新疆生態質量變化趨勢遙感分析

周紫燕,汪小欽,*，丁 哲,陳蕓芝,汪傳建

1 福州大學空間數據挖掘和信息共享教育部重點實驗室,衛星空間信息技術綜合應用國家地方聯合工程研究中心,數字中國研究院(福建),福州 350108 2 石河子大學信息科學與技術學院,兵團空間信息工程技術研究中心, 石河子 832000

生態質量變化和人類活動已經給生態系統帶來了很大的破壞,并引起了廣泛的關注[1- 2]。基于實地調查的生態數據不適合在區域或全球范圍內直接應用,遙感技術由于可以在不同的空間和時間尺度上提供豐富的大氣和地表數據,已被廣泛應用于監測生態系統的生態屬性[3- 4]。利用各種遙感指數來對森林[5]、草地[6]、城市[7]、河流[8]乃至整個區域[9]的生態系統進行監測和評價,已經成為生態遙感領域的重要組成部分。其中,植被指數是各種生態遙感研究中最常用的單一指標,用于描述區域植被的特征[10-11],以表征生態質量狀況的“綠度”；其他單一的生態指數如干旱指數[12-13]和地表溫度[14-15]也被認為能較好的指示不同生態系統的“濕度”和“熱度”方面的變化。但這種基于單個指標的分割化評價,僅能反映生態系統的某一個側面,無法客觀、全面地反映生態狀況整體情況及變化。

國家環境保護部在2006年頒布的《生態環境狀況技術規范》中推出了主要基于遙感技術的生態狀況指數EI,通過權重的設定將生物豐度、植被覆蓋度、水網密度、土地退化指數和環境質量指數結合起來。該規范試行期間,已在國內得到廣泛的應用,但也發現了不少問題,如沒有空間分布、權重的合理性、指標的易獲得性等。近年來,部分學者針對這些存在的問題進行了相應的研究,以期快速、定量、客觀地評價區域生態質量狀況。如徐涵秋[16]利用主成分分析法從影響生態系統的綠度、濕度、干度和熱度這四個方面提出了遙感生態指數(A remote sensing based ecological index,RSEI)；Zhang等[17]通過因子分析法集成了不透水面、植被指數、地表溫度及纓帽變換的綠度和亮度5個指標,提出了一種利用生態評價模型繪制和監測生態質量和環境變化的方法。這些方法克服了單一指標的缺點和傳統方法難以確定權重的問題,在一定程度上得到了廣泛的應用[9, 18- 20]。然而,無論是主成分分析亦或是因子分析,其物理意義都不夠明顯,不能像原始變量的含義那么清晰明確。本文參考Amani等[21]利用空間幾何原理構建三維干旱指數的思想,從植被、濕度和熱度這三個角度來構建綜合生態質量表征指數,進行生態系統監測評估。

新疆維吾爾自治區地處世界典型的極端干旱區,生態環境十分脆弱。這里不僅是我國重要的戰略資源儲備區,也是“一帶一路”建設、國家西部大開發、生態文明建設的主戰場。由于長期以來,人類對自然資源特別是水資源的不合理利用,使得新疆生態狀況面臨著巨大的壓力。《新疆生態環境十年(2000—2010年)遙感調查與評估》[22],Du等[23]和申麗娜等[24]分別從不同生態系統和植被的角度對新疆整體生態環境進行了評價；同時,《塔里木河流域生態系統綜合監測與評估》[25],《博斯騰湖生態環境演化》[26],朱長明等[27],唐宏等[28],阿依努爾·買買提等[29],朱小強等[30],黃麟等[31]對新疆典型區域進行多角度的生態質量工作研究。目前,針對大范圍、長時間序列新疆生態質量變化多因子監測的研究很少。

本文通過組合綠度、濕度、溫度這三個生態學意義明確的遙感監測指標,基于空間幾何原理構建了新型、簡單、實用的遙感生態質量狀況監測指數。利用該指數評價新疆生態質量狀況及新疆近20年來生態系統的生態變化,對明確生態系統重點治理區,提高生態系統保護效率具有重要的意義,同時為加強生態保護、改善全區環境質量,建設美麗新疆提供依據。

1 研究區與數據介紹

1.1 研究區

新疆維吾爾自治區位于中國西北邊陲地區,介于34.25°—49.17°N,73.33°—96.42°E之間(圖1),總面積160萬km2。它是一個典型的山體、盆地相間的地貌系統,包括呈緯向延伸的三大山系阿爾泰山、天山、昆侖山及山脈之間的準格爾盆地、塔里木盆地。該區域垂直地帶性明顯,大面積的森林和草地植被沿山脈的垂直方向變化,準格爾盆地和塔里木盆地分布有典型的溫帶荒漠植被,綠洲和城市則分布在河谷平原區。新疆遠離海洋,三面環山,屬典型的大陸性干旱半干旱氣候；夏季干熱,冬季寒冷,干燥少雨,蒸發強烈,日照時間長等。總體上,區域植被覆蓋率較低,空間差異明顯,生態系統較為脆弱、敏感。

根據中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)提供的新疆生態系統數據,新疆生態系統以荒漠生態系統為主,其次是草地生態系統。新疆生態系統數據是基于遙感解譯獲取的各個生態系統類型辨識的研究成果,每五年一景。圖1展示了2015年新疆的陸地生態系統空間分布,其中荒漠生態系統占60.57%,主要分布于塔里木盆地、準格爾盆地以及新疆東部地區；草地生態系統占28.60%,主要分布于阿爾泰山、天山北坡綠洲經濟帶、伊犁河流域、塔里木河干流及昆侖山脈；其余生態系統的面積比都小于5%,農田生態系統占4.71%,森林生態系統占2.26%,濕地生態系統占1.07%,冰川生態系統占2.38%,聚落生態系統占0.41%。

圖1 研究區MODIS影像(241波段)假彩色合成和生態系統分布Fig.1 The false color composite MODIS image of study area (241 bands) and distribution of ecosystem

1.2 遙感數據源及其預處理

本文主要采用的遙感數據為NASA MODIS陸地產品組提供的2000—2018年的MOD09A1的第1、2波段和 MOD11A2數據產品。MOD09A1為8天合成的空間分辨率500 m的地表反射率產品,第1波段為紅光波段,波段范圍620—670 nm,第2波段為近紅外波段,波段范圍840—876 nm；MOD11A2為8天合成的空間分辨率為1 km的地表溫度LST產品。為避免時相差異造成的影響,均選用植被生長最旺盛的7月份的影像開展研究。利用最大值合成方法得到月尺度的MOD09A1和MOD11A2數據,并進行圖像鑲嵌、裁剪數據、格式轉換、投影轉換及質量檢驗等預處理過程。MOD11A2數據采用最鄰近方法重采樣到500 m,以匹配MOD09A1的空間分辨率。

2 技術方法

綠度、濕度和熱度是反映生態質量的重要指標,也是人類直觀感受生態狀況優劣的重要因素,因此常被用于評價生態質量狀況。本文根據構建垂直干旱指數(Perpendicular Drought Index, PDI)的思想,以土壤線上最干旱的點D點為原點,提出表征土壤濕度的垂直濕度指數(Perpendicular Moisture Index, PMI)。參考Amani等[21]構造三維干旱指標的空間幾何原理,選擇代表綠度的垂直植被指數(Perpendicular Vegetation Index, PVI)、代表濕度的垂直濕度指數PMI和代表熱度的地表溫度(Land Surface Temperature, LST)這三個遙感參數構造生態質量三維空間,構建一種能夠反映生態質量的遙感綜合指數：植被-濕度-溫度生態指數(Vegetation-Moisture-Temperature, VMTEI)。計算2000—2018年新疆生態指數VMTEI,并利用Sen+Mann_Kendall方法對其進行趨勢分析。

2.1 VMTEI指數的構建

2.1.1基于土壤線方程的PVI計算和土壤濕度表征(PMI)

土壤線是在紅光波段(Red)和近紅外波段(Nir)二維光譜空間中土壤純像元光譜反射率按照大小排列而成的直線,綜合反映了具有不同水分條件的土壤含水狀況,對于了解土壤和植被的理化性質和生態特征具有重要的意義,它可以基于遙感數據Red-Nir的二維空間散點圖獲取[32]。在圖像包含地表覆蓋類型比較全面的情況下,Red-Nir波段的散點圖呈典型三角形分布,如圖2a所示。像素在三角形中的位置取決于土壤覆蓋、土壤水分、植被覆蓋度、植被種類和植被生長階段等多個因素。利用該散點圖可以確定土壤線方程和表征土壤最干旱的點D點。線段AC表示地表植被從全覆蓋區域(A)和部分覆蓋區域(F)到裸露土壤(C)的變化。而線段BD(土壤線SL)是指土壤水分狀況被描述為濕土區(B)、半干旱區(C)到干土區(D)的變化。Richardson和Wiegand[33]利用Red-NIR光譜特征空間任一點到土壤線的垂直距離來描述植被覆蓋狀況,提出了垂直植被指數PVI(式1)。秦其明等[32]利用Red-NIR光譜特征空間任一點到土壤基線lo(經過坐標原點且垂直于土壤線的線)的距離來表征區域土壤含水狀況,提出了垂直干旱指數PDI(式2)。可以發現,具有相同PVI值的像素形成一系列的等值線與相同PDI值所形成的等值線之間存在垂直關系。關于Red-NIR光譜空間的基本理論和光譜特征的詳細信息可以參考Jackson[34]和Ghulam等[35]文獻。

(1)

(2)

式中,ρRed和ρNIR分別代表紅光和近紅外的反射率；M和I分布代表土壤線方程的斜率和截距。

圖2 (a)Red-NIR特征空間和基于Red-NIR特征空間所構建的XPVI-YSMI特征空間(P代表任意一個像素點)；(b)基于線段DE的VMTEI表達:在包含最高溫度、最小植被覆蓋度和最小土壤濕度的D點附近的像素具有最差的生態質量狀況(VMTEI=0),而DE的另一端E點則代表最優的生態質量狀況(VMTEI=1)Fig.2 (a) Sketch map of Red-NIR space and the XPVI-YSMIspace developed inside the Red-NIR spectral space (P represents a random pixel); (b) Development of the VMTEI based on the line DE： Pixels near the point D containing maximum temperature, minimum vegetation cover, and minimum soil moisture, have the worst eco-environment status (VMTEI=0), and the other end of DE (point E) have the best eco-environment status (VMTEI=1)

土壤濕度是反映生態質量狀況的一個重要指標。通常,地表溫度升高,土壤濕度則相應下降,當土壤濕度低于某一特定水平時,由于不能吸收到足夠的水分,植被就會變得不健康。為了保證在三維特征空間中土壤濕度大小和方向的一致性,本文依據PDI創建思想,平移原來經過原點的土壤基線(即圖2a中直線l0)至最干旱點D點,得到新的土壤基線lD(即與XPVI重合)。Red-NIR光譜特征空間中任一點到新土壤基線XPVI(經過D點且垂直于土壤線的線)的距離即為垂直濕度指數PMI(式3)。

(3)

式中,ρRed和ρNIR分別代表紅光和近紅外的反射率；M為土壤線方程的斜率；b為與土壤線垂直且通過D點的土壤基線與NIR軸的截距。

2.1.2PVI-PMI-LST三維特征空間的構建

如圖2a所示,基于Red-NIR光譜空間,構建以D點為原點,PVI為x軸,PMI為y軸的XPVI-YPMI二維特征空間。之后,在XPVI-YPMI二維空間上添加LST為z軸,則完成了PVI-PMI-LST三維特征空間的構建(圖2b)。本研究中,LST為2.2小節中預處理后的MOD11A2產品。

2.1.3VMTEI的表征

(4)

(5)

式中,Ni為歸一化后的值,i分別對應PVI、PMI。max (i)為指標的最大值,mix (i)為指標的最小值。

在三維特征空間中(圖2b),包含最高溫度、最小植被覆蓋度和最小土壤濕度的D點附近的像素具有最差的生態質量狀況(VMTEI=0)。隨著Npvi、Npmi和Nlst的增加,生態質量狀況逐漸改善,線段DE的另一端E點則代表最優的生態質量狀況(VMTEI=1)。因此,本文用該三維特征空間中的任何一點到D點的距離來構建表征生態質量狀況的生態指數VMTEI(式6)。

(6)

VMTEI即為所建基于植被-土壤濕度-地表溫度的遙感生態指數,值介于[0,1]之間。VMTEI越接近1,生態越好,反之,生態越差。

2.2 Sen+Mann-Kendall趨勢分析

Sen趨勢度和Mann-Kendall趨勢檢驗結合,成為判斷時序數據趨勢的重要方法,已經逐步運用在氣候、植被等的時序變化特征分析中[36- 38]。Sen趨勢度計算公式(式7)：

(7)

式中,i和j分別表示第i年和第j年；xi和xj分別表示第i年的VMTEI值和第j年的VMTEI值；β表示趨勢度,當β>0時,時序呈上升的趨勢,反之呈下降的趨勢。

Mann-Kendall趨勢檢驗：對于序列X=(x1,x2,…，xn)做出如下假設：H0：序列中的數據隨機分布,無顯著趨勢；H1:序列存在上升或下降單調趨勢。檢驗統計量S由式(8)計算：

(8)

式中,將S標準化得到統計檢驗值Z,利用Z值進行顯著性檢驗,其公式如式(9)：

(9)

3 結果與討論

利用MODIS波段1和波段2的數據進行散點圖分析[39-40],獲得平均土壤線方程為：y=1.262x+0.018,最干旱點D的坐標為(0.370,0.485)。

3.1 VMTEI空間分布特征

利用空間幾何原理,計算2000—2018年各年份PVI、PMI和LST三個分量及生態質量指數VMTEI,其中2000年、2018年和19年的平均VMTEI分布如圖3所示。從圖3可知,近20年來,新疆生態質量狀況空間分布格局變化不大,空間分布與新疆現有的生態質量狀況比較吻合,由區域的地形地貌等自然特征決定,總體上與植被分布特征比較一致,呈現出緯向伸展的變化。生態質量狀況惡劣的區域主要分布在準格爾盆地、塔里木盆地及新疆的東部地區,這些區域主要為荒漠、戈壁區,幾乎沒有植被生長,土壤濕度低,地表溫度高,VMTEI值低于0.3；生態質量狀況中等的區域主要分布在天山北坡綠洲經濟帶、塔里木河流域及綠洲與荒漠、戈壁的過渡帶,這些區域以耕地、灌木覆蓋為主,植被覆蓋稀疏,土壤有一定的濕潤度,地表溫度較荒漠區有所降低,VMTEI值在0.35左右；生態質量狀況表現出良好的區域主要分布在阿爾泰山、天山山脈、昆侖山脈以及伊犁河流域,這些區域有大面積的草地、森林、綠洲,是整個研究區植被覆蓋較好的區域,VMTEI值大于等于0.35。

通過對已有研究中新疆生態質量狀況相關的研究成果進行VMTEI指數的定性分析和間接對比驗證。《新疆生態環境十年(2000—2010年)遙感調查與評估》[22]中2000年、2005年、2010年新疆生境質量空間分布與VMTEI值的空間分布較一致,表現為較高等級生境分布區域VMTEI值較大,較低等級生境分布區域VMTEI值較小；唐宏等[28]通過構建區域發展水平和生態質量狀況的評價指標體系,對新疆天山北坡區域進行協調度評價,其中生態質量狀況呈現出由西向東逐漸下降的空間分布,這與VMTEI值具有較好的一致性；阿依努爾.買買提等[41]對新疆開孔河流域人居環境適宜性的評價結果也表現出與VMTEI指數空間分布的相似性。

圖3 新疆VMTEI的空間分布Fig.3 Spatial distribution of VMTEI in Xinjiang

3.2 VMTEI趨勢分析

圖4是結合趨勢度和統計量Z值的結果,該圖清晰地表明了新疆VMTEI變化趨勢的空間分布格局：生態狀況呈現局部改善與部分退化并存的局面,但是總體上以改善面積大于惡化面積。其中,生態狀況明顯改善的面積占2.332%,主要集中在塔里木河干流、伊寧市及霍爾果斯河周邊地區、額敏河,并以天山北坡綠洲經濟帶生態質量改善最為明顯。陳曦等[25]對塔里木河流域“四源一干”生態系統進行全面的分析,王倩等[42]對伊犁河流域植被變化進行監測,唐宏等[28]對天山北坡區域發展與生態質量協調度進行評價,其研究結果與本文相符。這一現象說明近年來新疆的綠洲經濟、塔河綜合治理工程、退耕還林還草工程、“三北”防護林工程起到了一定的效果,植被改善趨勢十分明顯,平原綠洲灌區面積不斷增大[43-44]。生態狀況嚴重退化的區域面積較小,占0.430%,主要集中在塔克拉瑪干沙漠外圍、博斯騰湖、艾比湖及零星分布于新疆的不同地區,阿依努爾·買買提等[29]和朱小強等[30]分別對博斯騰湖、艾比湖面積變化進行遙感監測,其結果均表明湖面面積萎縮,生態質量呈退化趨勢,與本文趨勢分析結果相互印證。這主要是由于社會經濟的快速發展帶來的城鎮化及全球氣候變化導致冰川、濕地面積銳減所造成的區域生態質量惡化[29-30, 45-46]。

圖4 趨勢分析的結果Fig.4 The result of Sen+Mann-Kendall 圖中區域I：艾比湖；區域II：天山北坡綠洲經濟帶；區域III：孔雀河綠洲；區域IV：博斯騰湖

對于趨勢分析結果的進一步驗證,由于研究區范圍較大,且許多區域因氣候和地形等因素很難進行實地調查,因此本文采用中分辨率的Landsat影像對生態質量狀況顯著變化的4個典型區域進行驗證,分別為艾比湖(區域I)、天山北坡綠洲經濟帶(區域II)、孔雀河綠洲(區域III)、博斯騰湖(區域IV)(圖5),其中區域I和區域IV是生態明顯退化區,區域II和區域III是生態狀況明顯改善區域,這4個區域的生態質量變化已經得到了較多的關注和研究[22, 29-30,41, 46- 48]。根據數據的可獲得性,選取了區域I—IV不同時期生長季7—8月份的Landsat影像(圖5)。

從圖5可知,圖中4個區域的VMTEI與Landsat影像中區域植被分布和地表覆蓋有較好的一致性,水域和高植被覆蓋區VMTEI值較大,干燥裸土和低植被覆蓋區VMTEI值較小。區域I展示了2002年至2015年新疆艾比湖面積的不斷萎縮,同時艾比湖周邊的植被覆蓋面積不斷增大,圖中區域I的VMTEI均值由0.36下降至0.32；區域IV位于博斯騰湖,趨勢評價結果為湖泊邊緣存在明顯退化的現象,但湖泊周邊植被覆蓋區依舊表現出生態質量狀況好轉的趨勢,整體VMTEI均值從0.40降低至0.37,這與圖4中趨勢分析的結果相吻合。一方面,湖水量與湖水面積的變化受到人為因素不同程度的驅動而改變,另一方面,濕地蒸發量大、降水少等自然因素的影響也造成了艾比湖和博斯騰湖面積的萎縮,使其生態質量狀況表現出退化的趨勢[29-30, 46]。區域II和區域III分別為天山北坡綠洲經濟帶西部地區以及孔雀河綠洲,通過Landsat影像與VMTEI值的對比可以直觀地看出植被增長的趨勢很明顯,區域II中VMTEI均值從2000年的0.29增加至2017年的0.33,其中,唐宏等[28]的研究成果同樣表明,隨著天山北坡綠洲經濟帶的發展,天山北坡西部地區生態質量狀況良好；區域III的VMTEI均值從2003年的0.30增加至2017年的0.35,生態質量狀況有所改善,由于區域人口的增長、經濟發展的需要和生態輸水工程的實施,近年來孔雀河的農田開墾速率非常快,耕地和園地面積增加顯著,大量占用荒漠、低覆蓋灌叢的面積[49]。

圖5 Landsat驗證趨勢分析的結果Fig.5 Verify the results of trend analysis using Landsat

3.3 不同生態系統VMTEI變化特征分析

區域VMTEI的平均值時間序列在一定程度上反映了該區域的生態質量狀況的變化情況。利用新疆生態系統的空間分布對新疆生態質量狀況VMTEI進行均值統計,從圖6中可以看出,2000年至2018年期間,整體上趨于平穩的狀態,年際間呈現波動式變化。全疆平均VMTEI值在0.300附近波動,與荒漠生態系統的變化趨勢較吻合,這主要是由于荒漠生態系統占整個研究區的面積最大,達到了60%以上。濕地生態系統的VMTEI均值最高,在0.430左右,這表明濕地生態質量狀況最為理想；其次為森林、農田、草地、聚落生態系統,四者VMTEI均值都高于新疆整體,其中農田生態系統在近20年期間有較大幅度的改善,主要由于農田綠洲外圍的荒漠化土地面積不斷減少,農田面積不斷增大,同時,三北防護林的建設增加了農田林網化的密度,植被覆蓋度增加[24, 31]；聚落生態系統表現出分段式變化,2000—2007年增長幅度較大,2007—2018年波動幅度較小,王長建等[50]對新疆城市化與生態質量狀況關系的分析結果與聚落生態系統的變化相符；荒漠生態系統的整體均值最低,說明其生態質量狀況最差,2000—2018年期間表現出輕微波動的趨勢。

圖6 2000—2018年新疆VMTEI年際變化Fig.6 Annual variation of VMTEI in Xinjiang from 2000 to 2018

計算不同生態系統在2000—2018年VMTEI的均值和標準差,得到圖7中的箱線圖。其中均值大小可以體現不同生態系統及新疆總體生態質量的變化,箱體長短代表不同年份的差異；而標準差大小則反映了生態系統內的變化大小,箱體長短代表年際間的波動狀況。

從圖7左圖可以發現,各生態系統2000年至2018年間的VMTEI均值排序：濕地>森林>農田>草地>聚落>荒漠,這表明濕地生態系統的總體生態質量狀況最好,其次是森林,平均VMTEI為0.37,最差的為荒漠生態系統,平均VMTEI僅為0.28。根據不同生態系統統計得到箱線圖上下分位點之間的跨度長短可以判斷不同年份生態狀況變化的差異性大小,發現農田的箱體跨度最大,為0.323—0.361,說明其VMTEI均值在這段時間內的變化較大,這也表明了農田生態系統生態質量狀況發生了較大的變化。

各生態系統2000年至2018年的VMTEI標準差均值可以分為兩大類,一類包括森林、草地、濕地和荒漠生態系統,約0.08,說明這幾類生態系統內部差異相對較大；另一類為農田和聚落生態系統,約0.04,說明這2類生態系統內部差異較小。濕地生態系統內部包含湖泊、水庫坑塘、永久性冰川雪地等,內部差異最大,因此,其標準差值及其變化都最大；荒漠生態系統不僅包含戈壁、沙地、裸巖,還包含了稀疏草地、苔原等未利用土地,內部差異較大且箱體跨度長短次之；森林和草地生態系統標準差值集中于0.08左右,表明其標準差值年際間變化較小但生態系統內部差異明顯；農田和聚落生態系統內部差異和標準差值變化都較小,表明其生態質量狀況較為穩定。

圖7 2000—2018年不同生態系統VMTEI的均值和標準差Fig.7 Mean and standard deviation of ecosystem VMTEI from 2000 to 2018

圖8 不同生態系統類型趨勢分析結果面積占比統計Fig.8 Area statistic on trend analysis of different ecosystem types

根據不同生態系統對近20年來趨勢分析結果進行統計(圖8,未展示基本不變的占比)。從圖8可知,不同生態系統的變化面積占比低于15%,改善區域的面積均大于惡化區域,其中濕地生態系統生態狀況變化較大,約占14.37%；其次是農田生態系統,變化面積占比約占12.39%,變化較小的是荒漠和森林生態系統,變化面積占比低于3%。

明顯改善比例最多的為農田生態系統,達到了11.7%,而呈現嚴重退化區域的比例僅占0.46%,這與新疆大規模進行“三北”防護林體系建設、荒漠綠化、開展治沙工程有很大的關系,目前全區7000多萬畝耕地中的95%都受到三北工程的林網庇護,為新疆農業提供了強有力的生態保障(《新疆日報2018年12月2日訊》)。聚落生態系統的生態質量狀況明顯改善的比例為6.29%,在強調城市化與生態環境協調發展理念的同時,伴隨著新疆各重點區域城鎮面積的增加,城市綠地的面積也不斷增加,王長建等[50]和張超[47]分別對新疆地區以及新疆天山北坡地區進行城市化和生態質量狀況的協調發展研究,其研究結果表明城市聚落生態質量狀況呈現一定程度的改善,均與本文相符。草地生態系統的生態狀況明顯改善的比例占2.70%,主要由草本荒漠和耕地轉化而來,與退牧還草、草原封育和退耕還草工程有關[22]；森林生態系統的生態狀況明顯改善的比例占1.79%,得益于退耕還林工程及三北長江流域等防護林的建設,退耕還林的面積從2001年13173hm2增加到2017年的81490hm2,同時防護林的面積從2004年的70129hm2增加到2017年的145102hm2[51]。濕地生態系統嚴重退化的面積占比最多,為2.69%,,明顯改善的區域占7.83%,表明新疆區域濕地生態系統退化最嚴重,這主要是由于新疆濕地分布廣泛,從平原至高山均有分布,通過對不同濕地類型的比較發現,濕地面積增加生態狀況改善主要是由于高山區溫度升高冰川積雪消融引起的草甸沼澤化以及河流面積的擴大,而濕地面積減少生態狀況退化較顯著的區域主要為平原湖泊以及部分水庫,《新疆生態環境十年(2000—2010年)遙感調查和評估》[22]、阿依努爾·買買提等[29, 46]和朱小強等[30]對濕地的研究結果與本文較一致。荒漠生態系統明顯改善的區域與嚴重退化的區域比例分別為0.92%和0.31%,總體變化不大[52]。

4 結論

VMTEI指數是基于綠度、濕度、熱度指標建立的一個完全依靠遙感信息的綜合生態指數,很好地集成了影響生態質量狀況三個主要方面的信息,因此可以快速大面積地評價區域生態質量狀況。該指數既考慮了與生態相關的多個因子,又引入空間幾何原理避免了多指標加權集成方法權重難以確定或物理意義不明晰的不足,有效地提高了生態指數VMTEI的物理意義。利用VMTEI生態指數對2000—2018年新疆生態及其變化分析的結果表明VMTEI可以較好地反映區域生態質量空間分布和時間變化規律。近20年來,新疆生態質量總體格局變化不大,呈現波動式的平穩變化狀況。其中生態質量明顯改善的面積占總面積的2.332%,明顯退化的區域占0.430%,這主要是由防護林體系、城市綠地、濕地變化造成的,說明未來新疆生態系統保護應側重濕地保護與恢復工程,重點發展荒漠天然植被,建立綠洲外圍荒漠地區防護林體系,同時完善水資源管理,使生態系統格局趨于合理化。

目前在生態遙感領域還沒有完整的生態指標評價體系,主要是利用遙感技術反演與生態相關的因子,然后進行耦合。如何選擇合適的生態遙感因子并進行多因子耦合分析是一個需要不斷進行創新的研究方向。由于溫度對于生態狀況具有不確定性,當溫度過高或過低時,生態質量都會朝著惡劣的方向發展,如何規范溫度對生態狀況的影響值得進一步探討。同時,針對紅光波段和近紅外波段的綠度、濕度這兩個生態因子,可以考慮利用能夠獲得熱度(地表溫度)的中高分辨率傳感器(如Landsat等)構建較高空間分辨率VMTEI的可行性及其區域應用。