基于遙感生態指數的阜新市生態質量評估

王東升, 王小磊, 雷澤勇

基于遙感生態指數的阜新市生態質量評估

王東升, 王小磊*, 雷澤勇

遼寧工程技術大學，遼寧阜新 123000

城市化建設的不斷推進及發展給生態環境帶來了日益增加的壓力, 如何多方位、客觀準確并且快速地對區域生態環境質量進行評估是目前研究的一個重要方向。以遼寧省阜新市為研究區域,選取2000年、2008年和2016年的遙感影像作為基礎研究數據,借助ENVI5.1軟件作為數據處理平臺,再結合主成分分析方法, 借助遙感生態環境質量評價指數RSEI對阜新市的生態質量進行評估。結果表明: 2000年、2008年和2016年, 阜新市的生態質量總體呈上升趨勢; 2000—2016年間, 研究區RSEI主要由1、2級向3、4、5級轉變, 生態質量變好和變壞的面積分別占總面積的53.28%和2.38%, 生態質量變差的區域主要集中在阜新市東北的風沙區和西南部盆地區; 而阜新市西南部盆地區主要是市區, 該區生態環境質量變差主要在于近年來的城市快速發展, 東北部的風沙區與科爾沁沙地接壤, 該區的環境變差在于所處地理位置以及防風固沙林中部分林木出現退化現象等, 因此能否在快速城市化建設的同時重視生態環境的保護與修復, 成為阜新市生態環境質量變化的重要決定因素。

遙感;阜新市;遙感生態指數;生態質量

0 前言

生態環境(ecological environment)能夠為人們提供最基礎物質條件, 是人們生存的基本保障以及重要的物質基礎, 由此可見,區域生態環境的質量狀態和人類的生活休戚相關。從多方位、客觀、準確、快速測算區域生態環境的質量是當今世界研究的一個重點。怎樣定量表達區域生態環境質量的狀況以及其發展趨向, 以及如何對生態環境質量進行科學評價漸漸成為研究熱點之一。傳統的研究方法并不能從整體進行觀測研究, 對區域生態環境的變化表達不清晰。遙感技術具有廣泛的空間探索范圍, 圖像具有周期性、宏觀性和現實性的特點[1]。使用遙感技術進行研究, 可以從不同時空尺度對生態環境變化進行研究, 全面、客觀分析生態環境變化, 在生態環境領域應用廣泛, 同時在區域生態環境的評價方面也是一種有效手段[2]。由于生態系統的形成和發展受到多種因素的影響, 因而生態質量狀況需要從多方面進行描述, 只用單方面或者某兩個方面的生態因子反映生態環境變化并不十分客觀。因此, 需要一個既簡便又全面的指標體系和評價模型對生態系統進行準確、直觀、綜合的測評。遙感生態指數(remote sensing based ecological index, RSEI)完全基于遙感信息, 主要包括綠度、濕度、熱度、干度等多種生態因子[3-4]。該指數不僅能定量評價區域生態質量, 還可以在時間、空間上對生態環境質量評價結果進行高精度的可視化表達[5-6]。

阜新市作為遼寧省西北部地區的中心城市和裝備制造業配套基地[7], 2001—2020年間的總體規劃是城市轉型發展, 逐步把阜新市建設成為在經濟方面繁榮發展, 在居住方面和諧適宜, 在生態方面環境良好的一座現代化的城市。為達到這一目標, 及時快速地監測該地區的生態變化是首屈一指的任務, 更是不可或缺的前提性工作。因此, 本研究基于遙感生態指數對阜新市進行多指標、大范圍、多時相的生態環境狀況評價, 分析并掌握2000—2016年間變化特征及趨勢, 對于阜新市生態城市的建設及生態環境治理具有一定的理論支撐作用。

1 研究區概況

阜新市位于遼寧省西部, 以低山丘陵區為主, 地勢特征一方面呈現為西北高, 而東南低; 另一方面則為西南較高, 東北較低。阜新市的氣候類型屬于北溫帶半干旱大陸性季風氣候, 氣候的主要特點是四季分明, 雨熱同季[8]。

圖1 阜新市行政區劃圖

Figure 1 The administrative zoning map of Fuxin

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及預處理

2001年, 作為全國第一個資源型城市經濟轉型試點的阜新市開啟了經濟轉型的道路。為了研究阜新市開始經濟轉型后的生態環境質量情況, 本文選取了2000年、2008年和2016年三期遙感影像, 從地理空間數據云網站下載。為了盡量減少因季節等差異對數據產生的影響, 遙感影像的時間均選擇9月份, 且影像的云量均低于0.2。之后對影像進行一系列的預處理, 主要包括輻射定標、幾何校正、裁剪等步驟[9-11], 得到阜新市的基礎影像數據, 在此基礎上進行各生態指標的計算并分析。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感生態指數分量指標計算

應用遙感生態指數(RSEI), 對阜新市的生態環境質量進行評價。RSEI指數主要包括綠度、濕度、熱度和干度4個指標[12-14], 分別采用植被指數、濕度分量、地表溫度、裸土指數來對其進行表示[15-16]。綠度指標是檢測植物生長狀況的最佳指示因子, 同時也是反映植被覆蓋度、葉面積指數等的重要指標; 濕度指標與土壤退化等生態環境變化密切相關, 可以較好的反映地表植被、水體和土壤的濕度狀況, 可以通過遙感纓帽變換獲得; 由于在城市環境中, 建筑用地和裸土面積是城市地表干度的重要指標, 建筑指數和土壤指數分別能對建設用地和裸地狀況進行較好的表達, 因此干度指標由土壤指數和建筑指數合成的指數來表達; 本研究用地表溫度來代表熱度指標, 充分考慮了溫度變化對生態環境狀況的反應, 地表溫度是反映地球表面自然生態環境狀況的重要指標之一, 對生態環境有重要的意義。然后再對以上4個指標進行主成分分析, 客觀的確定每個指標的權重。

圖2 阜新市遙感影像

Figure 2 Fuxin Remote Sensing Image

(1) 綠度指標(NDVI):利用歸一化植被指數(NDVI)來計算[17], 公式為:

式中:和分別表示近紅外波段和可見光紅波段的反射率。

(2) 濕度指標(Wet): 通過纓帽變換得出的濕度分量來計算[18], 公式為:

式中:為遙感影像各波段的反射率。

(3) 干度指標(): 通過計算裸土指數和建筑指數合成得到干度指標[19], 其公式為:

=(+)/2

(4) 熱度指標(): 首先計算出傳感器處的溫度, 然后再進行比輻射率的校正轉化為地表溫度(LST)得到熱度指標[20],其公式為:

=/[1+(×/)×ln]

式中:為地表溫度;為傳感器處溫度值;為中心波長;為波段反射率;為比輻射率。

2.2.2 遙感生態指數(RSEI)計算

(1) 主成分計算。

主成分分析(PCA)是多波段遙感圖像變換增強常用的方法之一, 是通過線性變換將多個變量選出較少個數重要變量, 在遙感上主要用于壓縮數據及對數據解釋[21-23]。通過利用主成分變換來進行指標權重的確定, 可以有效避免人為等其它因素對其產生的影響, 使其結果能夠只依靠數據自身性質。在計算出主成分之前, 首先應對四個指標進行歸一化處理, 使其數值處于0—1之間, 然后再進行PCA計算, 計算出四個指標的第一主成分。

(2) 遙感生態指數計算

在計算出不同年份四個指標的PC1之后, 再用1減去PC1, 得出遙感生態指數RSEI0; 然后再對其進行歸一化處理, 目的是使其數值大小能夠在0—1之間[24], 最后得到RSEI。

2.2.3 數據處理

根據RSEI指數的評價原則以及評價方法的要求, 首先將阜新市2000年、2008年和2016年三個年份的RSEI指數, 每隔0.2為一個等級, 分成5個生態等級, 依次為: 一級在區間[0,0.2], 代表差, 二級在區間(0.2,0.4], 代表較差, 三級在區間(0.4,0.6], 代表中等, 四級在區間(0.6,0.8], 代表良, 五級在區間(0.8,1.0], 代表優, 以此對研究區生態環境的時空變化進行可視化和定量化分析[25]。再利用遙感變化檢測方法, 對研究區阜新市的生態環境變化進行紅色、綠色和黃色差值變化檢測。

3 結果與分析

3.1 阜新市遙感生態指數的時空變化

由表1可以看出, 阜新市在2000—2016年間, RSEI指數4個指標中NDVI和Wet均為正值, 說明兩者對阜新市的生態環境起積極的促進作用, 而另外兩個指標則為負值, 起著負面影響的作用。2000年、2008年和2016年三個年份的第一主成分的特征值貢獻率都在85%以上, 說明第一主成分已經集中了四個指標的大部分特征, 并且四個分量指標對第一主成分的貢獻度相對穩定。

經計算可得出2000年、2008年和2016年的RSEI的均值分別為0.576、0.687和0.621, 2000—2008年的RSEI值由0.576增長到了0.687, 而2008—2016年的RSEI值又由0.687下降到了0.621, RSEI值總體呈現上升態勢, 說明2000—2016年阜新市的生態環境總體上得到有效改善。

表1 指標第一主成分

由表2可以看出:

(1) 整體來說, 2000—2016年阜新市的環境質量主要以中等為主, 中等所占比例分別為51.79%、74.52%、85.42%, 尤其在2008年和2016年, 中等所占比例最大, 其次是良, 所占比例分別為20.17%、13.36%, 差、較差所占比例較小, 因此阜新市整體的生態環境處于中等狀態。

(2) 從單一年份來看, 2000年, 生態環境質量以中等為最高, 占整個區域的近1/2, 差、優占比很小, 分別為0.57%和0.02%, 較差所占比例較大, 為45.47%; 2008年, 生態環境狀況差和優所占比例最小, 分別為0.50%和0.09%, 中等所占比例最高, 占比為74.52%, 良所占比例僅次于優, 為20.17%; 2016年, 生態環境狀況差和優仍然最低, 為0.51%和0.01%, 中等最高, 為85.42%, 其次為良, 占比為13.36%。

(3) 從3個年份變化來看, 2000—2016年間, 優所占比例呈先上升再下降的趨勢, 總體變化不大; 中等所占比例呈上升趨勢, 總體上升33.77%, 良所占比例呈先上升后下降趨勢, 從2000年的2.15%到2008年的20.17%, 上漲18.02%, 后又開始下降, 到2016年, 良所占比例為13.36%, 說明阜新市在快速城市化發展的過程中對生態環境的保護不夠, 但從整體來看, 阜新市的生態環境在經過明顯改善后仍有部分區域遭到不同程度的破壞, 生態環境質量略有下降; 差和較差在2000—2016年所占比例總值減少明顯, 這說明生態環境差的區域得到優化治理, 當地的居民生活環境的質量是處于一個逐漸變好的態勢。

由圖3可以發現, 2000年, 阜新市生態質量中等級的區域占據研究區的一半左右, 主要分布在阜新市的西南部, 主要包括耕地、草地及部分林地; 其次為較差等級的區域, 占比近乎一半, 主要分布在阜新市的東北部地區, 主要原因在于阜新市的東北部和著名的科爾沁沙地接壤, 生態環境受荒漠化的影響較大, 雖營造了大面積的防護林, 但依然未能阻止風沙的侵蝕; 2008年, 經過多年的退耕還林還草、各種防風固沙林等多項針對荒漠化的措施的實施, 在阜新市東北部地區建立起道道綠色屏障以阻止風沙的侵蝕, 并且取得了一定的成效, 阜新市的生態環境也有了較大的好轉, 生態質量較差等級的面積占比大幅下降, 中等級占比上升明顯; 2016年, 阜新市城市化建設的快速發展導致了生態質量優、良等級面積占比均有所下降, 但下降比例不是大, 阜新市中等級的面積占比仍為主導。

3.2 阜新市遙感生態指數變化的空間分布

從表3可以看出:

(1) 2000—2008阜新市地區生態環境條件狀況變差的面積為111.41 km2, 約占總面積的1.07%, 而生態環境條件變好的面積達6071.47 km2, 占總面積的58.33%, 生態條件變好面積大于變差面積, 這說明阜新市在2000—2008年間, 整個區域的生態環境質量在變好, 在某些區域的生態環境治理效果明顯。

表2 阜新市遙感生態指數評價統計數據

圖3 阜新市2000—2016年遙感生態指數分級圖

Figure 3 Classification map of remote sensing ecological index of Fuxin from 2000 to 2016

(2) 2008—2016間, 阜新市生態環境質量狀況變差的面積為1624.40 km2, 所占比例約為15.61%, 而生態環境變好的面積只有1277.64 km2, 占總面積的12.27%, 生態條件變差面積要多于變好面積, 說明阜新市在2008—2016年間, 生態環境狀況有下降態勢, 盡管整體生態環境仍以良好為主, 但部分地區的生態環境卻遭到一定程度的破壞, 因此, 在治理生態環境質量較差區域的同時應注意對生態環境的保護, 避免出現顧此失彼的情況。

(3) 2000—2016年間, 生態環境質量變好面積為5546.21 km2, 所占比例為53.28%, 變壞面積不大, 為248.03, 占比只有2.38%, 可見變好面積遠大于變差面積, 生態環境呈現好轉趨勢明顯, 說明阜新市在城市化的發展中對生態環境的重視程度也日趨增大, 并且在生態環境保護方面取得一定的成效, 但仍有部分地區的環境問題亟待解決, 總體來看, 2000—2016年間, 生態質量改善明顯。

從圖4可以看出:

2000—2008年間, 阜新市生態環境質量呈明顯變好趨勢, 不變區域面積變化較大; 2008—2016年間, 阜新市生態環境質量大部分呈不變趨勢, 有部分區域變差, 變差的地區主要分布在阜新市的西南部和東北部。總體來看, 2000—2016年間, 阜新市生態環境質量得到明顯改善, 變好的面積超過總面積的50%, 但仍有少數區域生態條件變差, 尤其在阜新市的東北部和西南部仍然有小部分生態環境處于變差狀態, 因為阜新市的東北地區位于著名的科爾沁沙地南緣, 受風沙侵害影響較大, 盡管各種防沙治沙措施不斷, 也取得一定的成效, 但自2008年起阜新的氣候干旱, 地下水位下降, 植被退化現象明顯, 可見要徹底解決沙漠化問題仍任重道遠; 阜新市西南部, 主要是市區及周邊城鎮, 近些年由于城市經濟轉型建設的不斷發展, 工程建筑、道路的修建及放牧和樹木的過度砍伐等人類活動, 導致生態環境遭到破壞, 不過整體來看阜新市的生態環境呈現向好發展趨勢。

表3 阜新市遙感變化監測

圖4 阜新市2000年、2008年、2016年生態環境變化圖

Figure 4 Changes in ecological environment in Fuxin in 2000, 2008 and 2016

4 討論

4.1 影響阜新市生態環境變化的自然因素

綠度、濕度、熱度和干度這四個生態指標是生態環境的重要組成部分, 結合這四個指標構建的生態指數RSEI可以較好的反應阜新市的生態環境質量狀況。大氣降水是地表水和地下水的補給來源, 降水量的多少基本反映了阜新市水資源的豐枯狀況[26-27]。下圖為1961—2015年阜新市年降水量距平曲線圖和年平均氣溫圖, 可以看出: 阜新市的年平均降水量呈現下降的趨勢, 而年平均氣溫呈現上升的趨勢。

圖5 阜新市年降水量距平曲線

Figure 5 Annual precipitation anomaly curve of Fuxin

圖6 阜新市年平均氣溫

Figure 6 Annual average temperature of Fuxin

在整個研究區域中, 與生態環境呈正相關的綠度和與生態環境呈負相關的熱度對生態指數RSEI的貢獻率最大, 這與全球氣候變化背景下, 中國西北干旱區氣候呈現明顯的熱島效應相對應[28]。在研究期間內對生態環境起正相關的濕度對RSEI指數的貢獻率最小, 主要是由于研究區地處干旱區, 在研究時段內, 阜新市的氣候以高溫、干燥、降水偏少為主, 水分條件和溫度都是制約植物生長的主要因子, 影響著植物群落的生態學過程和植物的生長周期, 加上蒸發量大, 不利于生態的恢復[29]。

阜新市近幾年來出現霧霾天氣, 霧霾的形成和持續時間不僅和地理位置以及人類活動有關, 和天氣條件也密切相關。近十幾年來, 阜新市的氣候變化明顯, 降水量減少, 氣溫升高, 氣候干燥, 加上城市建設發展迅速, 高層城市建筑影響近地面的空氣流通, 除此之外, 由于化工企業的集聚, 引起大氣中微觀環境變化, 從而使環境質量受到一定的影響。

4.2 影響阜新市生態環境變化的人為因素

生態環境受人類活動的影響很大。隨著人口的增長, 對糧食等需求加大, 對耕地的需求面積增大, 通過開墾草地、砍伐樹木等將其發展成為耕地來滿足需求, 導致林草地面積減少, 生態環境受到破壞。自2001年開始, 阜新市開始經濟轉型, 城市化建設快速發展, 以高鐵為主的交通建設項目迅速開展, 由于各類項目的建設占用林地、耕地、建設用地等, 在快速發展的同時生態環境仍遭到一定的破壞。在阜新市東北部風沙區, 生態環境沙化嚴重, 多年來實施防沙治沙、退耕還林等多項生態工程建設, 又對阜新市的煤礦開采礦區積極開展礦區修復治理, 截至2016年末, 阜新市區域林地面積占區域總面積百分比超過25%; 草地面積占區域總面積的8%左右, 植被覆蓋度明顯上升, 相比2000年生態環境得到明顯改善。

5 結論

(1) 2000—2016年以來, 阜新市的生態環境狀況整體呈現良好狀態, 尤其是2016年, 生態環境狀況差和較差的區域所占比例非常小, 生態環境質量明顯提高, 但在2008—2016年間, 阜新市西南盆地和東北部的風沙區的生態環境狀況仍處于下降趨勢。自2001年阜新市開始經濟轉型, 城市建設迅速發展, 因此, 呼吁政府在城市轉型發展的同時, 環境的保護也是不可忽視的關鍵問題, 減少因城鎮發展等引起生態條件的再次破壞。

(2) 從阜新市生態變化監測情況來看, 阜新市生態條件整體呈現明顯變好, 有大部分平原區域的生態條件保持不變, 變差比例較小, 但值得注意的是阜新市西南盆地部分地區和東北部風沙地區的生態條件仍需要重點關注。

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Ecological change assessment of Fuxin based on remote sensing ecological index

WANG Dongsheng, WANG Xiaolei*, LEI Zeyong

Liaoning Technical University, Fuxin Liaoning 123000, China

The continuous advancement and development of urbanization has brought increasing pressure on the ecological environment. How to evaluate the regional ecological environment quality in a multi-faceted, objective, accurate and rapid manner is an important direction of current research. Taking Fuxin of Liaoning Province as the research area, the remote sensing images of 2000, 2008 and 2016 were selected as the basic research data, and the ENVI5.1 software was used as the data processing platform, combined with the principal component analysis method, and the remote sensing ecological environment quality evaluation index. The evaluation index RSEI assesses the ecological quality of Fuxin. The results showed that in 2000, 2008 and 2016, the ecological quality of Fuxin was generally on the rise. From 2000 to 2016, the RSEI of the study area changed from level1, 2 to level 3, 4 and 5, and the ecological quality was improved and deteriorated. The areas with improved ecological quality and deterioration accounted for 53.28% and 2.38% of the total area respectively. The areas with obvious changes in ecological quality were mainly concentrated in the northeast and southwest of Fuxin. The main reason lies in the continuous advancement and development of urbanization in Fuxin in recent years. The environmental problems of the series, as well as the desertification problems were brought about by the impact of Horqin Sandy Land.Whether it can give high priority to the ecological environment while fully carrying out rapid urbanization determines the protection of ecological environment. The investment in desertification control has become an important determinant of the changes in the ecological environment quality of Fuxin.

remote sensing;Fuxin;remote sensing ecological index;ecological quality

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.013

X87

A

1008-8873(2020)03-088-07

2019-05-10;

2019-08-09

國家自然科學基金(315030477)

王東升(1963—), 男, 遼寧撫順人, 教授, 博士, 主要從事遙感生態評價方面研究, E-mail: lnwds@sina.com

王小磊(1990—), 男, 遼寧阜新人, 碩士, 研究方向為遙感生態評價, E-mail: 1018650872@qq.com

王東升, 王小磊, 雷澤勇. 基于遙感生態指數的阜新市生態質量評估[J]. 生態科學, 2020, 39(3): 88–94.

WANG Dongsheng, WANG Xiaolei, LEI Zeyong. Ecological change assessment of Fuxin based on remote sensing ecological index[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 88–94.