基于RSEI 的福州旗山國(guó)家森林公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化研究

潘明慧，袁軼男，王亞蕾，劉是亨，朱里瑩，蘭思仁，吳沙沙

福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002

城郊型森林公園是城市周邊的特殊綠色斑塊、是城市居民休閑娛樂(lè)的重要場(chǎng)所[1]，隨著生態(tài)旅游的興起，城郊型森林公園游客量增加，對(duì)其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)了壓力和挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于森林公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)傳統(tǒng)方法主要有層次分析法、模糊聚類評(píng)價(jià)方法、指數(shù)評(píng)價(jià)法等[2-6]，但其在參數(shù)選擇上均存在一定的主觀性，且較難整體反應(yīng)大面積生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)情況。近年來(lái)，3S 技術(shù)日趨成熟，具有宏觀、高效、多時(shí)相觀察的特征，為森林公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)支持。其中方法大多選取不同遙感指數(shù)，或在此基礎(chǔ)上加以權(quán)重合成進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-12]，是傳統(tǒng)方法和3S 技術(shù)的結(jié)合，不僅指數(shù)選取復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大。不同指數(shù)代表著生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的不同方面，它們相互影響共同作用，需要綜合考慮，而遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)能綜合多種因素并能快速反應(yīng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化[13]。此方法應(yīng)用大多集中于人工環(huán)境，如城市、礦區(qū)等[14-17]，也有學(xué)者使用該指數(shù)對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行了探析，如自然保護(hù)區(qū)、流域等[18-20]，鑒于RSEI指數(shù)對(duì)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)表現(xiàn)優(yōu)秀，且尚未有學(xué)者對(duì)于介于人工環(huán)境和自然環(huán)境之間的情況進(jìn)行研究，因此本文以城郊型森林公園——福州旗山國(guó)家公園為例，分析其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征及其原因。

1 研究區(qū)概況

福州旗山國(guó)家森林公園位于閩侯縣西南部，東經(jīng)119°05'36″～119°11'17″、北緯25°55'08″～26°03'22″[21]，距離福州城市中心僅25 km，交通便捷。年平均氣溫19.5 ℃，一月份平均氣溫8.6 ℃，七月份平均氣溫26.8 ℃，最高溫度為38 ℃，最低溫度為-2.4 ℃，無(wú)霜期309 d，夏長(zhǎng)無(wú)酷暑，冬短且少寒。氣候溫和，雨量充沛，植物生長(zhǎng)期長(zhǎng)。森林公園由五峰里工區(qū)、福厝嶺工區(qū)、王廟工區(qū)、旗山工區(qū)、雙峰工區(qū)和龍泉工區(qū)六大工區(qū)組成，根據(jù)公園的景觀資源可分為三大景區(qū)，分別為旗山景區(qū)、雙峰景區(qū)、福厝嶺景區(qū)[22]，其中以雙峰景區(qū)為主要景區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本文以Landsat 系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，下載于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(https://www.usgs.gov/)，所用影像分別為：2009 年6 月的TM 影像，2014 年4 月、2018 年3 月的OIL 影像。

遙感影像在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中存在圖像畸變，且由于地面照明條件、大氣條件等的不同而產(chǎn)生偏差。USGS 所分發(fā)的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾何與地形校正，因此只需要對(duì)獲取的上述影像進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正。通過(guò)ENVI5.3 平臺(tái)，將影像灰度值(DN)轉(zhuǎn)換成傳感器的反射率，運(yùn)用FLAASH 校正模塊進(jìn)行大氣校正，該模塊是基于MODTRAN4 輻射傳輸模型開(kāi)發(fā)而成，是目前精度最高的大氣校正模型[23]。經(jīng)上述處理后，使用福州旗山國(guó)家森林公園提供的矢量邊界對(duì)影像進(jìn)行了裁切和提?。▓D2）。

圖2 2009～2018 年福州旗山國(guó)家森林公園遙感影像Fig.2 Remote sensing images of Fuzhou Qishan National Forest Park from 2009 to 2018

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)通過(guò)綠度、濕度、干度和溫度4 個(gè)指標(biāo)綜合體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，上述指標(biāo)均從遙感影像提取[13]。

(1) 綠度指標(biāo)：選擇歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為綠度指標(biāo)，其公式為:

式中NIR為近紅外波段，R為紅光波段。

(2) 濕度指標(biāo)：選擇纓帽變換中的濕度分量(Wet)作為濕度指標(biāo)，TM影像及OLI影像的計(jì)算公式分別為[24-25]：

式中：Bi（i=1，……，8）分別為OLI和TM影像對(duì)應(yīng)波段的反射率。

(3) 干度指標(biāo)：干度指標(biāo)(NDSI)由裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)合成所得，在此以TM影像為例，其公式為：

其中：

式中Bi（i=1，……，5）分別為TM影像對(duì)應(yīng)波段的反射率。

(4) 熱度指標(biāo)：選用地表溫度(LST)作為熱度指標(biāo)。在此使用基于大氣校正的地溫反演方法計(jì)算LST[26-27]，其原理是首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，隨后將衛(wèi)星傳感器記錄到的熱輻射總量減去這部分大氣影響，進(jìn)而得到地表熱輻射強(qiáng)度，最后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地表溫度，計(jì)算公式為：

式中?為地表比輻射率，τ為大氣透射率，Lλ為圖像輻射定標(biāo)，B(Ts)為黑體輻射亮度，L↑為大氣上行輻射強(qiáng)度，L↓為大氣下行輻射強(qiáng)度；另外，對(duì)于TM Band6，K1=607.76W/(m2*μm*sr)，K2=1260.56 K；TIRS Band10，K1=774.885 W/(m2*μm*sr)，K2=1321.079 K。

由于各項(xiàng)指標(biāo)的量綱不一致，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和比較，故在此對(duì)所得指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，將其轉(zhuǎn)換至同一量綱，歸一化公式為：

式中NIi為歸一化后的Ii為該指標(biāo)在像元i的值；Imin、Imax分別為該指標(biāo)的最小、最大值。

基于ENVI5.3 平臺(tái)，將上述歸一化后的四個(gè)指標(biāo)集成后，輸入主成分分析模塊進(jìn)行PCA 計(jì)算。PCA 處理生成互不相關(guān)的輸出波段，且結(jié)果將主要信息集中到了第一主成分中(PC1)。為了便于三景分析結(jié)果的對(duì)比，對(duì)PC1 再次進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果即作為生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)。

3 結(jié)果與分析

3.1 旗山國(guó)家森林公園總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

3.1.1 2009～2018 年RSEI變化 由表1 可知，福州旗山國(guó)家森林公園2014 年的RSEI值最高，為0.2516，表明該年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差；2018 年次之，其RSEI值為0.2281；2009 年的RSEI值為0.1889，表明其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)（圖3）。RSEI值越大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差，反之亦然，可表明2009～2018年福州旗山國(guó)家森林公園的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先變差后轉(zhuǎn)優(yōu)，呈“U”型變化趨勢(shì)。

圖3 2009～2018 年福州旗山國(guó)家森林公園RSEI 分布圖Fig.3 RSEI distribution of Fuzhou Qishan National Forest Park from 2009 to 2018

細(xì)分各個(gè)指標(biāo)來(lái)看（表1），綠度指標(biāo)NDVI與濕度指標(biāo)WET的PC1荷載值為負(fù)數(shù)，使得RSEI值降低，表明其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生積極影響；而干度NDSI和溫度LST的PC1荷載值為正數(shù)，使RSEI值升高，表明其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生消極影響。PC1荷載值絕對(duì)值越大影響越大，反之則影響越小，由于主成分分析特性，各年生態(tài)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的大小亦不一致。

表1 各年份4 個(gè)指標(biāo)和RSEI 的均值變化Table 1 Mean variation of four indexes and RSEI in each year

2014 年的NDSI及LST值分別為0.2245、0.4106，為三個(gè)統(tǒng)計(jì)年最高，而NDVI及Wet值僅為0.8832、0.5685，均為最低。表明該年園區(qū)的地表裸露程度相對(duì)嚴(yán)重，地表溫度相對(duì)較高；植被長(zhǎng)勢(shì)較差、覆蓋度最低，濕度最低。2009 年的NDVI、NDSI、Wet均低于2018 年對(duì)應(yīng)指標(biāo)的值，僅LST相對(duì)較高。四個(gè)指數(shù)相互關(guān)聯(lián)，植被覆蓋度低長(zhǎng)勢(shì)差導(dǎo)致水土涵養(yǎng)不足，地下水位下降、地表徑流減小，同時(shí)地表裸露也導(dǎo)致了一定程度的干度和溫度增高。

3.1.2 生態(tài)等級(jí)分布情況 為了更直觀地觀察園區(qū)生態(tài)環(huán)境變化，將RSEI值均分為五份[28]，0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0 分別代表生態(tài)優(yōu)、良、中等、較差、差五個(gè)生態(tài)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)生態(tài)等級(jí)的總體占比情況（表2）。

表2 生態(tài)等級(jí)占比Table2 Ecological grade ratio

可以看出，2009 年生態(tài)優(yōu)級(jí)面積占比遠(yuǎn)高于2014 年和2018 年，而生態(tài)等級(jí)為中等、較差和差的面積占比也均低于其余統(tǒng)計(jì)年，該年的總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最為優(yōu)秀；2014 年生態(tài)優(yōu)級(jí)占比較2009年顯著降低，生態(tài)等級(jí)從優(yōu)轉(zhuǎn)良、中等、較差、差級(jí)明顯，其整體狀況較差；至2018 年，通過(guò)一系列修復(fù)和保護(hù)措施，園區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸恢復(fù)。

圖4 福州旗山國(guó)家森林公園生態(tài)等級(jí)分布圖Fig.4 Ecological grade distribution of Fuzhou Qishan National Forest Park

圖4 顯示，2014 年較2009 年優(yōu)級(jí)面積銳減，良級(jí)面積擴(kuò)大，研究區(qū)出現(xiàn)了差級(jí)極端等級(jí)。部分地塊恢復(fù)，如旗山景區(qū)北部地塊的部分林地由中等轉(zhuǎn)良、雙峰景區(qū)西部地塊的部分林地由差轉(zhuǎn)優(yōu)良。在其余兩個(gè)統(tǒng)計(jì)年中，極端等級(jí)在各個(gè)景區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)少且面積小，優(yōu)級(jí)分布明顯。

圖5 福州旗山國(guó)家森林公園生態(tài)等級(jí)變化圖Fig.5 Ecological grade change of Fuzhou Qishan National Forest Park

通過(guò)對(duì)三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的生態(tài)等級(jí)分布的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在整體水平上，2009～2014 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變差明顯，2014～2018 年稍有緩和。持續(xù)變差的地帶主要分布在景區(qū)邊緣和部分旅游景點(diǎn)周圍，這部分受到人為干擾較強(qiáng)且存在邊緣效應(yīng)。持續(xù)變好或不變的部分體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)較強(qiáng)的穩(wěn)定性，其景點(diǎn)密度較低，地形較為復(fù)雜，不容易受到人為干擾。由于長(zhǎng)期服務(wù)大眾，園區(qū)內(nèi)設(shè)施年久失修，存在安全隱患，另外游客旅游活動(dòng)過(guò)程中一些踩踏、攀爬、隨手拋物的行為，對(duì)園區(qū)生態(tài)環(huán)境造成一定破壞；且由于林場(chǎng)的特質(zhì)，植被覆蓋減少，導(dǎo)致2014 年森林公園的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低。因此園區(qū)于2014 年進(jìn)行閉園修復(fù)，可以發(fā)現(xiàn)2014 年以后森林公園總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸恢復(fù)。

總體來(lái)看福州旗山國(guó)家森林公園開(kāi)發(fā)程度不高，旅游容量有限，自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高、修復(fù)能力較強(qiáng)。林業(yè)生產(chǎn)砍伐和森林病蟲(chóng)害的恢復(fù)性砍伐活動(dòng)易導(dǎo)致生態(tài)等級(jí)突變，植被覆蓋度降低、地表裸露，隨之生態(tài)穩(wěn)定性降低。如旗山工區(qū)北部、五峰里工區(qū)南部、雙峰工區(qū)中西部及龍泉工區(qū)南部，有森林砍伐跡象，對(duì)應(yīng)生態(tài)等級(jí)為差級(jí)，且影響到周邊一定范圍的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。另外隨著森林公園的建設(shè)——鄉(xiāng)村修建、交通設(shè)施和游憩設(shè)施的建設(shè)，占用了一部分林地、耕地，增加不透水面，以上不可逆行為導(dǎo)致整體生態(tài)環(huán)境變差。

3.2 不同功能分區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

圖6 森林公園功能分區(qū)Fig.6 Forest park function division

根據(jù)游客活動(dòng)空間分布，將森林公園環(huán)境劃分為綜合環(huán)境區(qū)域與自然環(huán)境區(qū)域。綜合環(huán)境區(qū)域是以旅游景點(diǎn)、服務(wù)設(shè)施在內(nèi)的區(qū)域范圍：旗山景區(qū)中的旗山工區(qū)南部、五峰里工區(qū)，雙峰景區(qū)中的雙峰工區(qū)，福厝嶺景區(qū)（工區(qū)）北部。雙峰工區(qū)擁有雙峰村、大王廟、瀑布水景等景觀資源，已建設(shè)有較為完善的旅游服務(wù)設(shè)施，是游客數(shù)量最多和停留時(shí)間最長(zhǎng)的主要區(qū)域，該區(qū)域中部地勢(shì)平坦且適宜建設(shè)，景觀節(jié)點(diǎn)與道路的分布增加了不透水面和裸土的面積，再加上旅游行為聚集，生態(tài)相對(duì)脆弱。區(qū)域周圍地形起伏，有一定距離的生態(tài)緩沖地帶，不良影響的范圍未有擴(kuò)大趨勢(shì)，但其自身基礎(chǔ)較差，恢復(fù)相對(duì)困難。五峰里工區(qū)則以旗山森林溫泉度假村及旗山森林人家為主要服務(wù)范圍，該區(qū)域靠近村落，地勢(shì)相對(duì)平坦，受到外界干擾較多，使得整個(gè)工區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化動(dòng)蕩。

自然環(huán)境區(qū)域以林區(qū)為主，未有建設(shè)景點(diǎn)和服務(wù)設(shè)施。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量容易受到自然災(zāi)害影響，如土壤、水質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的森林生長(zhǎng)質(zhì)量降低，病蟲(chóng)害使植被覆蓋面積減少；另外木材生產(chǎn)時(shí)的砍伐也增加了土地裸露程度。該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量隨著森林生長(zhǎng)的周期變化而變化，較易恢復(fù)，如雙峰景區(qū)（雙峰工區(qū)）西南部、旗山景區(qū)中部的王廟工區(qū)、福厝嶺景區(qū)南部的龍泉工區(qū)，森林植被恢復(fù)后生態(tài)環(huán)境質(zhì)量恢復(fù)。

3.3 不同景點(diǎn)類型對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

旅游活動(dòng)的干擾是森林公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到挑戰(zhàn)的主要原因。旅游資源被開(kāi)發(fā)利用，人文景點(diǎn)與自然景點(diǎn)被組織成為不同旅游區(qū)域，在空間分布上具有一定特征。旅游景點(diǎn)聚集度越高，局部區(qū)域內(nèi)的游客聚集人數(shù)越高，需要設(shè)計(jì)的旅游容量越多。在此規(guī)律下，設(shè)計(jì)增加建設(shè)或輔助建設(shè)內(nèi)容來(lái)支撐游客量，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化過(guò)程復(fù)雜，受到影響因素共同作用，在旅游景點(diǎn)一定緩沖區(qū)范圍內(nèi)更易受到人為干擾。通過(guò)對(duì)人文景點(diǎn)與自然景點(diǎn)的核密度分析，發(fā)現(xiàn)同類型景點(diǎn)下的聚集度越大，其影響程度越大、范圍也越大。在不同類型景點(diǎn)的對(duì)比中，人文景點(diǎn)的影響程度與影響范圍均大于自然景點(diǎn)。

圖7 雙峰景區(qū)不同類型景點(diǎn)影響分析圖Fig.7 Different types of scenic spots impact analysis in Shuangfeng Scenic Area

為估測(cè)人文景點(diǎn)與自然景點(diǎn)的影響范圍，考慮到地形阻力，取60 m 作為景點(diǎn)緩沖區(qū)基本單位（人步行的速度約為1 m/s，一分鐘約行進(jìn)60～100 m），結(jié)合核密度與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分析，得到人文景點(diǎn)的影響范圍約為240 m，自然景點(diǎn)的影響范圍約為60～180 m（圖7 以雙峰景區(qū)為例）。人文景點(diǎn)以人工建筑為主，其多集中于地勢(shì)平坦的適宜建設(shè)地帶，游人活動(dòng)也更加自由多向。自然景點(diǎn)多分布于地形復(fù)雜地帶，除景點(diǎn)自身建設(shè)帶來(lái)的生態(tài)影響之外，游人活動(dòng)范圍受限，降低了生態(tài)環(huán)境的受影響范圍。雙峰景區(qū)中部人文景點(diǎn)較為密集，應(yīng)當(dāng)豐富旅游活動(dòng)內(nèi)容，適當(dāng)減少建設(shè)，加大環(huán)境保護(hù)力度。

森林公園旅游設(shè)施在滿足合理的游客容量的前提下，增加適量戶外活動(dòng)、環(huán)境教育內(nèi)容。打造生態(tài)旅游產(chǎn)品，將會(huì)有效控制不可逆的環(huán)境影響?，F(xiàn)今南嶼國(guó)有林場(chǎng)（福州旗山國(guó)家森林公園）的目標(biāo)已經(jīng)從利用森林獲取經(jīng)濟(jì)利益向保護(hù)森林提供生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)變，改善生態(tài)和民生[29]，更需要提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)效力，從管理、規(guī)劃到專業(yè)人才引進(jìn)、培養(yǎng)，從景區(qū)生態(tài)建設(shè)到生態(tài)旅游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都應(yīng)當(dāng)重視起來(lái)。

4 結(jié)論

（1）遙感生態(tài)指數(shù)很好地體現(xiàn)了研究區(qū)的生態(tài)變化情況，其中在四個(gè)指標(biāo)的測(cè)算中，綠度NDVI和濕度Wet對(duì)生態(tài)有著積極的影響，而干度NDSI和溫度LST反之。2009 年、2014 年、2018 年的RSEI均值分別為0.1889、0.2516、0.2281，體現(xiàn)森林公園總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化形勢(shì)，按等級(jí)分析可直觀對(duì)比區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況，其變化情況與實(shí)際變化趨勢(shì)相符合，是遙感技術(shù)在風(fēng)景園林意義中、生態(tài)文明背景下的實(shí)踐體現(xiàn)。

（2）綜合環(huán)境區(qū)域中的硬化面積與缺失的植被，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量基礎(chǔ)比自然環(huán)境區(qū)域差，且恢復(fù)難度較大。自然環(huán)境區(qū)域保持自然生長(zhǎng)狀態(tài)，但林業(yè)生產(chǎn)與森林病蟲(chóng)害對(duì)其有著直接影響。在森林公園建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)更多使用環(huán)保材料，且注意控制開(kāi)發(fā)規(guī)模，服務(wù)大眾的同時(shí)保護(hù)好原有的自然要素，保持生態(tài)環(huán)境的高質(zhì)量發(fā)展。

（3）自然生態(tài)環(huán)境受到景點(diǎn)建設(shè)、游客活動(dòng)的干擾明顯。且由于不同景點(diǎn)類型的分布，自然生態(tài)環(huán)境受到的影響也存在疊加現(xiàn)象。自然景點(diǎn)由于地勢(shì)山形的原因?qū)ζ渲苓吷鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較小，影響范圍約為60～180 m；人文景點(diǎn)的影響范圍約為240 m。森林公園在景點(diǎn)布置時(shí)，對(duì)旅游資源適當(dāng)開(kāi)發(fā)、在合理范圍內(nèi)布置能夠有效減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境是森林公園存在的前提條件，城郊型森林公園亦是人工與自然的完美結(jié)合，發(fā)揮著重要的生態(tài)作用，需要注重生態(tài)保護(hù)原則，深化生態(tài)旅游內(nèi)容，可開(kāi)展環(huán)境教育，加深旅游意義。城郊型森林公園應(yīng)當(dāng)保證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)、利用好森林這一資源，推動(dòng)自然和諧相處的城市生態(tài)建設(shè)格局。