基于遙感技術(shù)及綜合指數(shù)法的廣州市自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)*

牛安逸 馬姣嬌 陳志云,2

1 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 廣州 510631 2 嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院 廣東梅州 514015

基于遙感技術(shù)及綜合指數(shù)法的廣州市自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)*

牛安逸1馬姣嬌1陳志云1,2

1 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 廣州 510631 2 嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院 廣東梅州 514015

對(duì)廣州市2014年ETM遙感影像進(jìn)行解譯，得出植被覆蓋度(NDVI指數(shù))、土壤指數(shù)(裸圖植被指數(shù))及坡度3個(gè)環(huán)境因子的空間分布結(jié)果，再利用綜合指數(shù)法對(duì)歸一化后的環(huán)境因子進(jìn)行加權(quán)疊加處理，得出廣州市自然生態(tài)環(huán)境最終評(píng)價(jià)結(jié)果。結(jié)果顯示：廣州市總體自然生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，優(yōu)等級(jí)別的地區(qū)僅占總面積的0.01%，良好級(jí)別的占4.5%，中等級(jí)別的占35.79%，差等級(jí)別的占59.70%；南部的城市核心區(qū)生態(tài)環(huán)境普遍較差，北部和東北部狀況較南部好。重視城市中綠地、綠道的建設(shè)，是改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、提高自然生態(tài)環(huán)境水平的有效途徑。

自然生態(tài)環(huán)境，環(huán)境評(píng)價(jià)，遙感解譯，綜合指數(shù)法，廣州

隨著近年來城市化水平的提高、城市面積的擴(kuò)大，人們對(duì)土地覆被的改變也越來越強(qiáng)烈。為了滿足日益增長(zhǎng)的人口對(duì)土地的需求，大量林地被砍伐，土地被平整或者硬化為道路，這些行為都對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的威脅。目前世界各國(guó)都加強(qiáng)了對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)手段也多種多樣。Costanza等[1]提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的原理和方法，將生態(tài)環(huán)境水平以貨幣化的形式表現(xiàn)出來。Greymoer等[2]認(rèn)為，通過區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力來分析評(píng)估區(qū)域可持續(xù)發(fā)展程度是一個(gè)重要方面，也是一種有效工具。Fang Lin[3]曾對(duì)中國(guó)城市化進(jìn)程中的生態(tài)環(huán)境保障程度做過研究。近年來，遙感影像作為一項(xiàng)新興手段為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和分析開辟了一條更有效的路徑[1]。本文以廣州市為研究對(duì)象，利用遙感技術(shù)和綜合指數(shù)法，對(duì)研究區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為促進(jìn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展起到一定的參考作用。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

廣州市是廣東省省會(huì)，位于廣東省的中南部、珠江三角洲中北緣，接近珠江流域下游入海口，瀕臨南海。面積約為7 434 km2，人口1 308萬。廣州屬于丘陵地帶，地勢(shì)東北高、西南地，北部是森林集中的丘陵山區(qū)，中部為丘陵盆地，南部為沖積平原[5]。以廣州地區(qū)為主體的珠江三角洲地區(qū)城市化率在2014年已經(jīng)達(dá)到約76%。2015年1月26日世界銀行發(fā)布的報(bào)告顯示，珠江三角洲已經(jīng)超越日本東京，成為世界上人口和面積最大的城市帶。因此，研究和分析廣州地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對(duì)正確處理城市化進(jìn)程中的人地關(guān)系及實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1.2 研究方法

本研究基于綜合指數(shù)法對(duì)廣州自然生態(tài)環(huán)境的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取植被、土壤、地形3個(gè)最為基本的要素作為區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，通過遙感影像技術(shù)提取植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度3個(gè)生態(tài)因子指數(shù)，經(jīng)過歸一化處理和指數(shù)的疊加，得到最終廣州市自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果。除此之外，自然生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量還受到生物豐度和人類活動(dòng)的影響，但運(yùn)用遙感方法較難監(jiān)測(cè)，因此在本文不進(jìn)行計(jì)算。

1) 遙感影像預(yù)處理。遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landset7衛(wèi)星30 m分辨率ETM+的珠三角地區(qū)分幅遙感影像，利用ENVI5.2進(jìn)行快速大氣校正、拼接及掩膜處理，得到廣州市域2014年的遙感影像。

2) 植被覆蓋度生成，根據(jù)前人研究[6]的NDVI估算模型：

FC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

在式(1)中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，應(yīng)用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等，也稱為生物量指標(biāo)變化，可使植被因素從水和土中分離出來。NDVImax表示區(qū)域最大NDVI值，NDVImin表示區(qū)域最小NDVI值。因?yàn)閳D像中不可避免有噪點(diǎn)存在，NDVImin和NDVImax不一定是最小或最大的NDVI值，因此根據(jù)5%的累計(jì)百分比選擇置信度區(qū)間，最后由Band Math計(jì)算結(jié)果。

3) 土壤指數(shù)生成，根據(jù)Hay等1978年提出的裸土植被指數(shù)(GRABS)[7]：

GRABS=VI-0.091 78BI+5.589 59

(2)

在式(2)中，VI是穗帽變化[8]的綠度指數(shù)，BI是土壤亮度指數(shù)。BI和VI指數(shù)可分別用來評(píng)價(jià)裸土和植被行為，VI指數(shù)與不同植被覆蓋有較強(qiáng)相關(guān)性，土壤亮度對(duì)植被指數(shù)有相當(dāng)大的影響，裸土信息變化的主要部分是由他們的亮度造成的，因此由VI和BI線性組合形成的裸土植被指數(shù)能很好地反映土壤的裸露情況[9]。

4) 生態(tài)因子歸一化處理及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。在得出植被覆蓋度、土壤指數(shù)及坡度3個(gè)生態(tài)因子之后，直接用來評(píng)價(jià)是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楦鱾€(gè)指標(biāo)的量綱不一致，沒有可比性，因此要對(duì)各因子做歸一化處理。各指標(biāo)量化分值依照其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度采用統(tǒng)一順序的原則，即按照它們對(duì)生態(tài)環(huán)境正向影響的大小從高到低分為10個(gè)等級(jí)，以此為依據(jù)，根據(jù)以下公式進(jìn)行環(huán)境綜合評(píng)價(jià)：

E=W1FDv+W2GBABS+W3S

(3)

在式(3)中，E為自然生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)，W是根據(jù)生態(tài)因子的貢獻(xiàn)度估算的權(quán)重，F(xiàn)C，GRABS，S分別為植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度。通過專家打分法得到3個(gè)生態(tài)因子的權(quán)重：W1=0.65，W2=0.25，W3=0.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度分析

經(jīng)過ENVI5.2計(jì)算可以得到像元值、像元個(gè)數(shù)及累計(jì)百分比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以5%的累計(jì)百分比，同時(shí)對(duì)比直方圖，可以確定置信度區(qū)間：有效最大值和最小值對(duì)應(yīng)的像元為NDVImin=0.07，NDVImax=0.70。根據(jù)植被對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)植被覆蓋度將像元分為10級(jí)，計(jì)算后結(jié)果如表1所示。

表1 植被覆蓋度歸一化指數(shù)

通過密度分割可以得到廣州市植被覆蓋度狀況(圖1)。從圖1中可以看出，廣州市植被覆蓋度呈北高南低、東多西少，總體程度中等，空間分布不均的規(guī)律。植被覆蓋度最高的地區(qū)出現(xiàn)在北部山區(qū)從化及東部的增城，除極少數(shù)區(qū)域存在覆蓋度90%以上的情況外，大多覆蓋度處于60%以下，植被呈連續(xù)分布狀，整體性較強(qiáng)。植被覆蓋度低于10%的地區(qū)占廣州市總面積的50.71%，集中分布在廣州市南部的城市核心區(qū)。該區(qū)域城市化水平高、人口密集，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度低。白云山、大夫山、黃山魯、天河公園、火爐山及海珠濕地為城市核心區(qū)中較高植被覆蓋區(qū)，呈不連片分布狀，是廣州市重要的生態(tài)安全島。

2.2 土壤指數(shù)分析

裸土植被指數(shù)能夠較好地反映土壤被侵蝕的程度，從而在一定程度上表達(dá)了土壤的健康狀態(tài)。依照上述方法可以計(jì)算得到廣州市裸土植被指數(shù)分布區(qū)間為-280～6。根據(jù)像元數(shù)量所占百分比作歸一化處理，計(jì)算后結(jié)果如表2所示。

圖1 廣州市植被覆蓋度狀況

圖2 廣州市土壤指數(shù)狀況

表2 土壤歸一化指數(shù)

通過密度分割可得到廣州市土壤健康狀況(圖2)。從圖2中可以看出，廣州市土壤健康狀況分布與植被覆蓋度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。從空間分布上來看，受植被保育土壤作用的影響，指數(shù)最高值同樣出現(xiàn)在北部的從化區(qū)和東北部的增城區(qū)，最低值仍存在于南部的城市核心區(qū)。從結(jié)構(gòu)上看，土壤等級(jí)為4～8的地區(qū)占全區(qū)面積的98以上，等級(jí)在8以上的土地不到9%，等級(jí)在3以下的地區(qū)不足3%。數(shù)值呈正態(tài)分布，大多數(shù)地區(qū)的土壤被侵蝕水平低，總體保育狀況良好。

2.3 坡度分析

坡度是造成水土流失的最大因素。通常情況下土壤侵蝕量與坡度呈正相關(guān)。根據(jù)DEM影像數(shù)據(jù)可以直接提取坡度信息，按坡度越低越有利于土地資源利用和減少災(zāi)害發(fā)生原則，對(duì)坡度狀況進(jìn)行歸一化處理：將坡度從高到低賦予1～10等級(jí)(表3)。

表3 坡度歸一化指數(shù)

通過密度分割可以得到廣州市坡度狀況(圖3)。從圖3中可以看出，受地形影響，廣州市大部分地區(qū)坡度等級(jí)較高。東北部分布著海拔400～500 m以上的山地，坡度在27°以上；增城區(qū)、花都區(qū)一帶嵌套分布著500 m下的地山丘陵，坡度在18°～27°；坡度小于18°的緩坡集中低分布在增城區(qū)、從化區(qū)及白云區(qū)；南部的城市核心區(qū)也有緩坡地零星分布，但主要以坡度接近0°的沖積平原為主。整體上看，坡度為0～9°的土地占總面積的90.43%，9°～18°的占6.09%，大于18°的僅占3.27%。

2.4 廣州市自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

根據(jù)綜合指數(shù)模對(duì)3幅圖進(jìn)行疊加處理，可以得到一個(gè)單波段的灰度圖像。本研究進(jìn)一步將結(jié)果分為4個(gè)環(huán)境等級(jí)(表4)，再對(duì)其進(jìn)行密度分割，得到最終結(jié)果(圖4)

圖3 廣州市坡度狀況

圖4 廣州市自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 生態(tài)環(huán)境等級(jí)

結(jié)果顯示，廣州市自然生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀。環(huán)境級(jí)別為差的土地占總面積的59.70%，中等占35.79%，良好占4.50%，優(yōu)等僅占約0.01%。其中，自然生態(tài)環(huán)境為差的地區(qū)絕大多數(shù)為南部、西部的城市核心區(qū)以及北部的城鎮(zhèn)密集區(qū)；中等級(jí)別的地區(qū)主要分布在北部、東北部以及南部核心城市區(qū)的白云山地區(qū)，南沙區(qū)、花都區(qū)有少數(shù)嵌套分布；良好級(jí)別的地區(qū)零星分布在北部、東北部的山區(qū)，南部幾乎未見；優(yōu)等級(jí)別的地區(qū)均無法連片存在，僅以幾個(gè)像素的形式出現(xiàn)在良好等級(jí)的地區(qū)之中。自然環(huán)境較差的地區(qū)往往都是城市人口集中的地區(qū)，這些地區(qū)對(duì)土地覆被的改變巨大，為自然災(zāi)害的產(chǎn)生埋下了隱患。

3 結(jié)論與討論

1) 廣州是位于我國(guó)南部的國(guó)家級(jí)中心城市，處于目前世界上最大的城市群珠三角城市群中，必然承受著較為嚴(yán)重的人地矛盾。從評(píng)價(jià)結(jié)果上看，廣州市自然生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀很不樂觀，大多數(shù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定度差，生態(tài)結(jié)構(gòu)不合理，為未來爆發(fā)環(huán)境災(zāi)害事件埋下了隱患。盡管北部、東北部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境較南部地區(qū)稍好，但是隨著大規(guī)模城市化運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行、土地利用程度的加強(qiáng)，以及近些年“撤市設(shè)區(qū)”“衛(wèi)星城市”的推動(dòng)，這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況勢(shì)必呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2) 本文著重討論的是廣州市域范圍內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境水平，而不是對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的健康程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。盡管城區(qū)面積較大的地區(qū)通常比城區(qū)面積較小的地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境差，但這并不意味著城市化水平高的地區(qū)就一定比城市化水平低的地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境差。因?yàn)楹饬砍鞘谢降囊刂谐顺菂^(qū)面積還有人口數(shù)量、職業(yè)性質(zhì)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等要素。對(duì)比同屬珠江地區(qū)的香港，盡管城市化水平極高，但已發(fā)展的土地只占香港總面積1 100 km2的23.7%，即大約263 km2，大部分地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境狀況良好。這要求我們?cè)谶M(jìn)行城市化運(yùn)動(dòng)的過程中，要特別注意土地的集約、節(jié)約利用，做好土地的規(guī)劃及有效利用，加強(qiáng)對(duì)高層空間和地下空間的開發(fā)。

3) 在廣州南部的城市核心區(qū)中，仍有零星散布的環(huán)境級(jí)別相對(duì)較高的地區(qū)，在圖中呈斑塊狀分布。對(duì)比廣州市行政區(qū)劃圖后發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)都是面積較大的城市綠地或濕地公園，表明了一定規(guī)模的城市綠體能夠明顯改善所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況。按照本文建立的評(píng)價(jià)體系，城區(qū)中的自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果通常為“差”，但這些綠體以更高級(jí)別的環(huán)境狀態(tài)交錯(cuò)分布在自然環(huán)境較差的城區(qū)中，改變了差等區(qū)域連片分布的狀態(tài)，成為城區(qū)中的生態(tài)安全島。廣州近些年始終不遺余力地進(jìn)行綠道建設(shè)，積極響應(yīng)廣東省的新一輪廣東大綠化，重視對(duì)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，一定程度上緩解了城市與環(huán)境之間的矛盾。同時(shí)在舊城改造的過程中，應(yīng)考慮將一部分土地轉(zhuǎn)化為城市綠體，在城區(qū)中建立以綠地、綠道為組成的“點(diǎn)—軸”生態(tài)走廊，整體提升城區(qū)自然環(huán)境狀況。

4) 本研究選取植被覆蓋度、土壤指數(shù)及坡度作為環(huán)境因子進(jìn)行研究，一定范圍內(nèi)揭示了廣州市自然生態(tài)環(huán)境的總體狀況及空間差異，具有現(xiàn)實(shí)參考意義。但是以3個(gè)因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出的結(jié)果并不全面，未將河網(wǎng)密度和生物豐富考慮在內(nèi)，有可能低估了廣州市實(shí)際的生態(tài)環(huán)境水平。盡管如此，廣州目前所面臨的生態(tài)環(huán)境與城市發(fā)展之間的矛盾是突出、尖銳的。繼續(xù)加強(qiáng)城市綠地、綠道建設(shè)，合理利用、開發(fā)城市邊緣區(qū)土地，妥善處理、修復(fù)生態(tài)退化地區(qū)，是實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境健康發(fā)展、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

注：圖1至圖4彩圖效果見封三。

[1]Costanza R,d’Arge R,de Groot R,et al．The value of the worldsecosystem and natural capital[J]．Nature,1997,386(5):253-260．

[2]Graymore M L M,Sipe N G,Rickson R E.Sustaining human carrying capacity: a tool for regional sustainability assessment[J].Ecological Economics,69(3):459-468.

[3]Lin Fang.The eco-environmental guarantee for China’s urbanization process[J].Journal of Geographical Sciences,2009,19(1):95-106.

[4]李洪義，史舟，沙晉明，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(8)：1475-1480.

[5]郭秀銳，楊居榮，毛顯強(qiáng).城市生態(tài)足跡計(jì)算與分析：以廣州為例[J].地理研究，2003，22(5)：654-662.

[6]Wang Yajun,Lu Ruijie,Ma Yuzhen,et al.Response to climate change of different tree species and NDVI variation since 1923 in the middle arid region of Ningxia, China[J].Sciences in Cold and Arid Regions,2014,6(1):30-36.

[7]楊存建，劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿椋?遙感和GIS支持下的中國(guó)退耕還林還草決策分析[J].遙感學(xué)報(bào)，2002，6(3)：205-211.

[8]王軍戰(zhàn)，鮑艷松，張友靜，等.K-T變換在監(jiān)測(cè)小麥地表參數(shù)中的應(yīng)用[J].地理與地理信息科學(xué)，2010，26(3)：29-32.

[9]閆妍，朱教君，閆巧玲，等.基于遙感和GIS方法的科爾沁沙地邊界劃定[J].地理科學(xué)，2014，34(1)：122-12.

Natural Ecological Environment Evaluation in Guangzhou Based on Remote Sensing Technology and Comprehensive Index Method

Niu Anyi1Ma JiaoJiao1Chen Zhiyun1,2

(1.School of Geographical Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;2.School of Geographic Science and Tourism, Jiaying University, Meizhou 514015, Guangdong, China)

Based on the interpretation of the ETM remotesensing image of Guangzhou in 2014,the spatial distribution results of three environmental factors including vegetation coverage index(NDVI),soil index(naked figure vegetation index)and the slope were collected.By adopting comprehensive index method after normalization of the environmental factors for weighted super position processing,the final ecological environment evaluation results was obtained for Guangzhou. The results showed that overall natural ecological environment in Guangzhou is not in good situation. The area with excellent eco-environment , fine eco-environment, medium eco-environment only accounts for 0.01%,4.5%and 35.79% of the total area, respectively, while 59.70%of the total area could be classified as inferior eco-environment.In the south of Guangzhou core area,the eco-environment is generally poor,while the north and northeast core area is relatively better.The effort taken to build green spaces and green belt in cities is the effective means toimprove regional environment quality and ameliorate the natural ecological environment.

natural ecological environment, environmental assessment,remotesensing interpretation, comprehensive index method, Guangzhou

2015-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金基于信息圖譜的珠三角人工紅樹林次生濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究(41271060)

牛安逸，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)、城市生態(tài)，E-mail：252553422@qq.com

馬姣嬌，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)、地理信息系統(tǒng)，E-mail：616789440@qq.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2015.06.003