基于遙感與GIS技術(shù)的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究
——以汾河流域?yàn)槔?/h1>
2014-04-24 10:00:43喬玉良
經(jīng)緯天地 2014年1期
□喬玉良
（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
基于遙感與GIS技術(shù)的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究
——以汾河流域?yàn)槔?/p>
□喬玉良
（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
以汾河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，首先利用GIS與地形分析方法將其分為21個(gè)小流域；然后基于1978年的Landsat MSS、1993年和2009年的Landsat TM遙感影像，通過(guò)歸一化植被指數(shù)、歸一化差異水體指數(shù)、閾值法、譜間關(guān)系法、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法對(duì)汾河流域信息進(jìn)行提取，選擇生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、植被覆蓋度、土壤退化指數(shù)與環(huán)境質(zhì)量指數(shù)對(duì)汾河流域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，得到汾河流域1978年、1993年和2009年3個(gè)時(shí)期不同小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布。對(duì)不同時(shí)期的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在任何時(shí)期均為一般或較差；從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，1993年到2009年流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開(kāi)始改善。本研究對(duì)汾河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供指導(dǎo)。
動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；生態(tài)環(huán)境；汾河流域；遙感影像；GIS技術(shù)
1.引言
流域是一個(gè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，它是一個(gè)獨(dú)立的地貌單元，具有生態(tài)的完整性。由于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流域生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷愈來(lái)愈重，流域生態(tài)環(huán)境的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)功能大幅下降，引起了日益嚴(yán)重的流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題。
國(guó)外上世紀(jì)80年代初期正式開(kāi)始生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，在上世紀(jì)90年代初由美國(guó)環(huán)保局所提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)項(xiàng)目（EMAP）是這一時(shí)期比較有影響的研究。1998年Campbell K R[1]通過(guò)研究已有的環(huán)境模型及當(dāng)前環(huán)境所面臨的問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境模型的建立及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法做了分析與總結(jié)。此外，一些組織和人們將景觀生態(tài)學(xué)和RS、GIS技術(shù)運(yùn)用到生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)之中，例如 1999年 Wynet Smith et al[2]利用遙感、GIS地圖制圖技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)Batemi河谷的土地利用狀況和生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究。2009年 Bushra Waheed.al[3]，利用DPSEEA模型對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。我國(guó)的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作是于1978年逐步發(fā)展起來(lái)的，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究開(kāi)始于80年代。毛文永[4]在《生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)概論》中，選取了景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、多樣性指數(shù)、生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)（植被覆蓋率、土地生態(tài)適宜性、恢復(fù)能力賦值、抗退化能力賦值）對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)。劉建軍[5]選擇小流域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元，采用以壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）反映指標(biāo)為概念框架，將流域生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)遙感和GIS技術(shù)獲得生態(tài)環(huán)境變化信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)小流域單元的健康狀況，對(duì)巢湖流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
汾河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日益引起社會(huì)各界的注意，但以往的研究缺少專門(mén)針對(duì)流域且從多角度進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與評(píng)價(jià)，本文借助遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，以汾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，將汾河流域分為不同的小流域，并對(duì)不同小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為各級(jí)部門(mén)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。
2.研究區(qū)概況
汾河流域范圍為東經(jīng)110°28′02″－113°32′38″，北緯35°19′19″－39°04′00″，面積約3 9471 km2。汾河流域處于山西省中南部，海拔一般在1 500m以上，流域內(nèi)包含山地、丘陵和盆地。汾河流域?qū)俅箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，春冬兩季常受蒙古高原干燥風(fēng)的襲擊，雨雪稀少，干旱而寒冷，夏季多雨而炎熱。年平均氣溫自北向南相差較大，大致在6～13℃之間。年平均降水量也是北少南多，山區(qū)相對(duì)多，盆地相對(duì)少；大致在300～700mm之間，平均約500mm；降雨年內(nèi)分配不均，6～9月降雨占全年的60%以上；年際變化也大，最大年降水量為最小年降水量的3.5倍。
汾河是中國(guó)黃河的第二大支流，作為山西母親河的汾河流域，如今的水資源依然十分有限，流域內(nèi)有農(nóng)業(yè)、工業(yè)，煤炭資源豐富，近幾年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)能源的需求增大，導(dǎo)致煤炭的大量開(kāi)采，使得流域內(nèi)環(huán)境承載壓力更大，生態(tài)環(huán)境面臨的壓力也更大[6]。
3.數(shù)據(jù)與方法
3.1數(shù)據(jù)源選擇與影像處理
本次研究選擇數(shù)據(jù)有1978年的Landsat MSS數(shù)據(jù)、1993年的 Landsat TM數(shù)據(jù)和2009年Landsat TM數(shù)據(jù)，遙感影像的時(shí)間均為9、10月份。汾河流域1∶10萬(wàn)地形圖，ASTER GDEM（數(shù)字高程模型）、汾河流域地貌數(shù)據(jù)、野外考查數(shù)據(jù)、環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及一些與流域相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料。遙感影像與ASTER GDEM均來(lái)源于美國(guó)NASA數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站。
根據(jù)項(xiàng)目精度要求，對(duì)遙感影像進(jìn)行了輻射校正、幾何校正與配準(zhǔn)，幾何校正的誤差在0.5個(gè)像元之內(nèi)；因?yàn)檠芯繀^(qū)包含多幅影像，影像間存在色差，在拼接前需要?jiǎng)蛏诖死弥狈綀D匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)影像間的勻色；之后進(jìn)行研究區(qū)遙感影像的拼接；同時(shí)對(duì)遙感影像各個(gè)波段進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，為后面土地利用信息的提取進(jìn)行參數(shù)準(zhǔn)備。圖1為本次研究的技術(shù)流程圖。
3.2研究方法
3.2.1基礎(chǔ)信息的提取
依據(jù)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)所需要的數(shù)據(jù)，在此首先進(jìn)行研究區(qū)植被覆蓋度[7-9]的計(jì)算，分別提取林、灌、草、水體、居民地、耕地等專題信息，具體方法如下：
圖1 基本工作流程圖Fig．1 Diagram of work flow
（1）植被指數(shù)法[9]和閾值法提取流域林、灌、草信息；
（2）歸一化差異水體指數(shù)法、閾值法[10-13]及監(jiān)督分類等方法分別初步獲取流域內(nèi)的水體、居民地、道路信息；獲取一類地類信息后，制作掩模裁剪影像，提高下一類的分類精度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合非遙感資料進(jìn)行目視解譯，最終獲得研究區(qū)水體、居民地、道路信息；
（3）利用以上獲得的林、灌、草、道路、河流、居民地、水體信息裁剪遙感影像，減少分類時(shí)的地類數(shù)，提高解譯精度，利用監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，初步獲得研究區(qū)耕地信息，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合非遙感資料，進(jìn)行目視解譯，獲得研究區(qū)耕地信息；
（4）利用具有 30米分辨率的 ASTER GDEM數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)的土地利用、植被覆蓋數(shù)據(jù)，在ArcGIS的空間分析中生成研究區(qū)的土壤侵蝕圖，表1是汾河流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)表[14]。
3.2.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)提取
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[15]，表2為評(píng)價(jià)指標(biāo)因子與權(quán)重。
（1）生物豐度指數(shù)（Biological Abundance Index,BAI）
通過(guò)單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，間接地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生物多樣性的豐貧程度。生物豐度指數(shù)中的因子從遙感影像上獲取。
BAI,生物豐度指數(shù)；Abio,生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S水域濕地,水域濕地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設(shè)用地,建設(shè)用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。
（2）植被覆蓋指數(shù)（Vegetation Index,VI）
VI,植被覆蓋指數(shù)；Aveg,為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設(shè)用地,建設(shè)用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。
植被覆蓋指數(shù)分權(quán)重見(jiàn)表2，植被覆蓋指數(shù)因子信息從遙感影像上獲取。
表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab．1 Classification standard of the soil erosion intensity
（3）水網(wǎng)密度指數(shù)（Water Network DensityIndex,WNDI）
WNDI,水網(wǎng)密度指數(shù)；Ariv,河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù)；Alak,湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù)；Ares,水資源量的歸一化系數(shù)；L河流,河流長(zhǎng)度；S湖庫(kù)（近海）,湖庫(kù)（近海）的面積；M水資源量,水資源量；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2），長(zhǎng)度的單位為千米（km）；水資源量的單位為百萬(wàn)立方米（百萬(wàn)m3）。
水網(wǎng)密度指數(shù)中的河流長(zhǎng)度和湖庫(kù)面積從遙感影像上獲取，水資源量從《汾河志》[6]和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取[16-17]。
（4）土地退化指數(shù)（Land Degradation Index,LDI）
土地退化指數(shù)分權(quán)重見(jiàn)表2。
LDI,土地退化指數(shù)；S輕度侵蝕,輕度侵蝕面積；S中度侵蝕,中度侵蝕面積；S重度侵蝕,重度侵蝕面積；Aero,土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù)；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；。
在計(jì)算汾河流域土壤侵蝕度時(shí)，將侵蝕強(qiáng)度分為6個(gè)級(jí)別：微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕，在此計(jì)算汾河流域土地退化指數(shù)時(shí)，土地退化指數(shù)中的輕度侵蝕即對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的微度侵蝕和輕度侵蝕，土地退化指數(shù)中的中度侵蝕對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的中度侵蝕，土地退化指數(shù)中的強(qiáng)度侵蝕對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕、劇烈侵蝕。
表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子與權(quán)重Tab．2 Factors and weights of evaluation indexes
（5）環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（Environment Quantity Index，EI）
ASO2,SO2的歸一化系數(shù)；Asol,固體廢物的歸一化系數(shù)；ACOD,COD的歸一化系數(shù)；MSO2,SO2的排放量；M固體廢物,固體廢物的排放量；MCOD,固體廢物的排放量；R區(qū)域,區(qū)域年均降水量；排放量的單位為噸（t），降水量的單位為毫米（mm）。
環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的分權(quán)重見(jiàn)表2。環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中的因子量從《中國(guó)環(huán)境年鑒》[16-17]和《山西國(guó)土資源》獲取。
3.2.3流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)原則
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（Ecological Quality Index,EQI）計(jì)算方法如下：
EQI,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；BAI,生物豐度指數(shù)；VI,植被覆蓋指數(shù)；WNDI,水網(wǎng)密度指數(shù)；LDI,土地退化指數(shù)；EI,環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。
根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為五級(jí)，即優(yōu)、良、一般、較差和差。具體分類見(jiàn)表3。
4.汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)分析
利用DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件水文分析模塊下，提取出汾河流域的小流域，設(shè)定一定比例，將汾河流域分為21個(gè)小流域，通過(guò)對(duì)汾河流域小流域1978年、1993年、2009年三期進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。1978年有20個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，1個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差；1993年有14個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，但分值都不高，接近一般與較差的臨界值，7個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差；2009年有16個(gè)小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，說(shuō)明流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有稍微的改善，有5個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差。
從時(shí)序的角度來(lái)看，汾河小流域從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，其主要原因?yàn)楣I(yè)發(fā)展迅速，濫砍濫發(fā)嚴(yán)重，水土流失嚴(yán)重，人類在發(fā)展的同時(shí)，沒(méi)能協(xié)調(diào)好發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低；1993年到2009年，汾河小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化不大，主要是因?yàn)槿祟愰_(kāi)始意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，在進(jìn)行社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，開(kāi)始注意生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，及時(shí)對(duì)已破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理與恢復(fù)，特別是近幾
年效果顯著，但對(duì)于已破壞的生態(tài)環(huán)境，其治理與恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間、較大的人力與物資的投入，短期內(nèi)是無(wú)法將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高到一個(gè)高的檔次。表4為汾河小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)表。
表3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)Tab．3 Eco－environmental quality classification
表4 小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.6 The eco-environmental quality evaluation in different small drainages
圖2 汾河流域多時(shí)序生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)圖Fig．2 Classifying map of eco－environmental quality for Fen River Basin
5.結(jié)論
利用遙感與GIS技術(shù)，參考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》，通過(guò)獲取不同小流域?qū)Ψ诤恿饔蜻M(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，使得對(duì)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況有不同程度的了解，對(duì)于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理有指導(dǎo)意義
圖3 小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)序變化圖Fig．3 The time sequential change map of eco－environmental quality in different small drainages
研究表明：通過(guò)對(duì)汾河流域1978年、1993年和2009年三個(gè)時(shí)期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得知從1978年到2009年，汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般和較差，不容樂(lè)觀，從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，1993年到2009年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開(kāi)始改善，究其原委是因?yàn)槿藗冮_(kāi)始注意到生態(tài)環(huán)境重要性，在社會(huì)發(fā)展與能源開(kāi)采的時(shí)候，注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，并對(duì)已破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理，但治理非一朝一夕可得，而且恢復(fù)速度緩慢，主要原因是研究區(qū)蘊(yùn)含大量的能源，能源開(kāi)采與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)。
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喬玉良（1951年8月——），女，太原理工大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系教授，兼任山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師、北京師范大學(xué)珠海分校教授，主要從事地球信息科學(xué)、航測(cè)與遙感技術(shù)應(yīng)用研究，獲國(guó)家、省部委科技進(jìn)步獎(jiǎng)15項(xiàng)，多次受邀赴美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、波蘭、法國(guó)等國(guó)家和地區(qū)出席國(guó)際會(huì)議，山西省委聯(lián)系的高級(jí)專家。
P237
B
2095-7319（2014）01-0043-10
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□喬玉良
（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
基于遙感與GIS技術(shù)的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究
——以汾河流域?yàn)槔?/p>
□喬玉良
（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
以汾河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，首先利用GIS與地形分析方法將其分為21個(gè)小流域；然后基于1978年的Landsat MSS、1993年和2009年的Landsat TM遙感影像，通過(guò)歸一化植被指數(shù)、歸一化差異水體指數(shù)、閾值法、譜間關(guān)系法、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法對(duì)汾河流域信息進(jìn)行提取，選擇生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、植被覆蓋度、土壤退化指數(shù)與環(huán)境質(zhì)量指數(shù)對(duì)汾河流域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，得到汾河流域1978年、1993年和2009年3個(gè)時(shí)期不同小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布。對(duì)不同時(shí)期的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在任何時(shí)期均為一般或較差；從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，1993年到2009年流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開(kāi)始改善。本研究對(duì)汾河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供指導(dǎo)。
動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；生態(tài)環(huán)境；汾河流域；遙感影像；GIS技術(shù)
1.引言
流域是一個(gè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，它是一個(gè)獨(dú)立的地貌單元，具有生態(tài)的完整性。由于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流域生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷愈來(lái)愈重，流域生態(tài)環(huán)境的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)功能大幅下降，引起了日益嚴(yán)重的流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題。
國(guó)外上世紀(jì)80年代初期正式開(kāi)始生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，在上世紀(jì)90年代初由美國(guó)環(huán)保局所提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)項(xiàng)目（EMAP）是這一時(shí)期比較有影響的研究。1998年Campbell K R[1]通過(guò)研究已有的環(huán)境模型及當(dāng)前環(huán)境所面臨的問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境模型的建立及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法做了分析與總結(jié)。此外，一些組織和人們將景觀生態(tài)學(xué)和RS、GIS技術(shù)運(yùn)用到生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)之中，例如 1999年 Wynet Smith et al[2]利用遙感、GIS地圖制圖技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)Batemi河谷的土地利用狀況和生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究。2009年 Bushra Waheed.al[3]，利用DPSEEA模型對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。我國(guó)的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作是于1978年逐步發(fā)展起來(lái)的，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究開(kāi)始于80年代。毛文永[4]在《生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)概論》中，選取了景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、多樣性指數(shù)、生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)（植被覆蓋率、土地生態(tài)適宜性、恢復(fù)能力賦值、抗退化能力賦值）對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)。劉建軍[5]選擇小流域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元，采用以壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）反映指標(biāo)為概念框架，將流域生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)遙感和GIS技術(shù)獲得生態(tài)環(huán)境變化信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)小流域單元的健康狀況，對(duì)巢湖流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
汾河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日益引起社會(huì)各界的注意，但以往的研究缺少專門(mén)針對(duì)流域且從多角度進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與評(píng)價(jià)，本文借助遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，以汾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，將汾河流域分為不同的小流域，并對(duì)不同小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為各級(jí)部門(mén)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。
2.研究區(qū)概況
汾河流域范圍為東經(jīng)110°28′02″－113°32′38″，北緯35°19′19″－39°04′00″，面積約3 9471 km2。汾河流域處于山西省中南部，海拔一般在1 500m以上，流域內(nèi)包含山地、丘陵和盆地。汾河流域?qū)俅箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，春冬兩季常受蒙古高原干燥風(fēng)的襲擊，雨雪稀少，干旱而寒冷，夏季多雨而炎熱。年平均氣溫自北向南相差較大，大致在6～13℃之間。年平均降水量也是北少南多，山區(qū)相對(duì)多，盆地相對(duì)少；大致在300～700mm之間，平均約500mm；降雨年內(nèi)分配不均，6～9月降雨占全年的60%以上；年際變化也大，最大年降水量為最小年降水量的3.5倍。
汾河是中國(guó)黃河的第二大支流，作為山西母親河的汾河流域，如今的水資源依然十分有限，流域內(nèi)有農(nóng)業(yè)、工業(yè)，煤炭資源豐富，近幾年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)能源的需求增大，導(dǎo)致煤炭的大量開(kāi)采，使得流域內(nèi)環(huán)境承載壓力更大，生態(tài)環(huán)境面臨的壓力也更大[6]。
3.數(shù)據(jù)與方法
3.1數(shù)據(jù)源選擇與影像處理
本次研究選擇數(shù)據(jù)有1978年的Landsat MSS數(shù)據(jù)、1993年的 Landsat TM數(shù)據(jù)和2009年Landsat TM數(shù)據(jù)，遙感影像的時(shí)間均為9、10月份。汾河流域1∶10萬(wàn)地形圖，ASTER GDEM（數(shù)字高程模型）、汾河流域地貌數(shù)據(jù)、野外考查數(shù)據(jù)、環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及一些與流域相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料。遙感影像與ASTER GDEM均來(lái)源于美國(guó)NASA數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站。
根據(jù)項(xiàng)目精度要求，對(duì)遙感影像進(jìn)行了輻射校正、幾何校正與配準(zhǔn)，幾何校正的誤差在0.5個(gè)像元之內(nèi)；因?yàn)檠芯繀^(qū)包含多幅影像，影像間存在色差，在拼接前需要?jiǎng)蛏诖死弥狈綀D匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)影像間的勻色；之后進(jìn)行研究區(qū)遙感影像的拼接；同時(shí)對(duì)遙感影像各個(gè)波段進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，為后面土地利用信息的提取進(jìn)行參數(shù)準(zhǔn)備。圖1為本次研究的技術(shù)流程圖。
3.2研究方法
3.2.1基礎(chǔ)信息的提取
依據(jù)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)所需要的數(shù)據(jù)，在此首先進(jìn)行研究區(qū)植被覆蓋度[7-9]的計(jì)算，分別提取林、灌、草、水體、居民地、耕地等專題信息，具體方法如下：
圖1 基本工作流程圖Fig．1 Diagram of work flow
（1）植被指數(shù)法[9]和閾值法提取流域林、灌、草信息；
（2）歸一化差異水體指數(shù)法、閾值法[10-13]及監(jiān)督分類等方法分別初步獲取流域內(nèi)的水體、居民地、道路信息；獲取一類地類信息后，制作掩模裁剪影像，提高下一類的分類精度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合非遙感資料進(jìn)行目視解譯，最終獲得研究區(qū)水體、居民地、道路信息；
（3）利用以上獲得的林、灌、草、道路、河流、居民地、水體信息裁剪遙感影像，減少分類時(shí)的地類數(shù)，提高解譯精度，利用監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，初步獲得研究區(qū)耕地信息，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合非遙感資料，進(jìn)行目視解譯，獲得研究區(qū)耕地信息；
（4）利用具有 30米分辨率的 ASTER GDEM數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)的土地利用、植被覆蓋數(shù)據(jù)，在ArcGIS的空間分析中生成研究區(qū)的土壤侵蝕圖，表1是汾河流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)表[14]。
3.2.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)提取
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[15]，表2為評(píng)價(jià)指標(biāo)因子與權(quán)重。
（1）生物豐度指數(shù)（Biological Abundance Index,BAI）
通過(guò)單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，間接地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生物多樣性的豐貧程度。生物豐度指數(shù)中的因子從遙感影像上獲取。
BAI,生物豐度指數(shù)；Abio,生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S水域濕地,水域濕地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設(shè)用地,建設(shè)用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。
（2）植被覆蓋指數(shù)（Vegetation Index,VI）
VI,植被覆蓋指數(shù)；Aveg,為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設(shè)用地,建設(shè)用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。
植被覆蓋指數(shù)分權(quán)重見(jiàn)表2，植被覆蓋指數(shù)因子信息從遙感影像上獲取。
表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab．1 Classification standard of the soil erosion intensity
（3）水網(wǎng)密度指數(shù)（Water Network DensityIndex,WNDI）
WNDI,水網(wǎng)密度指數(shù)；Ariv,河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù)；Alak,湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù)；Ares,水資源量的歸一化系數(shù)；L河流,河流長(zhǎng)度；S湖庫(kù)（近海）,湖庫(kù)（近海）的面積；M水資源量,水資源量；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；面積的單位為平方千米（km2），長(zhǎng)度的單位為千米（km）；水資源量的單位為百萬(wàn)立方米（百萬(wàn)m3）。
水網(wǎng)密度指數(shù)中的河流長(zhǎng)度和湖庫(kù)面積從遙感影像上獲取，水資源量從《汾河志》[6]和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取[16-17]。
（4）土地退化指數(shù)（Land Degradation Index,LDI）
土地退化指數(shù)分權(quán)重見(jiàn)表2。
LDI,土地退化指數(shù)；S輕度侵蝕,輕度侵蝕面積；S中度侵蝕,中度侵蝕面積；S重度侵蝕,重度侵蝕面積；Aero,土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù)；S區(qū)域,研究區(qū)域的面積；。
在計(jì)算汾河流域土壤侵蝕度時(shí)，將侵蝕強(qiáng)度分為6個(gè)級(jí)別：微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕，在此計(jì)算汾河流域土地退化指數(shù)時(shí)，土地退化指數(shù)中的輕度侵蝕即對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的微度侵蝕和輕度侵蝕，土地退化指數(shù)中的中度侵蝕對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的中度侵蝕，土地退化指數(shù)中的強(qiáng)度侵蝕對(duì)應(yīng)前面計(jì)算得到的強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕、劇烈侵蝕。
表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子與權(quán)重Tab．2 Factors and weights of evaluation indexes
（5）環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（Environment Quantity Index，EI）
ASO2,SO2的歸一化系數(shù)；Asol,固體廢物的歸一化系數(shù)；ACOD,COD的歸一化系數(shù)；MSO2,SO2的排放量；M固體廢物,固體廢物的排放量；MCOD,固體廢物的排放量；R區(qū)域,區(qū)域年均降水量；排放量的單位為噸（t），降水量的單位為毫米（mm）。
環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的分權(quán)重見(jiàn)表2。環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中的因子量從《中國(guó)環(huán)境年鑒》[16-17]和《山西國(guó)土資源》獲取。
3.2.3流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)原則
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（Ecological Quality Index,EQI）計(jì)算方法如下：
EQI,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；BAI,生物豐度指數(shù)；VI,植被覆蓋指數(shù)；WNDI,水網(wǎng)密度指數(shù)；LDI,土地退化指數(shù)；EI,環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。
根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為五級(jí)，即優(yōu)、良、一般、較差和差。具體分類見(jiàn)表3。
4.汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)分析
利用DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件水文分析模塊下，提取出汾河流域的小流域，設(shè)定一定比例，將汾河流域分為21個(gè)小流域，通過(guò)對(duì)汾河流域小流域1978年、1993年、2009年三期進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。1978年有20個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，1個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差；1993年有14個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，但分值都不高，接近一般與較差的臨界值，7個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差；2009年有16個(gè)小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般，說(shuō)明流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有稍微的改善，有5個(gè)小流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差。
從時(shí)序的角度來(lái)看，汾河小流域從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，其主要原因?yàn)楣I(yè)發(fā)展迅速，濫砍濫發(fā)嚴(yán)重，水土流失嚴(yán)重，人類在發(fā)展的同時(shí)，沒(méi)能協(xié)調(diào)好發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低；1993年到2009年，汾河小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化不大，主要是因?yàn)槿祟愰_(kāi)始意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，在進(jìn)行社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，開(kāi)始注意生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，及時(shí)對(duì)已破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理與恢復(fù)，特別是近幾
年效果顯著，但對(duì)于已破壞的生態(tài)環(huán)境，其治理與恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間、較大的人力與物資的投入，短期內(nèi)是無(wú)法將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高到一個(gè)高的檔次。表4為汾河小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)表。
表3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)Tab．3 Eco－environmental quality classification
表4 小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.6 The eco-environmental quality evaluation in different small drainages
圖2 汾河流域多時(shí)序生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)圖Fig．2 Classifying map of eco－environmental quality for Fen River Basin
5.結(jié)論
利用遙感與GIS技術(shù)，參考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》，通過(guò)獲取不同小流域?qū)Ψ诤恿饔蜻M(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，使得對(duì)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況有不同程度的了解，對(duì)于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理有指導(dǎo)意義
圖3 小流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)序變化圖Fig．3 The time sequential change map of eco－environmental quality in different small drainages
研究表明：通過(guò)對(duì)汾河流域1978年、1993年和2009年三個(gè)時(shí)期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得知從1978年到2009年，汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般和較差，不容樂(lè)觀，從1978年到1993年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，1993年到2009年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開(kāi)始改善，究其原委是因?yàn)槿藗冮_(kāi)始注意到生態(tài)環(huán)境重要性，在社會(huì)發(fā)展與能源開(kāi)采的時(shí)候，注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，并對(duì)已破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理，但治理非一朝一夕可得，而且恢復(fù)速度緩慢，主要原因是研究區(qū)蘊(yùn)含大量的能源，能源開(kāi)采與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)。
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喬玉良（1951年8月——），女，太原理工大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系教授，兼任山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師、北京師范大學(xué)珠海分校教授，主要從事地球信息科學(xué)、航測(cè)與遙感技術(shù)應(yīng)用研究，獲國(guó)家、省部委科技進(jìn)步獎(jiǎng)15項(xiàng)，多次受邀赴美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、波蘭、法國(guó)等國(guó)家和地區(qū)出席國(guó)際會(huì)議，山西省委聯(lián)系的高級(jí)專家。
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2095-7319（2014）01-0043-10
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