基于多時相遙感生態指數的大悟縣生態環境質量評估

黃錦彥，孫天成，馬梓程，羅敏玄，賈鳳鳴，張 倩

（1.中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410000； 2.湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430000）

區域生態環境保持良好狀態是地方社會可持續發展的基礎，而隨著城鎮化進程的不斷加快，工業化的同時帶來的生態環境問題已經影響到社會發展和居民生活質量[1-2]。對區域生態環境質量進行監測評估并了解其變化情況，有利于協調區域社會經濟發展與生態環境保護治理之間的相互關系，是促進人類社會與自然環境和諧共處，實現社會經濟可持續發展的基本條件[3]。

近年來遙感技術憑借其大范圍、長時序和全天候實時監測環境的優勢被越來越多地應用于區域的生態環境監測與評價。目前，主要采用TM、SPOT等中分遙感影像對區域植被覆蓋度、地表沉陷、植被破壞、熱環境影響、植被生產力等單一生態要素進行監測[4-5]。在此基礎上進一步采用綜合指數評價法[6]、PSR模型[7]、主成分分析法[8]和人工神經網絡法[9]等建立生態環境評價模型或指標體系對生態環境進行評價。2006年環境保護部提出采用基于遙感的生態環境狀況指數EI[10]作為生態環境狀況的評價標準，近年來在國內得到了廣泛應用，但EI只是一個數值，無法可視化，無法說明區域生態環境狀況的空間分布情況。2013年，徐涵秋[11]選取了4個完全基于遙感的指標（NDVI、WET、NDBSI、LST），基于主成分分析法構建了一種新型的遙感生態指數RSEI，該指數具有可視性，能在一定程度上反映所研究區域生態環境的空間分布特征，，相較于EI能更好的分析生態環境的時空變化狀況，因此被廣泛應用于區域生態環境評價。

大悟縣地處大別山脈西南段，近年來經濟發展迅速，城鎮化與工業化促使部分區域植被破壞、土地退化、水資源污染、生物多樣性銳減等，對生態環境造成了一定的破壞。故本文以大悟縣為研究區，基于2010、2020年Landsat系列遙感影像，采用主成分分析法，結合綠度、干度、濕度、熱度4個分量指標，建立遙感生態指數RESI，對大悟縣2010—2020年的生態環境狀況進行評價和分析，以期為大悟縣后續生態環境保護政策及資源開發利用計劃的制定提供科學參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

大悟縣隸屬于湖北省孝感市，地處湖北省東北部鄂豫邊界（圖1）、大別山脈西南段，南北長48.8 km，東西寬42.2 km，全縣國土面積1 986 km2。大悟縣地處大別山與桐柏山的相接地帶，主要為大別山的余脈延伸，構成群山環抱、丘陵起伏的地勢。境內分布有五大主峰，余下的低山丘陵、崗地平畈以及河流海拔高度在44～500 m。由于溝壑縱橫，形成了澴河、灄水和竹竿河3條主要河流，地跨長江、淮河兩大流域。研究區屬北亞熱帶季風氣候，呈現冬季干冷，夏季濕熱的氣候特征。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據預處理

本文的遙感影像來自于美國地質調查局（USGS）網站（https：//glovis.usgs.gov/），云量均低于5%，整體質量較好，獲取日期分別為2010年8月11日（Landsat 7 ETM影像數據），2020年8月21日（Landsat 8 OLI影像數據），獲取的影像時相保持一致，避免出現不可比性。由于地表反射率、地表干濕度及植被生長狀態等都會受光照、地形和大氣等因素的影響，因此為了保證影像空間疊加的準確性，在計算各分指標和遙感生態指數之前，基于ENVI5.3平臺，首先對影像進行輻射定標，將影像的DN值轉化為反射率，利用FLAASH大氣校正模型對可見光及近紅外波段等進行處理，消除大氣吸收和大氣散射造成的誤差；結合大悟縣DEM數據，采用二次多項式和最鄰近法對兩景影像進行幾何校正，最后利用大悟縣行政區劃矢量數據裁剪出研究區經過輻射校正等處理的2010年、2020年影像。

1.3 遙感生態指數的計算

遙感生態指數（RSEI）基于遙感技術、能直觀快速地評價生態環境狀況，是一種以自然因子為主的生態環境質量評價體系[12]。改進的RESI指數是利用濕度、干度、綠度、熱度4個指標，結合遙感技術來評價生態系統的質量情況。研究中，4個分量指標分別為濕度分量（WET）、歸一化植被指數（NDVI）、裸土指數（NDBSI）和地表溫度（LST）。通過對各個分量指標進行標準化來消除量綱差異，并利用主成分分析法（PCA）確定指標權重等手段，建立大悟縣遙感生態指數評價模型。RSEI遙感生態指數可以用含有4個分量指標的函數表示：

RSEI=f（WET，NDVI，NDBSI，LST）

（1）

式中，WET為濕度指數；NDVI為綠度指數；LST為熱度指數；NDBSI為干度指數。

1.3.1 綠度指數

植被是指示區域生態環境質量的最敏感因子，其長勢能反映部分生態環境狀況[13]。NDVI能反映植物植被分布密度、植物生長狀態等。因此使用歸一化植被指數來表示綠度指數，其公式如下：

NDVI=（bNIR-bRED）/（bNIR+bRED）

（2）

式中，bNIR、bRED分別為I近紅外和紅波段的反射率。

1.3.2 濕度指數

使用纓帽變換可以獲取遙感影像的正亮度、綠度和濕度分量。由于纓帽變換中的濕度分量與植被和土壤的濕度緊密相關，因此在RSEI模型中，使用纓帽變換中的WET來代表濕度指標[14]，公式如下：

WET=C1bB+C2bG+C3bR+C4bNIR+C5bSWIR1+C6bSWIR2

（3）

式中，bB、bG、bR、bNIR、bSWIR1、bSWIR2分別為Landsat 7或Landsat 8遙感影像的藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的反射率。對于Landsat 7 數據，C1=0.031 5，C2=0.202 1，C3=0.310 2，C4=0.159 4，C5=-0.680 6，C6=-0.610 9；對于Landsat 8數據，C1=0.151 1，C2=0.197 3，C3=0.328 3，C4=0.340 7，C5=-0.711 7，C6=-0.455 9[11]。

1.3.3 干度指數

地表土壤干化一般使用裸土指數SI代替，但在研究區域中，還存在相當一部分的建筑用地，它們同樣會造成地表的“干化”，因此使用裸土指數SI和建筑指數IBIIBI合成的干度指標NDSI來表示干度指標由裸土指數SI和建筑指數IBI合成，記為NDBSI[15-16]，計算公式如下：

NDBSI=（SI+IBI）/2

（4）

（5）

SI=[（bSWIR1+bR）-（bBIR+bR）]/[（bSWIR1+bR）+（bBIR+bR）]

（6）

式中，bB、bG、bR、bNIR、bSWIR1分別為Landsat 7或Landsat 8遙感影像的藍光、綠光、紅光、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

1.3.4 熱度指數

LST與作物產量、城市化進展、人類活動、植被覆蓋等密切相關，能反映地表生態環境狀況，故使用地表溫度代替熱度指標進行遙感生態指數的構建。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達式（輻射傳輸方程）為：

（7）

（8）

根據普朗克公式的反函數，求得地表溫度：

（9）

式中，A1和A2為定標系數。

根據經驗公式[17]的計算地表比輻射率，地面比輻射率ε與NDVI的經驗關系為：

（10）

1.3.5 遙感生態指數評價模型的構建

由于干度、濕度、綠度、熱度指數在數值單位大小上的差異，在構建RESI進行綜合性生態環境評價，需對各分量標準化處理，消除量綱上的差異，公式如下：

N=（R-Rmin）/（Rmax-Rmin）

（11）

式中，N為標準化后的指標值；R為該指標數值的大小；Rmin和Rmax分別為各指標中的最小值和最大值。

對各分量指標標準化后，利用主成分分析法求出各主成分的方差貢獻率，然后作為各分量指標的權重，將4個分量指標轉換為原始的遙感生態指數[18-20]，提取公式如下：

（12）

式中，a、b分別為主成分和分量指標的個數；ki為主成分的方法貢獻度；PCi為各分量指標的主成分；Mj為分量指標的權重；Rj為分量指標標準化值。

利用公式（11）將原始的遙感生態指數RSEI進行標準化，值越接近1，說明生態環境質量越好。按照《生態環境評價技術規范》生態環境分級標準[21-23]，將遙感生態指數劃分為5個等級，見表1。

表1 遙感生態指數等級劃分Tab.1 Classification of remote sensing ecological index

2 結果與分析

2.1 分量指標主成分分析

對標準化后的大悟縣2010年及2020年的4個分量指標進行波段合成，然后對合成后的新圖像進行主成分分析，得到各分量的主成分變換結果。對結果進行分析統計可以知道，2010年、2020年第一主成分特征值貢獻度分別為93.43%、92.33%（均超過85%），這表明第一主成分特征值可以表征其他指標的主要。在第一主成分中，綠度與濕度值呈正值、熱度與干度呈負值，這表明濕度與綠度對生態環境有保護改善作用、熱度與干度對生態環境造成了負面的影響。以方差貢獻率作為各分量指標權重合成遙感生態指數RSEI綜合評價模型，可以發現其他主成分各指標沒有明顯的變化規律，其數值大小正負均處于不穩定狀態，不能揭示生態環境狀況改變的內在原因。因此，利用合成的第一主成分來代替綠度、濕度、干度和熱度4個分量指標，即采用第1主成分貢獻率構建遙感生態指數RSEI。

2.2 大悟縣生態環境質量時空分布

對第一主體成分進行標準化，構建生態指數RSEI（圖2），并分析統計了大悟縣2010年、2020年的遙感生態指數RSEI均值。由圖及統計結果可以知道，大悟縣2010年、2020年RSEI均值分別為0.70、0.68，呈下降趨勢，表示該地區生態環境在10年內呈現略微惡化的趨勢。從空間分布看，2010年大悟縣生態環境較好的區域主要分布在南部及西部，生態環境較差的區域主要在中部偏東部及北部部分區域；2020年大悟縣生態環境較好的區域主要分布在西南部及西北部，生態環境較差的區域分布在中部部分地區及東北部。

圖2 2010年、2020年大悟縣RSEI分布Fig.2 Distribution of RSEI in Dawu County in 2010 and 2020

將大悟縣的RSEI指數按照《生態環境評價技術規范》生態環境分級標準劃分為5個等級，并統計其各評價等級所占面積及百分比（表2）。從表2中可以知道，整體來看，大悟縣2010—2020年遙感生態指數評級為良的面積占比極高（>90%），其次為一般，面積占比最少的為較差等級。從年份來看，評級為良的在2010年面積為1 901.679 km2，占比為95.849%、在2020年面積為1 863.316 km2，占比為93.91%，呈下降的趨勢；評級為優的在2010年面積為39.411 km2，占比為1.986%、在2020年面積為44.580 km2，占比為2.247%，呈略微上升的趨勢。評級為一般的在2010年面積為42.899 km2，占比為2.162%、在2020年面積為76.096 km2，占比為3.835%，呈上升的趨勢；評級為差及較差的在2010年與2020年面積及占比基本相同。

表2 2010年與2020年大悟縣生態環境質量評價等級面積統計Tab.2 Statistics of ecological environment quality assessment grades and areas in Dawu County in 2010 and 2020

整體上看，研究區沒有明顯生態環境質量等級差與較差的區域，生態環境質量等級中和良的地區主要分布在城鎮周邊及交通運輸區域，生態環境質量等級優的地區主要分布在南部及西部，即芳畈鎮、夏店鎮、劉集鎮南部等，這可能是由于這些區域主要為林地，植被密度高、植被長勢好。生態環境質量差的區域主要分布在中部偏東部及北部部分區域，較為集中，主要分布在建設用地，交通運輸用地等，這可能是這些地區的不透水面較多，植被覆蓋率低造成的。從時間上看，大悟縣在2020年較2010年遙感生態指數RESI均值呈現下降的趨勢，表明大悟縣生態環境呈略微惡化趨勢。根據《大悟縣國民經濟和社會發展統計公報》，全縣生產總值由2010年的683 789萬元躍升至2020年的1 713 407萬元，人均可支配收入由12 541元增加至31 014元。人類經濟建設活動促使植被破壞，土壤退化，導致大悟縣生態環境質量的下降。

2.3 大悟縣生態環境質量變化分析

在遙感生態指數分級的基礎上，對各年份的遙感生態指數進行差值變化監測，進而分析大悟縣生態環境質量的時空變化，分類級別見表3。由結果可以知道，從時間上看：2010—2020年間生態等級變差的面積為64.192 km2，占總面積比例為3.235%；生態等級不變的面積為1 827.677 km2，占比為92.119%；生態等級變好的面積為92.165 km2，占比為4.645%。在生態環境質量變差的區域，有64.134 km2的區域生態環境質量等級變差2個等級，占絕大多數。在生態環境變好區域，等級變好1個等級占絕大多數，面積為92.075 km2。

表3 2010—2020年間RSEI等級變化檢測Tab.3 Change detection of RSEI grade from 2010 to 2020

從圖3可以知道，生態環境質量變好的區域主要分布在大悟縣的宣化店鎮東北部，豐店鎮中南部等地區，可能是由于耕地及園地對林草地的轉變。生態環境質量變差的區域主要分布在彭店鄉、芳畈鎮、劉集鎮、宣化店鎮西部等區域。《大悟縣礦山地質環境恢復治理和生態修復規劃（2021—2025年）》報告顯示，以飾面石材、建筑用石料為主的礦產開發已成為大悟縣重要的經濟組成部分，在創造了巨大價值的同時，也造成了諸多環境地質問題，全縣礦山占用破壞土地總面積為314.02 hm2，且無論是地下開采還是露天開采，均影響了全縣的地下水系統，并導致礦山地質災害隱患的出現。因礦業開采活動占用土地及含水層破壞較多的幾個鄉鎮包括芳畈鎮、宣化鎮、劉集鎮、彭店鄉等，這一狀況與大悟縣生態環境變差的位置較為一致。芳畈鎮、宣化鎮等地因礦山開采導致的耕地與林地破壞情況較為嚴重，工礦用地面積明顯增多。這一結果表明，大悟縣生態環境變差可能與人類的直接經濟活動有關，如植被覆蓋度較高的林地草地區域向建設用地、工業用地等不透水表面占比較多、植被覆蓋度較低的轉變、經濟建設活動增多導致的氣溫升高等。從空間上看，生態環境質量變差的區域主要是分布在礦山、鄉鎮及交通運輸設施周邊和大部分水域地區，水域生態環境質量的惡化可能是與礦山開采對含水層的破壞、未經處理的居民生活污水排放、企業的工業廢水偷排漏排和近些年水產養殖業興起導致的水體污染等有關。因此，若要保持當前良好的生態環境狀況，進一步發展更好的生態環境，需要進行合理的土地利用資源的配置，對鄉鎮的發展空間進行合理配置，加大對水污染的治理，保護當前農田、林地等資源。

圖3 2010—2020年大悟縣RSEI變化檢測Fig.3 Change detection of RSEI in Dawu county from 2010 to 2020

3 結論

本文基于大悟縣2010年、2020年Landsat系列影像，結合干度、綠度、濕度、溫度4個分量指標，采用主成分分析法計算遙感生態指數RESI，對大悟縣生態環境質量進行評價及變化分析，得到以下結論。

（1）2010年與2020年第一主成分特征值貢獻度分別為93.43%、92.33%；綠度指標與濕度指標值呈正值、熱度指標與干度指標呈負值。大悟縣2010年、2020年RESI均值分別為0.70、0.68，總體處于生態環境良好的等級，但從時間上看呈現減少的趨勢，生態質量略微下降。

（2）2010年及2020年大悟縣生態環境質量都以良等級為主，其面積所占比例達95.849%、93.916%；生態環境質量較差和差的等級所占面積比例均較小。研究區生態環境質量優等級主要分布在西南區域與西北區域。生態環境質量差的區域主要分布在中部及北部區域的工礦建設用地、交通運輸用地附近。

（3）整體來看，2010—2020年間大悟縣生態等級產生了稍微的變化，變差的面積占比為3.235%；生態等級不變的占比為92.119%；生態等級變好的面積占比為4.645%。生態環境質量變好的區域主要分布在大悟縣的宣化店鎮東北部，豐店鎮中南部等植被覆蓋率較高的地區。生態環境質量變差的區域主要分布在彭店鄉、芳畈鎮、劉集鎮、宣化店鎮西部等工礦用地建設區域以及部分水域地區。