基于遙感生態(tài)指數(shù)的鄂州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估

蔡賢，杜曉初

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2. 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430062)

0 引言

人口的增長使得人口、資源、環(huán)境三者之間的矛盾越來越明顯，科學(xué)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估對決策者準確把握生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀并采取針對性的治理措施有重要作用.遙感技術(shù)能夠快速高效獲取大范圍區(qū)域的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域是目前最有效的生態(tài)監(jiān)測手段[1].然而大多數(shù)學(xué)者的研究僅限于單一的生態(tài)環(huán)境指標，如史培軍利用遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋變化分析生態(tài)環(huán)境安全[2]，詹起林利用植被指數(shù)對森林生態(tài)進行評價[3]，李明通過水體指數(shù)對海岸線生態(tài)環(huán)境進行研究[4]等.然而生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)雜多變、受多個因素影響的綜合系統(tǒng)，因此單一因素不太可能客觀、真實、有效地反映生態(tài)環(huán)境的變化及其成因.由此，徐秋涵等人提出了集成多個自然生態(tài)因子的完全基于遙感技術(shù)的遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index，RSEI)[5-6]，可實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境尤其是針對城市生態(tài)環(huán)境的全方位、高效的監(jiān)測和評估，該方法得到了眾多學(xué)者的驗證和認可.例如，張浩等利用遙感生態(tài)指數(shù)RSEI對南京1990—2013年間的生態(tài)變化進行了分析[7]，宋慧敏等對渭南市1995—2015年間的生態(tài)環(huán)境做了動態(tài)分析[8]，楊江燕等對雄安新區(qū)進行了詳細檢測評估[9].因此，本文中擬采用新型遙感生態(tài)指數(shù)RSEI對鄂州市2013年、2015年、2018年的城市生態(tài)變化進行大空間范圍的綜合研究.

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況鄂州市地處湖北省東部(114°30′E～115°05′E，30°01′N～30°36′N)，位于長江中游南岸，西鄰武漢，為武漢“8+1城市圈”核心城市之一.全市國土面積1 594 km2，其中湖泊119個，水域面積527 km2，約占全市面積的33%.近年來，受制于城市圈的擴張和經(jīng)濟的需求，市內(nèi)城鎮(zhèn)化擴張、基建布施、礦產(chǎn)開發(fā)等使得鄂州市的生態(tài)環(huán)境受到嚴峻的考驗，所以在經(jīng)濟發(fā)展的同時，有必要對鄂州的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量實時監(jiān)測和評估.

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取 本研究希望通過對鄂州市區(qū)域在某一時間段內(nèi)的多時相遙感生態(tài)指數(shù)進行模擬計算，試對鄂州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化進行監(jiān)測評估.考慮到RSEI模型的需要和數(shù)據(jù)可獲取性，選擇從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上下載Landsat8OLI 2013年5月21日、2015年6月12日和2018年4月17日影像作為實驗數(shù)據(jù).

圖1 鄂州市2013年、2015年和2018年真彩色遙感影像

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 本次實驗使用到的軟件有Envi5.1和Arcgis10.5.首先使用Envi對原始影像進行輻射定標和大氣校正，得到各波段傳感器處反射率.采用二次多項式和最鄰近像元法對影像進行配準，使得配準均方根誤差小于1/2個像元.由于水體會影響到濕度指標的構(gòu)建，以致于影響最終RSEI指數(shù)的構(gòu)建，因此，須將研究區(qū)的水體去除.本文中采用徐涵秋改進的水體指數(shù)MNDWI[10]并輔以最大類間方差閾值法[11-12]將水體掩膜去除，然后通過Envi的波段運算求出各個指標因子以及歸一化處理.

2 遙感生態(tài)指數(shù)評價模型

選擇文獻[5]中提出的基于遙感影像進行定量分析的遙感生態(tài)指數(shù)模型(RSEI)并以2013年5月21日、2015年6月12日和2018年4月17日的Landsat8影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對湖北省鄂州市的生態(tài)進行短時間動態(tài)監(jiān)測.該模型包含4個指標因子：濕度指標(WET)、綠度指標(NDVI)、熱度指標(LST)以及干度指標(NDBSI).本研究針對熱度指標進行優(yōu)化處理，在RSEI模型中采用基于Landsat用戶手冊模型以及Chander等修訂的定標參數(shù)進行反演地表溫度，此方法雖簡單易行，但沒有考慮大氣透過率以及程輻射等大氣影像因素[13].取而代之的是采用基于混合像元分解法的熱傳導(dǎo)方程法進而更精確反演地表溫度[14].

2.1 各指標計算RSEI指數(shù)選擇人們能夠直接感覺的濕度指標、綠度指標、熱度指標以及干度指標等4個指標綜合反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境，并通過主成分變換集成各指標，因此在克服指標單一缺點的同時，又使得各分指標的集成更為合理.該指數(shù)與 2006 年國家環(huán)境保護部推出的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)相比，具有很好的可比性[15]，新型的RSEI生態(tài)指數(shù)除了可以定量評價區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量外，還可以對評價結(jié)果進行可視化，支持對研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量進行時空變化分析、建模和預(yù)測.

RSEI指數(shù)的濕度指標、綠度指標、熱度指標以及干度指標等4個指標分別由以下遙感指數(shù)或參量求取.

1)濕度指標：RSEI指數(shù)中的濕度用纓帽變換中的濕度分量WET計算[16]，其公式為：

WET=C1B2+C2B3+C3B4+C5B6+C7B7

(1)

式中：Bi代表landsat8衛(wèi)星影像第i波段的地表反射率.Ci代表濕度分量，對于Landsat8OLI傳感器，C1=0.150 9、C2=0.197 3、C3=0.327 9、C4=0.340 6、C5=- 0.711 2、C7=- 0.457 2.

2)綠度指標：RSEI指數(shù)中的綠度指標用NDVI植被指數(shù)求解，其公式為：

(2)

3)熱度指標：用地表溫度作為熱度指標，地表溫度反算法目前主要有3種：輻射傳導(dǎo)方程法(radiative transfer equation, RTE)、單通道算法和分裂窗算法.本研究選取輻射傳導(dǎo)方程法反演地表溫度.其基本原理為：首先利用衛(wèi)星同步的大氣數(shù)據(jù)估算大氣對地表熱輻射的影響，把這部分影響從傳感器所接收到的熱輻射總量中減去得到地表熱輻射強度，再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度.具體步驟如下：

①混合像元分解法計算植被覆蓋度[17]，將地類大致分為3類：水體、植被和建筑.其公式為：

(3)

NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIS為完全裸土或無植被覆蓋時的NDVI值，NDVIV則為完全被植被覆蓋時的NDVI值.根據(jù)經(jīng)驗取值分別為NDVIS=0.70、NDVIV=0.05.

②地表比輻射率：根據(jù)Nichol的研究[18]，水體像元的比輻射率取值0.995，植被和建筑的比輻射率則由(4)式、(5)式計算：

εplant=0.962 5+0.061 4FV-0.046 1FV2

(4)

εbuilding=0.958 9+0.086FV-0.067 1FV2

(5)

③計算相同溫度下黑體的輻射亮度值.輻射傳導(dǎo)方程：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]·τ+L↑

(6)

式中：Lλ為熱紅外輻射亮度值，L為大氣向上(下反射)輻射亮度(取值于影像參數(shù))，ε為地表輻射率，TS為地表真實溫度，B(TS)為普朗克定律推論得到的黑體在TS溫度的熱輻射亮度，τ是大氣在熱紅外波段的透過率.

④反演地表溫度：據(jù)普朗克公式的反函數(shù)得：

(7)

K1、K2為定標參數(shù).

4)干度指標：考慮在區(qū)域環(huán)境中還有相當一部分裸土，它們同樣造成地表的“干化”，因此干度指標(NDBSI)由代表干度指標的IBI建筑指數(shù)和土壤指數(shù)SI合成：

(8)

其中：

(9)

(10)

2.2RSEI指數(shù)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)模型是由以上4種指標因子進行構(gòu)建的一種城市生態(tài)環(huán)境評價體系.因此4個指標因子權(quán)重的確定尤為重要，此次研究選用Envi軟件的主成分分析工具，根據(jù)數(shù)據(jù)間相關(guān)性確定權(quán)重，客觀科學(xué).為避免大片水域?qū)Φ孛鏉穸戎笜朔囱莸挠绊?，利用改進的歸一化水體指數(shù)掩膜掉水體信息.由于這4個指標因子不是同一類型數(shù)據(jù)指標，容易因指標量綱不同而引發(fā)主成分分析結(jié)果的相關(guān)性以及各分量權(quán)重系數(shù)結(jié)果，對此，需要使用正規(guī)化化處理辦法將各指標數(shù)值限定在0～1范圍之內(nèi)[5].該方法公式記為：

(11)

經(jīng)過正規(guī)化后的4個指標通過波段融合形成一幅遙感影像數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件主成分分析可得出第一主成分PC1.由于在主成分分析時，軟件對于主成分正負值取向存在不統(tǒng)一性，為了得到較大的值代表好的生態(tài)，在取向負值時，進行(12)式處理，在取向正值時，進行(13)式處理，得到RSEI0值.

RSEI0=1-{PC1[f(WET,NDVI,LST,NDBSI)]}

(12)

RSEI0=1+{PC1[f(WET,NDVI,LST,NDBSI)]}

(13)

為了方便比較和衡量，對RSEI0進行正規(guī)化：

(14)

經(jīng)正規(guī)化后的RSEI0即為RSEI，值域介于0～1，RSEI越接近1代表生態(tài)質(zhì)量越好，越接近于0代表生態(tài)環(huán)境越差.

3 結(jié)果與分析

3.1 各分量指標主成分分析對濕度指標(WET)、綠度指標(NDVI)、熱度指標(LST)以及干度指標(NDBSI)等4個變量進行主成分分析，其計算結(jié)果如表1所示.

表1 鄂州市2013年、2015年和2018年4個生態(tài)指標PCA分析結(jié)果

根據(jù)PCA統(tǒng)計結(jié)果表(表1)，可以看出，在2013年、2015年和2018年中，PC1中的濕度分量(WET)取值分別為0.112 507、0.156 043和0.142 528，綠度分量(NDVI)的取值分別為0.763 429、0.649 441和0.712 929，表明濕度分量和綠度分量與PC1呈正相關(guān)，且綠度分量對PC1的影響比濕度分量的影響大；PC1中熱度分量(LST)的取值分別為-0.239 469、-0.278 381和-0.246 346，干度分量(NDBSI)的取值分別為-0.589 214、-0.690 203和-0.640 884，表明熱度分量和干度分量與PC1均是負相關(guān)，且干度分量對PC1的影響比熱度分量的影響大.此外，這三年的PC1特征值貢獻率均大于70%(由于影像云量的干擾，2013年的特征值貢獻率較2015年和2018年的略低)，說明PC1已集成4個因素的大部分信息.由此證明此次所得RSEI可以用來評價生態(tài)質(zhì)量.

對比4個指標對PC1的貢獻值大小發(fā)現(xiàn)，綠度是促進城市生態(tài)質(zhì)量變好的較大因素，干度是導(dǎo)致生態(tài)質(zhì)量下降的主要原因，影響大小逐年增加以至超過綠度產(chǎn)生的正向促進作用.在文獻[7]中對南京市的生態(tài)變化分析中，南京的生態(tài)質(zhì)量下降存在同樣的原因，干度是對生態(tài)質(zhì)量影響的最大原因.同樣，在文獻[8]中對渭南市的生態(tài)質(zhì)量評估中，同樣是干度指標對PC1的貢獻度最大. 說明城市化導(dǎo)致的建設(shè)用地增加是城市生態(tài)惡化根本原因.

3.2RSEI指數(shù)結(jié)果分析根據(jù)(14)式，可以計算2013年、2015年和2018年中4個生態(tài)指標以及RSEI的統(tǒng)計值，其計算結(jié)果如表2所示.

表2 鄂州市2013年、2015年和2018年中4個生態(tài)指標和遙感生態(tài)指數(shù)RSEI統(tǒng)計值

分析表2中數(shù)據(jù)可以看出，2013年、2015年和2018年中RSEI指數(shù)的平均值分別為0.57、0.63和0.53，即鄂州市總體生態(tài)指數(shù)有一個先上升后下降的過程，總體趨勢是生態(tài)指數(shù)下降，表明鄂州市生態(tài)質(zhì)量略有變差.

從4個生態(tài)指標的變化趨勢來看，在2013年、2015年和2018年中，濕度指標的均值分別為-0.01、-0.02和0.01，其變化趨勢為先減小后增加，與RSEI的變化趨勢相反，正向影響因素綠度指標的均值分別為0.33、0.41和0.21，變化趨勢與RSEI一致，熱度指標的均值分別為30.03、32.91和26.65，與RSEI的變化趨勢相反，反向影響因素干度指標的均值分別為-0.24、-0.25和-0.31，變化趨勢與RSEI一致.因此，影響鄂州市RSEI變化的主要因素為綠度指標與干度指標，而濕度指標和熱度指標對其影響較小.

3.3RSEI時空變化分析為了對鄂州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不同等級進行時空變化分析，將得到的RSEI指數(shù)影像按0.2間距分為5類：生態(tài)優(yōu)(0.8～1.0)、生態(tài)良(0.8～0.6)、生態(tài)中等(0.4～0.6)、生態(tài)較差(0.2～0.4)和生態(tài)差(0～0.2)，得到RSEI空間分布圖(圖2)，并進行統(tǒng)計得到圖3.

圖2 鄂州市2013年、2015年、2018年RSEI指數(shù)質(zhì)量分級空間分布圖

圖3 鄂州市2013年、2015年和2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級統(tǒng)計圖

由圖2中的結(jié)果可知，在本研究的時間段內(nèi)，不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級所占的面積變化趨勢差異明顯.首先是差等的生態(tài)環(huán)境所占的面積逐年增加，占比由2013年的0.15%到2018年的1.45%，增長幅度近10倍.較差的生態(tài)環(huán)境所占的面積在2015年有略微減少，在2018年急劇增加，面積增加近一倍.中等的生態(tài)環(huán)境所占面積整體變化差異不大，略有減少.等級為良的生態(tài)環(huán)境所占面積從2013年的39.20%到2015年的42.60%，略有增長，但是到2018年有較大幅度的下降，占比為32.12%.最后，生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)的面積在兩個階段也是先增后減，總體減少幅度也較大.

從空間分布來看，質(zhì)量等級較低的兩類生態(tài)環(huán)境重災(zāi)區(qū)主要集中在葛店鎮(zhèn)、鄂城區(qū)(主區(qū)和東區(qū))、長港河兩岸居民區(qū)等.全區(qū)生態(tài)最差出現(xiàn)在長江鄂城區(qū)段的江心洲上，此洲北邊常年為裸巖砂礫，受水流沖擊，為自然形成.南半部分有植被生長，生態(tài)優(yōu)良.全區(qū)內(nèi)生態(tài)優(yōu)良的區(qū)域占比經(jīng)歷了先增長后減少的的變化.生態(tài)優(yōu)良區(qū)分布在南部和東部的山區(qū)，山區(qū)人為活動少，自然環(huán)境保護良好.

鄂州市西北角的葛店鎮(zhèn)是生態(tài)變化的典型區(qū)域.由圖2可以看出，在2013年、2015年和2018年中，葛店的生態(tài)不優(yōu)良的區(qū)域逐步擴大，這是明顯的城市化擴展引起的結(jié)果.葛店緊鄰首批國家級高新區(qū)武漢光谷，光谷三十年發(fā)展擴張逐步帶動葛店的經(jīng)濟和城市化發(fā)展.2012年，湖北鄂州葛店經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)經(jīng)國務(wù)院批準升級為國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū).對比鄂州城區(qū)，葛店的發(fā)展和生態(tài)治理效果明顯，但依舊對生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生了愈演愈烈的負面影響，因此，葛店經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)還應(yīng)在原有基礎(chǔ)上加強生態(tài)治理，邊發(fā)展邊治理的基礎(chǔ)上加強生態(tài)保護的措施.

分析研究期的生態(tài)環(huán)境，并以0.4為指數(shù)差間隔，將變化分為5類：惡化(指數(shù)的降低>0.6)、變差(0.2<指數(shù)的降低<0.6)、不變(指數(shù)的上下浮動<0.2)、變好(0.2<指數(shù)的上升<0.6)、優(yōu)化(指數(shù)的上升>0.6).分層設(shè)色得到圖4，統(tǒng)計量變得到表3.由圖4和表3可知，2013年至2015年期間，生態(tài)變好的面積占比10.44%，變壞的面積占比3.16%.結(jié)果表明，2015年的平均生態(tài)質(zhì)量優(yōu)于2013年，這三年間生態(tài)治理效果明顯，變差的區(qū)主要在葛店、梁子湖區(qū)梧桐湖新區(qū)、涂家垴鎮(zhèn)等.生態(tài)變好的區(qū)域在鄂州城區(qū)周邊、東南山區(qū)以及其他零散分布的區(qū)域.2015—2018年期間生態(tài)變差的區(qū)域增加較多.全區(qū)域有18.36%面積變差，但環(huán)境惡化的區(qū)域較上一個階段少.

圖4 鄂州市2013—2018年遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)變化監(jiān)測圖

表3 生態(tài)變化監(jiān)測統(tǒng)計表

RSEI雖集成了4個生態(tài)環(huán)境中最重要的因素，但究其4個指標的特殊性，RSEI只應(yīng)用于陸地地表的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估，因為纓帽變換的濕度分量(WET)主要和植被和土壤的濕度有關(guān)，過程中將水域部分皆掩膜除去.譬如鄂州市，水面面積占全市域近1/3，此次研究僅評估鄂州市2/3市域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量.水體作為生態(tài)環(huán)境一個不可或缺的組成元素，以期在后期研究中能找到有效的代表水環(huán)境生態(tài)的指數(shù)并將其納入遙感生態(tài)指數(shù)的大環(huán)境中，進而更全面完整地監(jiān)測評估生態(tài)環(huán)境.

4 結(jié)論

基于遙感生態(tài)指數(shù)，運用遙感和GIS技術(shù)，從定性和定量的角度對鄂州市2013—2018年這6年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評估分析，在空間上和時間上揭示鄂州市生態(tài)質(zhì)量的動態(tài)變化，為生態(tài)治理措施的效果提供有效證明，并為鄂州市以后的生態(tài)治理分區(qū)域化提供指導(dǎo).

分析本文中研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1)鄂州市的生態(tài)環(huán)境在2013—2018年這6年時間里經(jīng)歷了先升高后降低的變化過程；

2)在濕度指標(WET)、綠度指標(NDVI)、熱度指標(LST)以及干度指標(NDBSI)等4個指標中，影響鄂州市RSEI變化的主要因素為綠度指標與干度指標，而濕度指標和熱度指標的對其影響較小，因此在鄂州市的生態(tài)治理過程中更應(yīng)注重植被恢復(fù)和城鎮(zhèn)綠化等方面；

3)2013—2018年這6年時間里，鄂州市的生態(tài)保護有所成效，但狀況依舊嚴峻，特別是葛店、梁子湖區(qū)梧桐湖新區(qū)、涂家垴鎮(zhèn)等地區(qū).這與鄂州市近年來的經(jīng)濟文化發(fā)展以及受省會城市武漢市的影響有密不可分的關(guān)系.國家級經(jīng)濟高新區(qū)在鄂州落地、武漢市城市規(guī)劃對鄂州市的延伸，鄂州市的城鎮(zhèn)化從2013年的60.48%上升到2015年的64.3%，2018年接近66%大關(guān)，這些發(fā)展的背后，均是對自然資源的過度開發(fā)和利用，這無疑對生態(tài)有破壞性影響.