近30年黃河三角洲生態(tài)環(huán)境遙感評(píng)價(jià)

侯學(xué)會(huì) 李新華 隋學(xué)艷 梁守真 王猛

摘要：受自然和人為因素的影響，黃河三角洲生態(tài)環(huán)境日益脆弱，制約了該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。以四期Landsat數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，計(jì)算綜合研究區(qū)綠度、濕度和干度三種信息的遙感生態(tài)指數(shù)，并基于主成分分析法確定三因子的權(quán)重，對(duì)黃河三角洲1987—2016年間的生態(tài)環(huán)境時(shí)空格局開(kāi)展定性和定量評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，黃河三角洲生態(tài)環(huán)境在空間上存在顯著差異，從內(nèi)陸向沿海，生態(tài)環(huán)境逐漸變差，且生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般的區(qū)域占研究區(qū)陸地面積的47.20%～58.99%。近30年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，但又有波動(dòng)，以1995年前后生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好。本研究結(jié)論與已有成果比較一致，可以為黃河三角洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源開(kāi)發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遙感生態(tài)指數(shù)；Landsat 數(shù)據(jù)；黃河三角洲；生態(tài)環(huán)境

中圖分類號(hào)：S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）02-0007-06

Abstract Affected by natural and human factors， the ecological environment of the Yellow River Delta is increasingly fragile， which restricts the sustainable development of this region. Based on four phrases Landsat data as the remote sensing data sources，we calculated a remote sensing ecological index （RSEI） combining three indicators from remote-sensing components as greenness， wet and dryness， and determined their weights based on principal component analysis.Then the spatial and temporal pattern of ecological environment in the Yellow River Delta from 1987 to 2016 was evaluated according to the RSEI. It was found that the ecological environment of the Yellow River Delta had significant differences in spatial pattern， which showed gradually deteriorating from inland to coastal areas， and the ratio of the “general” degree occupied 47.20%～58.99% of the total research area. In the past 30 years， the eco-environmental quality of the research area declined as a whole but fluctuated during different periods.The ecological environment quality was relatively the best in 1995. The conclusion of this paper was consistent with the existing results， and it could provide some references for the ecological protection and resource development of the Yellow River Delta.

Keywords Remote sensing ecological index；Landsat data；The Yellow River Delta； Ecological environment

黃河三角洲是我國(guó)暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)，也是我國(guó)東部沿海綜合資源最豐富的地區(qū)之一。另外，黃河三角洲地處山東省藍(lán)黃色經(jīng)濟(jì)帶的核心地段，水庫(kù)建設(shè)、油田開(kāi)發(fā)、養(yǎng)殖業(yè)等人類活動(dòng)不斷加劇。雖然有國(guó)家制定的各項(xiàng)保護(hù)政策，但受全球氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的影響，該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到了不同程度的干擾和破壞，生態(tài)環(huán)境愈加脆弱，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究，可為黃河三角洲生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。

傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境調(diào)查方法需耗費(fèi)大量的人力、物力，且調(diào)查周期較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)范圍有限。遙感技術(shù)以其宏觀、快速和實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要手段之一[1-5]，如已基于遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展了對(duì)濱海濕地[1，2]、森林[6]、草地[7，8]、城市[9]等生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。在對(duì)比國(guó)家環(huán)境保護(hù)部的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[10，11]基礎(chǔ)上，徐涵秋構(gòu)建了遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index，RSEI）[12]。與已有生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方法相比，RSEI不受人為因素的影響，組成指標(biāo)完全通過(guò)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，能比較客觀地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，且與我國(guó)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)因子——生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（ecological index，EI）具有較好的一致性。

針對(duì)黃河三角洲的生態(tài)環(huán)境，許多學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)研究，如基于遙感和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用層次分析法對(duì)黃河三角洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行總體分析[13]，基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)黃河三角洲景觀格局進(jìn)行探討等[14-17]。但已有研究在進(jìn)行生態(tài)環(huán)境時(shí)間序列對(duì)比分析時(shí)，都只是對(duì)研究區(qū)各年的生態(tài)環(huán)境狀況分別進(jìn)行歸一化，忽略了不同年份間生態(tài)環(huán)境整體狀況的差異，導(dǎo)致歸一化后的年際生態(tài)環(huán)境指數(shù)可比性差。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以四期Landsat數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，以現(xiàn)代黃河三角洲為主要研究區(qū)，以遙感指標(biāo)在時(shí)間范圍內(nèi)的整體性與統(tǒng)一性為參考依據(jù)，對(duì)黃河三角洲近30年的生態(tài)環(huán)境時(shí)空格局進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為黃河三角洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)與開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文以現(xiàn)代黃河三角洲為主要研究區(qū)，其范圍是以墾利縣魚(yú)洼為頂點(diǎn)，北起挑河口，南至宋春榮溝，主要位于東營(yíng)市轄區(qū)內(nèi)，包括河口區(qū)東部、墾利北部和利津東部（圖1）?，F(xiàn)代黃河三角洲屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫12.1℃，年均降水量551.6 mm，其中70%的降水集中在夏季，是我國(guó)暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地，地處山東省藍(lán)黃經(jīng)濟(jì)帶的核心。研究區(qū)土壤類型主要為隱域性潮土和鹽土，植被以鹽生植被為主，植物種群組成簡(jiǎn)單，主要以蘆葦（Phragmites australis）、檉柳（Tamarix chinensis）和堿蓬（Suaeda salsa） 為主。生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)源為1987—2016年間覆蓋研究區(qū)的四景Landsat 影像，行列號(hào)為121/34，為盡量消除衛(wèi)星影像獲取時(shí)間差異帶來(lái)的結(jié)果不確定性，充分體現(xiàn)研究區(qū)植被信息，使用的遙感數(shù)據(jù)成像時(shí)間為8、9月份，具體成像時(shí)間及傳感器分別為1987-08-11 Landsat 5、1995-09-18 Landsat 5、2008-09-05 Landsat 5、2016-08-26 Landsat 8。

提取生態(tài)環(huán)境指標(biāo)前需要對(duì)不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理，以獲得真實(shí)的地物光譜信息。本研究在ENVI 5.1下對(duì)Landsat 影像進(jìn)行預(yù)處理，主要步驟為：①利用Landsat 5/8 影像定標(biāo)文件對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將原始DN（digital number）值轉(zhuǎn)換為輻亮度；②利用FLAASH模型對(duì)輻亮度進(jìn)行大氣校正，得到真實(shí)地表反射率數(shù)據(jù)；③利用一景精校正后的Landsat 7（121/34）影像，對(duì)4景Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，將誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。

2 研究方法

2.1 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

借鑒徐涵秋提出的遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index，RSEI），考慮Landsat 5和Landsat 8兩個(gè)傳感器波譜差異，僅以自然生態(tài)環(huán)境的3個(gè)重要指標(biāo)作為擬建生態(tài)指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即綠度、干度和濕度，其中以歸一化植被指數(shù)NDVI作為綠度表征，干度指數(shù)NDSI表征干度，纓帽變換后的濕度分量wet作為濕度的表征，不考慮溫度對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

2.2 生態(tài)指標(biāo)構(gòu)建

（1）歸一化植被指數(shù)NDVI：

（2）干度指數(shù)NDSI以裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI二者耦合而成，即：

公式（2）～（5）中的ρi （i= 1，2，…，5）分別為L(zhǎng)andsat第1波段（藍(lán)波段）、第2波段（綠波段）、第3波段（紅波段）、第4波段（近紅外）、第5波段（短波紅外）的反射率。

（3）濕度指數(shù)wet：在ENVI軟件中對(duì)預(yù)處理后的tm衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行纓帽變換，取纓帽變換后的濕度分量作為本研究使用的濕度指數(shù)。

2.3 生態(tài)指標(biāo)歸一化

由于據(jù)公式計(jì)算出的NDVI、NDSI、wet量綱不同，在后續(xù)分析之前，需先進(jìn)行歸一化處理，將不同量綱的數(shù)據(jù)規(guī)范到[0，1]區(qū)間，轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱指標(biāo)。歸一化公式為：

其中，NIi為正規(guī)化后的某一指標(biāo)值；Indicatori為該指標(biāo)在像元i的值；Indicatormax為該指標(biāo)的最大值；Indicatormin為該指標(biāo)的最小值。為使不同年份具有統(tǒng)一性和可比性，本研究中Indicatormax和Indicatormin分別取該指標(biāo)在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)的最大值和最小值。

2.4 各生態(tài)指標(biāo)因子權(quán)重的確定

RSEI表征的是NDVI、NDSI和wet三個(gè)因子的綜合信息，各因子在RSEI中的貢獻(xiàn)和地位通過(guò)其權(quán)重表示，為消除人為因素在各因子權(quán)重確定時(shí)的影響，本文基于主成分分析法（principal component analysis，PCA）進(jìn)行多指標(biāo)集成，自動(dòng)客觀地確定各因子的貢獻(xiàn)度。結(jié)果如表1所示。在四個(gè)不同年份，3個(gè)指標(biāo)的第一主成分（PC1）的累積貢獻(xiàn)率均超過(guò)了75%，說(shuō)明第一主成分最大限度地集合了各指標(biāo)的特征，能夠用來(lái)創(chuàng)建綜合評(píng)價(jià)參數(shù)。而且，在PC1中，綠度指數(shù)NDVI和濕度指數(shù)wet的權(quán)重均為正值，說(shuō)明這兩個(gè)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境起正面作用，而干度指數(shù)NDSI的貢獻(xiàn)值為負(fù)，說(shuō)明其對(duì)生態(tài)環(huán)境起負(fù)面作用，這與實(shí)際情況相符。

3 結(jié)果與分析

3.1 RSEI空間格局

根據(jù)表1主成分分析結(jié)果，我們分別建立了不同年份的RSEI綜合指標(biāo)集。為了更好地對(duì)遙感生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們依據(jù)公式（6）對(duì)RSEI同樣做歸一化，其中RSEImax和RSEImin分別指當(dāng)年RSEI的最大值和最小值。結(jié)果如圖2所示。

可以看出，受黃河來(lái)水來(lái)沙、海水沖刷及人類活動(dòng)的影響，研究區(qū)陸地面積和水域面積一直處在變化狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，四個(gè)時(shí)期研究區(qū)陸地面積分別為20.16、21.49、22.53、20.43 hm2。從內(nèi)陸向沿海，生態(tài)環(huán)境指標(biāo)逐漸降低，特別是海岸帶附近，RSEI都在0.4以下，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。相對(duì)其他區(qū)域，河流沿岸生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好，一般在0.5以上。以00.6的區(qū)域僅為0.001%，而1995年該等級(jí)區(qū)域幾乎占到了陸地面積的一半，為46.62%。

3.2 RSEI時(shí)間變化特征

為更好地展現(xiàn)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境時(shí)間變化特征，我們按照3.1中的“差、一般和良”三個(gè)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)四期非水體區(qū)域的RSEI重新賦值為1、2、3，然后進(jìn)行兩兩相減，根據(jù)相減的數(shù)值大小，將生態(tài)環(huán)境變化結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，如圖3所示。

與1987年相比，2016年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降程度較小，僅有2.83%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著變差趨勢(shì)，32.72%的區(qū)域略微變差，生態(tài)環(huán)境向良性改變的區(qū)域占到14.98%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生改變的區(qū)域占到49.48%。分時(shí)間段來(lái)看，1987—1995年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)改良趨勢(shì)，且改良面積占到研究區(qū)面積的57.92%，生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域僅為7.64%；1995—2008年，生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變的區(qū)域?yàn)?6.29%，其中，46.12%的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微變差；2008—2016年，除生態(tài)保護(hù)區(qū)外，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要呈下降趨勢(shì)，下降面積占研究區(qū)陸地面積的45.69%，其中2.23%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著變差的趨勢(shì)，43.46%的區(qū)域呈略微變差趨勢(shì)，未發(fā)生改變的區(qū)域所占比例為52.07%。

4 結(jié)論

本研究完全基于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，以開(kāi)展現(xiàn)代黃河三角洲近30年生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受自然和人為因素的共同影響：

（1）黃河三角洲生態(tài)環(huán)境在空間上存在顯著差異，從內(nèi)陸向沿海，生態(tài)環(huán)境逐漸變差，且大部分區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般，這與東營(yíng)市農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景分區(qū)結(jié)果（數(shù)據(jù)來(lái)源于東營(yíng)市農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景調(diào)查）比較一致。

（2）從時(shí)間變化上來(lái)看，受耕地、建設(shè)用地、陸地水域、鹽堿地、鹽田、養(yǎng)殖水面等人工用地面積不斷增加而草地和灘涂等自然植被面積減少的影響[18，19]，1987—2016年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域主要集中在被劃為生態(tài)林區(qū)和草場(chǎng)封育畜牧養(yǎng)殖區(qū)的河流沿岸及被劃為自然生態(tài)保護(hù)區(qū)的黃河入?？趨^(qū)域。

（3）四個(gè)時(shí)間段內(nèi)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)“變好—一般變差—變差”的波動(dòng)趨勢(shì)，其中以1995年前后生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好，這與章蟄[18]、蔡冬梅[20]等采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)模型得到的研究結(jié)果一致。

黃河三角洲濕地是世界上比較特殊的濕地之一，其生態(tài)系統(tǒng)倍受國(guó)際關(guān)注。近幾十年，受自然和人為因素的共同影響，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境日益脆弱。本文基于遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展的黃河三角洲生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，結(jié)論與已有研究結(jié)果比較一致，可以為黃河三角洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源開(kāi)發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] Ivits E，Cherlet M，Mehl W，et al. Estimating the ecological status and change of riparian zones in Andalusia assessed by multi-temporal AVHHR datasets [J]. Ecological Indicators，2009，9（3）：422-431.

[2] Moran M S，Peters-Lidard C D，Watts J M，et al.Estimating soil moisture at the watershed scale with satellite-based radar and land surface models [J].Canadian Journal of Remote Sensing，2004，30（5）：805-826.

[3] 孟巖，趙庚星.基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的河口區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)——以黃河三角洲墾利縣為例[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2009，29（2）：163-167.

[4] 程晉南，趙庚星，李紅，等.基于RS和GIS的土地生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)及其動(dòng)態(tài)變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（11）：83-88.

[5] 易達(dá)，甘淑，王策，等. 滇中星云湖流域水生態(tài)環(huán)境健康評(píng)估指標(biāo)體系應(yīng)用研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58（4）：644-647.

[6] Ochoa-Gaona S，Kampichler C，de Jong B H J，et al.A multi-criterion index for the evaluation of local tropical forest conditions in Mexico[J].Forest Ecology and Management，2010，260（5）：618-627.

[7] Sullivan C A，Skeffington M S，Gormally M J，et al.The ecological status of grasslands on lowland farmlands in western Ireland and implications for grassland classification and nature value assessment [J].Biological Conservation，2010，143（6）： 1529-1539.

[8] 韓剛，李瑞平，王思楠，等. 基于多尺度遙感數(shù)據(jù)的荒漠化草原旱情監(jiān)測(cè)及時(shí)空特征[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，33（6）：1301-1308.

[9] Xu H Q，Ding F，Wen X L. Urban expansion and heat island dynamics in the Quanzhou region，China[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2009，2（2）：74-79.

[10]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ/T192-2006 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

[11]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ 192-2015 生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2015.

[12]徐涵秋.區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的遙感評(píng)價(jià)指數(shù)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（5）：889-897.

[13]楊海波，王宗敏，王世巖.基于 RS 與 GIS 的黃河三角洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].水利水電技術(shù)，2011，42（7）：24-27.

[14]葉慶華，劉高煥，田國(guó)良，等.黃河三角洲土地利用時(shí)空復(fù)合變化圖譜分析[J].地球科學(xué)，2004，34（5）： 461- 474.

[15]孫萬(wàn)龍，孫志高，田莉萍，等.黃河三角洲潮間帶不同類型濕地景觀格局變化與趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（1）：215-225.

[16]韋仕川，吳次芳，楊楊，等.基于 RS和 GIS的黃河三角洲土地利用變化及生態(tài)安全研究——以東營(yíng)市為例[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（1）：185-189.

[17]韓美.基于多期遙感影像的黃河三角洲濕地動(dòng)態(tài)與濕地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)， 2012.

[18]章蟄.黃河三角洲景觀格局變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2016.

[19]李逸凡.近32年黃河三角洲景觀格局變化研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[20]蔡冬梅.黃河三角洲土地利用/覆蓋變化與生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究[D].南京：東南大學(xué)，2016.