基于MODIS數(shù)據(jù)的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)研究

陳愛(ài)京 肖繼東 張旭

摘要 以2007—2015年4—9月EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源，并結(jié)合氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣（市）的濕潤(rùn)指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)以及農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)進(jìn)行了研究，并通過(guò)農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分析該地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量狀況。結(jié)果表明：2007—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)綜合指數(shù)分別在32.18～37.72之間，近9年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量狀況沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，但總體趨勢(shì)是逐漸增加的，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，本研究可為有關(guān)部門(mén)開(kāi)展生態(tài)建設(shè)規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞 EOS/MODIS；天山北坡經(jīng)濟(jì)帶；農(nóng)田；生態(tài)質(zhì)量；氣象評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào) X826 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）09-0210-03

Abstract Using the satellite data of EOS/MODIS during 2007 to 2015（April to September）as the basic data sources，and combined with meteorological observation data，by using 3S technology，farmland economic belt in north slope of Tianshan Mountains were studied，selecting the four indexes such as moisture index，vegetation cover index，water coverage index and disaster index.The ecological quality of farmland in the area was analyzed through comprehensive index. The results showed that：During 2007 to 2015，economic belt in north slope of Tianshan Mountains counties（cities）of the ecological quality of farmland comprehensive evaluation index between 32.18 and 37.72，nearly nine years of farmland ecological quality of no obvious change，but the overall trend increased，indicating that the ecological environment is improved. This study may be relevant departments to carry out ecological construction and environmental protection plan to provide a scientific basis for decision making.

Key words EOS/MODIS；economic belt in north slope of Tianshan Mountains；farmland；ecological quality；meteorology evaluation

生態(tài)環(huán)境是以人類(lèi)為中心的自然要素和社會(huì)要素相互聯(lián)系、相互制約而構(gòu)成的綜合體，是人類(lèi)生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和空間條件[1-4]。氣象因子作為生態(tài)系統(tǒng)的重要自然屬性，很大程度上影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境背景和生態(tài)環(huán)境適宜度[5-8]。

遙感技術(shù)具有宏觀、多譜段、多時(shí)相等優(yōu)點(diǎn)。近幾年，遙感技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)的研究中，但以MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)的研究較少[9-12]。本文以2007—2015年4—9月的MODIS數(shù)據(jù)為主要的遙感數(shù)據(jù)源，依據(jù)《生態(tài)氣象觀測(cè)規(guī)范（施行）》和《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范（試行）》，選取濕潤(rùn)指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)以及農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行提取研究，結(jié)合氣象資料開(kāi)展了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)研究。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)位條件優(yōu)越，是我國(guó)西北地區(qū)最重要的糧食基地。因此，客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境狀況有重要的意義[13]。

1 研究區(qū)概況及資料來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是形成于沖積扇的條帶狀綠洲城鎮(zhèn)帶，其東西長(zhǎng)約300 km，南北寬約260 km，區(qū)域總面積8.8萬(wàn)km2，地貌上屬于河流形成的沖積扇或淤積平原，地形由東南向西北略傾斜，南高北低，海拔高度在450～1 200 m之間，有大量的泉水在扇緣帶溢出，也是現(xiàn)代主要的綠洲區(qū)。年平均氣溫7.4～9.1 ℃，最低氣溫-37.2～-33.6 ℃，最高氣溫32.4～38.2 ℃，年無(wú)霜期150～179 d[14]。

1.2 數(shù)據(jù)資料來(lái)源

影像數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆地區(qū)2007—2015年4—9月的EOS/MODIS 1B數(shù)據(jù)，由于EOS/MODIS 1B數(shù)據(jù)存在幾何上的畸變[15]，所以通過(guò)EOS/MODIS用戶軟件EOSSHOP，對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正，生成等經(jīng)緯度投影的局地文件LD2（Local Data Version2）。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于同期氣象觀測(cè)站的平均氣溫、降水、氣壓等氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

在生態(tài)環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中，許多觀測(cè)項(xiàng)目用作生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行單因子或多因子綜合的評(píng)價(jià)，但并無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。在此，農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)是運(yùn)用3S技術(shù)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照中國(guó)氣象局制定的《生態(tài)氣象觀測(cè)規(guī)范（施行）》和《生態(tài)質(zhì)量氣象評(píng)價(jià)規(guī)范（試行）》中提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[16-17]，計(jì)算天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣（市）生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指數(shù)：濕潤(rùn)指數(shù)、農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)以及農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，突出考慮了氣候濕潤(rùn)狀況以及環(huán)境災(zāi)害方面的影響評(píng)價(jià)。由于不同的因素對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響程度是不一樣的，采用專(zhuān)家打分法，評(píng)價(jià)指數(shù)選擇0～1之間的數(shù)，然后乘以100為各評(píng)價(jià)指數(shù)最終的分值。各指標(biāo)計(jì)算方法如下：

1.3.1 濕潤(rùn)指數(shù)。濕潤(rùn)指數(shù)系指降水量與潛在蒸散量之比。計(jì)算公式如下：

K=AR/ET×R/ET（1）

式（1）中，AR/ET為濕潤(rùn)指數(shù)的歸一化系數(shù)，R為降水量，ET為蒸散量。

1.3.2 農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)。將不同土地利用/覆被類(lèi)型賦以不同的權(quán)重，得出地表覆被狀態(tài)值，作為生態(tài)狀態(tài)的重要表征之一。計(jì)算公式如下：

農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)=Aveg×（0.6×高覆蓋農(nóng)田面積×生長(zhǎng)期+0.3×中覆蓋農(nóng)田面積×生長(zhǎng)期+0.1×低覆蓋農(nóng)田面積×生長(zhǎng)期）/區(qū)域面積（2）

式（2）中，Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.3.3 水覆蓋指數(shù)。利用EOS/MODIS遙感資料提取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)的水體，計(jì)算公式如下：

水覆蓋指數(shù)=A1ak×（1.0×湖庫(kù)水域面積+0.7×永久性冰雪面積+0.3×季節(jié)性積雪面積）/區(qū)域面積（3）

式（3）中：A1ak為水覆蓋面積的歸一化系數(shù)。

1.3.4 農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)。農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)是指被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干旱災(zāi)害面積占被評(píng)價(jià)區(qū)域面積的比重。干旱指數(shù)是由反演出的土壤濕度按不同的權(quán)重系數(shù)計(jì)算出來(lái)的。農(nóng)田干旱災(zāi)害等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重見(jiàn)表1。

1.3.5 農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。根據(jù)不同屬性指標(biāo)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響方向不同，依據(jù)以上4個(gè)分指標(biāo)及其所占權(quán)重，計(jì)算出天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，最后根據(jù)該指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、較差和差，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)=濕潤(rùn)指數(shù)×0.25+農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)×0.30+水覆蓋指數(shù)×0.2+（1-農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)）×0.25（4）

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)指數(shù)

由天山北坡經(jīng)濟(jì)帶氣象觀測(cè)站的氣象資料可以計(jì)算出2007—2015年的濕潤(rùn)指數(shù)，濕潤(rùn)指數(shù)值在0.252～0.457 之間變動(dòng)。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶年濕潤(rùn)指數(shù)值均小于1，表明每年大氣降水小于植物生理過(guò)程需水量，年降水不足，不利于生態(tài)環(huán)境改善，但從這近9年濕潤(rùn)指數(shù)的線性趨勢(shì)來(lái)看（圖1），濕潤(rùn)指數(shù)有逐漸增大的趨勢(shì)，2015年與近9年的濕潤(rùn)指數(shù)相比偏多20%，其中9月偏多1.1倍，8月偏多70%，6月偏多40%，7月偏少近60%，5月偏少近30%，4月接近常年。

2.2 農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)

本研究利用2007—2015年4—9月的MODIS遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的月和年的農(nóng)田植被指數(shù)。從農(nóng)田植被指數(shù)月變化曲線（圖2）可以看出，2007—2015年的植被指數(shù)變化趨勢(shì)是一致的，植被指數(shù)從4月開(kāi)始逐漸增加，7月或8月達(dá)到最大值，然后開(kāi)始逐漸下降，但2007年的植被指數(shù)明顯高于其他年份；從農(nóng)田植被指數(shù)年變化曲線（圖3）可以看出，植被指數(shù)在0.073～0.046 3之間，其中2007年的植被指數(shù)最大為0.073，2008年最小為0.046 3，從年植被指數(shù)的線性變化趨勢(shì)看是逐漸減小的。2015年農(nóng)田植被指數(shù)與近9年相比接近常年略偏少，其中6月、7月偏少10%～20%，4月、5月、8月和9月接近常年。

2.3 水覆蓋指數(shù)

本文利用2007—2015年的EOS/MODIS遙感資料提取出天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)的水體面積，然后根據(jù)公式計(jì)算出水覆蓋指數(shù)。從水覆蓋指數(shù)年變化曲線（圖4）可以看出，2007—2015年的水覆蓋指數(shù)在0.019 3～0.001 4之間，其中2007年的水覆蓋指數(shù)達(dá)到最大值為0.019 3，2015年的水覆蓋指數(shù)達(dá)到最小為0.001 4，其余年份在這之間波動(dòng)；從這9年的水覆蓋的線性趨勢(shì)看，水覆蓋指數(shù)是逐漸減小的，不利于植被的生長(zhǎng)。2015年水覆蓋指數(shù)與近9年相比偏少70%，其中6月、9月偏少60%，8月、5月、7月和4月偏少70%～80%。

2.4 農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)

災(zāi)害指數(shù)主要考慮的是區(qū)域內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干旱災(zāi)害面積占區(qū)域總面積的比重，主要是根據(jù)反演的土壤濕度按不同的權(quán)重系數(shù)計(jì)算出來(lái)的。從2007—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)變化曲線（圖5）可以看出，農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)是逐漸減小的，除了2010年有異常增加，說(shuō)明總體干旱狀況是逐漸轉(zhuǎn)好的。2007—2015年的農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)在0.012 7～0.038 6之間，其中2010年的干旱災(zāi)害指數(shù)最大為0.038 6，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)最小為0.012 7，其余年份在這之間波動(dòng)，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)與近9年相比偏少50%，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)明顯減小，干濕狀況明顯轉(zhuǎn)好，其中8月偏小99%，5月偏小60%，4月和9月偏小近40%，6月干旱指數(shù)為0。

2.5 農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

根據(jù)濕潤(rùn)指數(shù)、農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)、水覆蓋指數(shù)和農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)的權(quán)重，計(jì)算出天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2007—2015年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值介于0.322～0.379之間，都處于中等，從農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)年變化曲線（圖6）可以看出近9年的變化不是很大，但總體趨勢(shì)是逐漸增加的，2015年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與近9年相比接近常年略偏多，其中4月和9月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為良，5月、6月和8月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為中，7月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為較差；2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與近9年同期相比：全年農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)接近常年略偏多，其中6月和8月偏多10%～20%，9月偏多近30%，5月和7月偏少近10%～20%，4月接近常年略偏少。

3 結(jié)論與討論

（1）從各指數(shù)看，2007—2015年的濕潤(rùn)指數(shù)值在0.252～0.457之間變動(dòng)，從近9年濕潤(rùn)指數(shù)的變化可以看出，濕潤(rùn)指數(shù)有逐漸增大的趨勢(shì)；水覆蓋指數(shù)在0.001 4～0.019 3之間，近9年水覆蓋指數(shù)是逐漸減小的，不利于植被的生長(zhǎng)；植被指數(shù)每年4—9月的變化趨勢(shì)是一致的，從4月開(kāi)始逐漸增加，7月或8月達(dá)到最大值，然后開(kāi)始逐漸下降，但2007年的植被指數(shù)明顯高于其他年份，其他年份變化不是很大，從近9年植被指數(shù)的線性變化趨勢(shì)看是逐漸減小的；農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)在0.012 7～0.038 6之間，從近9年的變化可以看出農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)是逐漸減小的（除了2010年有異常增加），說(shuō)明干旱狀況是逐漸轉(zhuǎn)好的。

（2）從總體上看，2007—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)綜合指數(shù)分別在32.18～37.72之間，農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)均處于中等，近9年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)狀況沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，但總體趨勢(shì)是逐漸增加的，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境是有所好轉(zhuǎn)的，因此要實(shí)現(xiàn)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，就需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

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