基于遙感生態(tài)指數(shù)的黃山世界遺產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境評價

吳 強， 王心源， 駱 磊

(1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心, 北京 100094)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)來源，它承受著人類活動產(chǎn)生的廢棄物和各種作用結(jié)果[1]。良好的生態(tài)環(huán)境是人類發(fā)展最重要的前提，同時也是人類賴以生存、社會得以安定的基本條件[1]。近年來，中國的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，環(huán)境污染、水土流失、森林退化等問題日益明顯。如何有效提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，推動生態(tài)文明建設(shè)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測無疑是至關(guān)重要的一步。

20世紀(jì)90年代以來，伴隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價取得了大量成果，評價理論、方法和技術(shù)手段不斷豐富和完善[2-3]。遙感技術(shù)因其觀測范圍廣，時效性強，全天時全天候觀測的特點，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中得到日益廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外已有很多學(xué)者運用遙感技術(shù)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測與評價，遙感成為評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要手段之一[4-8]。2006年，國家環(huán)境保護部頒發(fā)了《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》，推出了主要基于遙感技術(shù)的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(ecological environment index， EI)，旨在為評價生態(tài)環(huán)境狀況提供國家標(biāo)準(zhǔn)。盡管該方法已得到大量的應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中不可避免的出現(xiàn)一些問題，如應(yīng)用范圍的限制、歸一化系數(shù)是否合理、指標(biāo)是否易獲取等[9-10]。徐涵秋[11-12]則提出了一種完全基于遙感信息，以自然因子為主要驅(qū)動力的新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index， RSEI)。該指數(shù)耦合了綠度、濕度、干度和熱度4個指標(biāo)，能夠較為全面的反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平；該指標(biāo)容易獲取，并且避免了人為確定權(quán)重系數(shù)導(dǎo)致的偏差，成為較為常用的評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指數(shù)之一。

黃山于1990年列入世界自然和文化遺產(chǎn)名錄，又分別于2002年和2004年被列入中國國家地質(zhì)公園和首批世界地質(zhì)公園，成為同時擁有3項最高榮譽的旅游勝地。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對于維持世界遺產(chǎn)地的“真實性”和“完整性”具有極其重要的價值。從20世紀(jì)90年代開始，國家和地方投入了大量的人力、物力和財力對黃山世界遺產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境進行重點保護。本文通過建立RSEI指數(shù)對黃山世界遺產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行動態(tài)分析和定量評價，旨在為黃山管理部門提供有關(guān)環(huán)境治理、發(fā)展規(guī)劃等相關(guān)決策的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃山世界遺產(chǎn)地位于安徽省黃山市內(nèi)，地處太平、歙縣、休寧和黔縣4縣交界處，是長江和錢塘江水系在安徽的分水嶺。黃山不僅是著名的國家級風(fēng)景名勝區(qū)，也是世界文化和自然雙重遺產(chǎn)地、世界地質(zhì)公園和世界生物圈保護地3項桂冠的擁有者，具有極其重要的研究價值。按世界遺產(chǎn)地的劃分，遺產(chǎn)地分為核心區(qū)和緩沖區(qū)，本研究將二者合并作為研究區(qū)域，統(tǒng)稱為保護區(qū)，定量分析評價該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。保護區(qū)地理位置位于北緯29°58′—30°17′，東經(jīng)117°59′—118°22′，總面積約為651 km2。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文使用的影像數(shù)據(jù)為黃山世界遺產(chǎn)地1992年至2017年Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI遙感影像，影像數(shù)據(jù)通過美國地質(zhì)調(diào)查局、地理空間數(shù)據(jù)云等網(wǎng)站進行免費獲取。所獲取影像的成像時間均處于9—10月份，影像云量較少，質(zhì)量較好。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、影像配準(zhǔn)等，配準(zhǔn)的均方根誤差控制在0.5個像元內(nèi)。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)模型

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)是基于遙感技術(shù)，以自然因子為主要驅(qū)動因素對某一區(qū)域的生態(tài)狀況進行快速監(jiān)測與評價的新型遙感生態(tài)指數(shù)。該指數(shù)耦合了綠度、濕度、干度和熱度4個指標(biāo)，利用主成分分析法進行構(gòu)建，可對某一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況進行定量評價。

(1) 綠度指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是常用的植物生長狀態(tài)以及植被密度分布的最佳指示因子之一[13]，是反映植被長勢、覆蓋度及生物量的重要參數(shù)，故選用NDVI代表綠度指標(biāo)，其表達式如下：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(1)

式中：ρnir，ρred分別表示Landsat數(shù)據(jù)的近紅外波段和紅色波段。

(2) 濕度指標(biāo)。區(qū)域濕度是反映生態(tài)環(huán)境狀況的一個重要參數(shù)，RSEI中的濕度指標(biāo)由纓帽變換中的濕度分量進行表達，主要反映區(qū)域內(nèi)植被和土壤的濕度。對于Landsat不同的傳感器，其表達式分別如下：

①TM數(shù)據(jù)：

Wet=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2

(2)

②OLI數(shù)據(jù)：

Wet=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred+0.340 7ρnir-0.711 7ρswir1-0.455 9ρswir2

(3)

式中：ρi為相應(yīng)波段的光譜反射率。下同。

(3) 干度指標(biāo)。土壤干化會給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，土壤干化越嚴(yán)重，其危害越大[13]。除土壤干化之外，區(qū)域建筑用地也會對生態(tài)環(huán)境造成一定破壞。因此干度指標(biāo)(NDSI)可以采用裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)的合成，其具體表達式如下：

NDSI=(SI+IBI)/2

(4)

SI=〔(ρswir1+ρred)-(ρnir+ρblue)〕/〔(ρswir1+ρred)+(ρnir+ρblue)〕

(5)

(6)

(4) 熱度指標(biāo)。本文選取地表溫度來代表熱度指標(biāo)，依據(jù)輻射傳輸方程反演地表溫度，其表達式如下：

Lλ=〔εP(Ts)+(1-ε)L↓〕τ+L↑

(7)

P(Ts)=〔Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓〕/τε

(8)

Ts=K2/ln〔K1/P(Ts)+1〕

(9)

式中：Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；Ts為地表真實溫度(K)；P(Ts)為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)。L↑和L↓為大氣向上、下輻射亮度。其中τ，L↑和L↓均可根據(jù)遙感影像成像時間及中心經(jīng)緯度信息在NASA網(wǎng)站查詢得到。

(5) 構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)。為將4個指標(biāo)納入到同一體系下進行比較，將計算得到的4個指標(biāo)分別進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將指標(biāo)值約束在0～1范圍內(nèi)，使之統(tǒng)一量綱，標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(10)

式中：NIi為某一正規(guī)化后的指標(biāo)值；Ii為該指標(biāo)在像元i處的值；Imax為該指標(biāo)的最大值；Imin為該指標(biāo)的最小值。

采用主成分分析法對4個指標(biāo)進行耦合，該方法可以避免人為對4個指標(biāo)進行權(quán)重賦值，而是根據(jù)各個指標(biāo)對第一主成分的貢獻率來確定其權(quán)重，因而能避免人為確定權(quán)重值而導(dǎo)致的偏差，使得RSEI指標(biāo)更加具有客觀性。為使得輸出的主成分信息中，數(shù)值較大的值代表生態(tài)環(huán)境狀況較好，采用下式計算初始的RSEI0數(shù)值。

RSEI0=1-

PCA〔f(NDVI,WET,NDSI,LST)〕

(11)

式中：PCA為主成分分析，NDVI，WET，NDSI，LST分別代表綠度、濕度、干度、熱度。

同樣，利用公式(10)，對RSEI0進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到最終的RSEI值。

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(12)

式中：RSEI0min和RSEI0max分別表示計算得到的RSEI0的最小值和最大值；RSEI為最終的遙感生態(tài)指數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃山世界遺產(chǎn)地RSEI數(shù)值變化分析

由表1可知，黃山世界遺產(chǎn)地的RSEI數(shù)值逐漸升高，其中2017年最高，達到了0.638，表明該年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好。1992年RSEI值最低，為0.573，表明其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對較差。從1992年至2007年，生態(tài)環(huán)境改善較為明顯，RSEI值漲幅達7.2%，2007年至2017年漲幅相對較小，達到了3.9%。就整體而言，黃山世界遺產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在逐漸變好，且前15 a的改善效果要稍優(yōu)于后10 a的改善效果，其原因與近10 a來黃山風(fēng)景區(qū)旅游業(yè)的迅速發(fā)展有關(guān)。

表1 1992-2017年黃山世界遺產(chǎn)地各年份4個指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)RSEI均值變化

從4個子指標(biāo)來看，綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)的PC1載荷值為正數(shù)，表明其對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生積極影響，干度指標(biāo)與熱度指標(biāo)的PC1載荷值為負數(shù)，表明其對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生消極影響，這與實際狀況相符。1992—2017年，綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)數(shù)值呈上升趨勢，其原因主要是自入選“世界遺產(chǎn)名錄”以來，地方政府投入大量資金用于生態(tài)環(huán)境保護，積極保護遺產(chǎn)地范圍內(nèi)的綠色植被，并控制人為破壞，從而使得保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋穩(wěn)中有升，促進了綠度和濕度指標(biāo)數(shù)值的提升。溫度指標(biāo)數(shù)值先升高后降低，而干度指標(biāo)數(shù)值則先降低后升高，二者呈小幅度波動趨勢。

3.2 黃山世界遺產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空差異分析

為了更準(zhǔn)確反映保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)變化，將RSEI指標(biāo)數(shù)值以0.2為級差劃分為5個等級，即0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0，分別對應(yīng)差、較差、中、良、優(yōu)5個生態(tài)環(huán)境等級(見封2附圖7)，并對各個生態(tài)環(huán)境級別分別統(tǒng)計其面積占比(見表2)，進一步計算生態(tài)等級面積變化轉(zhuǎn)移矩陣(見表3)。

表2 黃山世界遺產(chǎn)地1992-2017年生態(tài)等級和面積變化

由附圖7(見封2)可以直觀看出，1992—2017年黃山世界遺產(chǎn)地范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況：①整體來看，保護區(qū)西北部、中部和東南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；保護區(qū)北部和東部部分區(qū)域，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。②從局部來看，生態(tài)環(huán)境級別為差和較差的區(qū)域主要集中分布于保護區(qū)西部焦村鎮(zhèn)，北部耿城鎮(zhèn)、三口鎮(zhèn)和仙源鎮(zhèn)，東部譚家橋鎮(zhèn)和南部湯口鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)分布區(qū)域，以及遺產(chǎn)地內(nèi)省道S103和高速G205沿線區(qū)域，此外還包括核心風(fēng)景區(qū)內(nèi)的裸巖分布區(qū)。在近25 a的發(fā)展變化中，該類別區(qū)域面積明顯變小，轉(zhuǎn)化為更高的生態(tài)環(huán)境等級。生態(tài)環(huán)境級別為良和優(yōu)的區(qū)域主要分布于保護區(qū)中部核心風(fēng)景區(qū)、西北部松嶺和陽邊山周圍、東南部崗村以南部分區(qū)域，以及東部G3高速公路衢黃段以東大部分區(qū)域，且東南部等級為優(yōu)的面積逐漸變大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升較為明顯。結(jié)合遙感影像可知，植被覆蓋度提高是區(qū)域生態(tài)等級提升的主要原因，而城鎮(zhèn)化建設(shè)則是區(qū)域生態(tài)等級退化的主要影響因素。

結(jié)合表2可知，黃山世界遺產(chǎn)地范圍內(nèi)，3期數(shù)據(jù)中RSEI等級為中和良的面積占比均達到了65%以上，占據(jù)主導(dǎo)地位，表明保護區(qū)內(nèi)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好。RSEI等級為差和較差的區(qū)域，其面積占比逐年下降，從20.74%降至12.30%，降幅達到8.4%；而RSEI等級為良和優(yōu)的面積比例則穩(wěn)步上升，從53.33%提升至69.0 %，漲幅達到15.7%。統(tǒng)計結(jié)果表明，保護區(qū)內(nèi)部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境等級提升明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著改善。

依據(jù)表3的統(tǒng)計結(jié)果可知，從1992—2017近25 a來，保護區(qū)內(nèi)RSEI等級為差和較差的土地中，有接近63.6%的土地轉(zhuǎn)變?yōu)镽SEI等級更高的土地；RSEI等級為中、良、優(yōu)的土地中，較好的保持了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平，平均僅有約4.0%的土地其RSEI等級轉(zhuǎn)化為差和較差。總體而言，近25 a來，保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進一步變好。

%

表3 黃山世界遺產(chǎn)地生態(tài)等級面積轉(zhuǎn)移矩陣

為了較為直觀的體現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空差異，將1992年和2017年的RSEI指數(shù)進行差值變化檢測(見封3附圖8)。結(jié)合實際情況，將差值檢測結(jié)果劃分為5個等級(-1.0～-0.2，-0.2～-0.05，-0.05～0.05，0.05～0.2，0.2～1)，分別對應(yīng)顯著退化區(qū)、輕微退化區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、輕微改善區(qū)、顯著改善區(qū)[14]，綜合分析黃山世界遺產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境狀況的時空變化。

由附圖8(見封3)可以看出，保護區(qū)內(nèi)北部耿城鎮(zhèn)、三口鎮(zhèn)、仙源鎮(zhèn)，東部譚家橋鎮(zhèn)西南部，以及南部G205高速沿線、阮溪山周圍有部分區(qū)域呈現(xiàn)顯著退化狀，結(jié)合遙感影像得知，其原因主要與城鎮(zhèn)化建設(shè)、旅游開發(fā)有關(guān)。保護區(qū)內(nèi)北部大部分區(qū)域，南部崗村周圍以及核心風(fēng)景區(qū)東南部等區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈顯著改善狀態(tài)，其原因主要與退耕還林、植樹造林等措施有關(guān)。黃山核心風(fēng)景區(qū)內(nèi)，絕大多數(shù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，保持相對穩(wěn)定，個別區(qū)域有輕微退化，主要集中于旅游開發(fā)區(qū)、裸巖分布區(qū)域。整體來看，保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。

4 結(jié)論與討論

本文基于遙感生態(tài)指數(shù)，對黃山世界遺產(chǎn)地保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了定量評價。結(jié)合GIS空間分析及統(tǒng)計方法，得出區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化，研究成果對黃山世界遺產(chǎn)地的保護與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，能夠為遺產(chǎn)地的管理、發(fā)展規(guī)劃提供一定的參考。

(1) 在主成分分析中，綠度、濕度、干度、熱度載荷值較為接近，表明4個分量對該區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均有一定程度的貢獻。且綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起積極作用，干度和熱度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起消極作用。

(2) 黃山世界遺產(chǎn)地保護區(qū)內(nèi)RSEI指標(biāo)數(shù)值均在0.5以上，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較好。區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要集中于中部核心風(fēng)景區(qū)、西北部和東南部等植被覆蓋度較高的區(qū)域。生態(tài)環(huán)境較差區(qū)域則主要集中于北部和東部等城鎮(zhèn)分布區(qū)以及公路沿線部分區(qū)域。

(3) 黃山世界遺產(chǎn)地保護區(qū)內(nèi)RSEI指數(shù)在1992—2017呈顯著上升趨勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)步提升。整體來看，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善，改善區(qū)域主要分布于保護區(qū)北部和南部山區(qū)，其原因主要與相關(guān)管理部門在黃山被列入世界遺產(chǎn)名錄后加大生態(tài)環(huán)境保護力度有關(guān)。從局部來看，存在生態(tài)環(huán)境退化的區(qū)域，其原因主要與城鎮(zhèn)化建設(shè)、旅游開發(fā)等因素有關(guān)。相關(guān)部門應(yīng)進一步規(guī)范土地利用，繼續(xù)貫徹退耕還林措施。合理進行城鎮(zhèn)化建設(shè)，在生態(tài)承載力范圍內(nèi)適度進行旅游開發(fā)，實現(xiàn)黃山世界遺產(chǎn)地的可持續(xù)發(fā)展。

自1990年黃山被列入世界遺產(chǎn)名錄以來，各級政府部門及相關(guān)管理單位投入了大量的人力、物力和財力對遺產(chǎn)地進行重點保護。本研究證明，保護舉措初見成效，保護區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善明顯。生態(tài)環(huán)境退化區(qū)域既包含城鎮(zhèn)化建設(shè)區(qū)域，也包括旅游開發(fā)區(qū)域，合理的城鎮(zhèn)化建設(shè)、適度的旅游開發(fā)，對保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。但必須指出，保護下的發(fā)展不等于不發(fā)展，應(yīng)始終貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念，協(xié)調(diào)發(fā)展與保護的關(guān)系，科學(xué)的推進保護區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。

遙感生態(tài)指數(shù)多運用于城市生態(tài)環(huán)境的定量評價，本研究將該指數(shù)引入世界遺產(chǎn)地。本文研究成果對于遺產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價具有一定的參考價值，可以嘗試在其它同類型案例地進行推廣應(yīng)用。盡管遙感生態(tài)指數(shù)較為全面的選擇了4類影響生態(tài)環(huán)境的指示因子，且能夠較好的反映研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化，但生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)雜的綜合變量，全面的定量評價需依據(jù)研究區(qū)實際情況綜合選擇多種影響因子，這是研究其它案例地時需要注意的問題。