基于RSEI的國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(江西)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析
——以撫州市為例

方 正， 張延飛， 丁木華， 易琪媛

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 理學(xué)院，江西 南昌 330013；3.江西生態(tài)文明制度研究院，江西 南昌 330013)

自改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加快，在取得巨大發(fā)展成就的同時，生態(tài)環(huán)境問題也隨之凸顯。近年來，生態(tài)文明建設(shè)研究已成為國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)，尤其在國內(nèi)，在探索和完善生態(tài)文明建設(shè)上主要集中在思想體系建設(shè)(吳寧子等，2019；花明，2018)、生態(tài)文明理念研究(陳紅兵等，2019；孔蘭等，2019；張延飛等，2016a)、生態(tài)影響研究(張振東等，2016；張延飛等，2016b；鄖文聚等，2018；鄒永旺等，2019)等方面。由于這些研究多側(cè)重于單一生態(tài)指標(biāo)或理念體系構(gòu)建(王會芝，2014；馮玉香，2018)的研究，而利用集成指標(biāo)針對空間層面進(jìn)行長時間序列的生態(tài)變化研究較為薄弱。

目前，運(yùn)用最為廣泛的是生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)，而該方法評價結(jié)果只是一個數(shù)值，無法表現(xiàn)出區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布特點(diǎn)。除EI外，徐涵秋(2013a)提出的RSEI模型完全基于遙感影像，其具有較強(qiáng)的客觀性、評價結(jié)果可視化效果好、排除人為因素對指標(biāo)權(quán)重的影響等優(yōu)點(diǎn)，因此該模型更適用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。筆者通過遙感手段，在RSEI模型的基礎(chǔ)上，利用多時相的綜合研究來了解研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化及發(fā)展趨勢。相對于其他傳統(tǒng)的研究手段，遙感的獨(dú)特之處在于能夠在空間和時間層面上反映地面事物的變化，對于綜合分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，改善城市生態(tài)環(huán)境，提升城市生態(tài)影響力有著重要意義，也為江西省探討和完善生態(tài)文明制度體系建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

撫州市位于江西省東部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，雨量充沛，總面積約為1.88萬km2。本次選取撫州市主城區(qū)及周邊區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1)，區(qū)內(nèi)包含9鄉(xiāng)、18鎮(zhèn)和5大產(chǎn)業(yè)平臺(建昌撫合作示范區(qū)，贛閩臺產(chǎn)業(yè)合作示范區(qū)，臨川高新區(qū)，撫北園區(qū)、東鄉(xiāng)園區(qū))，面積約為2 124 km2。本研究區(qū)是撫州市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是開展生態(tài)文明建設(shè)的先行示范區(qū)。

圖1 研究區(qū)區(qū)位及鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界圖Fig.1 The location and townships boundary of study area

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括撫州市臨川區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)和Landsat遙感影像。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于政府提供的2017年省級下發(fā)縣級行政界線。遙感影像數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(USGS)和地理空間數(shù)據(jù)云。為了避免因季節(jié)差異以及影像獲取時間不同而造成的影響，這里選取了2007年8月、2013年7月、2017年9月三期影像，其中2007年的影像為Landsat TM影像，2013年及2017年的影像為Landsat OLI/TIRS影像。影像季相相近，質(zhì)量完好，且云量都在10%以下，可較好地應(yīng)用到本次研究中。筆者運(yùn)用ENVI5.5軟件對各期影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、影像裁剪、影像鑲嵌等預(yù)處理操作。

2 研究方法

本次研究所采用的方法是遙感生態(tài)指數(shù)法(RSEI)，其與國家生態(tài)環(huán)境部2006年推出的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)相比，具有更好的優(yōu)勢性(程朋根等，2015)。

人們對于周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的感受是通過綠度、濕度、熱度、干度這4個最直觀的感覺來評判(徐涵秋，2013b)，因此針對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，筆者使用遙感技術(shù)得到這4個指標(biāo)。濕度指標(biāo)由纓帽變換后的濕度分量(Crist，1985)代表；綠度指標(biāo)是通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)來表示；選取土壤指數(shù)SI(哈學(xué)萍等，2009)和建筑指數(shù)IBI合成(徐涵秋，2005)表示干度指標(biāo)(NDBSI)；熱度指標(biāo)采用地表溫度(LST)來表示。具體流程如圖2所示。

圖2 RSEI計(jì)算流程圖Fig.2 The flow chart of RSEIρi代表TM/OLI數(shù)據(jù)相應(yīng)波段的反射率。對于TM圖像而言，C1=0.031 5、C2=0.202 1、C3=0.310 2、C4=0.159 4、C5=-0.680 6、C7=-0.610 9；對于OLI圖像(Baig et al.,2014),C1=0.151 1、C2=0.197 3、C3=0.328 3、C4=0.340 7、C5=-0.711 7、C7=-0.455 9。地表溫度計(jì)算中，λ為熱紅外波段的中心波長，ρ=1.438×10-2 m·K，ε為地表比輻射率，該值通過Sobrino等(2004)的模型結(jié)合NDVI估算得到。T為傳感器處的溫度值，K1、K2分別是定標(biāo)參數(shù)，B(Ts)是熱紅外波段像元在傳感器處的輻射值，DN是像元灰度值，gain和bias分別是波段的增益值和偏置值。對于TM數(shù)據(jù)，gain為0.055，bias為1.1824 3，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)、K2=1 260.56 K；而對于TIRS數(shù)據(jù)，gain=3.342×10-4，bias為0.1，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)、K2=1 321.08 K。

利用主成分分析法可以根據(jù)各指標(biāo)對各主分量的貢獻(xiàn)度來客觀確定各指標(biāo)權(quán)重，同時還可以將多維信息集中到一維信息上，達(dá)到以單一變量耦合多個變量的目的。在進(jìn)行主成分分析前，由于各個原始指標(biāo)之間量綱不統(tǒng)一，因此先對原始指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。另外，由于研究區(qū)域位于撫河中游，撫河穿城區(qū)而過，為了避免大面積水域影響PCA的荷載分布，因此須對各指標(biāo)采用MNDWI水體指數(shù)對水體信息進(jìn)行掩膜(徐涵秋，2008)。再將經(jīng)過水體掩膜后及無量綱化指標(biāo)合成一幅新的影像，對新的影像進(jìn)行主成分分析，計(jì)算結(jié)果見表1。為了讓主成分越大的數(shù)值代表越好的生態(tài)條件，可以進(jìn)一步用1減去計(jì)算出的第一主成分(PC1)，得到初始遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0。對初始遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0進(jìn)行歸一化處理，RSEI即為所求的遙感生態(tài)指數(shù)，其值范圍在[0,1]，且RSEI值越大，表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之越差。

表1 指標(biāo)主成分分析Table 1 Principal components analysis

3 結(jié)果與分析

3.1 撫州市生態(tài)環(huán)境變化時空動態(tài)分析

通過對三期遙感影像進(jìn)行指標(biāo)運(yùn)算，得到RSEI (圖3)，其中白色部分是為了避免水體過多掩蓋了RSEI真實(shí)的變化狀況而進(jìn)行了掩膜處理。表2為RSEI的統(tǒng)計(jì)值，表中的統(tǒng)計(jì)值均為歸一化后結(jié)果。10年間研究區(qū)RSEI的均值先由2007年的0.669上升到2013年的0.885，上升了32.29%，后由2013年的0.885降到2017年的0.789，下降了10.85%，呈現(xiàn)先大幅上升后小幅下降的趨勢。從RSEI的空間分布特征來看，隨著建成區(qū)的不斷擴(kuò)大，代表生態(tài)環(huán)境狀況較差的紅色區(qū)域呈逐漸向周邊地區(qū)擴(kuò)散的趨勢。對比各年份不同指標(biāo)的均值可知，濕度Wet和綠度NDVI在各年間的增幅與RSEI的增幅具有相同的趨勢，特別是綠度NDVI的增減幅度同RSEI相近。濕度Wet和綠度NDVI對生態(tài)環(huán)境有著正面的影響，而干度NDBSI的增減幅度同RSEI增減幅度相反，說明其不透水面即建設(shè)用地對于生態(tài)環(huán)境有著負(fù)面的影響。

圖3 撫州市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)影像Fig.3 RSEI images of Fuzhou city

表2 撫州市各年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)Table 2 Ecological envirenment quality index of Fuzhou city in each year

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，將各年份遙感生態(tài)指數(shù)RSEI的結(jié)果以0.2為間隔，劃分成5個等級(圖4)，分別代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“差”“較差”“中等”“良”“優(yōu)”。對各期分級結(jié)果所占面積及比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

圖4 撫州市各期RSEI分級圖Fig.4 RSEI grade map of different periods in Fuzhou city

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，2007、2013和2017年研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況為優(yōu)、良的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的65.47%，88.29%，77.78%，10年間呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，整體呈上升趨勢。差和較差等級的區(qū)域所占面積分別是4.84%、0.86%、4.92%，呈先下降后上升趨勢，整體呈上升趨勢?？梢钥闯觯?1)從2007年到2013年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況整體呈現(xiàn)大幅度上升，其中處于“良”等級的區(qū)域大幅度轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?yōu)”等級，而建成區(qū)擴(kuò)張速度下降，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善，從“較差”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸小钡燃墸?2)2013年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況在3期研究年份中最好，其中整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況處于“優(yōu)”等級；(3)從2013年到2017年，在整體保持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良的基礎(chǔ)上，城市得到擴(kuò)張，建成區(qū)范圍增大，而增大的建成區(qū)生態(tài)等級較差，生態(tài)等級為“較差”和“中”等級的區(qū)域主要分布在城區(qū)核心區(qū)域和水域內(nèi)灘涂等小面積裸地。研究期間，撫州市政府出臺了促進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展的扶持政策，充分利用和發(fā)揮了“建筑之鄉(xiāng)”的優(yōu)勢，導(dǎo)致大規(guī)模土地開發(fā)，建成區(qū)面積迅速擴(kuò)張，建筑用地的增加導(dǎo)致了研究區(qū)域相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降。

表3 RSEI生態(tài)等級和面積比例變化Table 3 Changes in ecological rank and area proportion of the RSEI

3.2 撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域性分析

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域性差異，對研究區(qū)下轄9鄉(xiāng)、18鎮(zhèn)(其中主城區(qū)的3個街道辦事處單獨(dú)分出)的RSEI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)3期的RSEI平均值進(jìn)行排名，其排名結(jié)果可以作為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在10年間生態(tài)治理的評價因素之一。

從表4中可以看出，2007年研究區(qū)RSEI均值最高的是桐源鄉(xiāng)(0.696)，最低為文昌街道辦事處(0.472)，整體水平處于中、良情況；2013年研究區(qū)RSEI均值最高的是茅排鄉(xiāng)(0.825)，最低仍是文昌街道辦事處(0.593)，整體水平處于優(yōu)、良情況；2017年研究區(qū)RSEI均值最高的是高坪鎮(zhèn)(0.771)，數(shù)值最低的是鐘嶺街道辦事處(0.492)，整體水平處于良好情況。從2007年到2013年間，城西街道辦事處、文昌街道辦事處、鐘嶺街道辦事處3個區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況始終處于相對較低的水平，3期RSEI均值的排名都是處于后三名，而桐源鄉(xiāng)、榮山鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)3個區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況一直處于相對較高水平。

表4 撫州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)遙感生態(tài)指數(shù)RSEI統(tǒng)計(jì)Table 4 The RSEI statistics of towns in Fuzhou city

結(jié)合撫州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間分布狀況(圖1)來看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況保持穩(wěn)定的區(qū)域一般居于偏遠(yuǎn)地段，如桐源鄉(xiāng)，其地理位置東臨撫河，西、北、南三面環(huán)山，擁有大面積植被覆蓋，生態(tài)環(huán)境并未發(fā)生大的變化，遠(yuǎn)離城市中心，人類活動對生態(tài)環(huán)境影響相對較少，因此RSEI數(shù)值較高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量始終保持優(yōu)良。而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域是撫州市主城區(qū)，同周邊其他區(qū)域相比，這里建筑物相對密集，不透水面面積相對較大，其中文昌街道辦事處是撫州老城區(qū)，是撫州最集中的棚戶區(qū)。因此人類活動對該區(qū)域影響巨大，造成其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況一直處于中等水平。

3.3 撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異性分析

為了更直觀的了解研究區(qū)在2007—2017年期間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，根據(jù)研究區(qū)各期RSEI分級數(shù)據(jù)，利用柵格計(jì)算器進(jìn)行差值運(yùn)算，得到撫州市2007—2017年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化檢測圖(圖5)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5)表明：2007—2013年撫州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好、不變和變差的區(qū)域面積分別是1 389.550 km2、455.554 km2和46.474 km2，面積比重分別為73.46%、24.08%和2.46%；2013—2017年撫州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積為996.392 km2，占總面積的49.87%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為167.839 km2，占總面積的8.40%； 2007—2017年撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善或不變的區(qū)域面積為1 830.314 km2，面積比重為91.60%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為167.839 km2，面積比重為8.40%。這10年間撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“變好”的區(qū)域居于主導(dǎo)地位，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的區(qū)域明顯多于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域。

圖5 撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化檢測圖Fig.5 Change detection images in Fuzhou city

表5 撫州市RSEI變化檢測Table 5 Change detection of RSEI in Fuzhou city

從圖5可以看出，代表撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的紅色區(qū)域，主要分布在撫州市主城區(qū)。將撫州市建昌撫合作示范區(qū)，贛閩臺產(chǎn)業(yè)合作示范區(qū)，臨川高新區(qū)，撫北園區(qū)、東鄉(xiāng)園區(qū)五大產(chǎn)業(yè)平臺園區(qū)與圖5生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變差的區(qū)域基本與五大產(chǎn)業(yè)平臺園區(qū)重疊。利用干度指標(biāo)NDBSI可以計(jì)算出研究區(qū)的建設(shè)用地面積，結(jié)果表明，2013—2017年建設(shè)用地面積從145.16 km2增長到314.99 km2，與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“變差”的面積幾乎一致。該結(jié)果進(jìn)一步說明2013—2017年RSEI數(shù)值下降主要是由于在城市擴(kuò)展進(jìn)程中建設(shè)用地的增加對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起到了重要影響。

4 結(jié)論

(1)2007—2017年間，撫州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈先大幅上升后小幅下降趨勢，整體呈上升趨勢。研究區(qū)在2007、2013和2017年的RSEI均值分別為0.669、0.885、0.789，10年增長了17.94%。

(2)區(qū)域性分析表明，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要分布在植被覆蓋率較高的南北丘陵地帶。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布在受人類活動影響較大的研究區(qū)中部。

(3)差異性分析表明，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況為優(yōu)、良等級的區(qū)域居于主導(dǎo)地位，其占總面積比例由2007年的65.47%增加到2017年的77.78%，10年間整體增加了12.31%。變化檢測表明，10年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好或不變的區(qū)域比重為91.60%，居于主導(dǎo)地位，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要分布于撫州市主城區(qū)，尤其是五大產(chǎn)業(yè)平臺園區(qū)以及未利用裸地，其建筑用地的大幅擴(kuò)展以及植被覆蓋的大面積消減導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差。

(4)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)RSEI的4個指標(biāo)中，濕度和綠度對RSEI的正面影響較大，干度對RSEI的負(fù)面影響較大。因此若想改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，城市應(yīng)進(jìn)一步合理開發(fā)和利用土地資源，減少未利用裸地面積，增加城市植被覆蓋度，加強(qiáng)土壤水土保持能力，使城市發(fā)展更加生態(tài)化，可持續(xù)化。