基于遙感生態(tài)指數(shù)的貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境評價

章 勇，姚志強

（池州學院資源環(huán)境學院，安徽池州247000）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程不停推進，人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響也越來越凸顯，如大氣污染，水污染，固體廢物污染等。隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的必要性，越來越突出。城市工作是一個系統(tǒng)性的工程，需要統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活、生態(tài)三大布局。2017年3月，李克強總理在第十二屆全國人民代表大會第五次會議上提出“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的新詞。在加快城市建設的同時，還需要改善和保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，如何快速、大范圍地進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境評價，顯得尤為重要。利用遙感進行快速大范圍的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和分析評價，是一種可行的途徑。因此，本文以池州市貴池區(qū)為例，利用遙感生態(tài)指數(shù)對貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行分析評價。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)預處理

1.1 研究區(qū)

本文以池州市貴池區(qū)（北緯：30°40′27.27″,東經(jīng)：117°29′44.47″）為研究區(qū)，貴池區(qū)整體面積為兩千五百多平方千米，在安徽南邊，沿江城市。北邊海拔低，地形比較平坦，主要是城區(qū)。南邊海拔高，屬于山區(qū)，群山起伏，綠樹如云，植被覆蓋率高。貴池區(qū)境內(nèi)河流比較多，主要有黃湓河、秋浦河、龍舒河、白洋河、九華河、青通河等。氣候溫和，為亞熱季風性，四季分明，環(huán)境優(yōu)美。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

本文以池州市貴池區(qū)2016-7-26 Landsat8遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。利用貴池區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)將貴池區(qū)影像裁剪出來。圖1為裁剪后貴池區(qū)543波段組合顯示結(jié)果。

圖1 Landsat8貴池區(qū)543波段顯示結(jié)果

Landsat8數(shù)據(jù)預處理步驟：利用二次多項式模型和三次卷積內(nèi)插法對數(shù)據(jù)做幾何校正，使其誤差小于1個像元（本研究不需要過高的幾何精度）；利用Landsat8定標參數(shù)對數(shù)據(jù)進行輻射定標處理，以獲取反射率數(shù)據(jù)；對輻射定標后的反射率數(shù)據(jù)進行大氣校正，以獲取地表真實的反射率數(shù)據(jù)。

2 研究方法

本研究針對城市生態(tài)系統(tǒng)，選取4個與人類生活相關的重要指標，分別為干度、濕度、綠度和溫度組成遙感生態(tài)綜合指數(shù)，定量評價池州市貴池區(qū)生態(tài)質(zhì)量。4個指標分別通過歸一化建筑指數(shù)（NDBI）、纓帽變換的濕度分量（Wet）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）和亮度溫度（T）來獲取。

歸一化建筑指數(shù)NDBI（見公式1）能夠突出建設用地[1]，通過這一光譜特性可以用來表征干度指標。纓帽變換的濕度分量Wet（見公式2）能夠反映土壤、植被的濕度[2]，可用于表示濕度指標。綠度指標可用歸一化植被指數(shù)NDVI（見公式3）來表示，NDVI常用與突出植被信息[3]。亮度溫度T（見公式4）是感知溫度的，用于表示溫度指標。

（1）（2）（3）式中，ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1和ρSWIR2分別對于Landsat8的第2、3、4、5、6和7波段的反射率。對于Landsat8數(shù)據(jù)，C1=0.1511，C2=0.1973，C3=0.3283，C4=0.3407 ，C5=-0.7117 ，C6=-0.4559[4]。

式中，T為Landsat 8熱紅外波段的像元亮度溫度（K），K1和K2為衛(wèi)星發(fā)射前預設的常量，對于Landsat 8 第 10 波 段 K1=774.89mW?cm-2?sr-1?um-1，K2=1321.08K ，Qcal為第10波段的DN值，ML和AL為定標常量，通過查詢Landsat 8頭文件可知，ML=3.3420E-04，AL=0.10000。遙感生態(tài)綜合指數(shù)計算流程如圖2所示。

圖2 遙感生態(tài)綜合指數(shù)計算流程

主成分分析是利用線性正交變換的方法，從多個因素中提取少數(shù)重要因素的降維方法[5]，它是建立在圖像協(xié)方差矩陣基礎上的線性正交變換，用來進行圖像的降維和噪聲除去，后面的主成分具有較大的噪聲，可以舍去，第一主成分信息含量最多。本文通過NDBI、Wet、NDVI和T 分別表征干度、濕度、綠度和溫度，利用主成分分析，根據(jù)各指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響來客觀地分配權重，將四個指標融入一體。為了避免大區(qū)域水體信息對主成分分析載荷分布產(chǎn)生影響，利用改進的歸一化水體指數(shù)MNDVI（見公式 5）提取水體淹模[6]，分別去除NDBI、Wet、NDVI和T圖像的水體信息。又因為NDBI、Wet、NDVI和T的量綱不統(tǒng)一，將去除水體信息之后NDBI、Wet、NDVI和T圖像進行歸一化處理，歸一化到[0，1]區(qū)間。再進行主成分分析，提取第一主成分，即為融合干度、濕度、綠度和溫度的遙感綜合生態(tài)指數(shù)。為便于統(tǒng)一分析，將遙感綜合生態(tài)指數(shù)也進行歸一化處理，歸一化到[0，1]區(qū)間。遙感綜合生態(tài)指數(shù)越接近于1表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，越接近于0表示越差。

式中，ρG和ρSWIR1分別對于Landsat 8的第3和6波段的反射率。

3 結(jié)果與分析

圖3為池州市貴池區(qū)遙感綜合生態(tài)指數(shù)渲染結(jié)果，可以看出，池州市貴池區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較優(yōu)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域主要集中在建設用地，如老城區(qū)，火車站，工廠等；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域主要集中在植被覆蓋度高的區(qū)域。

圖3 貴池區(qū)遙感綜合生態(tài)指數(shù)渲染圖

為進一步定量分析，統(tǒng)計四個指標和遙感綜合生態(tài)指數(shù)的均值、標準差和四個指標對第一主成分的載荷值見表1。

表1 指標均值、標準差和對第一主成分載荷

從表1中可知，貴池區(qū)遙感生態(tài)綜合指數(shù)均值為0.6213，數(shù)值較高，定量地反映出貴池區(qū)整體生態(tài)環(huán)境較優(yōu)。同時，濕度和綠度對第一主成分的載荷大于0，這兩個指標能夠提高生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。干度和溫度，載荷小于0，說明這兩個指標造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。干度和溫度的載荷絕對值較大，即這兩個指標是影響生態(tài)環(huán)境的主要因素。說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降與不透水面的大幅度增長和溫度的升高密切相關。

為了能夠更加直觀、定量地分析貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，以0.2為間隔，將貴池區(qū)遙感綜合生態(tài)指數(shù)劃分為五個等級（見圖4）。

圖4 貴池區(qū)遙感綜合生態(tài)指數(shù)分級圖

將各生態(tài)等級所占面積百分比進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 生態(tài)等級面積百分比

表2表明貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)、良所占面積百分比達到79.85%，差、較差占9.41%。從空間地物覆蓋類型的分布上看，貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)、良的區(qū)域主要集中在林地，草地等地物覆蓋類型，而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域主要集中在圍繞平天湖的城區(qū)，主要為建設用地。因此，若要改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，需要合理的配置土地利用資源，對城市發(fā)展空間進行合理科學的布局，加大城市綠化建設。

4 結(jié)論

本文利用池州市貴池區(qū)Landsat8遙感數(shù)據(jù)，提取NDBI、纓帽變換的濕度成分、NDVI和亮度溫度分別表征與人類生活密切相關的干度、濕度、綠度和溫度四個指標。采用主成分變換的方法，將四個指標耦合到一起，構(gòu)建遙感生態(tài)綜合指數(shù)。并分析評價了貴池區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。研究結(jié)果表明：

（1）池州市貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較優(yōu)，79.85%的區(qū)域處于優(yōu)、良狀態(tài)，差和較差區(qū)域僅占9.41%。貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)、良的區(qū)域主要集中在林地，草地，農(nóng)田等地表覆蓋類型，而生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域主要集中在圍繞平天湖的老城區(qū)及其周邊，主要為建設用地。

（2）池州市貴池區(qū)遙感生態(tài)綜合指數(shù)均值為0.6213，遙感生態(tài)綜合指數(shù)較高。

（3）濕度和綠度能夠改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，干度和溫度會造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降。干度和溫度的載荷絕對值較大，這兩個指標是影響生態(tài)環(huán)境的主要因素。