基于TM數(shù)據(jù)的阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI分級研究

李清云 王振錫 崔婕 楊光 楊勇強(qiáng) 廉國強(qiáng)

摘 要：借助遙感技術(shù)手段構(gòu)建了阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI，并對其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征進(jìn)行評價。結(jié)果表明，阿克蘇市干度和熱度值較高而綠度和濕度值較低的區(qū)域占主導(dǎo)地位，主要分布在北部、南部大面積荒漠和沙漠地帶，反之，干度和熱度值較低而綠度和濕度值較高的區(qū)域所占比例較小，主要分布在綠洲和少量荒漠、沙漠植被分布區(qū)；2016年阿克蘇市遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI處于2級（0.2～0.4，“較差”）的區(qū)域所占比例最高，為50.43%，其次是3級（0.4～0.6，“一般”），為41.29%。因此，阿克蘇區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量形勢依然比較嚴(yán)峻，還需加大區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)工作的力度。

關(guān)鍵詞：RSEI綜合指數(shù)；TM數(shù)據(jù)；主成分分析；分級評價

中圖分類號：X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.12.018

Abstract：Ecological environmental quality index（RSEI）of Aksu city was constructed by means of remote sensing technology， and its ecological environment quality characteristics was evaluated. The results showed that the area of higher dryness and heat value was dominant， which was distributed in the Gobi， desert regions of Aksu north and southarea， while there was few higher green and humid value areas distributed in oasis， and desert vegetation region. In 2016， the ratio of RSEI level 2 （0.2～0.4） area in Aksu city was 50.43%， and then was RSEI level 3 （0.4～0.6） area（41.29%）. Therefore， regional ecological environment quality of Aksu city was still in severe situation and ecological environment protection should be accelerated.

Key words： RSEI composite index； TM data； principal component； graded evaluation

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞對人類生存質(zhì)量有著直接的影響，隨著全球氣候變暖、大氣污染、水污染、森林銳減、土地退化、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題的加劇，生態(tài)系統(tǒng)合理利用和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題備受關(guān)注。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價是對評價區(qū)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)劣程度進(jìn)行定量分析與定性描述的過程，其目的在于明確該評價區(qū)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀及預(yù)測人類開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。Smith W等[1]基于RS和GIS探索，以遙感、制圖技術(shù)和統(tǒng)計分析方法對坦桑尼亞Batemi河谷的上地利用進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及評價研究；Basso等[2]利用遙感數(shù)據(jù)和GIS對意大利南部的Agri流域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境敏感性評價；左偉等[3]基于TM影像實現(xiàn)了對土地覆被數(shù)據(jù)的提取，并利用GIS分析了其時空變化的驅(qū)動力和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；劉瑞等[4]建立了基于RS技術(shù)的縣級區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評價模型；徐涵秋[5-6]和羅春等[7]利用遙感指數(shù)對福建長汀水土流失區(qū)進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及動態(tài)監(jiān)測；徐涵秋[5-6]選取了綠度、濕度、熱度、干度等完全基于遙感的指標(biāo)，利用主成分分析法構(gòu)建了遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，該指數(shù)在水土流失區(qū)及城市的生態(tài)環(huán)境評價中得到了廣泛應(yīng)用，該指數(shù)與《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》中的評價指數(shù)EI的計算結(jié)果具有可比性，不同的是RSEI指數(shù)不僅是一個量化指標(biāo)，同時還可以將區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行可視化、時空分析、建模和預(yù)測，因此，該指數(shù)彌補(bǔ)了EI指數(shù)在這些方面存在的不足。RSEI評價方法所需的指標(biāo)均從遙感影像獲得，現(xiàn)時性較好，便于進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化的快速評價。

新疆阿克蘇市是“中國紅富士蘋果之鄉(xiāng)”和“國家級優(yōu)質(zhì)商品棉基地”，本研究借助遙感技術(shù)手段，對2016年阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定量分析，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和政策制定提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

阿克蘇市位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，北靠天山托木爾峰，東望塔里木河，西界吉爾吉斯斯坦天山邊境，南鄰塔里木盆地，處于79°39′～82°01′E，39°30′～42°27′N，是阿克蘇地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，是新興的環(huán)保型生態(tài)城市，也是一個多民族聚居區(qū)。阿克蘇市屬典型的大陸性暖溫帶干旱氣候區(qū)，光熱資源豐富，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，無霜期205～219 d，全年日照時數(shù)為2 855～2 967 h，年均氣溫9.9～11.5 ℃，日平均氣溫≥0 ℃，年降水量為42.4～94.4 mm。干旱少雨，風(fēng)大沙多，自然環(huán)境脆弱，環(huán)境承載能力較低。

研究區(qū)地域遼闊，地勢平坦，地形西高東低。市區(qū)距烏魯木齊市公路里程1 010 km。市轄4鄉(xiāng)2鎮(zhèn)1場，土地總面積為144.2 hm2，地貌以沖積平原和沙漠為主，占區(qū)域總面積的95.40%，其他為山地，占4.60%。全市地貌可劃分為3個類型區(qū)：西北部陰干山區(qū)，覆蓋十分稀疏的荒漠植被；中部洪積平原為綠洲地帶，屬流水侵蝕地貌；東南部沙漠區(qū)，為塔克拉瑪干大沙漠西北部的一部分，屬風(fēng)成干燥地。阿克蘇市自建市以來，一直把植物造景、綠化美化作為城市發(fā)展的突破口，力爭建設(shè)良好的生態(tài)環(huán)境。由于阿拉爾市位于阿克蘇市行政范圍內(nèi)，為了保證遙感數(shù)據(jù)的連續(xù)性，故本研究范圍包含阿拉爾市，將阿克蘇市行政界限以內(nèi)的所有區(qū)域作為研究范圍。研究區(qū)行政區(qū)劃圖見圖1。

1.2 遙感影像及處理

本研究使用的Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局USGS（United States Geological Survey）。選取2016年植被生長季，云量較少，且時相相近，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的遙感影像，共獲取5幅遙感數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、幾何校正、直方圖配準(zhǔn)等預(yù)處理。其中：輻射校正采用Gyanesh等[8]和Pat[9]參數(shù)模型，將影像的灰度值轉(zhuǎn)換成傳感器處的反射率，以減少不同影像在光照、地形和大氣等方面的差異；不同時相影像之間的配準(zhǔn)采取二次多項式模型，配準(zhǔn)是通過直方圖匹配進(jìn)一步消除不同數(shù)據(jù)之間的時相差異；圖像重采樣方法為最近鄰像元法，保證配準(zhǔn)的均方根誤差控制在0.5個像元以內(nèi)；最后，利用阿克蘇市邊界圖，裁剪出研究區(qū)域影像。

1.3 基于遙感數(shù)據(jù)的RSEI生態(tài)環(huán)境指數(shù)

本研究所采用的RSEI指數(shù)方法是徐涵秋[6]提出的一個新型遙感生態(tài)指數(shù)，能夠快速地監(jiān)測和評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。在反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的諸多因素中，綠度、濕度、熱度、干度與人們的日常生活息息相關(guān)，也是人類直觀感覺判別生態(tài)條件優(yōu)劣的最重要的因素，因此常被用于評價生態(tài)系統(tǒng)[10-13]。本研究中以植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù)指標(biāo)來代替綠度、濕度、熱度和干度因子，定量、客觀地評價2016年阿克蘇市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI函數(shù)如下：

SEI=（Greenness，Wetness，Heat，Dryness）（1）

其遙感定義為：

RSEI=f（NDVI，Wet，LST，NDSI）（2）

式中，Greenness為綠度，Wetness為濕度，Heat為熱度，Dryness為干度。植被指數(shù)NDVI間接表示綠度指標(biāo)，Wet代表濕度指標(biāo)，地表溫度LST間接代表熱度指標(biāo)，NDSI代表干度指標(biāo)。各指標(biāo)計算采用徐涵秋[6]的計算方法。

基于ENVI 5.1遙感數(shù)據(jù)處理平臺，通過主成分分析法、歸一化處理等獲取生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI。生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI計算公式如下：

RSEI0=1-PC[f（NDVI，Wet，NDSI，LST）]（3）

RSEI0為初始生態(tài)環(huán)境指數(shù)，歸一化處理采用公式（3）進(jìn)行。

RSEI=（RSEI0-RSEI0min）/（RSEI0max-RSEI0min）（4）

1.4 數(shù)據(jù)處理

綠度指標(biāo)，用NDVI計算值來表示；濕度指標(biāo)，用Wet計算值表示；熱度指標(biāo)，用LST計算值表示；在確定比輻射率ε時，先計算各期影像NDVI值，然后采用混合像元分解法求植被覆蓋度Pv和ε干度指標(biāo)，用NDSI計算值表示。

利用ENVI 5.1 SP3分析平臺對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運用Arcgis 10.5軟件進(jìn)行分析制圖。對影像的預(yù)處理，如輻射定標(biāo)、Flaash大氣校正、裁剪、配準(zhǔn)等步驟都要精準(zhǔn)到位；對不同時期影像必須經(jīng)過大氣校正處理，將原始數(shù)據(jù)的DN值轉(zhuǎn)換為反射率值計算；Landsat影像有多種數(shù)據(jù)形式，在進(jìn)行計算時要選擇與傳感器相對應(yīng)的參數(shù)和公式，不能將基于DN值的公式用來計算影像反射率，不能將增強(qiáng)型專題制圖儀ETM+的公式用來計算專題制圖儀TM的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠度、濕度、熱度和干度指標(biāo)分析

基于ENVI 5.1遙感數(shù)據(jù)處理平臺，獲取了研究區(qū)綠度、濕度、熱度、干度4個指標(biāo)數(shù)據(jù)。為了便于數(shù)據(jù)比較分析，對每個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理（介于0.0～1.0之間），并以0.2為間隔分成5個等級。

2.1.1 綠度指標(biāo) 綠度指標(biāo)即歸一化植被指數(shù)NDVI，是反映經(jīng)濟(jì)林長勢、植物生長狀態(tài)和植被空間分布密度的最佳指示因子。根據(jù)影像提取的綠度指標(biāo)分級圖見圖2。

綠度指標(biāo)越大的區(qū)域顏色偏于藍(lán)色，表征植被覆蓋程度越高；指標(biāo)數(shù)值越小則偏于紅色，表征植被覆蓋程度越低。從圖2可以看出，2016年研究區(qū)綠度指標(biāo)出現(xiàn)的區(qū)域由多至少依次為3級（0.4～0.6）、4級（0.6～0.8）、2級（0.2～0.4）、1級（0.0～0.2）、5級（0.8～1.0）最少，分別占區(qū)域總面積的71.8%，17.9%，7.0%，2.4%，0.9%；其中3級（0.4～0.6）范圍主要分布在荒漠、戈壁和沙漠區(qū)域，4級（0.6～0.8）范圍主要分布在綠洲和一些戈壁、沙漠區(qū)域，5級（0.8～1.0）范圍主要分布在阿克蘇市和阿拉爾市的綠洲經(jīng)濟(jì)林種植區(qū)域。這說明研究區(qū)植被覆蓋區(qū)域較少且分布不均衡，這與阿克蘇市植被分布情況相一致，即北部主要為荒漠，南部則以沙漠為主，綠洲主要沿阿克蘇河沖積平原分布。

2.1.2 濕度指標(biāo) 根據(jù)遙感纓帽變換中土壤、植被所反映的濕度分量，對遙感圖像做線性正交變換，得出濕度指數(shù)，反映出土壤和植被的濕度特征。根據(jù)影像提取的濕度指標(biāo)分級圖見圖3。

濕度指標(biāo)較大的區(qū)域色調(diào)偏于綠色和白色，反之偏于與黃色和棕褐色。從圖3可以看出， 2016年阿克蘇市的濕度指標(biāo)處于3級（0.4～0.6）和4級（0.6～0.8）的區(qū)域較多，分別占區(qū)域總面積的40%和26%，主要位于綠洲和荒漠植被著生地帶；其次是2級（0.2～0.4）和1級（0.0～0.2），分別占20%和10%，主要位于荒漠和沙漠植被著生地帶；而5級（0.8～1.0）區(qū)域分布范圍最小，占4%，主要位于綠洲和阿克蘇水系分布地帶。這說明研究區(qū)濕度大的區(qū)域較少且分布不均衡，與阿克蘇市河流、水系分布情況相一致。

2.1.3 熱度指標(biāo) 本研究中熱度指標(biāo)主要由地表溫度來代表，地表溫度是環(huán)境溫度的主體，是城市熱島效應(yīng)的基本體現(xiàn)。熱度指標(biāo)越大的區(qū)域顏色越偏于紅色，反之越偏于藍(lán)色。從圖4可以看出，2016年阿克蘇市的熱度指標(biāo)處于第5級（0.8～1.0）的區(qū)域較多，占區(qū)域總面積的40%，第3級（0.4～0.6）和第4級（0.6～0.8）區(qū)域的次之，分別占25%和20%，第2級（0.2～0.4）區(qū)域占10%，第1級（0.8～1.0）區(qū)域最少，占5%。阿克蘇市屬典型的大陸性暖溫帶干旱氣候區(qū)，光熱資源豐富，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，阿克蘇市的年平均氣溫在10.8 ℃，極端最高氣溫達(dá)40.7 ℃，極端最低氣溫為-27.6 ℃，日平均溫度大于10 ℃的天數(shù)有197 d，本文中得到的熱度指標(biāo)與當(dāng)?shù)貙嶋H溫度變化一致，是影響阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素。

2.1.4 干度指標(biāo) 干度指標(biāo)選用的是裸土指數(shù)，本研究中的干度指標(biāo)由建筑指數(shù)IBI[14]和裸土指數(shù)SI[15]合成得到。干度指標(biāo)越大的區(qū)域顏色越偏于黃色，反之越偏于藍(lán)色。從圖5可以看出，2016年阿克蘇市干度指標(biāo)處于第5級（0.8～1.0）的區(qū)域最多，占區(qū)域總面積的45%，第4級（0.6～0.8）區(qū)域次之，占20%，第3級（0.4～0.6）和第2級（0.2～0.4）區(qū)域分別占15%和12%，第1級（0.0～0.2）區(qū)域最少，占8%。這主要由阿克蘇市特殊的自然環(huán)境所決定的，阿克蘇市北部、南部為大面積荒漠和沙漠，未利用土地占土地總面積的71.85%，綠洲范圍不足30%；中部區(qū)域干度較大的原因主要是城鎮(zhèn)擴(kuò)張，建筑用地有所增加造成[16-17]。

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)提取

通過主成分分析對阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)指標(biāo)進(jìn)行提取，各分量特征值和特征值貢獻(xiàn)率如表1所示。

從表1可以看出，經(jīng)過主成分變換后第一主成分包含了4個指標(biāo)中絕大多數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的信息，研究區(qū)4個指標(biāo)（植被、濕度、干度和熱度）的第一主分量的特征值0.099 9，特征值貢獻(xiàn)率達(dá)83.94%，四期遙感數(shù)據(jù)中的第一主成分（PC1）特征值累積貢獻(xiàn)率均大于80.0%，其第一主分量的結(jié)果為極顯著，且包含了4個指標(biāo)中的絕大多數(shù)信息，可用合成的PC1來替代原有的綠度指標(biāo)、濕度指標(biāo)、熱度指標(biāo)和干度指標(biāo)，并以此合成新遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)RSEI。因此，本研究以主成分分析第一主分量來代表綠度、濕度、干度和熱度指標(biāo)的信息，并以此構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分級與評價

生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI越大表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之則越差。為了更好地分析RSEI生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價結(jié)果，將主成分變換得到的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（介于0.0～1.0之間）以0.2為間隔分成5個級別，即0.0～0.2為1級、 0.2～0.4為2級、0.4～0.6為3級、0.6～0.8為4級、0.8～1.0為5級，分別代表差、較差、一般、良和優(yōu)的5個等級。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI分級情況如圖6所示。經(jīng)計算，2016年阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的均值為0.492 8，在總體水平上處于3級，說明其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于“一般”等級。

為進(jìn)一步了解研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級狀況，分別統(tǒng)計5個級別的像元數(shù)量及比例情況，從統(tǒng)計結(jié)果（表2）來看，2016年阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值RSEI處于2級（ 0.2～0.4）的區(qū)域最多，3級（0.4～0.6）位列第2位，二者合計占區(qū)域總面積的91.72%；1級（0.0～0.2）和5級（0.8～1.0）所占比重較小，二者比例之和僅為4.21%。由此可見，2016年阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要處于“較差”的等級。

從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI等級分布來看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量界定為“優(yōu)”和“良”的區(qū)域（5級和4級）主要集中在阿克蘇河水系兩側(cè)的綠洲區(qū)域；處于“一般”水平的（3級）范圍主要分布在綠洲區(qū)域和植被覆蓋度較高的荒漠和沙漠地區(qū)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“差”和“較差”的區(qū)域主要位于植被非常稀疏的塔克拉瑪干沙漠腹地和部分戈壁區(qū)域。也就是說，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體評價為“較差”的原因主要是研究區(qū)特殊的地理位置分布所決定的。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)綠度、濕度、熱度、干度4個指標(biāo)數(shù)據(jù)分析表明，綠度、濕度值普遍較低，二者較高值的分布區(qū)域在綠洲、河流周邊區(qū)域和少量荒漠、沙漠植被的分布區(qū)；而干度和熱度值普遍較高，區(qū)域分布以北部、南部戈壁、沙漠區(qū)域為主；在這4個遙感生態(tài)指標(biāo)中濕度、綠度對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正面作用，而熱度和干度則起負(fù)面作用，其中代表綠度指標(biāo)的植被覆蓋度（NDVI）對生態(tài)指數(shù)的貢獻(xiàn)最大，說明植被是阿克蘇市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重要的影響因子。這主要由阿克蘇市特殊的自然環(huán)境所決定的，阿克蘇市北部、南部為大面積荒漠和沙漠，未利用土地占土地總面積的71.85%，綠洲范圍不足30%，區(qū)域內(nèi)主要以干熱為主的荒漠和沙漠地貌類型為主。

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分級情況表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值RSEI處于2級（ 0.2～0.4）的區(qū)域占區(qū)域總面積比例達(dá)50.43%，主要位于植被非常稀疏的塔克拉瑪干沙漠腹地和部分戈壁區(qū)域，總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于“較差”的等級，這主要是研究區(qū)特殊的地理位置分布所決定的。而處于3級（0.4～0.6，“一般”）的區(qū)域占41.29%，主要分布在綠洲區(qū)域和植被覆蓋度較高的荒漠和沙漠地區(qū)。自2000年以來，自治區(qū)加快了新疆林業(yè)生態(tài)體系和產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)步伐，陸續(xù)開展了森林分類經(jīng)營、退耕還林、特色林果產(chǎn)業(yè)等重大林業(yè)工程，阿克蘇市林地面積有所增長，使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在一定程度上得到了提高和改善，但仍需采取人工輔助措施進(jìn)一步開展植被保護(hù)和土地資源合理利用，其生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)還需進(jìn)一步努力。

基于遙感生態(tài)指數(shù)的阿克蘇市生態(tài)環(huán)境綜合評價結(jié)果表明，該方法能夠在一定程度上揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布與變化特征，但由于遙感數(shù)據(jù)時相不一致、分辨率不高等因素限制，所得結(jié)果還需要通過多種遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行進(jìn)一步驗證，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的驅(qū)動力及對策研究仍需深入開展。

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