基于遙感生態(tài)指數(shù)的滁州市生態(tài)環(huán)境變化分析*

徐 敏，陳 俊，鄧嘉翔，程 飛

(1.安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022；2.高分辨率對地觀測系統(tǒng)安徽省滁州市數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心，安徽 滁州 239000)

0 引言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)來源，良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會前進中的有效保障[1]。為了更好的增加生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展目標，加強對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測是必要的。

衛(wèi)星遙感因其監(jiān)測范圍宏觀，監(jiān)測數(shù)據(jù)更新速度較快，日漸成為監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的主要手段之一。研究者們通過使用不同的生態(tài)監(jiān)測指標，或是不斷創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測數(shù)值模型，對不同維度的各類生態(tài)系統(tǒng)進行變化監(jiān)測，取得諸多研究成果[2-5]。但是受制于生態(tài)指標選擇的單一性、綜合指標體系應(yīng)用范圍的限制以及指標參數(shù)易得程度的影響，關(guān)于遙感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法的應(yīng)用上還存有爭議。近年來徐涵秋[1]提出了利用區(qū)域生態(tài)環(huán)境中的綠度、濕度、干度、熱度4個綜合指標，使用主成分分析方法提取綜合指標中主要要素，反演區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。該方法既能夠體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的整體特征，又可以保證評價指標的綜合性、客觀性。鑒于此，本研究采用主成分分析法，計算區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù) (RSEI)，對2016-2020年間滁州市市轄兩區(qū)(瑯琊區(qū)、南譙區(qū))生態(tài)環(huán)境變化進行定量評價和時空變化監(jiān)測分析，為滁州市生態(tài)環(huán)境部門提供有關(guān)環(huán)境治理、發(fā)展規(guī)劃依據(jù)，為滁州市生態(tài)文明城市建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

滁州市位于安徽省東部，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，全年四季分明。為江淮丘陵地帶，地表植被屬亞熱帶常綠闊葉林帶。滁州因滁河而得名，河流眾多，有各類型水庫1 000多座。其下轄兩區(qū)四縣及兩個縣級市( 瑯琊區(qū)、南譙區(qū)、來安縣、定遠縣、全椒縣、鳳陽縣、明光市、天長市)，向東與南京市相連[6]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以滁州市直屬瑯琊區(qū)、南譙區(qū)兩個區(qū)為研究區(qū)，使用 2016 年7月、2018 年7月和 2020 年7月的Sentinel-2A、Landsat8 遙感影像。數(shù)據(jù)月份一致，經(jīng)過多波段合成、圖像鑲嵌、表觀反射率定標，研究區(qū)裁剪等技術(shù)流程，提取相關(guān)生態(tài)因子，自然生態(tài)環(huán)境具有較大的可對比性。

2.2 研究方法

遙感生態(tài)指數(shù) RSEI選取了與人類生存環(huán)境密不可分的綠度、濕度、干度、熱度指標。分別采用通過T-C變化的濕度分量(WET)來代表濕度指標；歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前最常用的植被指數(shù)，它受控于區(qū)域的植物生物量、植被覆蓋度等要素，因此選用NDVI來代表綠度指標；干度指標一般選用的是裸土指數(shù)SI，考慮到真實環(huán)境中還有建筑用地，所以裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI合成(NDSI)代表干度指標；地表溫度(LST)表征溫度指標。

2.2.1 指標的構(gòu)建

1)濕度指標

本文采用Index Database發(fā)布的Tasselled Cap-wetness濕度計算公式計算哨兵2A數(shù)據(jù)的濕度分量，計算公式為：

WET=0.1 509*ρ2+0.1 973*ρ3+0.3 279*ρ4+

0.3 406*ρ8-0.7 112*ρ11-0.4 572*ρ12

(1)

式中：ρ2、ρ3、ρ4、ρ8、ρ11和ρ12分別為Sentinel-2A的2、3、4、8、11、12各波段的大氣表觀反射率。

2)綠度指標

本次通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)來獲取綠度信息，其公式為：

(2)

式中：NIR為近紅外波段的反射率；R為紅光波段的反射率。

3)干度指標

干度指標由裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI合成，計算公式為：

(3)

其中，

4)熱度指標

利用地表溫度(LST)來表針熱度指標。由于哨兵-2A數(shù)據(jù)沒有熱紅外波段，本文選用同一時間獲取的Landsat 8 影像的熱紅外波段來計算溫度，并將得到的溫度結(jié)果重采樣到10 m，以便與哨兵-2A 10 m分辨率影像能對應(yīng)。本文使用基于大氣校正法的Landsat8 TIRS數(shù)據(jù)分析研究區(qū)地表溫度信息。

2.2.2 綜合指標的構(gòu)建

本研究采用主成分分析法(PCA)，提取遙感影像中 4 個生態(tài)指標的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)重計算生態(tài)因素中的主要因素，對生態(tài)環(huán)境中的主要因素進行遙感生態(tài)指數(shù)解譯?？紤]4個指標量綱不統(tǒng)一，因此本文在主成分變換前，對各指標數(shù)據(jù)歸一化處理，得到各指標數(shù)值在0-1范圍內(nèi)，然后進行區(qū)域主成分分析。歸一化公式為：

(4)

式中：NIi為歸一化后的某一指標值；Ii為該指標在區(qū)域像元i上的值；Imin、Imax分別為該指標的最小、最大值。

對歸一化后的4個指標在ENVI中采取主成分分析，得到 PC1，然后用1減去PC1得到原始生態(tài)指數(shù)RSEI0。

(5)

為了使各指標統(tǒng)一，以方便指標比較，同理對RSEI0進行歸一化：

(6)

RSEI即為遙感生態(tài)指數(shù)，其值介于0-1之間，遙感生態(tài)指數(shù)值趨近于1，代表區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境趨好[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

表1為研究區(qū)3個年份4個指標的主成分分析結(jié)果。

表1 2016-2020年滁州市各年份指標主成分與遙感生態(tài)指數(shù)RSEI統(tǒng)計表

從表1中可以看出:3期數(shù)據(jù)的第一主成分(PC1)對RSEI的貢獻率超過83%。說明PC1代表4個指標中的主要載荷，集成了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的主要特征。其中，PC1對RSEI的貢獻度，2016年為87.77% ， 2018年為83.39% ， 2020年為86.97% 。分析4個指標在PC1的貢獻率，綠度的NDVI和濕度的WET都顯示為正數(shù)，干度和溫度的NDBSI、LST都顯示為負數(shù)，這與自然界中綠度因素和濕度因素對自然生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正向效應(yīng)，而干度因素和溫度因素對自然生態(tài)環(huán)境發(fā)揮負面效應(yīng)的實際是一致的[8]。

3.2 滁州市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)變化分析

通過反演的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，分析滁州市近4年來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化。研究表明，4年間滁州市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)略下降趨勢。RSEI均值由2016年的0.669到2020年的0.599，但在2016-2018年間RSEI均值呈增加趨勢。各指標變化中，濕度指標WET和綠度指標NDVI的均值變化趨勢與RSEI一致，都表現(xiàn)為先增加后減少；干度指標NDSI逐漸增加。經(jīng)標準化處理后的2016， 2018， 2020年的LST均值分別為:0.287， 0.351， 0.389，則說明了熱度指標LST也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。結(jié)合各指標對PC1的載荷值，3個年份中植被覆蓋狀況的綠度指標NDVI對PC1的載荷最大，可以看出自然植被對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響力最大。滁州市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI空間分布，如圖1所示。

從圖1中可以看出，生態(tài)環(huán)境較差的深紅色區(qū)域與滁州市現(xiàn)階段建成區(qū)大體保持一致。近年來隨著滁州市城南新區(qū)的大力發(fā)展，城區(qū)東南部RSEI下降較明顯，呈現(xiàn)由點向面的拓展。城區(qū)西南部分也出現(xiàn)RSEI明顯下降的趨勢。另外，老城區(qū)內(nèi)深紅色區(qū)域逐漸被淺綠色代替，說明老中心城區(qū)生態(tài)環(huán)境有了較大程度的改善，生態(tài)環(huán)境狀況逐漸變優(yōu)。近年來隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，市屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)得到了大力發(fā)展，但同時從RSEI圖中可以得出，諸多鄉(xiāng)鎮(zhèn)遙感生態(tài)指數(shù)出現(xiàn)下降，局部生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化。因此，在發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)的同時也需要注重保護環(huán)境。

圖1 滁州市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI空間分布圖Fig.1 RSEI spatial distriburion of Chuzhou city

3.3 遙感生態(tài)指數(shù)RSEI建模分析

回歸分析建模是分析多個地理要素之間具體的數(shù)量關(guān)系的普遍性方法。本文通過應(yīng)用4個生態(tài)因子建模研究滁州市生態(tài)環(huán)境影響因素，力爭為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支撐[9]。模型中在滁州市區(qū)內(nèi)隨機生成5 000個采樣點，包含3個年度的4個生態(tài)環(huán)境指標值和RSEI值，在SPSS中進行回歸分析模擬。計算過程中以4個指標為自變量，以RSEI為因變量，采用步進回歸方法。計算得出滁州市3個年份的回歸模型(模型都通過了1%的顯著性檢驗)，結(jié)果如下：

2016年RSEI=0.476NDVI+0.402WET-0.362NDSI-0.413LST+0.546，R2=0.988

2018年RSEI=0.582NDVI+0.351WET-0.442NDSI-0.481LST+0.626，R2=0.921

2020年RSEI=0.642NDVI+0.224WET-0.562NDSI-0.571LST+0.643，R2=0.995

通過計算得出，滁州市生態(tài)環(huán)境中的4個指標因子在步進回歸分析都有相關(guān)性，而且作為綠度指標的NDVI相關(guān)性值最大。說明作為生態(tài)環(huán)境中綠度、濕度、干度、熱度4個指標是滁州市生態(tài)環(huán)境重要指標，其中綠度指標影響力最大。因此，在滁州市城市化快速推進過程中，須注重原始自然植被保護和做好建成區(qū)城市綠化。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用Sentinel-2A、 Landsat8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法計算遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，對2016-2020年4年間滁州市生態(tài)環(huán)境變化進行時空變化與建模分析，得出如下結(jié)論：

1)從時空分布來看，2016-2020年間，滁州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈略下降趨勢，但2016年至2018年間RSEI均值略有上升。滁州市西南和東南部因開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的生態(tài)變化趨勢明顯，遙感生態(tài)指數(shù)略有下降；老中心城區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)略有上升，生態(tài)環(huán)境狀況得以改善。

2)從建模分析來看，在4個指標中，綠度指標的影響力較大，說明滁州城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降與植被減少的相關(guān)性最大，在城市化發(fā)展過程中必須注重原始自然植被保護和做好建成區(qū)城市綠化。

遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測有實時性、宏觀性技術(shù)優(yōu)勢，可滿足一定程度的工作要求。但是生態(tài)環(huán)境評價涉及范圍廣、技術(shù)指標多，評價體系有待改善，如何更科學(xué)的建立評價分析體系也是未來科學(xué)研究的重點和難點。