基于RSEI模型的玉溪市生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

鐘欣呈, 許泉立

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部, 昆明 650500; 2.云南師范大學(xué) 西部資源環(huán)境GIS技術(shù)教育部工程研究中心, 昆明 650500;3.云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心, 昆明 650500; 4.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650500)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展之間矛盾日益突出并引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境變化，評(píng)估城市化進(jìn)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，為政府部門(mén)在推進(jìn)城市化進(jìn)程和發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)兼顧生態(tài)環(huán)境效益，在實(shí)施生態(tài)環(huán)境治理措施方面提供一定的參考依據(jù)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1]。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，其在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。目前，常用的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的方法主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于單一指標(biāo)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)法。如李應(yīng)鑫等[3]以Landsat遙感影像及氣象數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，探究云南省九大高原湖泊流域NDVI時(shí)空演變特征及其與氣溫、降水的關(guān)系；謝啟姣等[4]基于Landsat遙感影像反演武漢主城區(qū)地表溫度，探討不同城市建設(shè)密度下熱島強(qiáng)度的變化；吳欣睿等[5]利用溫度植被干旱指數(shù)，探討松嫩平原土壤濕度變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。另一類(lèi)則是綜合多個(gè)指標(biāo)的生態(tài)評(píng)價(jià)方法，如包蕊等[6]利用人均GDP、人口密度、植被覆蓋度、年降水量等28個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)承載力綜合評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)錫林郭勒盟生態(tài)承載力水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)；張沛等[7]從生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負(fù)荷5個(gè)方面構(gòu)建EI模型對(duì)塔里木河干流生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而在以上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中，單一指標(biāo)評(píng)價(jià)方法未能全面反映區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況，多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以獲取，指標(biāo)權(quán)重受人為因素干擾，存在一定的局限性。而徐涵秋[8]提出的基于Landsat數(shù)據(jù)利用主成分分析集成了植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和建筑指數(shù)4個(gè)指標(biāo)的遙感生態(tài)指數(shù)，該指數(shù)完全基于遙感影像反演，計(jì)算簡(jiǎn)便，無(wú)人為因素影響，具有客觀性、多指標(biāo)、可視化和高精度等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面得到了廣泛應(yīng)用。如茹克亞·薩吾提等[12]運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)阜康市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析得知干旱自然條件下超負(fù)荷開(kāi)發(fā)是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的重要因素；王勇等[13]基于遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)丹江流域(河南段)生態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明近20 a丹江流域(河南段)的生態(tài)質(zhì)量得到明顯改善，且該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況與植被覆蓋度的增加和建設(shè)用地的擴(kuò)張關(guān)系密切?？梢?jiàn)，基于遙感生態(tài)指數(shù)的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)已成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

綜上所述，當(dāng)前可用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的手段非常豐富，但遙感能為多指標(biāo)體系提供數(shù)據(jù)支撐和分析手段。因此，基于遙感生態(tài)指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是當(dāng)前的一種有效途徑。玉溪市位于云南省中部，是著名的高原水鄉(xiāng)。但是21世紀(jì)以來(lái)，玉溪市在自然、人口、經(jīng)濟(jì)和政策等影響因素下生態(tài)環(huán)境狀況出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，如星云湖、杞麓湖水體富營(yíng)養(yǎng)化，新平縣泥石流災(zāi)害，元江縣滑坡嚴(yán)重以及氣候干旱等對(duì)玉溪市生態(tài)環(huán)境造成的威脅。因此科學(xué)開(kāi)展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)對(duì)促進(jìn)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文基于RSEI模型對(duì)玉溪市進(jìn)行多尺度、全方位、長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)，分析其2005—2020年變化特征及趨勢(shì)，為玉溪市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)概況 玉溪市位于云南省中部，云貴高原西部，地處滇中重要經(jīng)濟(jì)區(qū)。地理坐標(biāo)位于北緯23°19′—24°53′，東經(jīng)101°16′—103°09′，地勢(shì)西北高，東南低，山地、峽谷、高原、盆地交錯(cuò)分布，全市總面積15 285 km2。玉溪屬于亞熱帶半濕潤(rùn)高原季風(fēng)氣候，全年氣候溫和，年平均氣溫17.4～23.8℃，年降雨量670～2 412 mm。境內(nèi)擁有撫仙湖、星云湖、杞麓湖3個(gè)高原湖泊，共有河流294條，水資源豐富。全市動(dòng)植物種類(lèi)繁多，植被主要以松林、常綠闊葉林為主，擁有2個(gè)國(guó)家森林公園，1個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，1個(gè)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)和4個(gè)市級(jí)自然保護(hù)區(qū)，植被覆蓋率達(dá)58%[14]。根據(jù)清華大學(xué)2017年全球10 m土地利用數(shù)據(jù)集可知，玉溪市土地利用類(lèi)型主要以耕地、林地為主，建設(shè)用地占比較小，主要分布在東部紅塔區(qū)及三湖流域。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不合理的人類(lèi)活動(dòng)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了一定的破壞，生物多樣性面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此應(yīng)深入了解生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，合理開(kāi)展生態(tài)環(huán)境治理行動(dòng)。

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理 研究所用遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘測(cè)局(http:∥glovis.usgs.gov/)，分別選用2005年、2010年的Landsat-5 TM影像以及2015年、2020年的Landsat-8 OLI影像。為保證研究結(jié)果的可靠性，所選遙感影像云量均小于7%，主要集中在1—3月份，影像質(zhì)量佳(表1)。在影像預(yù)處理方面，對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，由于玉溪市需要4景影像才能完全覆蓋，因此，需要對(duì)大氣校正后的影像進(jìn)行鑲嵌和裁剪等處理。為了能真實(shí)反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，需借助徐涵秋[15]提出的MNDWI掩膜掉大片的水體，得到研究區(qū)影像；氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于云南省統(tǒng)計(jì)年鑒，主要收集了玉溪市2005年、2010年、2015年年平均氣溫與年降水量。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

1.2 基于RSEI的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

1.2.1 綠 度 本文選用歸一化植被指數(shù)(NDVI)代表綠度，它與植被覆蓋度密切相關(guān)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種植被指數(shù)[16]，具體計(jì)算公式如下：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(1)

式中：ρnir代表Landsat影像近紅外波段的反射率；ρred代表紅光波段的反射率。

1.2.2 濕 度 濕度是指地表中植被和土壤水分的含量，通過(guò)遙感纓帽變換所得的濕度分量能較好地反映生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤的濕度，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中[17-18]。由于本文所選遙感影像類(lèi)型有所差異，計(jì)算公式也有所不同：

WetTM=0.0315ρblue+0.2021ρgreen+0.3102ρred+0.1594ρnir-0.6806ρswir1-0.6109ρswir2

(2)

WetOLI=0.1511ρblue+0.1973ρgreen+0.3283ρred+

0.3407ρnir-0.7117ρswir1-0.4559ρswir2

(3)

式中：WetTM，WetOLI分別代表TM和OLI遙感影像的濕度分量；ρi(i=blue,green，…，swir2)分別為L(zhǎng)andsat TM和OLI影像藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的光譜反射率。

1.2.3 干 度

SI=[(ρswir1+ρred)-(ρblue+ρnir)]/[(ρswir1+ρred)+(ρblue+ρnir)]

(4)

NDBSI=(SI+IBI)/2

(6)

1.2.4 熱 度 熱度是指地表溫度。采用大氣校正法反演地表溫度的變化，具有較強(qiáng)的可靠性，計(jì)算公式[19]如下：

Lλ=[εB(LST)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(7)

T=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(8)

(9)

式中：LST代表地表溫度(℃)；T代表黑體熱輻射亮度；Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε代表地表比輻射率；τ為大氣透過(guò)率；L↑為大氣上行輻射亮度；L↓為大氣下行輻射亮度；K1，K2為常量，對(duì)于Landsat-5 TM傳感器，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)，K2=1260.56 K，對(duì)于Landsat-8 TIRS傳感器，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1321.08K。

1.2.5 RSEI的構(gòu)建 遙感生態(tài)指數(shù)采用主成分分析法集成植被指數(shù)、濕度分量、建筑指數(shù)和地表溫度4個(gè)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別代表綠度、濕度、干度和熱度[8]。由于以上4個(gè)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，直接進(jìn)行主成分分析會(huì)對(duì)最終計(jì)算結(jié)果造成影響，因此需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，使其值在[0，1]范圍內(nèi)，歸一化公式為：

NI=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(10)

式中：NI為指標(biāo)歸一化后的的結(jié)果；I為指標(biāo)值；Imax，Imin分別為該指標(biāo)的最大值和最小值。

對(duì)歸一化后的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到第一主成分PC1，對(duì)PC1進(jìn)一步處理得到的RSEI初始值進(jìn)行歸一化處理后得到遙感生態(tài)指數(shù)，取值范圍[0，1]之間，值越大，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境狀況越好。

RSEI0=1-PC1

(11)

RSEI=(RSEI0-RSEI0_min)/(RSEI0_max-RSEI0_min)

(12)

式中：RSEI0為RSEI初始值；RSEI0_max，RSEI0_min分別為RSEI初始值的最大值和最小值。

1.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析方法

為了能直觀地反映玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布及其變化情況，基于已有的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]，將4期RSEI值以0.2為間隔劃分為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、優(yōu)(0.8～1.0)5個(gè)等級(jí)。并在此基礎(chǔ)上，參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[21]中的生態(tài)質(zhì)量變化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合本研究實(shí)際情況，對(duì)各時(shí)間段的RSEI進(jìn)行差值處理，將變化類(lèi)型分為顯著變差(-1，-0.3]、中等變差(-0.3，-0.15]、輕微變差(-0.15，-0.05]、基本不變(-0.05，0.05]、輕微變好(0.05，0.15]、中等變好(0.15，0.3]和顯著變好(0.3，1]7個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化

根據(jù)上述公式計(jì)算綠度、濕度、干度、熱度及RSEI結(jié)果可分析玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況(圖1)。在時(shí)間尺度上，2005—2020年玉溪市綠度指標(biāo)NDVI和濕度指標(biāo)Wet均呈現(xiàn)先下降后持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2020年NDVI平均值高達(dá)0.79，植被覆蓋狀況顯著改善；干度指標(biāo)NDBSI呈上升—下降—上升的波動(dòng)趨勢(shì)，但干度指標(biāo)均值總體下降；熱度指標(biāo)LST波動(dòng)趨勢(shì)與RSEI呈反比，2015年出現(xiàn)低值0.31。16 a間玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出下降—上升—下降的趨勢(shì)，呈“S”型波動(dòng)，2010年遙感生態(tài)指數(shù)達(dá)到最低點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相比2005年下降10.5%，與柳德江等[22]利用生態(tài)足跡分析方法研究玉溪市2000—2009年生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化結(jié)果相比，生態(tài)環(huán)境處于不安全狀態(tài)具有相似性。

圖1 2005-2020年單一指標(biāo)和RSEI均值

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)的精度，本文選取2005年、2010年、2015年玉溪市年降水量和年平均氣溫(圖2)。2005—2015年玉溪市年平均氣溫呈倒“U”型波動(dòng)，從17.76℃上升到17.9℃，年降水量呈先下降后上升的趨勢(shì)，由2005年的852.3 mm上升到2015年的938.7 mm。由此看出，2005—2015年玉溪市年平均氣溫與熱度指標(biāo)LST、年降水量與濕度指標(biāo)Wet變化趨勢(shì)基本一致?！队裣型恋乩每傮w規(guī)劃(2006—2020年)》[23]中提到，玉溪市2006—2020年農(nóng)用地面積增長(zhǎng)473.61 km2，其中林地面積占58.3%，說(shuō)明玉溪市植被覆蓋率有所上升，這與本文綠度指標(biāo)NDVI變化規(guī)律基本一致；新增建設(shè)用地89.67 km2，但自然保留地面積下降563.28 km2，說(shuō)明建設(shè)用地小面積增加的同時(shí)自然保留地大面積減少，側(cè)面反映出建筑指數(shù)IBI的小幅增加和裸土指數(shù)SI大幅下降，最終導(dǎo)致干度指標(biāo)NDBSI小幅度下降，這與本文計(jì)算結(jié)果基本吻合。

圖2 2005-2015年玉溪市年平均氣溫與年降水量

由表2可知，從整體上來(lái)看，2005—2020年玉溪市的RSEI等級(jí)主要以中和良為主，不同等級(jí)所占比例分別為40.65%，48.64%，38.83%，42.61%和46.78%，33.96%，49.81%，40.97%，尤其在2015年兩者占比之和高達(dá)88.64%，差和優(yōu)的占比較小，因此玉溪市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于中等狀態(tài)；從單一年份來(lái)看，2005年和2015年生態(tài)環(huán)境狀況較好，優(yōu)、良、中占比之和高達(dá)90%以上，差和較差占比很小，分別為0.06%,6.46%和0.01%，4.6%。2010年較差和中所占比例達(dá)到最高，分別為16.67%和48.64%，生態(tài)環(huán)境狀況相對(duì)較差。2020年，差和優(yōu)占比仍然較低，中占比適中，良所占面積下降較多；從變化情況來(lái)看，2005—2020年，差所占比例呈現(xiàn)上升—下降—上升的趨勢(shì)，所占面積總體上升，但比例不大；較差和中所占比例同樣呈現(xiàn)上升—下降—上升的趨勢(shì)，但比例較大且均在上升，上升幅度分別為6.83%和1.96%；然而良和優(yōu)所占比例呈現(xiàn)出與中和較差等級(jí)相反的變化趨勢(shì)，所占面積分別減少了857.75 km2和448.68 km2，說(shuō)明RSEI等級(jí)由良和優(yōu)向中和較差等級(jí)轉(zhuǎn)移。綜上所述，玉溪市在快速發(fā)展城市化進(jìn)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度不夠，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降。

表2 玉溪市不同時(shí)期的生態(tài)等級(jí)面積及比例

從空間分布格局看(圖3)，RSEI等級(jí)為差和較差的區(qū)域主要分布在玉溪市的西南部，即元江縣境內(nèi)。元江縣是云南三大火爐之一，也是我國(guó)最為典型的干熱河谷，常年高溫少雨，水土流失嚴(yán)重，是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的主要原因；而等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域主要分布在哀牢山，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，其主要原因是哀牢山為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，其森林覆蓋率高達(dá)85.1%，生物種類(lèi)繁多，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。RSEI等級(jí)為中和良的區(qū)域在全市境內(nèi)均有分布，且分布面積較廣。2005—2010年，RSEI等級(jí)為優(yōu)和良的區(qū)域顯著減少，等級(jí)為中和較差的區(qū)域明顯增多，生態(tài)環(huán)境急劇下降，其主要原因是2010年大旱，降雨減少，溫度上升，造成某些地區(qū)植被大面積死亡。2010—2015年，RSEI等級(jí)為差、較差和中的區(qū)域向等級(jí)為優(yōu)和良轉(zhuǎn)移，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。2015—2020年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化呈現(xiàn)出與2010—2015年相反的趨勢(shì)，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)局部惡化，北部和西南部地區(qū)尤為明顯?？傮w上來(lái)看，16 a來(lái)玉溪市RSEI等級(jí)為優(yōu)和良的區(qū)域減少，等級(jí)為中、較差和差的區(qū)域增多，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略有所下降?！队裣型恋乩每傮w規(guī)劃(2006—2020年)》[23]指出，2006—2020年玉溪市新增建設(shè)用地8 967 hm2，大面積建筑用地的增加是生態(tài)環(huán)境退化的主要原因之一。

圖3 2005-2020年玉溪市RSEI等級(jí)分布

2.2 玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的差值分析

由表3可以看出，2005—2010年玉溪市生態(tài)環(huán)境狀況變好的面積為454.39 km2，占總面積的3.08%，而生態(tài)環(huán)境狀況變差的面積為9 490.87 km2，占總面積的64.44%，其中，以降低1個(gè)等級(jí)為主。由此可見(jiàn)，玉溪市在2005—2010年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了一定的破壞，因此需在治理生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差和較差區(qū)域的同時(shí)應(yīng)該兼顧對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)；2010—2015年，生態(tài)環(huán)境狀況變好的面積為10 360.68 km2，占總面積的70.34%，其中，以增加一個(gè)等級(jí)為主，變差的面積為736.92 km2，占總面積的5%。與前一階段相比，變好面積增加，變差面積減小，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)持續(xù)好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。說(shuō)明玉溪市在城市化進(jìn)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越重視，并且取得了一定的成效；2015—2020年，生態(tài)環(huán)境狀況變好的面積為1 261.32 km2，占總面積的8.57%，變差的面積為7 437.89，占總面積的50.54%，其中下降一個(gè)等級(jí)的占總面積41.27%，生態(tài)環(huán)境狀況出現(xiàn)了大面積的小幅降低?？偟膩?lái)說(shuō)，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2005—2020年呈現(xiàn)出“下降—上升—下降”的趨勢(shì)，總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量小幅度下降。

表3 2005-2020年玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)變化

從空間變化情況看(圖4)，2005—2010年玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈顯著下降趨勢(shì)，全市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈不同程度退化，但東部及西南部退化尤為明顯；2010—2015年，玉溪市生態(tài)環(huán)境得到了很大改善，但撫仙湖、星云湖、杞麓湖三湖流域及紅塔區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)小面積退化；2015—2020年，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微下降，不變區(qū)域面積較大，顯著變差區(qū)域主要集中在玉溪市西北部及東部三湖流域?？偟膩?lái)看，玉溪市2005—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微下降，變差的區(qū)域超過(guò)了總面積的40%，主要分布在東部三湖流域、新平縣西北部及紅塔區(qū)，玉溪市中部和西南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善。《玉溪市城市總體規(guī)劃(2011—2030)》[24]明確指出玉溪市七縣兩區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，城市化發(fā)展是必然趨勢(shì)，不透水面面積的增加導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化。

圖4 2005-2020年玉溪市生態(tài)環(huán)境變化圖

2.3 討 論

2.3.1 遙感生態(tài)指數(shù)敏感性分析 表4為各指標(biāo)與遙感生態(tài)指數(shù)之間的相關(guān)性。由表4可以看出，2005—2020年，NDVI，WET，NDBSI，LST之間平均相關(guān)度最高的是干度指標(biāo)NDBSI，4個(gè)年份的均值為0.64；平均相關(guān)度最低的是熱度指標(biāo)LST，4個(gè)年份的均值為0.39。4個(gè)年份的RSEI與4個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均值為0.77，比單指標(biāo)相關(guān)度最高的干度分量高0.15，比最低的熱度分量高0.38，比4個(gè)指標(biāo)的平均值(0.52)高0.25。由此可見(jiàn)，RSEI與各指標(biāo)之間敏感性較強(qiáng)，可構(gòu)建RSEI模型來(lái)綜合反映玉溪市生態(tài)環(huán)境狀況。

表4 RSEI與各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3.2 遙感生態(tài)指數(shù)適用性分析 為了分析各年份各指標(biāo)參數(shù)與RSEI的關(guān)系，以RSEI為因變量，以NDVI，WET，NDBSI，LST為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，建立關(guān)系模型。本文采用3 km×3 km網(wǎng)格貫穿全影像的采樣方法，每幅影像采集10 000個(gè)樣點(diǎn)，足夠多的樣點(diǎn)可以避免少量樣點(diǎn)所帶來(lái)結(jié)果的不確定性。以下是4個(gè)年份的回歸模型(模型均通過(guò)了1%的顯著性檢驗(yàn))：

RSEI2005=0.4559x1+0.5083x2-0.3041x3-

0.3967x4+0.2674 (R2=0.987)

(13)

RSEI2010=0.3890x1+0.4665x2-0.3070x3-

0.2285x4+0.2521 (R2=0.997)

(14)

RSEI2015=0.6096x1+0.4256x2-0.3776x3-

0.4568x4+0.1871 (R2=1.000)

(15)

RSEI2020=0.6335x1+0.3108x2-0.0969x3-

0.6835x4+0.2789 (R2=1.000)

(16)

式中：x1，x2，x3，x4分別代表NDVI，WET，NDBSI，LST的值。

從各年份回歸模型中回歸系數(shù)的絕對(duì)值可以看出，NDVI對(duì)遙感生態(tài)指數(shù)的貢獻(xiàn)度最大，其次是WET，LST，NDBSI。其中NDVI和WET系數(shù)為正，說(shuō)明對(duì)RSEI起正向作用，NDBSI和LST系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明對(duì)RSEI起負(fù)向作用。在逐年的回歸模型中，正向指標(biāo)中NDVI系數(shù)逐年增加，說(shuō)明植被覆蓋在生態(tài)質(zhì)量的提升中愈發(fā)重要，而WET所表現(xiàn)出的影響力相對(duì)較弱。負(fù)向指標(biāo)中，LST的絕對(duì)值大于NDBSI的絕對(duì)值，說(shuō)明LST對(duì)生態(tài)質(zhì)量的抑制更為明顯，側(cè)面反映出地表溫度的上升對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的破壞程度越來(lái)越大?？偟膩?lái)說(shuō)，NDVI系數(shù)在回歸模型中所占權(quán)重最大，說(shuō)明玉溪市封山育林、植樹(shù)造林、退耕還林、退耕還草等政策實(shí)施結(jié)果較為顯著。

為了驗(yàn)證上述回歸模型的可靠性，以2020年10 000個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)為例，構(gòu)建各指標(biāo)的三維散點(diǎn)空間分布圖來(lái)考察各指標(biāo)與RSEI的關(guān)系(圖5)。從左圖正向指標(biāo)NDVI，WET的三維空間分布圖來(lái)看，RSEI高值區(qū)主要分布在植被覆蓋度較高且水分條件好的區(qū)域，說(shuō)明植被覆蓋的增加以及充足的水分對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善效果明顯；而右圖負(fù)向指標(biāo)NDBSI，LST的三維空間分布表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量隨NDBSI，LST的增加而逐漸下降，RSEI低值區(qū)主要集中在高密度建筑區(qū)和高地表溫度區(qū)。綜合來(lái)看，該結(jié)果與上述回歸模型結(jié)果相吻合，模型的適用性較強(qiáng)。

圖5 玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量三維散點(diǎn)特征

3 結(jié) 論

本文基于遙感影像數(shù)據(jù)采用主成分分析法集成綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)構(gòu)建RSEI模型，對(duì)玉溪市2005—2020年生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

(1) RSEI回歸模型能較好地反映玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征，其中NDVI和WET對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正向作用，NDBSI和LST起負(fù)向作用。其中，NDVI系數(shù)的絕對(duì)值最大，說(shuō)明植被覆蓋是玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重要的影響因子。

(2) 2005—2020年，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)“下降—上升—下降”的趨勢(shì)，呈“S”型波動(dòng)，RSEI平均值由0.605下降到0.568，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差和較差的區(qū)域面積共增加了1 014.05 km2，而優(yōu)和良的區(qū)域面積共減少了1 306.43 km2，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量小幅度下降，但總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于中等水平。

(3) 2005—2020年，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化區(qū)域面積大于改善區(qū)域面積，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積為6 255.35 km2，占總面積的42.51%，變好的面積為2 514.26 km2，占總面積的17.08%，生態(tài)等級(jí)變化均以變化1個(gè)等級(jí)為主。

(4) 在空間格局方面，玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布在玉溪市元江干熱河谷，生態(tài)質(zhì)量較好的區(qū)域除元江干熱河谷及建城區(qū)外均有分布，但最好的位于哀牢山。2005—2020年玉溪市中部和西南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善，但西北部和東部三湖流域及紅塔區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均出現(xiàn)退化。

研究期間，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量小幅度下降，生態(tài)建設(shè)和保護(hù)還需進(jìn)一步提高。城市化進(jìn)程應(yīng)合理配置土地資源，優(yōu)化城市空間布局，提高植被覆蓋度。三湖流域內(nèi)加快推進(jìn)退田、退塘、退人、退房、還湖、還水、還濕地及生態(tài)濕地建設(shè)，流域內(nèi)部湖周邊地區(qū)，應(yīng)合理規(guī)劃綠化區(qū)域、完善建城區(qū)、工廠等污水處理系統(tǒng)，統(tǒng)籌推進(jìn)“三湖”徑流區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)治理。此外，還應(yīng)該加強(qiáng)居民生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。

本文運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)玉溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，雖完全依賴(lài)遙感數(shù)據(jù)反演可避免人為因素造成的影響，可全方位、可視化及長(zhǎng)時(shí)間序列的反映玉溪市近16 a來(lái)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，可為玉溪市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)，但仍存在不足之處：由于研究區(qū)范圍較大，所涉影像較多，難以獲取高分辨率、無(wú)云且月份相對(duì)集中的遙感影像數(shù)據(jù)；時(shí)間跨度較大，忽略了年份之間的細(xì)微變化，應(yīng)縮短時(shí)間步長(zhǎng)更好地分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的細(xì)微變化；生態(tài)系統(tǒng)的形成和發(fā)展受人為因素與自然因素的影響，應(yīng)結(jié)合多種影響因素共同分析。后期的研究中應(yīng)根據(jù)當(dāng)前區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，選擇更高精度的遙感影像數(shù)據(jù)，縮短時(shí)間步長(zhǎng)，結(jié)合多種生態(tài)影響因素，優(yōu)化生態(tài)評(píng)價(jià)模型，更好地對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。