典型入海口海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感評價研究
——以寶山區(qū)為例

范小安，王金輝，徐美娜，鄧艷芬

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.自然資源部 東海局，上海 201306；3.自然資源部 東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心，上海 201306)

0 引言

隨著濱江、濱海城市相繼建立，入?？诤０稁^(qū)域人口急劇聚集，高強度的經(jīng)濟開發(fā)活動日益增多，在產(chǎn)生社會經(jīng)濟效益的同時，也給海岸帶資源造成了嚴重損失，甚至影響到生態(tài)環(huán)境及其生態(tài)服務(wù)功能[1]。正確衡量入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量，可以為政府決策提供理論支持，實現(xiàn)入?？诤０稁Лh(huán)境、城市經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價通常以若干個生態(tài)環(huán)境狀況因子為基礎(chǔ)，確定各個因子的貢獻度來建立評價體系，如自然因素中的氣候、土壤、生物多樣性、植被覆蓋等，社會因素中的綠化水平、人口數(shù)量、污染排放、人均GDP等，許多學者選擇其中一部分因子建立生態(tài)環(huán)境綜合評價體系[3-8]。值得注意的是，土地利用類型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較高，是使用最為廣泛的評價指標[9]。土地利用類型與環(huán)境狀況的關(guān)系緊密，F(xiàn)ANG et al[10]研究表明建設(shè)用地的變化會影響天山北坡城市群的生態(tài)價值，揭示了不同土地利用方式對生態(tài)環(huán)境的影響不同；POUREBRAHIM et al[11]強調(diào)了土地利用類型變化對于城市生態(tài)環(huán)境的驅(qū)動；陳萬旭等[12]根據(jù)土地利用類型變化，研究了1995—2015年中國生態(tài)環(huán)境重心的轉(zhuǎn)移；鞏彩蘭 等[5]首次從城市生態(tài)環(huán)境評價入手，將土地利用類型細分為多種因子，評價了南匯東灘3個不同時期的生態(tài)環(huán)境狀況。土地利用作為環(huán)境評價最基礎(chǔ)的評價指標之一，很大程度上反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

生態(tài)環(huán)境遙感評價是根據(jù)遙感影像信息，對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[13]、生態(tài)環(huán)境健康[14]或生態(tài)環(huán)境脆弱性[15]等方面進行評價，近年來由于3S(GPS、GIS、RS)技術(shù)的發(fā)展和革新，使得遙感評價更具精確性和時效性[16]。本研究采用遙感技術(shù)，從土地利用的角度出發(fā)，對寶山區(qū)入?？诤０稁нM行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，該研究可為寶山區(qū)入?？诤０稁У木C合管理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

上海市寶山區(qū)位于上海市北部，長江三角洲沖積平原之東南前緣，地面標高僅為2.2～4.5 m(吳淞高程)，是典型的入?？诤０稁?，上海的大工業(yè)基地之一[17]。通過分析遙感圖像發(fā)現(xiàn)，該區(qū)北部主要是農(nóng)業(yè)用地和村莊，東南部以工業(yè)和城鎮(zhèn)用地為主，土地利用類型縱向變化大。本文以寶山區(qū)入?？诎毒€向陸方向5 km為研究區(qū)域，以3條入江河流(新川沙河、練祁河和馬路河)的中間線，將區(qū)域劃分為4塊：G1區(qū)、G2區(qū)、G3區(qū)和G4區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Research area

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究所用影像為全色航空遙感影像，由上海市海洋局信息中心提供，拍攝時間為2017年1月，分辨率約為0.2 m，影像經(jīng)過幾何精校正和拼接。研究區(qū)域由入?？诎毒€向陸域建立5 km的拓撲緩沖區(qū)，采用自動分類加人工判讀的方法進行解譯。成圖比例尺為1∶2 000，最小上圖面積為100 m2，選擇部分解譯圖斑進行了實地驗證。利用ArcGIS 10.3.1軟件的空間分析工具建立土地利用圖斑并進行統(tǒng)計分析。

1.3 土地利用分類

建立土地利用分類體系不僅有助于了解區(qū)域用地類型的基本屬性、區(qū)域用地結(jié)構(gòu)特點，而且可以為進一步實施土地動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)土地資源的有效調(diào)控和合理利用提供借鑒[18]?，F(xiàn)有的《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準發(fā)布于2017年，從資源利用角度，將我國土地分為12個1級類，73個2級類[19]。 IGBP(國際地圈生物圈計劃)與 IHDP(全球變化人文計劃)兩大國際項目于1996年聯(lián)合提出的LUCC分類系統(tǒng)，共包括6個1級類，25個2級類，有力地推動了全球的區(qū)域土地利用/土地覆被研究的縱深發(fā)展[20]。吳傳鈞 等[21]在20世紀80年代從中國海岸帶土地利用類型角度，將海岸帶土地類型劃分為10個1級類型和42個2級類型。各種土地利用分類系統(tǒng)如表1所示。

表1 國內(nèi)外土地利用分類系統(tǒng)Tab.1 Land use classification system at home and abroad

根據(jù)表1可知，各種土地利用分類的詳細程度、側(cè)重點及應(yīng)用領(lǐng)域皆不相同[22]，其中區(qū)別較大的在于建設(shè)用地方面。由于建設(shè)用地與人類生產(chǎn)生活關(guān)系密切，本文參照GB/T 21010—2017 《土地利用現(xiàn)狀分類》標準[19]，從生態(tài)角度，將建設(shè)用地分為住宅區(qū)、公共管理與服務(wù)用地、商服用地和綠化用地。其中綠化用地包括公園、動植物園、陵園、風景名勝、防護林、水源保護林等公共綠地，不同于耕地、林地及園地。借鑒國內(nèi)外研究成果，開展專家咨詢與研討，最后建立了由6個大類、17個小類組成的分類體系(表2)。

1.4 指標權(quán)重賦值

目前獲取權(quán)重的方法有專家咨詢法、熵值法和層次分析法等，其中專家咨詢法操作簡單，但受主觀因素影響較大[23]；熵值法是一種客觀賦值方法，不能體現(xiàn)專家經(jīng)驗知識，因此難以表征指標的相對重要性，有時得到的權(quán)重與實際重要程度完全不符[24]。層次分析法是目前被廣泛使用的確定權(quán)重的方法，操作難度適當，既考慮到專家意見，又有嚴密的統(tǒng)計學基礎(chǔ)[25]。本文采用層次分析法和專家咨詢法相結(jié)合的方式，使之能更好地反映客觀實際情況。邀請海洋、環(huán)境、遙感等學科的20位專家進行打分，統(tǒng)計打分結(jié)果，構(gòu)建各評價指標權(quán)重庫。在打分表中，對于有利于入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量提高和改善的評價因子，賦予“+”號，如綠化用地、水體、草灘等；對入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量有負面影響的評價因子賦予“-”號，如工業(yè)用地、道路交通用地、住宅區(qū)等。將分值的絕對值大小規(guī)定為0～10區(qū)間。相同面積的評價因子，絕對值分值越高，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響越大。

同等看待專家打分結(jié)果，每個評價因子去掉1個最高分和1個最低分，取算術(shù)平均值得到每個評價因子的分值：

Gi=Hi/18

(1)

其中：Gi為第i個因子的算術(shù)平均值，Hi為第i個因子的18位專家打分之和。

根據(jù)專家咨詢法得到評價因子的分值，判斷各個因子對于提高典型入海口海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相互重要性，如因子a=-5，b=5，c=1，則重要性b>c>a。采用層次分析法, 在專家咨詢法基礎(chǔ)上進行定性和定量的分析，將指標體系分為目標層、準則層、方案層，進行矩陣計算，在通過一致性檢驗后，得到每個評價因子的權(quán)重Qi(表2)。

1.5 評價方法

典型入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價值計算公式為：

(2)

式中：P為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評價值，n為評價因子的數(shù)量，Qi為第i個評價因子的權(quán)重，Si為第i個評價因子所占的面積比重。綜合評價時，不單看各評價因子面積的互相比較，同時還考慮到各評價因子面積在區(qū)域中所占的比例。

表2 寶山區(qū)入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系和權(quán)重Tab.2 Evaluation index system and weight of ecological environment quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

1.6 評價標準

為了進行環(huán)境質(zhì)量定量及定性研究，需對綜合評價結(jié)果進行分級處理，將評價等級劃分為4個級別，參考綜合評價值之差，采用等間距法，取其25%，50%，75%作為劃分界線。將寶山區(qū)入海口海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價標準劃分為4個等級，即1級(良好)、2級(一般)、3級(較差)、4級(很差)，詳見表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用分布特征

通過自動分類與人工判讀得到研究區(qū)土地利用分布，見圖2，其中共有6個大類，17個小類，1 608個圖斑。各類圖斑面積見表4。

表3 寶山區(qū)入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感評價等級劃分Tab.3 Classification of remote sensing assessment of eco-environmental quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

表4 各類圖斑面積Tab.4 Area of various patches

圖2 寶山區(qū)入?？诤０稁恋乩矛F(xiàn)狀Fig.2 Land use status in the estuarine coastal zone of Baoshan District

圖2經(jīng)過實地驗證，驗證了150個圖斑，錯標11個，精度達93%。對寶山區(qū)入?？诤０稁恋乩妙愋瓦M行統(tǒng)計，得到上海市寶山區(qū)海岸帶的不同土地利用類型屬性信息。為了表征各類型土地所占面積與各區(qū)域面積的比值，計算各準則層指標面積，與各區(qū)域總面積相比，得到各準則層指標所占面積的比重(圖3)。

從圖3可知，G1區(qū)域中農(nóng)業(yè)用地面積占比最高，為36.3%，其次是城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水域和濕地。G2區(qū)域中工礦倉儲用地面積占比最高，達43.7%，農(nóng)業(yè)用地面積占比居第二，達24.7%。G3區(qū)域的工業(yè)倉儲用地面積占比為所有區(qū)域中最高，達57.5%。G4區(qū)域中工礦倉儲用地面積占比最高，為40.1%，其次是城鎮(zhèn)建設(shè)用地，占比達35.1%。這4塊區(qū)域中面積占比最低的用地類型都為其他用地。

2.2 綜合評價

根據(jù)公式(2)計算得到寶山區(qū)海岸帶4塊區(qū)域和總體海岸帶區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評價值，結(jié)合表3中的標準劃分，得到寶山區(qū)入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境遙感質(zhì)量綜合評價結(jié)果(表5)。

圖3 各類型土地在不同區(qū)域所占比重Fig.3 The proportion of each type land in each region

表5 寶山區(qū)入海口海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感評價綜合結(jié)果Tab.5 Remote sensing evaluation result of the eco-environment quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

表5直觀顯示了4塊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價值，其中G1區(qū)值最高，G3區(qū)值最低， G2區(qū)、G4區(qū)和總體區(qū)域的綜合評價值介于區(qū)域G1和G3之間，都處于3級狀態(tài)。對比寶山區(qū)2017年環(huán)境質(zhì)量狀況公報中的PM2.5、PM10、SO2、NO2和降塵分布圖[26]，可以發(fā)現(xiàn)，除了NO2之外，其他參數(shù)分布圖都和評價結(jié)果大致相同。環(huán)境質(zhì)量狀況公報中G4區(qū)域的年平均NO2含量最高，NO2氣體來源于汽車尾氣、各類燃燒氣體，在G4區(qū)域住宅區(qū)占比最高，人口眾多，由此會產(chǎn)生大量NO2氣體。

G1區(qū)綜合評價結(jié)果為1級(良好)，土地利用類型以耕地為主，該區(qū)域內(nèi)水體縱橫交錯，并且包含寶鋼-陳行水庫生態(tài)敏感區(qū)域，農(nóng)業(yè)發(fā)達，村落零星分布。G2區(qū)綜合評價結(jié)果為3級(較差)，其西南區(qū)域以農(nóng)業(yè)和住宅區(qū)為主，其他部分以工業(yè)為主，存在一部分的草灘和裸灘。G3區(qū)綜合評價結(jié)果為4級(很差)，該區(qū)域內(nèi)有寶鋼產(chǎn)業(yè)和工業(yè)園區(qū)，工業(yè)比較發(fā)達，但是綠化程度也處于較高水平。G4區(qū)綜合評價結(jié)果為3級(較差)，該區(qū)域緊鄰黃浦江，運輸業(yè)發(fā)達，港口碼頭和集裝箱倉儲較多，東北靠江部分以住宅區(qū)為主，有著上海淞滬抗戰(zhàn)紀念公園和吳淞炮臺灣濕地公園兩大綠化用地，各類學校、海關(guān)等公共管理與服務(wù)用地較多，同時商服用地類型占比也處于較高水平。總體來說，寶山區(qū)海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價等級為3級(較差)，該區(qū)工業(yè)占比達36%，由于城市人口的匯聚效應(yīng)和工業(yè)園區(qū)工作人員的需求，寶山區(qū)海岸帶范圍的住宅區(qū)面積占比也是處于較高水平。

3 結(jié)論與建議

本文基于土地利用類型分類，結(jié)合專家咨詢討論，構(gòu)建了6個大類，17個小類的典型入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感評價指標體系，運用專家咨詢法和層次分析法確定了各評價指標的權(quán)重，并對寶山區(qū)入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了評價。結(jié)果顯示，寶山區(qū)入海口海岸帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體處于較差狀態(tài)；從劃分的4個區(qū)域來看，G1區(qū)為1級(良好)，G3區(qū)為4級(很差)，G2區(qū)和G4區(qū)為3級(較差)。從整體來看，寶山區(qū)入?？诤０稁鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量自西向東逐漸下降，在G3區(qū)域到達最低點，向東開始回升。針對寶山區(qū)入?？诤０稁Т嬖诘纳鷳B(tài)環(huán)境問題，提出以下建議：

(1)總體上，寶山區(qū)入?？诤０稁?yīng)當堅持可持續(xù)發(fā)展，堅持人與自然和諧共生，注重城鄉(xiāng)統(tǒng)籌。落實主體功能區(qū)(如確立工業(yè)開發(fā)區(qū)、主城區(qū)等)，擴大生態(tài)空間(如建立寶山區(qū)濱江景觀帶)，保障農(nóng)業(yè)空間(如維持和保障羅涇鎮(zhèn)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)范圍)，優(yōu)化城鎮(zhèn)空間(如對友誼路街道拆除違章建筑)。

(2)對于G1區(qū)域，其農(nóng)業(yè)用地和水域用地面積較大，應(yīng)當劃定永久基本農(nóng)田保護紅線，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。逐步提升水域?qū)纤l(xiāng)風貌的保持作用和城鄉(xiāng)防汛安全的保障能力，減少城市建設(shè)對水系結(jié)構(gòu)的破壞和阻隔。

(3)對于G2和G3區(qū)域，其工業(yè)用地面積占比最高，應(yīng)當嚴格控制濱江沿岸產(chǎn)業(yè)，嚴格限制新增鋼鐵、重化等高耗能與污染型工業(yè)，完善污染企業(yè)的退出機制，促進工業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)型升級，培育科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)功能，提升城市活力和就業(yè)服務(wù)。

(4)對于G4區(qū)域，應(yīng)當合理布局內(nèi)河港區(qū)，建立黃浦江和吳淞江的區(qū)域生態(tài)廊道。提升街道綠化品質(zhì)，兼顧生態(tài)效益、公共活動和景觀需求。強化土地用途管制，降低建設(shè)用地面積，在人口聚集處推進公園、植物園建設(shè)。開展城市修補和生態(tài)修復(fù)，提高城市的承載力、包容度和宜居性。