基于遙感生態指數的長汀縣生態環境質量評價研究

顏子淳，王 璐，藍承威，游寧龍

（福建農林大學園林學院，福建 福州 350002）

隨著經濟和社會的高速發展，城市人口密度的高度集中，導致城市生態承載壓力變大，人居環境質量堪憂。生態環境質量的監測評估對城市生態環境保護和社會可持續發展提供重要的指導作用，幫助有效緩解城市生態壓力和資源緊張等問題。

目前，生態環境質量評價方式還沒有一個規范的評價體系，早期的評價數據來源較為單一，大多來采用土質檢驗、測繪取樣、物種調查[1]。隨著3S 技術的不斷發展，遙感信息技術與景觀生態學領域逐漸開始融合，許多相關的評價指數被用以開發利用，顯著提高了生態環境質量的評估效率。例如，植被覆蓋指數[2]、葉面積指數[3]、地表溫度反演[4,5]、道路干擾強度指數[6]、土地利用程度綜合指數[7,8]等。由于生態系統的復雜多樣，單一的生態指標難以在宏觀上全面分析生態空間異質性變化。針對上述問題，徐涵秋提出結合“綠度指數”、“濕度”、“干度” 和“地表溫度”4 種指標融合形成的新型遙感生態指數(RemoteSensing based Ecological Index，RSEI)對生態質量進行評估和檢測，該新型指數能客觀、精準、實用的提取多樣地表信息而被廣泛應用到生態質量評價中[9]。

長汀縣曾是南方紅壤地區水土流失最為嚴重地區之一，水土治理一直以來就是長汀政府重點管控的目標[10]。自2000年起福建省委、省政府就制定了針對長汀縣水土流失綜合治理的民辦實事項目，并且給予資金上的重點支持[11]；經過長時間堅持不懈的治理，長汀縣水土流失面積從2011年底的3.18 萬hm2降到2020年底的2.10 萬hm2，水土流失率降到6.78%，低于福建省平均水平。鑒于此，本文選取2004、2010、2020年龍巖市長汀縣Landsat5 TM 和Landsat8 OLI 遙感影像，通過遙感影像獲得綠度指數、濕度指數、干度指數、地熱指數4 類評價指標，利用RSEI 指數模型與主成分析法構建遙感生態指數，為該城區生態環境質量評價與保護提供科學的依據。

1 研究地概括與數據處理

1.1 研究地概況

長汀市地處龍巖市西北部，地勢低洼，四周高山環繞，境內山巒疊嶂，山嶺與河谷相間，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，全年氣候溫和，無霜期長，區域降雨時空分布不均衡，干濕兩季分明。該區自然資源豐富，森林覆蓋率面積廣，擁有優質地下水資源和地熱資源，境內有臥龍山風景區、汀州古城墻、朝斗巖風景區和汀州天后宮等風景名勝。

1.2 數據來源及處理

本文數據取自地理空間數據云，選用2004年、2010年和2020年3 個年份的龍巖市長汀縣遙感衛星影像（見圖1），其中2004年、2010年衛星影像來自于Landsat 5 TM 傳感器，2020年衛星影像來自于Landsat 8 OLI 傳感器，均采用云量低于5%的影像。為保證評價監測的準確性，遙感數據均使用10月影像（見表1）。數據內容通過ENVI5.3 軟件經過輻射定標、大氣校正，裁剪拼合的處理，提取研究區域范圍。

圖1 長汀縣Landsat 影像Figure 1 Landsat image of Changting County

表1 遙感影像數據Table 1 Remote Sensing Image Data

2 研究方法

2.1 指數提取

2.1.1 綠度指數

綠度指數能反應植被覆蓋及其生長活力，是評價植被密度和健康狀況的一個重要指標[12]，該指數通過近紅外波段反射率和紅色波段反射率之間的差異提取，NDVI 計算公式如下：

式中，ρNIR、ρRed分別代表近紅外波段、紅波段的反射率。

2.1.2 濕度指數

濕度指數表示土壤、大氣中濕度分布的情況，與土地利用退化、更新等生態環境變化有著緊密聯系，在遙感影像中通常采用纓帽變換方法提取[13,14]，濕度指數WET 相關公式如下：

式中，ρBluc、ρGreen、ρSWIR1、ρSWIR2分別表示藍、綠、短波紅外1、短波紅外2 波段反射率。

2.1.3 干度指數

生態環境受城市建設和開發干擾，隨著城鎮化快速的發展，土壤用地被城市建筑和裸土給替代，造成地表水土流失、氣候干燥等環境問題。干度指數（NDBSI）由建筑指數（IBI）和裸土指數（SI）結合而得到[15,16]，指數數值越高代表的區域越干燥，能充分反應研究區域環境現狀。干度指數公式如下：

式中，ρBluc、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1分別表示藍、綠、紅、近紅外波段、短波紅外1 波段反射率。

2.1.4 地熱指數

大面積人造構筑物和大氣污染導致城市環境質量下降、城市氣溫顯著升高。地表溫度的監測能有效評估城市熱島效應強弱，對生態環境改善和環境指標體系構建有重要意義[17-19]。地熱指數相關公式如下：

式中，L6/10表示TM 傳感器或OIL 傳感器的熱紅外波段（分別對應第6、10 波段），gain 和bias 分別表示波段增益系數和偏置系數，在遙感影像的原始文件上可以獲取，DN 為遙感圖像灰度值；T 為黑體輻射亮度值，ε 表示地表比輻射率；L↑和L↓為大氣向上和向下的輻射亮度，τ 表示大氣在熱紅外波段透過率，輻射亮度和熱紅外波段透過率可通過NASA 官網發布的大氣參數查詢網址獲得（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov）；K1和K2表示Landsat 系列傳感器的定標參數。

2.2 遙感生態指數構建

初步計算所得的4 個生態指數，按照2%~98%的置信區間進行歸一化處理，使得它們的取值范圍在0~1的區間內。將處理好的4 個指數進行波段融合以便進行主成分分析。以往的指數權重構建大多采用專家評審和層次分析等主觀性較強的方法，主成分分析的降維統計能將分量相關的信息通過正交變換改變其原有的坐標軸線，從而將主要分量信息壓縮至前1~2 個主成分之中，這種分析方法將4 個指數按照客觀貢獻值進行重新劃分，避免了人為權重的主觀性干擾[20,21]。經過主成分分析，提取第一主成分PC1創建初始遙感生態指數（RSEI0），為了使指數結果表現更加客觀，使用1 減去PC1獲得RSEI0，之后在進行歸一化處理，將區間保留在0~1 之間，數值越大代表生態質量越好。

3 結果與分析

3.1 長汀縣遙感生態指數主成分分析

根據2004、2010、2020年長汀縣4 個指數的主成分分析結果可知(見表2)，3 個年份的特征值貢獻率基本集中第一主成分中，占據75%以上的特征值，基本涵蓋了4 個指標的相關特性，其它3 個主成分的正負指標不穩定，且無明顯規律可循，無法明確解析生態環境變化的內在機制，因此選用PC1 創建遙感生態指數效果最佳。第一主成分中綠度指數和濕度指數都為正值，對生態環境質量起到了正向作用，而地熱指數和干度指數皆為負值，說明這兩類指數越高對生態環境的壓力越大。

表2 主成分分析結果Table 2 Principal Component Analysis Results

3.2 長汀縣各類生態指標相關性分析

結合各年份綠度指數（NDVI）、濕度指數(WET)、地熱指數(LST)、干度指數(NDBSI)以及遙感生態指數（RSEI）相關性分析可知（見表3），在4 個生態因子之中，地熱指數在各年份中的相關性最低，3年年平均相關系數為0.623，其中最低平均相關度在2020年僅有0.552，相對而言干度指數與各指數間相關程度最高，3 個年份年平均相關性能達到0.778，其中最高平均相關度在2004年達到0.823；遙感生態指數的年平均相關度比任何單個因子都要高，比最低的地熱指數高出42.22%，比單因子相關度最高的干度指數高出13.88%，表明遙感生態指數與各生態指標間的關聯性極強，能涵蓋4個指標基本的生態信息，是作為生態質量評價的優質指標。

表3 各類指數與遙感生態指數相關性分析Table 3 Correlation analysis between various indices and remote sensing ecological indices

3.3 長汀縣生態質量動態變化評價

在2004年—2020年期間，長汀縣遙感生態指數呈現緩慢上升趨勢（見表4）。指數的均值從0.655 上升至0.739，整體上升了12.82%，可以看出近年來長汀縣生態環境質量正在逐步改善，在注重城市發展建設的同時也對生態環境提供相應的保護。4類生態指標中綠度指數和濕度指數有明顯的上升趨勢，地熱指數和干度指數則保持相對穩定。為了更好分析研究區生態質量變化情況，將遙感生態指數按照等級大小劃分為差(0~0.2)、較差(0.2~0.4)、中(0.4~0.6)、良(0.6~0.8)、優(0.8~1)5類（見圖2、表5）。整體上看長汀縣生態質量等級優的土地占地面積最大且增長趨勢明顯，2004、2010 和2020年間占地比值分別為39.06%、35.65%和54.83%，2004年至2010年間生態質量等級優的面積略有降低，而到了2020年等級優的面積又大幅度增長，從1109.59 km2上升至1706.43 km2；生態質量中等與良等級的面積在2010年升至最高分別為451.99 km2和1005.13 km2，占長汀縣的14.52%和32.30%，2020年又分別減少至9.14%和24.93%；2004—2020年長汀縣生態質量等級差和較差的面積占比分別從8.60%和11.29%下降至5.98%和5.11%，所占研究區面積最小且隨著年份逐漸減少。總的來說，長汀縣等級優和良的區域占地面積大且持續的增加，等級差和較差的區域占地面積小且持續減少，這說明在長汀縣水土治理管制下，其生態環境質量已經顯著改善。

圖2 2004—2020年RSEI 等級圖像Figure 2 2004—2020 RSEI level image

表4 3年間各類指標的均值與標準差Table 4 Mean and standard deviation of various indicators in three years

表5 RSEI 變化統計Table 5 Statistics of changes in RSEI

4 結論與討論

從遙感生態指數分析可知，2004—2010年長汀縣的遙感生態指數基本保持穩定，但生態質量差和較差的區域面積明顯在減少，從619.03 km2減少至545.44 km2，區域整體生態發展狀況較良好。而2010—2020年長汀縣的遙感生態指數有明顯的提升，從0.657 上升至0.739，生態質量優的區域面積大幅度增長，其他等級的區域面積持續減少。在快速城鎮化背景下，長汀縣生態環境質量保持穩定且持續提升，這得益于美麗鄉村實驗基地的實施與建設以及長期針對嚴重水土流失區的綜合治理。

綜合4 類生態指數的相關性分析，地熱指數(LST)與遙感生態指數(RSEI)相關程度最弱，而干度指數(NDBSI)與遙感生態指數(RSEI)高度相關。長汀縣本土森林覆蓋面積廣，林業資源優勢巨大，并且區域全年氣候涼爽宜人，城市的熱島效應不明顯，因此，地熱指標對其生態環境質量影響相關性最弱；而研究時段處于10月份，長汀縣降雨量相對全年偏少，城市內部低溫干燥，并且縣內紅壤水土流失的嚴重，這導致干度指數對遙感生態指數構建影響最為顯著。綜合生態指數的構建不僅與研究區地理條件因素相關，而且也受季節性變化影響，在分析生態環境質量的同時還應當考慮生態因子的季節性變化。

綜上所述，本文基于綠度指數、濕度指數、地熱指數、干度指數4 類指數，采用主成分分析法構建的遙感生態指數，對長汀縣生態環境質量進行監測和分析，從而更加客觀、準確反應研究區生態環境狀況。但本文研究仍存在不足之處，其一：研究區域影響年份跨度較大，無法精確度量相鄰年份之間的變化情況，今后會考慮結合不同數據源影像按照研究區發展情況分階段展開討論；其二：影響城市環境變化的條件復雜多樣，僅考慮生態指標因素無法全面解析生態質量變化的規律，未來還會加入城市經濟發展、文旅規劃以及林業種植工程等環境影響指標，彌補這方面的研究。