基于OWBEI的黃河三角洲生態環境質量時空評價

李政隆　樊彥國　王雪怡等

關鍵詞：生態環境質量；生態治理；植被指數；黃河三角洲

中圖分類號：Ｘ８２６；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０１．０１７

引用格式：李政隆，樊彥國，王雪怡，等．基于ＯＷＢＥＩ 的黃河三角洲生態環境質量時空評價［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１）：９７－１０２．

黃河三角洲是中國暖溫帶最年輕、增長速度最快的濕地，具有原生性、脆弱性和稀有性等特點。在快速城市化過程中，資源開發、水產養殖、農田開墾、填海造陸等人類活動干擾不可避免地侵占自然濕地，進而導致黃河三角洲濕地景觀發生了巨大變化，生態環境遭到破壞［１－２］ 。保護黃河三角洲生態環境、促進區域經濟綠色發展是推動黃河流域生態保護和高質量發展的重要內容。

對生態環境質量進行準確評價是目前濕地研究的熱點。生態環境質量評價方法可分為單指標法和多指標法［３－５］ 。歸一化植被指數、地表溫度、永久性植被豐度、葉面積指數等［６－９］ 可以應用于單指標生態環境質量評價。雖然單指標法可以實現對生態環境質量的快速評價，但由于濕地環境復雜多樣，因此無法全面評價生態環境質量。基于多指標的生態環境質量評價方法綜合考慮了多個生態指標，成功解決了生態環境質量評估不全面的問題。如基于壓力－狀態－響應模型框架的生態環境質量評價方法主要考慮了三類因素：景觀變化、景觀生態系統狀態和人類響應［１０－１１］ 。這類方法重點考慮了與人類活動相關的指標，如地表溫度、道路密度等，但很少涉及生態指標。為提高生態指標占比，ＸＵ 等［１２－１３］ 提出了基于遙感的生態指數，從綠度、濕度、干度和熱度４ 個方面進行生態環境質量評價。Ｆｉｒｏｚｊａｅｉ 等［１４］ 改進了基于遙感的生態指數，采用植被－不透水面－土壤模型，從綠度、濕度、干度、熱度和不透水度５ 個方面評價了洛杉磯和芝加哥等６ 個城市的地表生態環境狀況。

上述方法雖然從不同角度考慮了多個生態指標，但忽略了開放水域對生態環境的影響。顧及水效益的生態環境質量評價指數（Ｗａｔｅｒ Ｂｅｎｅｆｉｔ?Ｂａｓｆｄ ＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｄｅｘ，ＷＢＥＩ）不僅增加了水生態因子，而且還定義了與氣候資源相對應的熱環境以及土地覆蓋，使得評價結果更加全面［１５］ 。由于濕地生態系統組成復雜、動態性高，因此濕地生態環境質量評價在植被要素精確監測方面還面臨難題。本文以黃河三角洲為研究區，提出改進的高光譜植被指數（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｍ?ａｇｅ?Ｂａｓｅｄ Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ，ＩＨＳＶＩ），以提高對植被要素的精確監測能力；結合ＷＢＥＩ 和ＩＨＳＶＩ 提出優化的顧及水效益的生態環境質量指數（Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ＷａｔｅｒＢｅｎｅｆｉｔ?Ｂａｓｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｄｅｘ，ＯＷＢＥＩ）進行生態環境質量評價，以增強濕地生態環境質量反演效果。基于ＯＷＢＥＩ 探究黃河三角洲近２０ ａ 生態環境質量的時空變化。

１ 研究區概況及數據處理

１．１ 研究區概況

黃河三角洲地處萊州灣與渤海灣之間，是中國面積最大、最年輕、生物多樣性最豐富的河口三角洲之一。黃河從上中游帶來的大量泥沙在此淤積形成了大面積的沖積平原和灘涂濕地景觀，為濕地植被的生長提供了良好環境［１６］ 。本文選取黃河三角洲部分濱海鹽漬土作為研究區，包括東營市河口區、墾利區和利津縣部分地區。

１．２ 數據來源及預處理

本文將Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ 影像和Ｌａｎｄｓａｔ ＯＬＩ 影像作為基礎數據，該數據由美國地質調查局（ＵＳＧＳ）（ｈｔｔｐｓ：／／ｇｌｏｖｉｓ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／ ）提供，其中２０００ 年、２００６ 年、２０１２ 年采用Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ 影像，２０１７ 年、２０２０ 年采用ＬａｎｄｓａｔＯＬＩ 影像，分辨率均為３０ ｍ。各年份均根據影像質量和云量篩選，為保證影像數據質量，選取目視清晰且云量小于５％的影像數據。將Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ 影像進行輻射定標、大氣校正以及裁剪等獲得研究所需數據，其中２００６ 年、２０１２ 年的影像需額外進行條帶處理。

２ 研究方法

在生態指標提取中共選擇了水環境、熱環境和土地覆蓋３ 個層面的濕地生態評價指標進行黃河三角洲的生態質量狀況評價。其中，水環境用地表潛在水豐度指數（ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｗａｔｅｒ Ａｂｕｎｄａｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ，ＳＰＷＩ）和歸一化潛熱指數（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ＬａｔｅｎｔＨｅａｔ Ｉｎｄｅｘ， ＮＤＬＩ） 表示， 熱環境用地表溫度（ ＬａｎｄＳｕｒｆａｃｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＬＳＴ）表示，土地覆蓋用歸一化差異土壤指數（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｉｌ Ｉｎｄｅｘ，ＮＤＳＩ）和ＩＨＳＶＩ 表示。在生態指標融合時，利用熵權法獲得每個指標的權重，并通過生態指標加權融合的方式獲得最終的ＯＷＢＥＩ。

ＯＷＢＥＩ 為［０，０．２）、［０．２，０．４）、［０．４，０．６）、［０．６，０．８）、［０．８，１］ 對應的生態環境質量等級為差、較差、一般、良好、優秀。

３ 結果與討論

３．１ 生態環境質量評價結果驗證

為了驗證優化的顧及水效益的生態環境質量指數的生態環境質量評價結果的準確性，將本文評價結果與中國生態環境狀況公報給出的各區縣級生態環境質量評價結果Ｐ_ＥＩ進行對比分析。２０００ 年、２００６ 年、２０１２年、２０１７ 年、２０２０ 年河東區和墾利區Ｐ_ＥＩ與ＯＷＢＥＩ 見表１。河口區各評價年份Ｐ_ＥＩ、ＯＷＢＥＩ 生態環境質量評價結果一致，都為較差。墾利區除２００６ 年、２０２０ 年外各年份Ｐ_ＥＩ、ＯＷＢＥＩ 生態環境質量評價結果一致。２００６ 年墾利區ＯＷＢＥＩ 生態環境質量評價結果為較差，但ＯＷＢＥＩ 值接近于一般等級。２０２０ 年地表溫度較往年明顯升高，而中國生態環境狀況公報生態環境質量評價時缺乏對溫度的表征，生態環境評價結果為一般，ＯＷＢＥＩ 生態環境評價結果為較差。ＯＷＢＥＩ 評價生態環境質量精確度可達８０％，較ＷＢＥＩ 原有的７５％反演精度提升［１５］ 。

３．２ 生態環境質量時空變化分析

通過上述方法，實現了黃河三角洲生態環境質量的空間量化，得到２０００ 年、２００６ 年、２０１２ 年、２０１７ 年和２０２０ 年黃河三角洲地表假彩色影像及生態環境質量空間分布，見圖１、圖２。黃河三角洲２０ ａ 間不同等級生態環境狀況面積變化見表２，其中各生態指標變化見表３。

如圖２ 所示，中部內陸農村地區（圖中正方形）總體生態環境質量狀況優于黃河沿岸及沿海地區城市（圖中橢圓）。造成這一結果的原因：一是黃河沿岸及沿海地區城市化率高，不透水面占比大；二是黃河沿岸及沿海地區受資源開發、水產養殖、農田開墾、填海造陸等人類活動干擾，植被覆蓋面積大幅下降，使得地表溫度升高、空氣濕度下降，生態環境質量變差。此外，２０００ 年生態環境質量為一般、良好和優秀的區域占３７．０６％，２００６ 年、２０１２ 年、２０１７ 年、２０２０ 年分別占４９．４３％、８８．５３％、８５．０６％、５２．６６％，黃河三角洲整體生態環境質量以２０１２ 年為轉折點呈先上升后下降的變化趨勢。

２０００ 年生態環境質量較差，可能原因是２０００ 年之前對三角洲濕地的保護未得到足夠重視，生態保護措施尚未充分實施。從２０００ 年開始植被恢復、生態補水等工程的實施改善了濕地生態狀況，２０００—２００５ 年大汶流管理站先后實施植被恢復１ 萬ｈｍ^２，極大地改善了當地的生態環境水平。從表３ 可以看出，２０００—２０１２ 年生態環境質量持續上升且在２０１２ 年達到最優。２０００—２０１２ 年，由于水資源量、植被數量、濕度增大，因此總體生態環境質量持續上升。然而，２０１２—２０２０ 年研究區生態環境質量呈下降趨勢。原因是，為了促進經濟發展，水產養殖業、制鹽業的發展，東營港的大規模建設以及工礦業的發展等，使得土地利用狀態改變，生態彈性下降，最終導致濕地生態環境質量下降。２０１２—２０２０ 年，水資源量、植被數量減少，不透水面增加，造成總體生態環境質量持續下降。

受黃河三角洲自身環境影響，研究區生態環境底子較為薄弱。隨著黃河三角洲植被數量顯著增加，２０００—２０１２ 年生態環境質量提高。然而，近些年受城市化進程加快以及資源開發等人類活動影響，生態環境質量狀況呈下降趨勢。因此，黃河三角洲地區的生態環境仍需加強監管和治理，以促進黃河流域的生態保護和高質量發展。

４ 結束語

以黃河三角洲為研究區，通過構造ＯＷＢＥＩ 獲取了２０００—２０２０ 年生態環境質量時空變化狀況。ＯＷＢＥＩ 通過將ＨＳＶＩ 應用到多光譜領域，解決ＷＢＥＩ在濕地區域植被要素精確監測的問題，提高了濕地區域生態環境質量的反演精度，精度可達８０％。通過對２０００—２０２０ 年黃河三角洲生態環境質量進行時空分析，得到生態環境質量較差的地區為黃河沿岸及沿海地區城市。

【責任編輯 呂艷梅】