于TM，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)；K2=1 260.56 K；而對于TIRS band10，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)；K2=1 321.08 K[27]；經過式(4) 計算的溫度T可以通過比輻射率糾正轉換為地表溫度LST；λ為熱紅外波段的中心波長；ρ=1.44×10-2m·K；ε為地物的比輻射率[28]，地表溫度通過公式(4) 在ENVI軟件波段運算模塊進行計算。

2.2 遙感生態指數模型(RSEI)

擬建的生態指數應既能以單一指標的形式出現，又可以綜合以上4個指標的信息。因此如何以單一變量代表以上多個變量是本研究的關鍵。通過主成分變換進行指標權重的集成，能有效的避免人為因素影響，僅依靠數據本身的性質。本研究對不同的4個指數進行主成分分析，由于4種指標的量綱不一致，如果直接計算PCA會導致各指標的權重失衡，因此進行主成分分析之前對4個指標進行正規化，將它們的量綱統一到(0～1)之間，然后做主成分變換。常用的正規化公式[29]：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(5)

式中：NIi為正規化后的某一指標值；Ii為該指標在像元i的值；Imax為該指標的最大值；Imin為該指標的最小值。4個指標經過正規化以后，合成由4個指數波段組成的新影像，再進行主成分分析；對PC1進一步處理生成遙感生態指數(RSEI)，其值越大表示生態質量越好。反而，表示生態質量越差，可進一步用1減去PC1，獲得初始生態指數RSEI0[29]。

(6)

為了便于指標的度量和比較，可同樣對RSEI0進行正規化：

(7)

RSEI即為所建的遙感生態指數，取值范圍[0～1]。為了具體表現研究區的生態環境變化特征，進一步將各年份的生態指數以0.2為間隔分成為差(0～0.2)，較差(0.2～0.4)，中等(0.4～0.6)，良(0.6～0.8)，優(0.8～1)5個等級[30-31]。

3 結果與分析

3.1 遙感生態指數(RSEI)模型建模與參數分析

由表1給出了各指標與生態指數(RSEI)之間的相關性，表1中可看出，4個指標之間存在明顯的相關性，2000—2016年除了NDVI和NDSI之間的相關性較弱以外，其他指數之間的相關性較好。4種指標平均相關度進行對比可知，最高的指標為LST，LST在3個年份的均值達0.63；平均相關度最低的指標為NDVI，3個年份的均值為0.29。3個年份的RSEI與4個指標的相關系數均值為0.88，比單指標最高的LST差異達到0.25，比最低的NDVI差異達到0.59，比4個指標的平均值(0.51)大于0.37。這個結果表明各指標與RSEI之間存在較好的相關性可用RSEI來綜合反映阜康市生態環境質量。

由主成分分析結果看出(表2)，PC1的貢獻率都大于75%，表明它已集中了4個指標的大部分特征；每一個指標對PC1中都有一定的貢獻率，且相對穩定，因此，本研究利用PC1來進行計算。從表2 中各年不同指標的PC1 載荷值進行對比可知，濕度(WET)和綠度(NDVI)值為正值，表明二者對生態環境有促進作用，干度(NDSI)和熱度(LST)載荷值為負值，這兩者對生態環境有阻礙作用，該結果與實際情況相符。各年份各指標的PC1的絕對值變化可知，濕度和綠度對結果的貢獻都較大，并呈現波動性變化趨勢，這表明研究區植被覆蓋度的變化對生態環境監測結果影響較大。

表1 各指標與生態指數(RSEI)的相關系數矩陣

表2 各年份指標及RSEI 均值、PC1 荷載值變化

3.2 阜康市生態環境時空變化分析

為進一步對RSEI進行定量化與可視化分析，將各年份計算結果以0.2為間隔，劃分為差、較差、中、良和優等5個等級[31]。由圖2中可看出，3期的各等級所占面積與比例進行統計結果表明雖然在2000—2016年阜康市的生態環境狀況良和優為主，但總體趨勢來看研究區的生態環境變化處于惡化趨勢。生態環境差和較差的區域面積則一直處于增長趨勢。2000年、2008年、2016年生態環境差的區域面積在整個區域面積中占的比例分別為5.86%，6.65%和7.12%。生態環境較差的區域面積分別為1 178.77，1 416.63，2 546.22 km2，在整個區域的面積中占10.89%，12.52%，19.56%。2000—2016年總體生態狀況還是以良和優(4，5級)為主，但第5級類(優)所占面積比例由2000年的30.51%下降至2016年的25.36%，面積減少156 km2；第4級(良)所占面積比例由2000年的29.89%下降至2016年的25.16%，面積減少123 km2。同樣證明了阜康市生態環境狀況逐年下滑的趨勢。因此政府在重視經濟發展和合理規劃工廠的同時也應該減少化工工廠數量并其引起的城市周邊環境的改善，促進人和自然環境的和諧發展[32-33]。

2000年生態環境差和較差(1，2級)的區域主要分布在城市區域和南部地區，到2008年該區域范圍擴展到西南和北部，2016年2級(較差)生態環境區域快速大范圍擴展，1級(差)區域帶狀分布于南部和北部。3 a間生態環境較好的區域主要集中在阜康市的中部地區和西北地區。研究區生態環境快速呈現時空變化的主要原因是在阜康市不斷開采煤炭資源，化工廠、洗煤廠、水泥廠等各種工業有關企業陸陸續續坐落。2000年以來阜康市化工工廠規模和數量一直保持增長趨勢，比如，鋼鐵廠、冶煉廠、金碩苯板廠、三工煤礦、塑料廠等[34-35]。

3.3 阜康市生態環境質量動態變化監測

利用差值原理，對阜康市的生態環境質量變化進行“0級”為基本未變級，“變好”為生態環境轉好級，“變差”為生態環境轉差級等3種不同等級(表3)。由2000—2008年變化幅度來看，該區生態環境質量變差等級的面積為849.35 km2，約占總面積的25%，而生態轉好的面積達563.81 km2，占到17.07%；生態環境質量變好的區域面積小于變差的面積，說明了在這個時間段阜康市的生態環境質量變差，并生態環境遭受破壞。

圖2 各級生態指數面積變化

表3 變化檢測

2008—2016年，生態環境轉差的面積增長到1 601.41 km2，約占總面積的48%，而生態轉好的面積達431.21 km2，占到13.06%；生態環境質量變差的區域面積超越了轉好的面積，說明了該區域生態環境呈變差趨勢。從整個16 a的變化趨勢來看，阜康市的生態環境質量不理想，變差的面積已達到了1 757.94 km2，約占總面積的53.23%，而生態轉好的面積達296.39 km2，占到8.98%；從此結果可以看出，在治理生態環境質量差的區域的同時應重視對原本生態環境質量好區域的破壞。

從空間分布來看，生態條件變差的地點主要分布在郊區中部和北部地區。生態變好的區域主要是一些新增生態基礎設施的舊城區和房地產開發建設中注重綠地等生態設施建設的新城區，而中部耕地周圍變化不大。

3.4 阜康市生態環境變化成因

3.4.1 自然因子 研究區處于天山東部，山地平原植被垂直帶完整，山地—荒漠—綠洲農業特點典型突出。阜康市氣候條件獨特，降水量、氣溫、地表溫度等氣象因子對該區域生態環境變化起著很重要作用。因此，本文選阜康市2000—2016年的平均氣溫、降水量、地表溫度和平均相對濕度為主要自然因子分析氣象因子變化及其生態環境的影響。從氣候因素的變化規律來看，氣溫和地表溫度的變化規律較相似，阜康市年平均氣溫及其氣溫距平如圖3所示。在2000—2016年期間，阜康市年平均氣溫和地表溫度的變化速率分別為1.39℃/16 a，1.73℃/16 a，其整體上升趨勢非常明顯，16 a的平均氣溫和地溫為22.22℃，27.64℃。

以2004年為界，阜康市年平均地溫和氣溫經歷了冷暖兩個時期。2000—2004年雖然阜康市氣溫和地表溫度呈現小幅度變化，但比2004年屬于暖時期，2004年平均氣溫和地表溫度降低到17.56℃，20.89℃。2008年阜康市平均氣溫和地表溫度呈現最高值，分別上升1.37℃，2.17℃。而研究區降水量一直在不規則的波動性變化，平均降水量為75.26 mm。2003年、2007年和2015年間降水量呈現高值，最高值達到了139 mm。阜康市平均相對濕度的變化速率為2.79%/16 a，在2004年達到了最高值，51.93%；從2004年起快速減少，在2014年呈現最小值39.79%。

圖3 2000-2016年阜康市平均氣溫和地表溫度變化趨勢

總的來講，阜康市的氣溫和地表溫度從2000—2016年趨于上升，而降水量和相對濕度呈現降低趨勢(圖4)，這對研究區生態環境不利的情況，會導致旱災，荒漠化。2000年、2008年和2016年的生態環境指數變化特征來看，2008年和2016年RSEI較差區域明顯增長，主要分布草地、林地和耕地等土地利用類型分布帶，同時2008年和2016年前后，研究區氣溫逐漸增加而降水量快速減少，干旱區植被一般對氣候很敏感，這限制研究區植被正常生長，因此氣候變化在一定程度上引起研究區生態環境的惡化的原因之一。

圖4 2000-2016年阜康市平均降水量和相對濕度變化趨勢

3.4.2 社會經濟因子 2000—2016年，阜康市生態環境質量總體呈下降趨勢，最近幾年以來，阜康市大規模煤礦開采活動危害了區域脆弱生態系統，加劇了土壤污染問題與生態環境惡化。煤礦開采使得大量的重金屬通過各種途徑進入土壤，對阜康市土壤環境帶來了一定的危害[35]。除此之外煤炭開采等活動導致了地表塌陷、水資源污染、水土流失和植被破壞、大氣污染以及煤矸石、粉煤灰污染等一系列環境污染問題[36]，威脅阜康市的可持續發展。根據近期報告，阜康市全市涉及危險廢物的單位有20多家，其中危險廢物產生單位有21家，危險廢物經營單位4家[37]，為此2013年自治區環保廳對阜康市存在的環境問題進行了掛牌督辦[38]。由此看出，阜康市的整體環境變化研究結果與實際情況一致。阜康市本身就屬于生態環境脆弱區域，對該市的生態環境保護制度進行加強和利用合理的治理措施是減輕生態環境壓力的重要出發點。

阜康市作為新疆傳統的綠洲農業耕作區，擁有較好的光、熱、水、土等自然條件。但是在加速推進工業化和城鄉一體化的進程中，建設用地需求的不斷增加導致耕地數量不斷減少,耕地質量的降低也直接影響耕地的產能和區域糧食產量。目前，新疆自治區地方政府已經制定了一系列優惠政策鼓勵差別化開發利用有條件的國有未利用地，這為新疆廣泛的未利用地資源的開發利用提供了必要的政策支持。政府政策支持下阜康市很多未利用地轉換為耕地，隨著耕地面積的擴大，大量未利用土地被開發為耕地和城鄉工礦居民地，使未利用土地內部出現了大量其他景觀類型，破壞了未利用土地原來的整體性。這也是該城市生態環境質量下降的另一個重要原因。

4 結 論

(1) 不同年份變化結果表明，從2000—2008年阜康市的生態環境質量明顯下降，在這短暫的8 a間生態環境轉差的區域面積達到了849.35 km2，約占總面積的25.72%；且以2008—2016年期間生態環境質量下降幅度為最大，環境質量轉差的區域面積增長到1 601.41 km2比前8 a增長了2倍，約占總面積的48.49%，而環境質量轉好的只占了13.06%。16 a期間，阜康市的環境質量轉好的區域面積一直下降，反而質量轉差的區域逐步增加，約占總面積的53.23%。

(2) 從空間分布看，生態條件變差的地點主要分布在郊區中部和北部地區。生態變好的區域主要是一些新增生態基礎設施的舊城區和房地產開發建設中注重綠地等生態設施建設的新城區，而中部耕地周圍變化不大。

(3) 阜康市城市環境質量變化的原因分析可知，除了降水量，氣溫，相對濕度等自然因子之外，煤炭資源開發，煤化工、電力、石油等行業，推進工業化和城鄉一體化的進程中的不合理土地利用模式，建筑用地面積的增加等導致了阜康市生態環境質量下降(干旱等自然條件下超負荷開發活動是導致生態環境質量惡化的一個重要因素)。城市生態環境改善中，需要考慮進一步合理配置土地資源，科學布局城市發展空間，應將擴大植被覆蓋度作為改善阜康市生態環境重要措施。