基于遙感生態指數的濱海濕地生態質量變化評價
——以遼東灣北部區為例

柯麗娜，徐佳慧*，王楠，侯俊軒，韓旭, ，陰曙升,

1.遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學海洋可持續發展研究院，遼寧 大連 116029

濱海濕地是海陸交錯地帶，具有豐富的生物多樣性，是許多珍稀動物的棲息和繁殖地，同時在控制海洋污染、調節氣候、平衡碳收支等方面起著十分重要的作用（Altieri et al.，2012；Alvarado-Aguilar et al.，2012）。近幾十年以來，在人類活動和氣候變化的共同影響下，濱海濕地的生態質量面臨著嚴峻的問題（周昊昊等，2019）。因此對濱海濕地生態質量及其變化驅動因素進行研究具有十分重要的意義。

近年來，國內外學者對于濱海濕地生態質量評價、時空分異及其影響機制等方面的研究都取得了顯著成果（Wang et al.，2021；金宇等，2017），在全球范圍內對典型濱海濕地的生態質量進行了探討（Thakur et al.，2017；Zhang et al.，2021）。當前主要以生境質量評價、生態指數法、生態價值評估法等方法來評估濱海濕地生態環境質量。如張華兵等（2020）基于InVEST模型對江蘇鹽城國家級珍禽自然保護區核心區開展生境質量評估，模擬了區域生境質量時空變化；吳建芳等（2022）運用熵權法與綜合評價法，結合灰色預測模型，建立了基于 PSR模型的長樂閩江河口國家濕地公園生態系統健康評價指標體系，并預測閩江口國家濕地公園2022、2024年的健康狀況，為濕地公園的保護與管理提供了支持；李楠（2020）結合遙感和生態系統價值評估法對杭州灣濱海濕地信息監測及生態質量評估；Montocchio et al.（2021）利用3個生態指標水質指數（WQI）、濕地大型植物指數（WMI）和濕地魚類指數（WFI），以評估近20年來人類活動對格魯吉亞灣（休倫湖）東部和北部沿海沼澤生態系統健康的影響。以上研究分別從不同角度對特定區域的濱海濕地生態質量展開了評價，但都具有其局限性，缺少遙感生態指數的相關研究。遙感可對地進行長時間同步觀測，相對于傳統地面觀測節省大量人力物力，對濱海濕地進行長時間序列的生態質量變化監測提供了便利。以往學者利用單一的生態指標對區域生態環境進行評估，如利用歸一化植被指數對區域植被覆蓋情況進行探討，反演地表溫度來反映區域熱環境。國家環境環保總局提出傳統生態指數EI（Ecological Environment Index），選取生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數環境質量指數、但是局限于各系數其權重的設置合理性以及可操作性。因此徐涵秋（2013）提出了遙感生態指數模型（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），該模型基于遙感技術耦合了與人類生存息息相關的綠度、干度、濕度、熱度4種生態因子，該模型能夠快速監測和評價區域生態質量，并在不同區域得到了驗證和應用（農蘭萍等，2020；李婷婷等，2021）。

遼東灣北部區域是渤海灣北部濱海濕地的主要分布區，特有的紅海灘以及蘆葦沼地，同時是丹頂鶴繁殖的最南線，以及世界珍稀鳥類黑嘴鷗（Larussaundersi）的重要棲息繁衍地，具有重要的生態功能，這些特點使其在維持區域生態平衡起著重要的作用。近年來，已有諸多學者對遼東灣北部區濱海濕地開展研究，目前主要集中在遼東灣濱海濕地景觀格局及其動態變化（閆曉露等，2019），生態系統服務價值評價（韓增林等，2020）等相關方面。然而，尚未利用遙感生態指數對遼東灣北部區濱海濕地生態質量變化展開探究，從而很難定性的描述遼東灣北部區濱海濕地生態質量變化。為了準確獲取遼東灣北部區生態環境質量變化，本研究擬利用1995、2002、2009、2018、2021年 Landsat遙感數據，利用遙感生態指數（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），耦合綠度（NDVI）、濕度（Wet）、干度（NDBSI）、熱度（LST）4種生態因子，利用熵權法計算權重并定量反映遼東灣北部區濱海濕地生態質量變化，對濱海濕地的生態保護具有重要意義，以期對區域環境監測提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

遼東灣北部區地處121°14′—122°9′E 和40°32′—41°12′N 之間（圖 1）。研究區土地利用/覆被類型劃分為自然濱海濕地、人工濱海濕地及非濕地，其中自然濱海濕地包括水域、灘涂、草地（蘆葦），人工濱海濕地包括水田和水產養殖，非濕地包括旱地、裸地及建設用地。研究區行政地跨錦州市、盤錦市沿海多縣，總面積約為1612.32 km2，屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，四季分明、雨熱同期，河流分布密集，其北部地區是遼寧省小凌河、大凌河、雙臺子河、大遼河四大入海河流的河口海岸地帶，也是遼河三角洲的中心區域，占據重要的地理位置。遼東灣北部區是渤海灣濱海濕地的主要分布區，同時也是許多珍稀動物棲息地，具有典型的生態價值，成為濱海濕地研究的重要區域。

圖1 研究區位置Figure 1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

本文為準確探究區域生態環境質量變化，選取近 30年來研究區數據質量較好且時間間隔合適的年份，采用 1995、2002、2009、2018、2021 年 Landsat遙感影像作為數據源（表 1），本文數據來源于美國地質勘探局網站（United Stated Geological Survey，USGS；http://glovis.usgs.gov/），為準確反映植被信息，同時考慮精度和云量要求，故選取7、8、9月質量較好的遙感影像。利用ENVI5.3軟件對原始影像進行預處理過程如下，（1）對原始影像進行輻射校正，將圖像亮度灰度值轉換為輻射亮度或輻射反射率，以降低輻射誤差。（2）為了消除大氣影響，使用FLASSH大氣校正工具對其進行大氣校正。（3）利用 MNDWI水體指數掩膜掉水體信息（徐涵秋，2005），最終圖像拼接、裁剪得到遼東灣北部研究區影像。

表1 遙感影像信息Table 1 Image information of remote sensing

1.3 研究方法

1.3.1 遙感生態指數

遙感生態指數（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI）是指利用綠度（NDVI）、濕度（WET）、干度（NDBSI）、熱度（LST）4個指標建立遙感綜合生態指數評價生態系統的方法，其中指標值分別用VNDVI、VWET、VNDBSI、VLST表示。本研究利用熵權法將綠度、濕度、熱度、干度4個指標設置權重，并加權求和構建遙感生態指數，以評價遼東灣北部區生態質量。

1.3.1.1 綠度指標

綠度指標由植被指數代表，用于定量的反映植被生長狀況、植被覆蓋度及生物量等信息（劉海等，2021），公式為：

式中：

N——Landsat數據的近紅外波段；

R——紅色波段。

1.3.1.2 濕度指標

濕度指標由濕度分量代表，通過纓帽變換得到3個分量，分別為亮度、綠度和濕度，其中濕度分量反映了植被、水體、土壤中的濕度，是生態研究中體現生境變化的重要指標。不同衛星傳感器其表達式不同（Baig et al.，2014），本文選用公式為：

式中：

B1、B2、B3、B4、B5、B7——TM 數據的第1、2、3、4、5、7波段反射率和OLI數據的2、3、4、5、6、7波段反射率；

VWET(TM)——Landsat TM數據的濕度分量；

VWET(OLI)——Landsat 8數據計算出的濕度分量

1.3.1.3 熱度指標

熱度指標由地表溫度代表，通過Landsat遙感數據熱紅外波段的輻射值和最新修訂的定標參數（Nichol，2005），得到表達式為：

式中：

T——傳感器處溫度；

λ——熱紅外波段的中心波長（11.5 μm）；

ρ=1.438×10-2mK；

ε——地物的比輻射率；

K1、K2——定標參數，其數值可通過影像源數據獲取；

Ltir——熱紅外波段的輻射值。

1.3.1.4 干度指標

干度指標由建筑指數和土壤指數代表，由于研究區中相當一部分灘涂裸地會造成地表干化，因此選用兩個指數的平均值（徐涵秋，2008），表達式為：

式中：

Ib——建筑指數；

Is——土壤指數；

B1、B2、B3、B4、B5——TM 數據的第1、2、3、4、5波段反射率和OLI數據的2、3、4、5、6波段反射率。

1.3.1.5 指標歸一化

為統一各指標的單位和范圍，消除時相差異，增強指標的可比性，對各指標進行歸一化。

式中：

xi——圖像的像元值；

xmax——圖像的最大像元值；

xmin——圖像的最小像元值。

式（9）為正向指標歸一化公式，式（10）為逆向向指標歸一化公式。為了消除異常像元的影響，用直方圖統計像元值，取2%處的值作為最小值，98%處的值作為最大值。依據前人的研究（王麗春等，2019）得知4個指標中，綠度和濕度是正向指標，熱度和干度是逆向指標。

1.3.1.6 構建遙感生態指數

（1）計算權重以NDVI、WET、NDBSI和LST的均值作為結果來計算權重。具體步驟如下：

第一步，定義熵。有4個指標，每個指標有5個評價對象，則第i個指標的熵為：

其中：

Hi——熵，k=1/ln5，，當Yi=0時，YilnYi=0。

第二步，計算權重。計算出第i個指標的熵，則第i個指標的權重為：

式中：

Wi——第i個指標的權重，Wi在0—1之間且。

（2）指數和法計算RSEI

式中：

w1、w2、w3、w4——分別為 WET、NDVI、LST、NDBSI的權重；

VRSEI——最終構建的遙感生態指數值，其值介于[0, 1]之間，越接近1，表示生態環境質量越好。

2 結果與分析

2.1 遼東灣北部區生態質量時空變化分析

依據表2中各指標均值，采用熵權法計算各指標權重，得到NDVI、WET、NDBSI、LST指標權重分別為0.234、0.257、0.257、0.251，其中表明對生態環境質量起正向作用的指標中，WET的影響大于 NDVI。在對生態環境起負向作用的指標中，NDBSI的影響大于LST。

表2 各年份指標及遙感生態指數（RSEI）均值Table 2 4 indicators of each year and the statistical value of remote sensing ecological index RSEI

通過加權求和各指標計算得到RSEI圖（圖2）。遼東灣北部區 1995、2002、2009、2018、2021年RSEI均值分別為 0.407、0.593、0.510、0.592、0.556，總體上，1995—2021年遼東灣北部區生態質量呈波動上升趨勢。RSEI均值由1995年的0.407上升到2002年的0.593，再下降到2009年的0.510，再上升到2018年的0.592，最后下降到2021年的0.556。1995—2002年間上升了45.70%，2002—2009年間下降了14.00%，2009—2018年間上升了16.08%，2018—2021年間下降了6.08%。總體而言，1995—2021年遼東灣北部區 RSEI的均值由 1995年的0.407上升到2021年的0.556，26年間RSEI上升了36.61%。

圖2 遼東灣北部區1995—2021年遙感生態指數（RSEI）圖Figure 2 Remote sensing ecological Index (RSEI) map of northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

為了便于細化研究，將歸一化后的RSEI進一步分為5個等級：差（0—0.2），較差（0.2—0.4），中等（0.4—0.6），良（0.6—0.8），優（0.8—1.0）。制圖得到遼東灣北部區 1995—2021年生態指數分級圖（圖 3），分別計算各年份各生態等級的面積及比例（表3）。

圖3 遼東灣北部區1995—2021年生態等級分級圖Figure 3 Ecological grading map of northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

表3 各年份生態等級所占面積和比例Table 3 Area and proportion of ecological grade in each year

從表3可知，1995年遼東灣北部區生態質量以中等為主，面積為837.01 km2，達到了51.93%，其次為較差，面積為688.31 km2（42.71%）。2002年遼東灣北部區生態質量以良等級為主，面積為848.21 km2，達到了 52.61%；中等等級面積減至606.64 km2，所占比例減至32.89%；差及較差面積分別占1.33 km2（0.08%）、3.87 km2（0.25%）。生態質量整體上升，生態環境質量為中等的區域面積明顯減少，生態質量為良和優的面積有所增加。2009年遼東灣北部區生態等級為中等面積為1055.04 km2（65.43%），良的面積為 301.72km2（18.71%），優的面積為0.28 km2，僅占比0.02%。2018年生態質量以良為主，面積達到 914.65 km2（58.66%），居各時期首位。2021年以中等為主面積為793.25 km2，達到了49.20%。綜合而言，1995、2009、2021年生態質量相似，研究區生態等級以中等為主；2002年和2018年生態質量相似，均以良為主；差和較差等級面積及所占比例呈逐年減小趨勢。總體上，遼東灣北部區生態環境質量有所改善。

在空間上（圖3），1995年生態等級以較差和中等為主，其中興隆臺區生態質量以較差為主，大洼區以中等為主。2009年研究區整體生態質量以中等為主。2002、2018、2021年研究區生態等級呈現北部及兩翼低、中間高分布的空間格局，生態等級優和良出現在研究區中部，這一區域為雙臺子河口國家自然保護區，此區域生態質量較好。與此相反，生態等級差和較差集中出現在研究區北部的城鎮分布區及兩側的沿海地區，北部的城鎮分布區主要分布在盤山縣的石新鎮東部、東郭鎮北部及大洼區的新興鎮北部，兩側的沿海地區，主要分布在建業鎮南部濱海地區、四八千鎮南部濱海地區及遼東灣新區的南部濱海地區。1995—2021研究區生態等級的空間格局變化說明人類活動對濱海濕地生態質量有著很大的影響，同時這些區域生態質量容易受到氣候變化及政策變更的影響。究其原因，自上個世紀 90年代設立遼河口國家級自然保護區以來，生態得到了一定程度的保護，但遼東灣北部區自2002年以來，大量自然濱海濕地轉化為人工濕地和非濕地（閆曉露等，2019），一定程度上加劇了該區域生態質量退化，至 2009年研究區生態等級以中等為主。近年來，由于《遼寧省海洋環境保護辦法》及《遼寧省濕地保護條例》等相關政策、措施相繼出臺，生態質量有所恢復。

2.2 遼東灣北部區生態質量時空差異分析

為了分析 26年來研究區生態質量時空差異變化，在基于 RSEI指數的基礎上，對遼東灣北部區1995—2021年RSEI指數進行差值變化檢測，并根據極差將變化幅度分為明顯變差、略微變差、無明顯變化、略微變好、明顯變好5類，得到圖4和表4。

表4 遼東灣北部區1995—2021年RSEI檢測Table 4 RSEI detection in the northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

圖4 1995—2021年遼東灣北部區生態環境質量變化空間分布圖Figure 4 Spatial distribution of eco-environmental quality changes in the northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

遼東灣北部區生態環境質量變化主要呈現為“變好”，其面積為1418.76 km2（88.03%），其中“略微變好”面積占比最大，為1403.53 km2，達到了87.08%，說明遼東灣北部區設立國家級自然保護區，生態得到了較好的恢復，“明顯變好”面積為15.23 km2，占比0.95%，其原因是濱海濕地植被的增長，土地利用類型由灘涂和水域轉換為蘆葦（Phragmitescommunis）和翅堿蓬（Suaedaglauca），使生態質量有所好轉。生態質量“變差”區域在研究區分布較少，其面積為192.85 km2（11.97%），其中“略微變差”面積為192.17 km2，占比11.93%，主要分布在研究區近海圍墾區以及研究區北部的城鎮分布區。近海圍墾區這一區域在研究期間，土地利用類型變化主要為灘涂和水域轉化為建筑用地和養殖塘以及水稻田，翅堿蓬轉化為蘆葦和建筑用地和養殖塘，其中灘涂面積的下降主要是由于盤錦港的建設，因此人類活動及其帶來的土地利用變化是這一區域生態質量下降的主要原因（彭劍偉，2021）。

3 結論

本文基于1995—2021年遼寧灣北部區Landsat遙感數據，利用熵權法，借助遙感生態指數（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），定量研究了 26年來遼東灣北部區生態質量變化情況。主要結論如下：

（1）1995—2021年間，遼東灣北部區生態質量呈現波動上升的趨勢，1995、2002、2009、2018和2021年RSEI均值分別為0.407、0.593、0.510、0.592、0.556，26年間RSEI總體上升了36.61%。生態優良區域主要集中在雙臺子河河口兩岸，生態差和較差區域主要出現在濱海地區。

（2）通過對生態指數進行差值分析，1995—2021年研究區生態環境呈現改善現象，生態質量主要以“變好”為主；26年間遼寧灣北部區略微變好的面積為1403.53 km2，達到了87.08%；“變差”的面積僅為192.85 km2（11.97%）。

4 討論

本文基于Landsat遙感數據，借助于遙感生態指數，耦合了綠度、濕度、干度、熱度4個環境指標，對 26年間遼東灣北部區生態環境進行定量化的時空變化研究，評估結果在一定程度上可呈現遼東灣北部區近 23年生態質量狀況及其變化。但同時本文還有很多不足：本文僅在 1995—2021年間選取了5個年份進行研究，未能逐年對遼東灣北部區生態質量變化展開深入分析，對研究區生態環境質量發生突變的關鍵年份的把握不夠精準。另一方面，生態質量與遼東灣北部區的氣候條件及社會經濟因素有一定相關性，本研究未能對其相關方面進行分析。未來可考慮借助于遙感云計算平臺，對遼東灣北部區生態環境開展長時間序列深入分析，并對研究區自然地理條件及社會經濟驅動因素進行分析，從而為研究區生態環境監測提供參考。