基于影像數據的南靖生態環境變化研究

陳航宇，陳 慧

(1.福建省197地質大隊，福建 泉州 362011;2.安遠縣自然資源局，江西 安遠 342100)

1 引言

南靖縣是“土樓”保留最為完整的縣之一，擁有獨特的建筑結構，吸引著全球各地游客前來參觀，促進了南靖縣旅游業的大力發展，也帶動全縣的經濟增長。但城市快速發展的同時也帶來了一系列的問題，如城市生態環境破壞、城市污染等。

近年來，遙感技術以其大范圍快速、重復對地觀測優勢，基于遙感的在生態監測掀起一波浪潮，大量指標應用于生態環境變化，驅動機制研究中等[1～4]。徐涵秋提出的新型遙感生態指數(remote sensing based ecological index，RSEI)[5]具有獨立依靠遙感技術對區域生態環境狀況進行快速、定量、客觀的評價，且能夠可視化地表達評價結果，并可以基于地理信息系統或遙感影像處理軟件平臺進行時空變化分析、建模與預測。近年來，該指數得到了廣泛應用。

本文基于遙感生態指數RSEI，開展了對南靖縣的生態環境變化情況及環境變化的演變趨勢規律分析，研究成果能為當地專家實地考察提供參考依據，也能為南靖縣的生態環境的保護和治理提供基礎依據。

2 數據與方法

2.1 影像數據

本文所研究的遙感影像圖由“地理空間數據云”網站下載的Landsat數據，選取2002年、2009年和2014年3個時期的遙感影像圖。在資源上選取遙感影像數據時應選擇云層較少的，以便于提高數據分析的精度；遙感影像圖應選取植被覆蓋率較高的季節。具體如表1所示。

表1 遙感影像數據

2.2 遙感生態指數計算

遙感生態指數(Remote Sensing based Ecological Index)是由徐涵秋提出的，即RSEI指數[5,10]。RSEI指數以綠度、濕度、熱度、干度等4個指標全面反映了一個地區的生態環境，將4個指標合成為一個主成分分析，既彌補了一個因素分析的缺陷，又能夠合理的將4個指標進行合成。RSEI生態指數與2006年國家環境保護部推出的生態環境狀況指數(EI) 相比[9]，既可以對區域生態質量進行適當評估，而且評估結果是可視化的，還支持時間和空間變化的生態質量分析、建模和預測，能夠完善現在的技術在這個方面的缺陷[6～8]。

RSEI能直觀反映生態條件優劣的濕度(Wet)、綠度(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、熱度(Land Surface Temperature，LST)、干度(Normalized Difference Soil Index，NDSI)等4個分量通過主成分變換后的第一主成分(PC1)生成[9,10]。

2.2.1 濕度指標(Wet)

濕度指標一般采用纓帽變換，因濕度分量與地表物理參量有一定的相關，所以普遍應用于生態環境監測中。由于其中的濕度分量與植被和土壤的濕度緊密相關，因此本文的濕度指標用濕度分量Wet來表示[11～13]。計算式如公式(1)：

Wet=C1ρB+C2ρG+C3ρR+C4ρNIR+C5ρSWIR1+C6ρSWIR2

(1)

式(1)中，TM第1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率分別由ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2來表示。Ci見文獻[14～16]。

2.2.2 綠度指標(NDVI)

歸一化差值植被指數(NDVI) 是普遍采用的植被指數，它與植物生物量、葉面積指數以及植被覆蓋度都有密切的關系[17，18]。因此，選用NDVI 來代表綠度指標。計算式如公式(2)：

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(2)

式(2)中，各傳感器的近紅外及紅色波段反射率分別由ρNIR，ρR來表示。

2.2.3 熱度指標(LST)

熱度指標由地表溫度來代表。計算式如公式(3)、(4)：

T=K2ln(K1/L+1)

(3)

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(4)

式(3)、(4)中，定標參數是K1和K2，取值參考[19]；比輻射率是ε，取值參考[20]；反演溫度的熱紅外波段的中心波長是λ；ρ=1.438×10-2mK。

2.2.4 干度指標(NDSI)

代表干度指標選用的是IBI建筑指數，因生態環境中還存在一些裸土，一樣給地表造成“干化”，所以將二者合成作為干度指標 (NDSI)，即由建筑指數IBI和土壤指數SI[21]合成。計算式如公式(5)：

NDSI=(SI+IBI)/2

(5)

其中：

SI= [(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3) +(ρ4+ρ1)]

(6)

IBI= {2ρ5/(ρ5+ρ4)-[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2ρ5/(ρ5+ρ4) +[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}

(7)

式(5)～式(7)中，裸土指數和建筑指數由SI及IBI來表示。

為了更精確地表示各分量值對RSEI的影響力大小，需將獲得的4個分量進行歸一化，再利用ENVI5.1中的的PCA模塊計算得出PC1。計算式如公式(8)：

NPi=(Pi-Pmin)/(Pmax-Pmin)

(8)

式(8)中，歸一化后的某一分量值表示為NPi，該值介于[0,1]之間；該分量在象元i的值表示為Pi；最大值、最小值分別為Pmax、Pmin。

需要進行1減去計算所得的PC1得到初始生態指數RSEI0，這樣可以更加直觀的表示生態環境質量越好，PC1的值就越大。計算式如公式(9)：

RESI0=1-PCI

(9)

為了方便利用生態指數對比研究區各期生態變化狀況，對RSEI0歸一化處理。計算式如公式(10)：

RESI=(RESI0-RESI0_min)/(RESI0_max-RESI0_min)

(10)

RSEI就是研究分析所需的遙感生態指數，大小在[0,1]之間，且生態環境質量優劣與其成正相關，生態越好，RSEI值越接近1；生態越差，RSEI值越接近0。

3 結果與討論

3.1 生態質量變化時空分析

對生態質量的4個分量均值及綜合指數RSEI的值進行統計分析，如表2所示，南靖縣RSEI均值從2002年0.554下降到2009年0.425，下降了23.29%。2009年后，全縣RSEI分量均值穩健上升，上升幅度較大，由2009年的0.425上升至2014年的0.578，上升36.00%。在2002～2014年期間，全縣的RSEI分量均值由0.554上升到0.578，上升4.33%，年均増長率為0.33%。到2014年全縣整體回到2002年的水平。

表2 3期影像4個分量均值及RSEI的均值統計

為了對RESI生態指數進行定性分析，將3個時期的結果以0.2為一個間隔區間劃分為5個等級，值由大到小分別對應優、良、中、較差、差等級，并統計出2002年、2009年、2014年5個等級所占的面積及比例(表3)。

表3 生態等級和面積比例變化

2002年南靖縣生態狀況為優、良區域占總區域面積的49.64%，生態狀況為差、較差區域占總區域面積的30.35%；2009年南靖縣生態狀況為優、良區域占總區域面積的26.58%，生態狀況為差、較差區域占總區域面積的53.22%；2014年南靖縣生態狀況為優、良區域占總區域面積的57.46%,生態狀況為差、較差區域占總區域面積的23.69%。對比發現，南靖縣的生態狀況優、良比例從2002年的49.62%下降到2009年的26.58%，直到2014年恢復到57.46%；同時，生態狀況差、較差比例從2002年的30.35%上升到2009年的53.22%，直到2014年下降至23.69%。這表明南靖縣生態狀況先是極度下降，然后再逐步提升，隨著人們環境保護意識的提高，提倡退耕還林，以及以發展與環境相協調的科學發展觀，生態狀況逐漸恢復到2002年的狀態。

3.2 生態環境變化情況分析

遙感變化檢測是通過監測兩個時期的遙感影像隨時間變化而引起地表特征變化的一個過程。基于以上5個等級的劃分，對南靖縣的生態環境變化情況進行變化監測，統計數據表4所示。

從表4中的統計數據分析得出：在2002～2009年間，南靖縣生態環境變好的區域面積約943.592 km2，占總面積的48.42%，生態環境變差區域面積約897.409 km2，占總面積的46.05%，態環境條件狀況變好和變差的面積大致相同，這表明在環境整治的同時，生態環境也同樣遭受嚴重破壞。

表4 變化檢測統計

在2009～20014年間，南靖縣生態環境變好的區域面積約1363.961 km2，占研究區總面積的69.99%，南靖縣生態環境變差的區域面積約431.100 km2，占總面積的22.12%，生態環境變好的面積遠超于生態環境條件狀況變差，高出47.87%，這表明南靖縣在2009～2014年間，區域生態環境整治、改造效果明顯，生態環境質量呈現上升趨勢。

在2002～2014年間，南靖縣生態環境變好的區域面積約1367.578 km2，占總面積的70.17%，南靖縣生態環境變差的區域面積約476.613 km2，占總面積的24.46%，這表明南靖縣在2009～2014年間，生態環境質量呈現上升趨勢，對南靖縣來說近幾年的生態環境治理效果明顯，主要改善了城鎮生態環境。

4 結論

本文主要針對南靖縣城市生態變化研究，利用遙感變化檢測及RSEI對南靖縣2002年、2009年和2014年的遙感圖像進行相關分析與評價，可以得出以下結論：

(1)2002～2014年間，南靖縣的生態環境質量整體呈現不變趨勢。RSEI均值由2002年的0.554下降到2009年的0.425，到2014年上升至0.578，先減少后恢復到2002年的水平。南靖縣內生態環境質量為優、良的區域面積占總面積的比例由2002年的49.64%下降到2009年的26.58%，到2014年上升到57.46%，呈現先下降后恢復的趨勢，整體增長了7.82%。

(2)遙感變化監測顯示，2002～2009年間，南靖縣約48.42%的區域生態質量狀況變好， 46.05%的區域生態質量狀況變差；2009～2014年間，約69.99%的區域生態質量狀況變好，約22.12%的區域生態質量狀況變差；2002～2014年間，約70.17%的區域生態質量狀況變好，約24.46%的區域生態質量狀況變差。對南靖縣整體生態環境質量分析顯示，其生態環境整治、管理逐漸得以改善。不過生態環境的改善不可能是一朝一夕就能完成的工程，區域生態環境治理與維護還需堅持。