基于RS和GIS的陽城縣生態環境質量評價

張晨碩 薛文輝 化馨悅 張杰 何耐

摘要：進行旅游區域的生態環境質量評價，對于旅游地的可持續發展是至關重要的。文章基于RS與GIS相關技術，以Landsat4、Landsat5和Landsat8的衛星數據作為數據源，利用主成分分析法，通過計算得到RSEI遙感生態指數，定量分析了山西省晉城市陽城縣的生態環境質量，并根據研究區的特點，對當地的生態環境質量進行評價并提出整改建議。結果表明：從2005-2016年陽城縣生態環境質量有所改善，北部地區由于礦產資源豐富導致RSEI遙感生態指數偏低，南部地區生態環境質量較好。

關鍵詞：生態環境質量評價;主成分分析;RSEI遙感生態指數; 陽城縣

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-00-06

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.007

Evaluation of ecological environment quality in Yangcheng county based on RS and GIS

Zhang Chenshuo，Xue Wenhui，Hua Xinyue，Zhang Jie，He Nai

（School of Geographical Sciences， Shanxi Normal University，Linfen Shanxi 041000，China）

Abstract：The ecological environment quality evaluation of the tourism region is very important for the sustainable development of the tourism region. Based on RS and GIS technology to Landsat4， Landsat5 and Landsat8 satellite data as data sources， using principal component analysis （pca）， RSEI remote sensing is obtained by computing the ecological index， quantitative analysis of the jincheng in shanxi yangcheng county ecological environment quality， and according to the characteristics of study area， to evaluate the quality of the local ecological environment and improvement Suggestions are put forward. The results show that the ecological environment quality of yangcheng county has been improved from 2005 to 2016， the RSEI remote sensing ecological index in the northern region is low due to the rich mineral resources， and the ecological environment quality in the southern region is better.

Key words：Ecological environment quality evaluation;Principal component analysis;RSEI remote sensing ecological index;Yangcheng county

對于生態環境質量評價，國內外通常以大尺度、大范圍的區域為研究對象，大都以可持續發展為基本原則進行研究。在相關內容方面，國外的研究主要集中在各專題或者某典型區域的問題分析，比如水環境、土壤環境等方面的分析;而對于我國來說，雖然此方面的研究起步稍晚，但在國家的鼓勵支持下迅速發展，以基礎和應用研究、工程技術、政策指導和行業技術指導等為導向，體現出服務于經濟發展、注重實踐和方法創新的特色[1]。

作為一煤獨大的山西，要改變增長路徑依賴，實現可持續發展，必須以“四個轉型”為指引。實現資源型地區經濟轉型發展，形成產業多元支撐的結構格局，是山西經濟發展需要深入思考和突破的重大課題。所以，旅游產業的發展勢在必行，而如今游客更加注重旅游地的生態環境，對生態環境進行質量評價，為維持和提高旅游地生態環境提供科學依據。皇城相府作為經濟轉型的成功案例，生態農業區是其發展的新旅游項目，同時也是發展的增長點，景區周邊環境以及優劣直接會影響到景區的持續發展，因此，我們選取皇城相府所在地陽城縣作為研究區域， 對其進行旅游質量生態評價。

1 研究區概況

陽城縣位于山西省東南部的晉城市境內，地處112°～112°37'E， 35°12'～35°40'N，其地理位置如圖1所示。陽城縣屬于溫帶季風氣候區，四季分明，東臨太行山脈，境內有沁河流經，中、東部地勢較為平坦，而南部較為陡峭。陽城縣以煤炭產業為支撐，有多個工業園區，且境內擁有多個知名旅游風景區，在未來經濟發展方面具有較大的潛力。盡管陽城縣在旅游生態建設方面做了大量的工作，但與國內外先進城市相比仍有很大方面的差距，煤炭產業對旅游環境的影響依舊十分嚴重[2]。因此，改善陽城縣旅游生態環境，任重而道遠。

2 陽城縣生態環境質量評價原理及方法

2.1 生態環境質量評價原理及分級

2.1.1 生態環境質量評價原理

生態環境質量是指與人類有關的自然資源及人類賴以生存的環境的優劣程度，它包括自然資源和整個環境的各種因素。它以生態學理論為基礎，在特定的時間和空間范圍內，從生態系統層次上，反映生態環境對人類生存及社會經濟持續發展的適宜程度，是根據人類的具體要求對生態環境的性質及變化狀態的結果進行評定[3]。

2.1.2 生態環境質量分級

依據《生態環境狀況評價技術規范》[4]中的分級方法，可以將傳統EI指數[5]，即生態環境質量分為5級，即：優、良、一般、較差和差。其具體描述如表1所示。

描述 植被覆蓋度高，生物多樣性豐富，生態系統穩定 植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，適合人類生活 植被覆蓋度中等，生物多樣性一般水平，較適合人生活的制約性因子出現 植被覆蓋較差，嚴重干旱少雨，物種較少，存在著明顯限制人類生活的因素 條件較惡劣，人類生活受到限制

2.2 生態環境質量評價方法

生態環境質量評價包括主要有相關分析法、綜合評價法、絕對指標法（或相對指標法）、主成分分析法等多種方法[6]。主成分分析法的使用使得生態環境質量評價受個人主觀影響減小，從而提高了本次研究的準確度和可信性。因此，本研究選擇主成分分析法來對陽城縣進行生態環境質量評價。

2.2.1 主成分分析的基本原理

主成分分析其實就是數學上用來降維的一種方法，其本質就是將原來的幾組變量重新組合成一組新的，且互相無關的幾個綜合變量，然后從中提取出一個或者幾個相對較少的綜合變量來盡可能多的反映代表原有的信息，稱這樣的統計方法叫主成分分析。

在一些問題中，主成分分析其主要是針對數量較多且具有一定的相關性的變量，然后通過一些合理的數學變換，將原有的眾多變量變換為數量少且互不相關的綜合變量。從而使其變為數量個數較少，包含了很多信息的綜合變量，可以用來代替原有的變量信息。

2.2.2 主成分分析法的應用

在實際應用過程中，主成分分析被廣泛應用，它常常被用于建立系統評估指數方面，被稱為一種新型的系統評估方法。本次研究也采用了主成分分析法，對所求得的四大指數，進行歸一化處理以后，合成各指標，對其進行主成分分析，得到主成分分量。各主成分量包含了原來四大指標的絕大部分信息，然后根據各指標對主成分分量的貢獻率大小，選取主成分分量。這種辦法在一定程度上避免了因為人為的主觀因素，從而造成選取指標集成的差異，影響了結果。

2.3 RSEI遙感生態指數

本研究采用的RSEI指數是通過綠度、濕度、熱度、干度這4個自然指標所構建的一種新型遙感生態指數。在眾多用于評價生態環境的因素當中，這4個因素與人類生活密切相關且可以通過遙感影像數據獲取，這有利于我們快速準確地搜集數據和精準直觀地分析所需地區生態環境質量。具體指標的構建如下。

2.3.1 濕度指標（wet）

遙感纓帽所獲得的亮度、綠度、濕度分量已被廣泛地應用在生態環境監測中。本研究的濕度指標以這一濕度分量為代表，濕度分量可以很好地反映水體、土壤、植被的濕度狀況，與土壤退化等生態環境變化密切相關[7]。

2.3.2 綠度指標（NVDI）

NDVI是用于檢測植物生長狀況、植被覆蓋度、葉面積指數等植被生化物理性質的重要指標[8]。因為NDVI綠度指標常常被用于研究遙感圖像的植被方面[9]，所以本研究選取了NDVI代表綠度指標。

2.3.3 熱度指標（LST）

熱度指標在中國生態環境監測中迄今為止還未引起其應有的重視，本研究以LST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[10]。

2.3.4 干度指標（NDSI）

隨著人類不當活動的干擾和城市化的建設，裸地和建筑不透水面逐步取代地表原有自然生態系統，致使地球表面“干化”，生態環境質量惡化[11]。建筑指數（IBI）可以對建設用地進行較好的表達，而土壤指數（SI）可以對裸地狀況進行很好的表現。為了充分考慮這兩個指數對生態環境質量狀態的表達，本次研究，我們選取了兩者的平均值來代表干度指數（NDSI）。

2.4 研究技術路線

本實驗借助軟件ENVI5.1和arcGIS10.5，先獲取數據影像，對其進行預處理工作，之后進行四大指標的計算，歸一化處理以后，對其進行合成，然后進行主成分分析，得出結果后再次進行歸一化處理，從而得出陽城縣所需的數據影像，并對其進行數據分析得出結果。研究技術路線如圖2。

3 陽城縣遙感生態指數體系建立

3.1 陽城縣生態環境質量指標的計算結果

本研究選取濕度指標、綠度指標、干度指標和熱度指標來構建生態環境質量指標RESI[12]，通過對2005年、2010年和2016年三期遙感影像數據[13]借助ENVI5.1處理軟件計算得出濕度指標、綠度指標、干度指標和熱度指標。

3.1.1 濕度指標計算結果

表2為陽城縣各期遙感數據濕度指標（Wet）計算結果統計表。表中顯示了2005年、2010年和2016年三期結果，包括最小值、最大值、均值和標準差。其中，各期NDVI值均經過了正規化處理，范圍為[0，1]，最大值均為1.000000，最小值均為0.000000。從表中可以看出2005年、2010年和2016年的濕度指標均值分別為0.553405、0.544652和0.644970。由此可以看出，2005-2016年期間，陽城縣濕度指標Wet，先略微下降后在上升，整體呈現出上升趨勢。

圖3為陽城縣3期的濕度指標Wet分布圖，圖中藍色部分表示濕度指數偏高，紅色表示濕度指數偏低。從圖中可以看出，陽城縣西南部地區的濕度指數在2005-2016年期間得到了明顯的增加，這可能是與當地政府對山西蟒河自然保護區進行了合理的保護有關。陽城縣北部地區的濕度指數在這11年內也呈現出緩慢上升的趨勢，但總體指數仍然偏低。

3.1.2 綠度指標計算結果

表3為陽城縣各期遙感數據綠度指標（NDVI）計算結果統計表。表中顯示了2005年、2010年和2016年三期NDVI結果，包括最小值、最大值、均值和標準差。其中，各期NDVI值均經過了正規化處理，范圍為[0，1]，最大值均為1.000000，最小值均為0.000000。2005年、2010年和2016年的NDVI均值分別為0.535692、0.660315、0.620538，由此可以看出，陽城縣的NDVI值先上升后下降，但從整體上來看，2005—2016年NDVI數值呈現出上升的趨勢。

查找相關資料得出，陽城縣NDVI綠度指數的增加與當地政府的相關政策有關。晉城市人民政府頒布過《晉城市1999-2010年生態林業建設規劃綱要》的通知。陽城縣政府特別關心生態林業的建設，并為此提出過兩個實施階段。其中第一階段是1999-2000年期間，在1998年基礎上全市完成造林41萬畝，新增林地20萬畝，新增生態園林綠化村300個;第二階段是2001-2010年的后10年，新增林地面積80萬畝，新增生態園林綠化村1 200個。由此可以看出，陽城縣NDVI指數的增加與政府的積極政策有很大的關系。

圖4為陽城縣各期的綠度指標NDVI分布圖，圖中綠色部分表示綠度指數偏高，紅色表示綠度指數偏低。從圖中可以看出，陽城縣西南部地區的綠度指數較高，也可以說是該地區的植被覆蓋度較高。陽城縣東北部地區的植被覆蓋度偏低，但2016年的植被覆蓋相比于2005年，得到了一定程度上的改善，這可能是和政府的生態林業建設有很大的關系。

3.1.3 干度指標計算結果

表4為陽城縣各期遙感數據干度指標（NDSI）計算結果統計表。其中，干度指標是由建筑指數（IBI）和裸土指數（SI）合成以后得到的。表中顯示了2005年、2010年和2016年三期NDSI結果，包括最小值、最大值、均值和標準差。其中，各期NDVI值均經過了正規化處理，范圍為[0，1]，最大值均為1.000000，最小值均為0.000000。2005年、2010年和2016年的NDSI均值分別為0.481506、0.504811、0.482087，由此可以看出，2005-2016年，陽城縣的干度指標NDSI大體呈現出先增長，后下降的趨勢。2016年相比于2005年，NDSI變化不大。

圖5為陽城縣各期的干度指標NDSI分布圖，圖中紅色部分表示干度指數偏高，藍色表示干度指數偏低。從圖中可以明顯看出，北部地區的干度指數在2005-2016年大幅增加;而南部地區明顯下降，2016年的藍色部分比2005年和2010年更明顯，說明干度指數下降了，這可能與該地區植被覆蓋度的增加有關。

3.1.4 熱度指標計算結果

表5為陽城縣各期遙感數據熱度指標（LST）計算結果統計表。表中記錄了2005年、2010年和2016年三期的LST熱度指標結果，包括最小值、最大值、均值和標準差。從表中可以看出2005年、2010年和2016年的LST均值分別為22.667290、17.309317、24.663249。查詢陽城縣9月份的溫度資料，可得出，陽城縣9月份的平均氣溫在14～24℃之間，白天平均24℃，夜間平均14℃，計算得出的結果均在理想范圍內。從整體來看，2016年9月份比2005年9月份的平均溫度高，這可能與陽城縣人口的不斷增長和城市建設的快速發展有關。

圖6為陽城縣各期熱度指標LST分布圖。圖中紅色區域表示高溫地區，主要分布在北部的工業園區和人口集中的城區。而溫度較低的綠色、黃色區域，主要在南部，為山西國家級蟒河自然保護區。

3.2 主成分分析及RSEI指數計算

利用ENVI5.1軟件，進行主成分分析變換，合成新型生態環境質量指數RSEI。表6為各指標主成分分析表，從表中可以看出，經過主成分分析變換以后，第一主成分和第二主成分包括了所研究的，4個指標的絕大部分相關信息。2005年、2010年和2016年的第一主成分分別包含了69.46%、79.78%和85.67%的相關信息，說明三期的第一主成分包含了4個指標的大部分信息，可以用合成的第一主成分來代替原來的4個指標信息，并以此合成RSEI，對其進行生態環境質量分析。

表7為陽城縣2005年、2010年和2016年的RSEI指數，通過該指數，我們可以大致了解陽城縣2005-2016年這11年之間的生態環境變化情況。該表為RESI各期的最大值、最小值、均值和標準差，且都進行了標準化處理，取值區間都為[0，1]，最大值都為1.000000，最小值都為0.000000。2005年RSEI值為0.510785，2010年RSEI值為0.528062，2016年RSEI值為0.568492。從研究結果來看，2005-2016年期間，這11年陽城縣的生態環境質量指數RSEI呈現出上升趨勢，說明陽城縣的生態環境質量得到了改善。

3.3 生態環境質量分級

在完成RSEI指數計算后，為了更好地體現陽城縣生態環境質量狀況以及在2005—2016年發生的變化，我們選擇依據《生態環境狀況評價技術規范》[14]以及徐涵秋在《城市遙感生態指數的創建及應用》[5]中的分級方法，將RSEI指數分為5個等級，即：優、良、一般、較差和差。具體情況如表8所示。

4 陽城縣生態環境質量變化分析

在經過對各時期RSEI指數計算以及統計后，我們制作出了2005-2016年分級RSEI指數分布圖（圖7）。

4.1 陽城縣生態環境質量空間變化分析

從空間上看，陽城縣在2005年、2010年、2016年生態環境質量評為“優”“良”的區域主要集中在陽城縣南部，通過觀察地形圖以及圖7可知其主要原因是南部海拔較高，地形較復雜，因此，不太適合人類生活及工業發展。而且此地區處于山西蟒河自然保護區，由于人為保護以及政策支持下，該地區植被覆蓋度高，生物多樣性指數較高，因此，該區域生態環境受人類影響較小，生態環境質量RSEI指數高。

而陽城縣RSEI指數等級處于“差” “較差”的區域主要集中在中北部，這是由于地形較平坦，適宜人類生產生活，所以在人口聚集和不斷增加的情況下，城市建筑用地和工業用地所占面積較大，從而導致植被覆蓋度及濕度指標較低，使得生態環境狀況較差。從圖中我們可以看到，在陽城縣東部有大面積生態環境質量差的區域，這可能與該地交通便利和煤化工產業在此布局有關。它處于晉運高速和陵沁線旁，是處于晉城至侯馬經濟走廊的重要位置，而皇城相府等旅游地又為此地提供了較多的人流物流，從而使得該地人口聚集，人類活動頻繁，生態環境變差。

4.2 陽城縣生態環境質量時間變化分析

從時間上看，2005～2010年RSEI等級為差與較差所占面積百分比由28.80%變為29.8%，變化較小。但從圖7各期圖像對比可知生態環境退化的地區則主要分布在陽城縣縣城以及交通便利區域，說明城市建設和交通設施對生態環境質量的影響較大。

從表9可以看出，2010～2016年陽城縣生態環境質量變好區域占比為32.74%遠遠大于11.52%的質量下降區域，且質量上升區域多在國家級蟒河自然保護區及其范圍。而在2011年國家發布的《國家環境保護“十二五”規劃》中提到要提升自然保護區建設與監管水平，開展自然保護區基礎調查與評估，統籌完善全國自然保護區發展規劃;加強自然保護區建設和管理，嚴格控制自然保護區范圍和功能分區的調整，嚴格限制涉及自然保護區的開發建設活動，規范自然保護區內土地和海域管理，加強國家級自然保護區規范化建設[15]。在此我們可以看出，《國家環境保護“十二五”規劃》對環境保護與治理的明顯作用。

從表10不難看出，2005～2016年間，RSEI指數0～0.6所占的面積比例從65.47%下降到51.52%，而RSEI指數0.6～1所占的比例則從34.53%上升到了48.48%。這說明陽城縣總體生態質量得到了較大改善。通過查詢2008～2020陽城縣城市規劃可以看出：陽城縣政府在注重城市發展的同時，也注重生態環境的保護，并且做到了生態優先、保護優先、開發有序的原則，加強了對山體、水體、植被等自然資源的保護與管制，創造了良好的城市生態環境。

雖然總體趨勢向好，但我們也應當看到：城鎮、工業區、交通要道等區域生態環境質量是一直呈現出下降趨勢的。所以，我們應當思考如何處理好城市與植被、水體、生物之間的關系，如何在發展的同時建設綠色城市，或者說如何在城市中提高植被覆蓋率。

5 結論及建議

5.1 研究結論

本研究以陽城縣為研究對象，分別選取了2005年、2010年兩期Landsat5TM影像和2016年一期Landsat8OLI影像。分別計算四大指標，通過主成分分析法構建生態環境質量評價指數RSEI，并對其進行分級，制作了RSEI分級圖。還利用了差值法，計算得到了各期遙感數據RSEI計算結果變化分級表，結合分析結果，給陽城縣旅游生態環境質量提供參考建議。

本研究主要研究結論如下：

（1）通過對陽城縣2005年、2010年和2016年的RSEI指數計算，可以得出RSEI指數分別為0.510785、0.528062、0.568492。研究結果表明：2005-2016年間，陽城縣的生態環境質量指數RSEI呈現出上升趨勢，說明陽城縣的生態環境質量得到了改善。

（2）經調查，陽城縣蘊藏著豐富的礦產資源，種類多，分布廣。煤炭資源主要分布于北留——固隆一線以北地區，所以由此可知，北部地區綠度指標、濕度指標偏低，干度、熱度指標偏高，很有可能是因為礦產資源的過度開采造成的。

（3）從遙感生態指數RSEI的總體變化趨勢來說，生態環境變好的區域主要集中在南部地區，而南部地區有國家級蟒河自然保護區，這得力于該地區的環境治理，及自然保護區建設與監管水平的提高。

5.2 建議

本文通過對陽城縣的生態環境質量評價結果提出以下建議。

（1）經過各期數據的研究分析，我們發現，陽城縣東部某地區，即北留鎮南部、白桑鄉東部地區的生態環境指數RSEI較低（綠度指標、濕度指標相對較低，干度指標、熱度指標相對較高）。所以我們建議當地政府應當重視這兩個區的生態建設，增加相應的植被面積，以改善當地生態環境。

（2）在開采煤炭資源的過程中，應該注重生態環境的保護及修復。建立生態工業園，增加工業區內綠地面積，大力改善北部地區植被覆蓋度低的問題，使得經濟發展與環境保護齊頭并進。

（3）進行產業結構優化，大力發展旅游業等第三產業，使其成為旅游強縣。加強旅游區環境監測，避免出現因過多客流而導致的環境退化。

（4）增加當地生態環境保護教育的宣傳工作，加大對于環境保護的力度，不要過度采集煤炭資源，提倡大家保護自然資源，養成保護大自然的好習慣。

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收稿日期：2020-09-14

作者簡介：張晨碩（1998-），男，山西師范大學地理科學學院地理信息科學專業在校本科生。