基于遙感的贛州市轄區(qū)自然生態(tài)環(huán)境評價

劉衍源 張德富 陳琳

摘 要 利用覆蓋贛州市轄區(qū)的Landsat OLI遙感影像、DEM高程數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)， 運(yùn)用遙感方法提取了反映自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的3項生態(tài)因子： 植被覆蓋度指數(shù)，土壤指數(shù)，地形坡度，通過對3項生態(tài)因子歸一化處理，運(yùn)用較成熟的自然生態(tài)環(huán)境評價模型完成整個研究區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評價過程。評價結(jié)果將研究區(qū)的自然環(huán)境質(zhì)量劃分為4個等級，數(shù)據(jù)上能夠清楚地展現(xiàn)2013-2017年間贛州市轄區(qū)內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境的變化情況，結(jié)果表明該方法能夠較有效地適用于研究區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的評價。

關(guān)鍵詞 遙感;贛州市轄區(qū);生態(tài)環(huán)境評價;生態(tài)因子

引言

遙感（RS）作為地學(xué)研究中成熟且應(yīng)用廣泛的研究技術(shù)和方法，可以很好地從較大區(qū)域尺度上把握研究區(qū)地理環(huán)境的宏觀性、整體性。基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評價，主要是通過對具有代表性的生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行遙感分析提取，對提取的因子進(jìn)行歸一化處理，從而達(dá)到定量及定性評價的目的。

諸多學(xué)者通過使用不同的評價方法和評價模型，將遙感技術(shù)應(yīng)用于自然環(huán)境調(diào)查與研究。宋躍華等[1]以松嫩平原水土流失調(diào)查為例，運(yùn)用RS和GIS技術(shù)調(diào)查松嫩平原水土流失狀況;王振華等[2]將遙感和GIS相結(jié)合，以南水北調(diào)雅礱江工程區(qū)為例，對其進(jìn)行自然生態(tài)環(huán)境評價，對其研究區(qū)自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量做了等級劃分;況潤元等[3]運(yùn)用遙感技術(shù)提取相關(guān)因子對1989-2009年近20年間的贛江源地區(qū)地表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了對比評價。

本研究以覆蓋贛州市轄區(qū)的Landsat 8 OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，并以贛州市轄區(qū)（含18縣市）為研究區(qū)，通過提取植被覆蓋度、土壤裸土植被指數(shù)、地形坡度等因子，進(jìn)行自然生態(tài)環(huán)境評價，發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)，為贛州的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策的制定提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

贛州市位于江西南部，贛江上游。東與福建省三明市和龍巖市相鄰，南鄰廣東省梅州市、韶關(guān)市，西接湖南省郴州市，北部為本省吉安市和撫州市。地處北緯24°29′～27°09′，東經(jīng)113°54′～116°38′之間，全市總面積3.93萬余平方千米，占江西總面積的23.6%。地形以低山、丘陵為主，占總面積的80.98%。本區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，并有江南宋城、紅色故都、客家搖籃、世界橙鄉(xiāng)、世界鎢都、稀土王國等別稱。

2數(shù)據(jù)來源

使用的研究數(shù)據(jù)主要包括兩類：一類為Landsat8衛(wèi)星OLI遙感影像數(shù)據(jù)，另一類為ASTER GDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，均來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn）。其中，OLI遙感影像數(shù)據(jù)考慮研究需要及截止到研究期間的數(shù)據(jù)可獲取性，選取2013年12月、2017年12月各5景云量在0%～5%的遙感影像，影像分辨率為30m，采用通用橫軸墨卡托投影（UTM），分帶號50N，使用WGS-84大地橢球體。其他數(shù)據(jù)包括贛州市行政邊界矢量數(shù)據(jù)、江西省政區(qū)圖等。

數(shù)據(jù)預(yù)處理：對遙感影像的預(yù)處理步驟包括輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、幾何精校正、影像鑲嵌等，最后利用贛州市行政邊界矢量數(shù)據(jù)生成ROI（感興趣區(qū)域）進(jìn)行工程區(qū)裁剪，以上基于ENVI遙感數(shù)據(jù)處理平臺;DEM數(shù)據(jù)的處理主要是圖幅拼接、工程區(qū)裁剪（ArcGIS、ENVI平臺）。

3生態(tài)環(huán)境評價

3.1 生態(tài)環(huán)境因子解譯

選取植被、土壤、地形三個最基本的要素作為評價區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境的三個生態(tài)因子，通過NDVI計算、波段運(yùn)算、穗帽變換、坡度提取、密度分割等過程，提取了植被覆蓋度、土壤指數(shù)及坡度三項指數(shù)作為評價的關(guān)鍵因子。

（1）植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[4]，主要反映一個區(qū)域內(nèi)植被生長和覆蓋情況。歸一化植被指數(shù)NDVI，是常用于反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商，即：

由于遙感影像不可避免地存在影像噪聲，同時植被覆蓋程度也在一定程度上會影響NDVI反應(yīng)植被生長的靈敏性，因此一般使用李苗苗等在像元二分模型的基礎(chǔ)上研究的用于計算植被覆蓋度（VFC）的模型[5]：

其中，NDVImax和NDVImin分別表示區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。一般情況下，兩者的取值為一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，根據(jù)多數(shù)學(xué)者的經(jīng)驗，一般取5%和95%置信區(qū)間的累計百分比對應(yīng)的NDVI值作為區(qū)域內(nèi)的最小和最大值。以2013年影像數(shù)據(jù)為例，經(jīng)計算，兩個值分別為：0.223529、0.858824。再利用ENVI平臺波段運(yùn)算（bandmath）做以下處理：

其中b1代表NDVI值，此表達(dá)式含義為，NDVI值小于0.223529的，VFC取值為0，NDVI值大于0.858824的，VFC取值為0，介于二者之間的，運(yùn)用式（2）模型計算植被覆蓋度。

（2）土壤指數(shù)

土壤指數(shù)是土壤中水、鹽、氣、溫度和土壤類型等背景條件對植物適宜性的綜合評價指標(biāo)。本研究中土壤指數(shù)的生成采用前人常用的裸土植被指數(shù)（GRABS）計算模型：

其中，VI和BI分別為穗帽變換后的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)，二者可分別用來評價植被和裸土的行為，其中VI指數(shù)與不同植被覆蓋有較大的相關(guān)性，而土壤亮度對植被指數(shù)有相當(dāng)大的影響，承載了主要的裸土變化信息，因此由 BI和 VI線性組合構(gòu)成的裸土植被指數(shù)能很好地反映土壤的裸露情況[6]。

（3）坡度生成

坡度是反映區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，坡度越大，反映山體陡立，潛在的不穩(wěn)定性越大。地形坡度的遙感解譯，主要使用數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度提取。本次使用的數(shù)據(jù)為ASTER GDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，使用ENVI平臺中地形模型中的坡度計算功能提取研究區(qū)坡度值。

3.2 生態(tài)因子歸一化

由于評價指標(biāo)確定之后，各指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一，沒有可比性，故必須對參評的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[7]，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價。生態(tài)環(huán)境因子的歸一化，即是體現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)化思想，以各生態(tài)環(huán)境因子指標(biāo)的量化分值體現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，按照它們對生態(tài)環(huán)境正向影響的大小，從低到高分為若干級，對環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)越大，其編碼值越大，反之則越小。各個參評因子數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后是一組介于1～10 之間反映其屬性特征的數(shù)值（表1）。

3.3 生態(tài)環(huán)境評價

目前對于生態(tài)環(huán)境評價已有多種模型和方法，常用的方法主要有綜合評價指數(shù)法和模糊評判法[8]，細(xì)分的方法有指數(shù)法與綜合指數(shù)法、特爾斐法、景觀生態(tài)學(xué)法、評分疊加法等。結(jié)合實際情況，本研究選擇的模型為綜合指數(shù)法：

其中E為生態(tài)環(huán)境綜合評價結(jié)果，W是根據(jù)每個因子貢獻(xiàn)量大致估算的權(quán)重，本研究中即為植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度的三個因子的權(quán)重，根據(jù)三者對生態(tài)環(huán)境影響貢獻(xiàn)的大小，使用的權(quán)重值為：植被覆蓋度W1=0.7，土壤指數(shù)W2=0.2，坡度W3=0.1，變量S為各因子歸一化后的編碼值。最后，對生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)評價結(jié)果進(jìn)行等級劃分（綜合評價指數(shù)1～4為差，4～6為中，6～9為良，9～10為優(yōu)）、成圖（圖2）。

4結(jié)束語

對贛州市轄區(qū)內(nèi)2013年、2017年兩個不同時期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果如圖2、表3。從評價結(jié)果圖上看，兩個時期的評價結(jié)果呈現(xiàn)山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯優(yōu)于城鎮(zhèn)區(qū)域的特點(diǎn)，但不同評價等級區(qū)域分布變化的總體差異不十分明顯。其原因可能是兩組遙感影像數(shù)據(jù)的時間跨度較小，而空間范圍大，故地物信息的變化顯得比較輕微，在這種大范圍的成圖上難以表現(xiàn)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上則可以看出各評價等級區(qū)域的面積變化情況：①各評價等級區(qū)域面積在整個區(qū)域內(nèi)有一定消長變化關(guān)系，但總體沒有呈現(xiàn)劇烈變化。②區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境評價等級對應(yīng)的面積呈現(xiàn)“兩頭增加，中間減少”的變化。即評價為“差”的面積由2013年的4572.8051 km2增加到2017年的5156.7885 km2，2017年評價為“優(yōu)”的面積也增長了2.91%;而中間部分評價結(jié)果為“中、良”區(qū)域的面積則從2013年的合計近60%的占比下降到2017年的合計約54%。

分析以上現(xiàn)象的原因，評價為“差”的面積增長應(yīng)與期間進(jìn)行的重大工程建設(shè)項目如興贛高速公路、寧定高速公路、贛瑞龍鐵路、昌贛高鐵等，以及城鎮(zhèn)化本身導(dǎo)致的土地利用擴(kuò)張等因素相關(guān)。而居民生活水平的提高、農(nóng)村地區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化以及封山育林等政策的實施，改變了廣大農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)的向山要薪柴作為能源的生活方式，在較大程度上減少了林木植被的砍伐，利于以低山丘陵地形為主的贛州市轄區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量恢復(fù)。

從生態(tài)環(huán)境評價結(jié)果看，贛州市轄區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量可以通過前述的方法、模型得到較好的定性、定量評價，與實際情況也是相符的，表明利用RS技術(shù)對贛州市轄區(qū)開展自然生態(tài)環(huán)境評價是可行的。本研究中由于選取的影像數(shù)據(jù)在時間跨度上還不夠大，因此對比之下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化不十分明顯，應(yīng)考慮增加對更多時相的影像調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比，以更加準(zhǔn)確地把握其變化趨勢。同時，還應(yīng)結(jié)合實地數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以獲取更為準(zhǔn)確的調(diào)查評價結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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