基于MODIS數(shù)據的秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)研究

摘 要 針對秦嶺地區(qū)缺乏生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)的問題，利用MODIS產品作為數(shù)據源，選取LAI、GPP、LST、TDVI和NDVI 5個地表參數(shù)，采用主成分分析法，構建了秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)。結果表明：LAI、GPP和NDVI的特征向量均呈正值，對秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境起正面的貢獻;而LST和TDVI在PC1特征向量中呈負值，表明兩者協(xié)同對鹵泊灘生態(tài)環(huán)境起負面影響。實驗結果與實際情況相符，因此構建的秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)能夠較好地反映秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。

關鍵詞 MODIS數(shù)據;主成分分析;秦嶺地區(qū)

中圖分類號：X171.1 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.089

近年來，國家經濟和城鎮(zhèn)建設得到快速發(fā)展，給社會環(huán)境和自然環(huán)境帶來了巨大改變，同時也造成了嚴重的環(huán)境問題。隨著國家生態(tài)文明建設的持續(xù)推進，環(huán)境脆弱區(qū)的生態(tài)得到高度重視，區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價成為國家研究的熱點問題[1]。秦嶺因其特殊的地理位置和地形地貌，成為我國自然地理的過渡地帶和氣候變化的敏感區(qū)域，亦是響應人類活動的敏感區(qū)[2]。因此，建立秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)，探明其生態(tài)環(huán)境變化過程和影響因素，對秦嶺地區(qū)實現(xiàn)青山綠水的發(fā)展戰(zhàn)略和資源利用的可持續(xù)性具有重要意義。

當前遙感技術的快速發(fā)展為生態(tài)環(huán)境評價提供了新的方法和數(shù)據源。國內外學者基于遙感數(shù)據在區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價方面進行了深入研究[3-4]，但秦嶺地區(qū)研究多局限于植被指數(shù)和土地利用變化等單方面指標研究，缺乏該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的綜合評價。因此，針對秦嶺地區(qū)研究現(xiàn)狀，從該區(qū)域多年生態(tài)環(huán)境變化入手，利用遙感數(shù)據，選取地表參數(shù)，構建適用于秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)，為秦嶺生態(tài)環(huán)境的保護提供依據和新的視角。

1 研究區(qū)及數(shù)據

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺地區(qū)是我國南北氣候分界線，其對氣流具有明顯的阻滯作用。冬季阻滯寒流南下，使?jié)h中盆地和四川盆地免受寒風侵襲，夏季使?jié)駶櫟臍饬鞑灰妆鄙希偈贡狈綒夂蚝涓稍铩Ｒ虼耍貛X以北屬于溫帶半濕潤、半干旱季風氣候，植被以落葉林為主;以南屬于亞熱帶濕潤季風氣候，植被以常綠闊葉林為主[5]。本研究區(qū)屬于秦嶺中段，位于陜西省南部，其北鄰關中平原，南鄰漢中盆地。

1.2 數(shù)據源及預處理

MODIS（中分辨率成像光譜儀）遙感影像具有回訪周期短、覆蓋范圍廣、免費獲取等優(yōu)勢，被廣泛應用于大尺度生態(tài)研究[1]。數(shù)據由https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/提供。選取MOD15A2H、MOD17A2H、MOD11A2、MOD13A2產品作為數(shù)據源，具體參數(shù)見表1。

為了更好地反應研究區(qū)的生態(tài)狀況，研究選取了2000年和2019年7—8月數(shù)據，經過圖像格式轉換、投影變換、統(tǒng)一分辨率、裁剪等預處理，分別獲取4個地表參數(shù)的2000年、2019年數(shù)據。

1.3 生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)

1.3.1 地表參數(shù)獲取

LAI、GPP、LST和NDVI可直接由MOD15A2H、MOD17A2H、MOD11A2、MOD13A2產品獲取。溫度植被干旱指數(shù)TVDI（Temperature Vegetation Dryness Index）是利用地表溫度與植被指數(shù)特征空間進行地表土壤水分反演的方法[6]，其表達式如式1所示。

其中，Tsmin=a+b×NDVI代表濕邊方程，Tsmax=c+d×NDVI代表干邊方程，TVDI的值域為[0，1]。且TVDI越大，土壤濕度越低;TVDI越小，土壤濕度越高。利用地表溫度和植被指數(shù)，在ENVI5.3軟件中實現(xiàn)TDVI的獲取。

1.3.2 生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)構建

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎，且秦嶺地區(qū)植被覆蓋率較高，選取多個與植被相關的地表參數(shù)，構建秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)是由不同地表參數(shù)與其占權重的乘積之和得到的，該方法雖然綜合了各參數(shù)的特性，但參數(shù)權重大小受人為主觀因素影響較大，無法保證結果的客觀性[7]。

主成分分析是通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，且能保證信息損失最小情況下，達到降維效果[1]。本研究利用5個主成分（PC1～PC5）分析綜合LAI、GPP、LST、TVDI、NDVI等地表參數(shù)的特性，構建了秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)（QL_SSEI）來評價秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，其表達式如式2所示。

QL_SSEI=f（LAI，GPP，LST，TVDI，NDVI）（2）

其中：LAI反映植被生長質量;GPP代表植被生長狀況;LST表征研究區(qū)的熱度;TDVI為溫度植被干旱指數(shù)，反映研究區(qū)的干旱度;NDVI反映植被的覆蓋程度。

2 結果與分析

通過主成分分析獲取秦嶺地區(qū)5個地表參數(shù)2000年和2019年的相關矩陣如表2所示。對比這兩年計算結果可知：在2000年和2019年，PC1的特征值貢獻率均大于89%，表明在2期數(shù)據中，PC1可綜合5個地表參數(shù)的特征，且5個指標對PC1中都有一定的貢獻度;在PC1中，葉面積指數(shù)LAI、初級生產力GPP和歸一化植被指數(shù)NDVI的特征向量均呈正值，說明他們共同對秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境起正面貢獻;而地表溫度LST和溫度植被干旱指數(shù)TDVI在PC1特征向量中呈負值，表明兩者協(xié)同對鹵泊灘生態(tài)環(huán)境起負面影響。實驗結果與實際情況相符。因此構建的秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)能夠較好地反映該區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。

3 結論

主成分分析方法在構建秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)上具有較好的應用，能夠在保證地表信息損失最小的狀況下，達到降維的效果。在秦嶺生態(tài)環(huán)境遙感評價指數(shù)的PC1中，葉面積指數(shù)、初級生產力和歸一化植被指數(shù)的特征向量均呈正值，表明其對秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境起正面貢獻;地表溫度和溫度植被干旱指數(shù)呈負值，表明兩者協(xié)同對鹵泊灘生態(tài)環(huán)境起負面影響。

參考文獻：

[1] 吳宜進，趙行雙，奚悅，等.基于MODIS的2006-2016年西藏生態(tài)質量綜合評價及其時空變化[J].地理學報，2019，74（7）：1438-1449.

[2] 郭少壯，白紅英，孟清，等.秦嶺地區(qū)林地與草地景觀格局變化及其驅動因素[J].生態(tài)學報，2020，40（1）：130-140.

[3] 徐涵秋.城市遙感生態(tài)指數(shù)的創(chuàng)建及其應用[J].生態(tài)學報，2013，33（24）：7853-7862.

[4] 宋美杰，羅艷云，段利民.基于改進遙感生態(tài)指數(shù)模型的錫林郭勒草原生態(tài)環(huán)境評價[J].干旱區(qū)研究，2019，36（6）：1521-1527.

[5] 何慧娟，王釗，董金芳，等.基于MODIS產品的秦嶺地區(qū)NDVI、地表溫度和蒸散變化關系分析[J].西北林學院學報，2019，34（4）：179-184，191.

[6] 趙杰鵬，張顯峰，廖春華，等.基于TVDI的大范圍干旱區(qū)土壤水分遙感反演模型研究[J].遙感技術與應用，2011，26（6）：742-750.

[7] 楊亮彥，程杰.陜西鹵泊灘鹽漬地生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測研究[J].西部大開發(fā)（土地開發(fā)工程研究），2019，

4（12）：1-5.

（責任編輯：趙中正）