烏魯木齊市遙感生態(tài)距離指數(shù)變化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

黃鈺涵，閆浩文，李小軍，吳小所，王卓

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；4.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

干旱區(qū)的面積在全球陸地總面積中，占比達(dá)30%。中國(guó)的干旱區(qū)大部分位于西北地區(qū)，山地、荒漠、綠洲為內(nèi)陸干旱區(qū)的三大地理系統(tǒng)[1]。而干旱區(qū)綠洲是以荒漠為基質(zhì)、圍繞綠洲構(gòu)成的特殊生態(tài)系統(tǒng)。綠洲景觀因荒漠基質(zhì)的包圍而具有封閉性，且長(zhǎng)期受干旱氣候制約，表現(xiàn)出較明顯的生態(tài)脆弱[2]。綠洲城市以綠洲為依托，保證人類社會(huì)的生產(chǎn)與生活，而各種生態(tài)問(wèn)題如植被退化、土壤沙漠化、水資源短缺等，均對(duì)綠洲城市的可持續(xù)發(fā)展有著不同程度的影響。因此準(zhǔn)確了解綠洲城市的生態(tài)狀況，明確城市變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，對(duì)于綠洲城市的生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)意義重大。

當(dāng)前在生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，但以單方面指標(biāo)評(píng)價(jià)居多，如利用植被指數(shù)研究植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化與人類活動(dòng)的響應(yīng)[3]；通過(guò)分析城市景觀格局變化，評(píng)估城市熱島效應(yīng)[4]；提取城市建設(shè)用地信息，定量分析城市擴(kuò)展動(dòng)態(tài)變化[5]等。然而單因子評(píng)價(jià)一般側(cè)重于某個(gè)方面的變化對(duì)于環(huán)境的影響效應(yīng)，評(píng)價(jià)結(jié)果略顯片面。為了能集成多個(gè)指標(biāo)綜合客觀地評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境變化，也有學(xué)者提出了一些綜合評(píng)價(jià)模型，如著名的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”概念模型[6]；利用主成分分析法綜合各個(gè)指標(biāo)構(gòu)建的城市遙感生態(tài)指數(shù)模型[7]；基于“成因-結(jié)果”指標(biāo)的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型[8]等。綜合評(píng)價(jià)模型解決了單一因子評(píng)價(jià)的片面性問(wèn)題，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面，但多個(gè)指標(biāo)的權(quán)重如何確定才能保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確，又成為了環(huán)境評(píng)價(jià)研究中的一個(gè)重點(diǎn)。

烏魯木齊市是中國(guó)西北區(qū)域典型的干旱區(qū)綠洲城市，因人口數(shù)量增長(zhǎng)、城市空間不斷擴(kuò)張，加劇了生態(tài)環(huán)境壓力。有學(xué)者從土地利用角度說(shuō)明烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)土地利用變化對(duì)綠洲環(huán)境造成的干擾逐年增加，城鎮(zhèn)建設(shè)雖能取得社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，但是也導(dǎo)致了建設(shè)用地與綠化用地的矛盾[9-12]；王長(zhǎng)建等研究發(fā)現(xiàn)城市化綜合水平的提高，對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面沖擊效果[13]，作用十分明顯。而目前對(duì)于烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境整體評(píng)價(jià)及其驅(qū)動(dòng)因子方面的研究比較缺乏。

本研究在目前生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，以Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，考慮干旱區(qū)綠洲城市的自然環(huán)境特征，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建遙感生態(tài)距離評(píng)價(jià)指數(shù)，分析綠洲城市的生態(tài)環(huán)境演變趨勢(shì)。該指數(shù)綜合評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的同時(shí)，解決了單因子評(píng)價(jià)的片面性與指標(biāo)權(quán)重確定的主觀性問(wèn)題，使得評(píng)價(jià)結(jié)果能夠全面、客觀地反映綠洲城市在研究期間內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊是新疆維吾爾自治區(qū)首府，位于亞歐大陸腹地，是世界上與海洋距離最遠(yuǎn)的內(nèi)陸城市。烏魯木齊年降水量約為380 mm，氣溫7、8月份較高，1月份較低，屬于中溫帶大陸性干旱氣候。近幾年來(lái)隨著我國(guó)“一帶一路”政策的實(shí)施，烏魯木齊市借助國(guó)家政策的支持，城區(qū)建設(shè)不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，2018年城鎮(zhèn)化率達(dá)90.2%。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文選取2003年、2010年、2017年的Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，基于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//www.gscloud.cn)下載。為了獲得更準(zhǔn)確的研究區(qū)信息，成像時(shí)間選擇了研究區(qū)植被生長(zhǎng)狀態(tài)較好的7月或8月，然后將遙感影像進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理，包含輻射校正、幾何校正、大氣校正等步驟，最后依據(jù)烏魯木齊市行政邊界裁剪出研究區(qū)影像。

2 研究方法

2.1 遙感生態(tài)距離指數(shù)評(píng)價(jià)模型

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果能否體現(xiàn)評(píng)價(jià)區(qū)域真實(shí)的環(huán)境狀況，關(guān)鍵在于評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的合理性?？紤]到地區(qū)差異性，要針對(duì)研究區(qū)的自然環(huán)境特征選擇具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)具有可操作性且易獲取。烏魯木齊市與準(zhǔn)噶爾盆地接壤，盆地內(nèi)的古爾班通古特沙漠氣候干燥炎熱、降雨極少，生態(tài)環(huán)境惡劣，對(duì)烏魯木齊的城市生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響，使得其脆弱且不穩(wěn)定，極易受到外部因素的干擾。在氣候條件先天不占優(yōu)的情況下，植被顯得尤為重要，對(duì)于干旱區(qū)城市來(lái)說(shuō)植被可以保持水土、調(diào)節(jié)水循環(huán)、改善城市熱島效應(yīng)，最能直接反映生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)[3，14]，因此植被指數(shù)常常應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中。干旱缺水是烏魯木齊市重要的生態(tài)環(huán)境特征，不僅限制了城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還影響植被與農(nóng)作物的生長(zhǎng)，所以選擇土壤濕度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，代表研究區(qū)的土地干旱程度。綠洲城市是人類社會(huì)活動(dòng)的體現(xiàn)，但因其水土條件較差，城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動(dòng)又比較集中，極易造成地表“干化”，主要表現(xiàn)為建筑不透水面與裸露的土地，影響了原本的地表生態(tài)環(huán)境，因此在城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中采用建筑裸土指數(shù)代表城市“干度”[15]。由于北部與準(zhǔn)噶爾盆地相鄰，烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境受其影響致使土地退化[16]，沙漠化程度日益加重，因此反演沙漠化指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析研究區(qū)的沙漠化趨勢(shì)。針對(duì)研究區(qū)地理環(huán)境特征與主要的環(huán)境問(wèn)題提出4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：綠度指標(biāo)、濕度指標(biāo)、干度指標(biāo)、沙度指標(biāo)。這些指標(biāo)不僅影響干旱區(qū)綠洲城市環(huán)境的質(zhì)量，還與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。

加權(quán)求和法是常用的指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，但在確定權(quán)重的過(guò)程中，不可避免主觀人為因素的干擾，最后導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果有失偏頗，因此擬構(gòu)建遙感生態(tài)距離指數(shù)(remote sensing eco-environment distance index，RSEDI)[17]將以上4個(gè)指標(biāo)耦合成單一變量，可解決加權(quán)求和法易受人為因素干擾的問(wèn)題。

2.2 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)提取

1)沙度指標(biāo)。通過(guò)分析沙漠化與地表定量參數(shù)之間的變化關(guān)系，曾永年等[18]提出了基于Albedo-NDVI特征空間的沙漠化遙感監(jiān)測(cè)差值指數(shù)模型(difference index of desertification，DDI)，該指數(shù)簡(jiǎn)單明了、計(jì)算方便，能夠?qū)ι衬潭冗M(jìn)行定量分析與變化監(jiān)測(cè)，揭示沙漠化變化趨勢(shì)，因此利用該模型反演研究區(qū)沙漠化指數(shù)。先利用研究區(qū)遙感影像分別計(jì)算歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)與地表反照率Albedo，將NDVI與的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后歸一化處理，構(gòu)建沙漠化差值指數(shù)模型。

2)干度指標(biāo)。采用歸一化建筑與裸土指數(shù)(normalized difference built-up index，NDBI)反映地表裸露特征[19]，對(duì)指標(biāo)分析后表明，城鎮(zhèn)與裸土的地表類型亮度值較高，其他類型的土地亮度值較低，可以反映裸露的地表，代表城市“干化”地表的分布。

3)綠度指標(biāo)。應(yīng)用遙感技術(shù)獲取的植被指數(shù)，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)、植被覆蓋變化及空間分布等方面。研究發(fā)現(xiàn)，概括差值植被指數(shù)(generalized difference vegetation index，GDVI)在干旱低植被覆蓋區(qū)，比歸一化植被指數(shù)(NDVI)有更高的敏感度，可以更準(zhǔn)確地反映干旱區(qū)植被的覆蓋度變化[20]，因此在研究干旱區(qū)城市的環(huán)境變化時(shí)，選擇概括差值植被指數(shù)。

4)濕度指標(biāo)。由纓帽變換所得的3個(gè)特征分量，亮度分量、綠度分量、濕度分量分別表征了不同的地表物理參量，普遍應(yīng)用于遙感生態(tài)環(huán)境變化檢測(cè)[21]。本研究選取纓帽變換中的濕度分量用于計(jì)算干旱區(qū)土壤濕度，揭示土地旱情變化。

2.3 遙感生態(tài)距離指數(shù)計(jì)算

對(duì)于獲取的以上4個(gè)指標(biāo)，計(jì)算遙感生態(tài)距離指數(shù)。該指數(shù)以4個(gè)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成一個(gè)四維空間，空間中生態(tài)質(zhì)量最差的點(diǎn)以沙度指標(biāo)、干度指標(biāo)的最大值，綠度指標(biāo)、濕度指標(biāo)的最小值表示，以此計(jì)算空間中其他點(diǎn)到最差點(diǎn)的距離來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣，距離越小，即指數(shù)越小，代表生態(tài)質(zhì)量越差，反之則代表生態(tài)質(zhì)量越好。計(jì)算公式為：

(1)

式中：DI、BI、GI、WI分別表示某一個(gè)像元的沙度值、干度值、綠度值和濕度值。該指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)各個(gè)像元自身的指標(biāo)值確定與生態(tài)最差點(diǎn)的距離，以此判斷該點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣，避免了人為確定各指標(biāo)權(quán)重造成的結(jié)果不準(zhǔn)確。將4個(gè)指標(biāo)帶入公式(1)計(jì)算得到各個(gè)年份的生態(tài)指數(shù)，將指數(shù)按照99%的置信區(qū)間歸一化處理，減弱因季相不同造成的影響，即為所求遙感生態(tài)距離指數(shù)，指數(shù)值區(qū)間為0～1，值越高說(shuō)明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體評(píng)價(jià)

表1統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)各年份指標(biāo)值與計(jì)算獲得的RSEDI指數(shù)的均值。根據(jù)表中各指標(biāo)的變化可知，沙度指標(biāo)均值在2003至2017年間不斷上升，說(shuō)明土地沙漠化趨勢(shì)在研究區(qū)沒(méi)有得到有效的控制，對(duì)整體的生態(tài)質(zhì)量造成了消極影響，應(yīng)該采取對(duì)應(yīng)的沙化治理措施。干度指標(biāo)揭示了研究區(qū)的地表類型變化，2003年到2017年研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)面積增加，但同時(shí)隨著造林工程的推進(jìn)，裸露的土地被植被覆蓋，正反效應(yīng)相互抵消，所以反映建筑與裸土的干度指標(biāo)均值在研究期間內(nèi)變化不明顯。綠度指標(biāo)與濕度指標(biāo)，在2003到2017年期間均值都有所提高，表明烏魯木齊市的植被覆蓋面積有所增加，土壤濕度提高，干旱情況有所緩解。

表1 2003年、2010年、2017年4個(gè)指標(biāo)與RSEDI指數(shù)的均值

單個(gè)指標(biāo)的變化，僅能反映出研究區(qū)某一方面的變化特征，整體的生態(tài)質(zhì)量變化很難體現(xiàn)。本文構(gòu)建RSEDI指數(shù)集成各個(gè)指標(biāo)，不僅能體現(xiàn)單個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，而且可以綜合監(jiān)測(cè)城市生態(tài)質(zhì)量變化水平，相比于單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)更加全面。如表2所示，從RSEDI指數(shù)與各指標(biāo)之間的相關(guān)性來(lái)看，相關(guān)度均值都在0.8以上，相關(guān)性很強(qiáng)，表明RSEDI指數(shù)具有綜合代表性，可以綜合代表研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化。

表2 4個(gè)指標(biāo)與RSEDI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

研究期間內(nèi)，烏魯木齊市RSEDI均值從2003年的0.291上升到2010年的0.366，到2017年又進(jìn)一步上升到0.405，14年來(lái)總體上升了39.18%，保持了持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

圖1顯示了烏魯木齊市RSEDI指數(shù)空間分布情況。通過(guò)遙感影像能夠看到烏魯木齊市北部地區(qū)土地以荒漠為主，幾乎沒(méi)有植被覆蓋，對(duì)應(yīng)的RSEDI指數(shù)值也很低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差。而南部區(qū)域有高大的山脈，自然地理?xiàng)l件較好，加上退耕還林、荒山綠化等環(huán)境保護(hù)政策的作用，在2003到2017年間南部山區(qū)的RSEDI指數(shù)逐步提高，環(huán)境質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，使得烏魯木齊市的生態(tài)質(zhì)量空間分布存在明顯的南北差異。整體上看2003年烏魯木齊市的環(huán)境質(zhì)量以中等較差為主，到了2017年環(huán)境質(zhì)量改善，整體呈中等良好的分布狀態(tài)。

圖1 烏魯木齊市遙感影像及對(duì)應(yīng)RSEDI指數(shù)圖像

3.2 烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

將RSEDI指數(shù)值以0.2的等距離劃分為5個(gè)級(jí)別，指數(shù)從小到大分別代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差、較差、中等、良、優(yōu)。統(tǒng)計(jì)2003年、2010年、2017年中各個(gè)等級(jí)所占面積及其百分比如表3所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2003—2017年間烏魯木齊市生態(tài)等級(jí)變化明顯。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差和較差的區(qū)域面積所占百分比從32.4%和44.72%下降到2017年的16.04%和32.64%；中等級(jí)別區(qū)域面積明顯上升，2003年僅為19.01%，2017年達(dá)到39.36%；良級(jí)別的面積比例在研究期間上升了8.61%，優(yōu)級(jí)別的面積比例略微下降。研究期間內(nèi)，低等級(jí)生態(tài)質(zhì)量的區(qū)域向高等級(jí)轉(zhuǎn)變，2017年中、良、優(yōu)級(jí)別的土地增加了28.44%。

表3 2003—2017年間RSEDI各級(jí)別面積及其百分比

為了揭示烏魯木齊市生態(tài)環(huán)境的空間變化特征，對(duì)烏魯木齊市2003年到2017年的遙感生態(tài)距離指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算，如圖2所示。與2003年比較，2017年生態(tài)環(huán)境改善的地區(qū)主要為中心城區(qū)以及東部和南部的山區(qū)，北部與準(zhǔn)噶爾盆地接壤的米東區(qū)，生態(tài)環(huán)境呈持續(xù)退化的狀態(tài)。

圖2 基于差值法的2003—2017年烏魯木齊市RSEDI變化檢測(cè)

表4統(tǒng)計(jì)了2003—2017年不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化等級(jí)的區(qū)域面積及其占總面積的百分比。生態(tài)環(huán)境等級(jí)提高的地區(qū)面積為8 277.98 km2，占比達(dá)到58.23%；生態(tài)環(huán)境等級(jí)保持不變的地區(qū)面積為3 239.82 km2，占22.79%；生態(tài)環(huán)境等級(jí)降低的地區(qū)面積較少，僅占全區(qū)面積的18.98%。生態(tài)環(huán)境等級(jí)上升的地區(qū)面積占比高于生態(tài)環(huán)境等級(jí)下降的地區(qū)，揭示了研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量整體提高的趨勢(shì)。

將提出的RSEDI綜合指標(biāo)用于烏魯木齊市環(huán)境評(píng)價(jià)，分析后得出2003—2017年烏魯木齊市遙感生態(tài)距離指數(shù)明顯提高，表明城市生態(tài)環(huán)境正在不斷改善。查閱烏魯木齊市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)可知，近年來(lái)烏魯木齊市積極推進(jìn)道路綠化、公共綠化和荒山綠化，2010年中心城區(qū)新增各類綠地30.667 km2；2017年全年新增綠地12 km2、退耕還林4 km2、裸露荒山綠化4.086 km2。可以看出以退耕還林、荒山綠化、城市環(huán)境改造等為主的環(huán)境保護(hù)措施，確實(shí)對(duì)改善生態(tài)環(huán)境有積極正面的影響。

表4 烏魯木齊市2003—2017年變化檢測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究選取能代表干旱區(qū)綠洲城市生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的沙度、干度、綠度、濕度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建遙感生態(tài)距離指數(shù)，該指數(shù)完全基于遙感技術(shù)獲取，可以大范圍、快速、簡(jiǎn)便地監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。應(yīng)用于烏魯木齊城市生態(tài)變化評(píng)價(jià)中，分析了2003—2017年遙感生態(tài)距離指數(shù)的空間分布與動(dòng)態(tài)變化。研究表明，烏魯木齊市的RSEDI指數(shù)均值14年來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)，從整個(gè)研究區(qū)的RSEDI指數(shù)空間分布可以看出，烏魯木齊的生態(tài)環(huán)境變化主要發(fā)生在中心城區(qū)以及東部和南部的山區(qū)，生態(tài)質(zhì)量顯著提高。

基于Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)，利用生態(tài)距離函數(shù)耦合沙度、干度、綠度和濕度指標(biāo)，建立RSEDI指數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)烏魯木齊市城市生態(tài)變化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，得到的結(jié)論可作為烏魯木齊今后環(huán)境治理工作的參考和依據(jù)。