基于RSEI的太原市轉型期生態質量變化時空異質性

樊曉霞，侯志華，文智斌，賈宇平

（1.太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030619；2.中國冶金地質總局三局中晉環境科技有限公司，太原 030002）

近年來，我國經濟發展從高速增長階段轉向高質量發展階段，滿足人民日益增長的優美生態環境需求成為高質量發展的內涵之一[1]．準確評價區域生態環境歷史和現狀，是生態環境保護和建設的前提與基礎，對推進生態文明建設和綠色發展具有重要的現實意義．隨著“人類世”的到來，人類活動所帶來的各種生態環境問題日益凸顯，全球、區域等多尺度下的各種生態環境評價研究逐步開展．研究學者從土地利用、城市建設、地表景觀等不同視角出發，通過構建綜合指數對區域生態環境質量進行評價[2-3]．生態環境部頒布了《生態環境狀況評價技術規范（HJ192—2015）》（以下簡稱《規范》）[4]，利用生態環境狀況指數（EI）對我國縣級以上區域生態環境進行統一年度綜合評價，提高了不同區域、不同時期生態環境質量的可比性，為環保部門統一監管提供有效支撐[5-6]．由于區域生態環境具有時空異質性、多變復雜性等特點，《規范》實證研究中存在權重合理性[7]、歸一化系數的科學設定等問題[8]，且EI指數僅說明一個地區的總體生態狀況，不能揭示生態環境的空間異質性．徐涵秋[9]提出利用基于遙感技術的遙感生態指數法（remote sensing based ecological index，RSEI）對區域生態質量進行評價，該方法降低了生態指標提取的難度和主觀性，指數計算簡便，可視化效果強，可廣泛應用于生態環境質量評價[10-11]．

山西省是我國重要的煤炭工業生產基地，為保障國家能源供應和支撐全國經濟快速發展作出了貢獻，但也在生態環境方面付出了慘痛代價．歷經20多年的探索與實踐，在調整經濟結構的同時，山西省生態環境質量也得到了極大改善．本文以山西省省會太原市為研究對象，借助遙感和GIS技術，通過構建遙感生態指數，對2002、2010和2019年的生態環境發展狀況進行評價，進而探究太原市經濟轉型發展20年間，區域生態環境的時空變化特征及其影響機制，旨在為山西省及其他相關區域的生態建設、環境保護提供一定的科學依據和參考．

1 研究數據與區域概況

1.1 研究數據

研究數據包括：①遙感影像數據，來源于USGS網站，選取2002年9月、2010年9月的Landsat5 TM影像和2019年8月的Landsat8 OLI影像，三期影像季相相同且前后相差不到半個月，植被生長狀況及地面景觀相似度較高，從而保證影像的可比性；②多年平均氣溫、降水數據，來源于國家氣象科學數據中心；③DEM數據，來源于地理空間數據云的ASTER GDEM V2；④研究區鐵路、高速公路、國道、省道、縣道等交通數據，根據《1∶70萬山西省地圖》（星球地圖出版社編制，2019年）矢量化獲得；⑤2019年GDP柵格尺度數據，基于美國國家海洋與大氣管理局NGDC網站的NPP/VIIRS夜間燈光數據反演得到；⑥社會經濟統計數據，主要來源于《太原統計年鑒》和《中國縣域統計年鑒（鄉鎮卷）》．

1.2 研究區概況

太原市（37°27′N～38°25′N，111°30′E～113°09′E）地處華北地區黃河流域中部、太原盆地北端，東、西、北三面環山，中、南部為河谷平原，總體輪廓呈蝙蝠形，東西較寬，南北較窄.該地區屬北溫帶大陸性氣候，年均氣溫9.5℃，年均降水量456 mm，冬無嚴寒、夏無酷暑、四季分明，黃河第二大支流汾河自北向南貫穿全境．市域總面積6 988 km2，常駐人口442萬人[12]．

2000年以來，太原市在構建現代產業體系的同時非常注重生態環境質量，提出“綠色太原”轉型發展理念．轉型發展期間，太原市綜合開展了生態環境修復、生態保護以及城市園林綠地建設項目，極大地改善了城市生態環境．但太原市自然生態系統環境容量小、地區生態環境敏感性高，生態環境質量的變化特征是未來城市及區域可持續發展的關鍵影響因素．

2 研究方法

2.1 RSEI生態指數法

RSEI生態指數法從城市生態系統出發，綜合考慮人類直觀感受生態優劣的綠度、濕度、干度、熱度4個維度，基于遙感信息，利用主成分變換算法集成，構建生態質量綜合評價系統，能夠更加便捷、客觀、快速地評價城市生態質量．其公式為：

式中：G為綠度，常用歸一化植被指數（NDVI）定義；W為濕度，可用纓帽變換的濕度分量（Wet）表示；D為干度（NDBSI），用建筑指數（IBI）和裸土指數（SI）綜合表示；T為熱度，通過熱紅外波段反演地表溫度LST獲取．各個指標的具體算法參考文獻[11]．需要注意：①在具體計算前要先對遙感影像進行輻射定標和大氣校正，本文采用ENVI5.3的Calibration Utilities和FLAASH模塊；②在進行輻射校正和各指數計算時，某些參數對Landsat5的TM傳感器和Landsat8的OLI傳感器的取值不同，要選取合適的參數運行[9]；③在對4個指數進行主成分變換前需對其進行歸一化處理，本研究采用的是最大、最小值歸一化法，并取2%的置信區間以去除異常像元值的干擾；④為避免水域對主成分載荷分布的干擾，利用改進的水體指數（MNDWI）對研究區水體信息進行掩膜處理．

2.2 地理探測器模型

地理探測器模型是由王勁峰等[13]創建的研究事物地理空間分異性的分析工具，其形式簡單、物理意義明確，已被廣泛應用于生態環境、土地利用、區域經濟和公共健康等多個領域．該工具的核心思想是：假設某個自變量對某個因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應該趨于一致．各因子的地理探測力值可表示為：

式中：h=1，2，…；K為探測因子X分區；NX，h和NX分別為因子X的h分區和整個研究區內的樣本數；σ和分別為因子X在h分區和整個研究區的離散方差；qX為因子X的探測力值，表示因子X對遙感生態質量變化空間分異的解釋程度，值域為[0，1]，其值越大，解釋力越強.

3 結果分析

3.1 生態指標主成分分析

研究區3個年份4個指標的主成分分析結果如表1所示.

表1 生態指標主成分分析結果Tab.1 Principal component analysis results of RSEI indicators

由表1可以看出，①3個年份前2個主成分（PC1和PC2）對RSEI的貢獻率之和均在87%以上，其中2002、2010和2019年PC1對RSEI的貢獻率分別為69.06%、70.96%和81.77%；②3個年份的PC1中綠度和濕度的值均為正，反映出其對RSEI的正面效應，干度和熱度的值均為負，反映出其對RSEI的負面效應，這與實際情況相符；但不同年份其他主成分中，這些指標值有正有負，難以解釋．由此可見，PC1明顯集中并能合理解釋各指標的特征信息，可用于創建綜合生態指數．提取PC1并進行正負值轉置，正規化處理后獲得太原市3個年份的遙感生態指數，值越大表示生態質量越好．

繪制2002、2010和2019年太原市遙感生態指數圖，結果如圖1所示.由圖1可以看出，研究區生態質量時空差異顯著，整體上生態質量逐漸提升，北部、東北部和西南部山區丘陵地帶的生態質量顯著提升，而南部和東南部盆地區的生態質量呈現出一定的下降態勢.

圖1 2002、2010和2019年太原市遙感生態指數Fig.1 Remote Sensing Ecological Index（RSEI）of Taiyuan in 2002，2010 and 2019

3.2 太原市生態質量時空動態

3.2.1 時間變化特征

為了探究太原市生態質量的總體變化趨勢，分別對各年份RSEI和4個生態指標的平均值進行統計分析，結果如圖2所示．由圖2可以看出，太原市2002、2010和2019年的RSEI值分別為0.54、0.55和0.65，呈上升趨勢，后期上升幅度大，變化顯著．從各指標變化來看，后期對RSEI有正面效應的綠度和濕度均明顯上升，前期綠度大幅度上升，但濕度沒有明顯變化；后期對RSEI有負面效應的干度和熱度均明顯下降，前期干度略有下降，但熱度變化不明顯．2000—2010年，太原市各地區陸續實施退耕還林還草政策，并開始大面積封山育林、荒山造林，山區丘陵地帶林草覆蓋面積增大，裸地面積下降，因此綠度指標上升，干度指標下降，但由于干度指標受裸地指數和建筑指數共同影響，下降幅度相對較小．2010—2019年，在生態文明建設國策的引導下，林草覆蓋度繼續增大，綠度指標繼續上升，同時，前期培育的植被對濕度、溫度等的調節作用也明顯表現出來．因此，濕度指標明顯上升，熱度指標明顯下降．另外，干度指標在這一時期明顯下降，這是由裸土指數和建筑指數共同下降所致.裸土指數的降低主要受植被覆蓋度增大的影響，空間上以市域西部、西南部和北部的山地丘陵為主．值得注意的是，建筑指數在該研究期間大幅降低，集中在太原市老城區內部、道路兩側和其他一些零散區域．究其原因：第一，“十三五”期間，“創建森林城市”目標下太原市城區生態建設力度加大，街心公園、小區綠地和城市生態廊道等建筑群內部綠化面積擴大；第二，市內高速、國道、省道等主要道路兩側綠化工程有效推進和落實；第三，綠色發展新理念下多數高污染、高耗能工礦企業關停，部分舊址被整理復墾或自然植被恢復．綜上所述，研究期間由4個指標共同決定的太原市遙感生態綜合指數RSEI顯著上升，太原市生態質量明顯提升．

圖2 太原市3個年份遙感生態指數（RSEI）及其4個指標均值統計Fig.2 Mean values of RSEI and four indicators of Taiyuan in the three years

3.2.2 空間分布特征

為進一步對RSEI進行定量化與空間分布分析，將3個年份遙感生態指數以0.2為間隔，劃分為優、良、中、較差、差5個等級，分級圖如圖3所示；對各級別的面積和所占比例進行統計，結果如表2所示．

圖3 2002、2010和2019年太原市遙感生態指數分級圖Fig.3 RSEI grading map of Taiyuan in 2002，2010 and 2019

表2 3個年份太原市遙感生態指數（RSEI）分級統計表Tab.2 Classification statistics of RSEI level of Taiyuan in the three years

由圖3可以看出，太原市RSEI等級的空間分布差異明顯，具體表現在：①從整個市域范圍來看，2010年和2019年市域北部、東北部及西部山區的RSEI等級均有明顯上升，2019年生態指數等級高的區域顯著增加，這與林草面積的大幅度增加密不可分．②就太原市城區而言，其RSEI等級一直較低，生態質量較差，隨著建成區的擴張，RSEI等級低的區域逐漸向外圍蔓延．2010年RSEI較低等級的范圍向城區西部的萬柏林區方向擴展，2019年則主要向城區南部的小店區、晉源區擴展，這與太原市城區的城市空間發展方向是一致的．③研究初期，以農業為主的市域東南部平川盆地區，生態質量指數等級以優良為主，前期有一定程度下降，后期受生態農業、現代農業發展理念的影響，生態質量指數等級又有所回升，生態質量得到提升．

由表2可以看出，2002—2019年太原市RSEI級別高的區域面積逐漸增加，生態質量轉好趨勢明顯．具體而言，2002年太原市RSEI中等級別面積最大，較差等級次之；2010年依然是RSEI中等級別面積最大，但RSEI良等級面積躍居第二；2019年RSEI優、良等級面積優勢顯著，穩居第一、第二．

3.3 生態質量變化的時空異質性影響機制

3.3.1 生態質量變化檢測

在生態指數分級基礎上，對研究區2002年和2019年的RSEI指數進行差值變化檢測，并將結果劃分為3類，即：0，不變；-4～-1，降低；1～4，提高，結果如圖4和表3所示．

圖4 2002—2019年太原市生態質量變化檢測分布圖Fig.4 Distribution of ecological quality change in Taiyuan from 2002 to 2019

由圖4和表3可以看出，2002—2019年期間，太原市約3/4區域的生態質量發生了變化，其中63.11%區域的生態質量提高，主要分布在市域西部、北部及東北部大多數地區；12.26%區域的生態質量降低，集中在東南部的太原市區及以南的盆地平川地區，北部陽曲縣城、西部婁煩縣城及汾河水庫東南地區生態質量也有明顯的惡化；另外，還有24.63%的區域生態質量沒有變化，在整個市域普遍分布．

表3 2002—2019年太原市遙感生態指數RSEI變化檢測統計Tab.3 Statistics of RSEI change detection in Taiyuan from 2002 to 2019

3.3.2 生態質量變化原因

進一步探究太原市生態質量提高的影響因素，首先對圖4檢測結果進行等間距取樣，樣本大小為900 m×900 m，共采集樣本8 922個，除邊緣外每個樣本包含900個柵格單元，統計所有樣本內生態質量提高的面積比例.然后借助地理探測器模型，定量分析研究期太原市生態質量提高的空間異質性原因．綜合考慮自然條件和社會經濟發展因素，兼顧數據的可獲取性，選取氣溫、降水、高程、坡度4個自然因子和太原市中心可達性、縣級中心城市可達性、GDP、人口密度4個社會經濟因子作為探測指標，并利用K-均值法對這8個因子數據進行離散化分類，具體指標說明見表4．

表4 地理探測器的變量和指標說明Tab.4 Description of variables and measures of Geodetector

影響因素提取及關鍵參數設定：①多年平均氣溫和降水，基于市域及周邊縣市的19個氣象站點數據，利用反距離權重插值估計，鄰域搜索采用K鄰域法，K值為8；②太原市和各縣級中心城市可達性，采用基于柵格數據的時間成本加權距離表征，柵格大小為30m×30 m，時間成本取決于不同道路類型的出行速度，高速鐵路、普通鐵路、高速公路、國道、省道、縣道、地面分別按200 km/h、100 km/h、120 km/h、80 km/h、60 km/h、40 km/h、5 km/h進行設置；③人口密度，基于覆蓋的104個鄉鎮域人口密度，采用普通克里金法模型插值估計，鄰域搜索采用K鄰域法，K值為12；④GDP數據，利用NPP/VIIRS夜間燈光數據反演得到[14]，擬合精度為0.847，且通過了1%顯著性檢驗．太原市生態質量提高的空間分異因子探測結果如表5所示.

表5 太原市生態質量提高空間分異因子探測結果Tab.5 Detected results of the spatial heterogeneity of ecological quality improvement in Taiyuan

由表5可以看出，8個因子對太原市生態質量改善的空間分異均有顯著貢獻，排序為x3>x4>x7>x1>x2>x6>x8>x5．自然因素（x1-x4）的q值整體較高，尤其是高程和坡度，說明兩者對生態質量提高的空間分異有重要影響；社會經濟因素（x5-x8）中GDP因子的q統計值相對較高，說明經濟發展對生態質量改善的影響也不容忽視．

3.3.3 太原市轉型期生態質量變化影響機制

為進一步揭示太原市轉型期生態質量變化的影響機制，對不同階段關鍵影響因子（高程、坡度和GDP）在不同級別區域內生態質量提高的面積占比情況進行交叉對比分析，分析結果如圖5所示．

圖5 高程、坡度、GDP與生態質量提高的面積交叉分析Fig.5 Cross analysis of elevation，gradient，GDP and improved ecological quality areas

由圖5可以看出：①3個因子不同級別對應區域均明顯表現出后期（2010—2019年）生態質量提高的面積大于前期（2002—2010年）數值的特征．總體上反映出太原市對生態環境修復和建設重視度日益提高，生態環境質量改善的成效在全域范圍內逐漸顯現出來.②高程1 318 m的聚類類別和坡度17.33°的聚類類別對應區域的生態質量提高的面積占比均最小，前期生態質量提高的面積比例不高，但后期有明顯上升．這是自然因素和人為因素綜合作用的結果，海拔低、坡度緩、以人類活動為主的平川地區的生態建設成效顯著，海拔高、坡度陡、以自然景觀為主的山地區域的生態保護效果明顯，而處于兩類區域中間的過渡地帶丘陵區的生態環境較為敏感，生態修復發揮了積極作用．③對比兩時期的因子和生態質量變化交叉分析數據發現，重要差異出現在GDP因子中，前期生態質量提高的面積占比與GDP的值基本呈負相關關系，經濟越發達的地區，生態質量改善面積占比越小，經濟發展與生態質量之間的矛盾明顯；但是轉型后期，GDP高的地區生態質量提高的面積占比大幅度提升，這表明在綠色轉型發展理念下城市地區的生態質量也可以顯著好轉．

RSEI指數揭示的太原市生態質量時空異質性特征與轉型發展近20年來國家、省、市的相關轉型政策高度契合．轉型發展前期以省級政策為主導，先后聚焦經濟結構調整和資源型城市可持續發展，生態建設略有成效.2010年獲批“山西省轉型綜改試驗區”，成為城市生態環境變化的重要轉折點，之后以國家戰略主導，突出生態優先是推進供給側結構性改革的基本原則之一[15]．“十三五”規劃中，太原市明確了創建“國家生態園林城市”的目標，著力構建城市綠色生態網絡和生態安全格局.

綜上，太原市轉型發展以來的生態質量變化機制是以區域生態環境等自然因素為前提，以政策和人為影響為驅動的，其中發展理念的轉變是關鍵先導，而轉型政策的落實是重要保障．

4 結論

本研究基于遙感生態指數（RSEI），結合地理探測器模型，對2002—2019年間太原市生態質量時空變化特征及其影響因素進行探究，得出以下結論：

（1）總體來看，2002、2010和2019年太原市遙感生態指數分別為0.54、0.55、0.65，生態質量逐步提升；前期只有綠度指標顯著提高，后期4個指標均向生態質量好的方向明顯轉變．

（2）從空間分布上看，2002—2010年和2010—2019年市域西部、北部、東北部的山區丘陵地區生態質量均有明顯提高；而太原市區的生態質量一直較差，且隨著建成區的擴張，生態質量差的區域也不斷向周圍擴展，尤其是西、南兩個方向；市域東南部的農業盆地區，在研究初期生態質量良好，2002—2010年大幅度下降，2010—2019年又有所回升，但依然未恢復到2002年的水平．

（3）2002—2019年太原市共有3/5以上的區域生態質量好轉，海拔、坡度和GDP是其重要影響因素；2010—2019年，在新發展理念和各級轉型政策的雙重驅動下，市區生態質量提升尤為顯著．

（4）雖然近20年來太原市生態質量總體上顯著好轉，但城鄉結合部、平川農業區和丘陵過渡帶的生態環境較為敏感，生態質量不容樂觀，經濟發展與生態建設的矛盾依然突出，是今后生態文明建設的重要方向之一．