基于遙感分析的國土空間生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)的識別

鄧瀟瀟 吳穎

摘 ?要 ?基于遙感影像及GIS空間方法，通過研究瀏陽市綠度、熱度、干度和濕度四個(gè)指標(biāo)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)評價(jià)模型，探索瀏陽市生態(tài)本底變化，掌握生態(tài)家底，從而為瀏陽市生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)的診斷與識別提供判斷依據(jù)。以此劃定為國土空間生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)，為瀏陽市國土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供空間指引。

關(guān)鍵詞 ?遙感分析;生態(tài)環(huán)境;生態(tài)功能;重點(diǎn)提升區(qū)

中圖分類號：P951 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Identification of Key Elevation Zones of Ecological Function in Territorial Space Based on Remote Sensing Analysis：

A case study of Liuyang

Deng Xiaoxiao ， Wu Ying

（The Third Surveying and Mapping Institue of Hunan Province， Changsha Hunan 410007）

Abstract： Based on remote sensing images and GIS spatial methods， a remote sensing ecological index evaluation model was constructed by studying the indexes of green degree， heat degree， dry degree and humidity in Liuyang， to master the ecological family background， so as to provide a basis for the diagnosis and identification of the key areas of ecological function enhancement in Liuyang. ?It will be designated as a key enhancement area for the ecological functions of the territorial space and provide spatial guidance for the ecological conservation and restoration of the territorial space of Liuyang.

Keywords： remote sensing analysis; ecological environment; ecological function; key improvement area

遙感技術(shù)發(fā)展為識別生態(tài)環(huán)境時(shí)空變化提供了有力技術(shù)支撐。遙感生態(tài)指數(shù)由徐涵秋[1]提出，涵蓋綠度、熱度、干度和濕度等自然因子，借助主成分分析法對城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行快速監(jiān)測。該方法彌補(bǔ)了單一生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的不足，并得到眾多驗(yàn)證。本文借助于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)對瀏陽市生態(tài)本底進(jìn)行評估，掌握生態(tài)破壞相對嚴(yán)重區(qū)域的動態(tài)變化情況，確定國土空間生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)，為統(tǒng)籌山水林田湖草整體治理、科學(xué)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)打好基礎(chǔ)。

1 ?研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 ?研究區(qū)概況

瀏陽市位于北緯27°51′-28°34′，東經(jīng)113°10′-114°15′，東西寬105.8km，南北長80.9km，總面積5 007.75km?。地處湘贛邊界地帶，古為“吳楚咽喉”，是世界聞名的花炮之鄉(xiāng)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，歷年平均氣溫18.4℃，年均降水量1 680mm。山地與丘陵構(gòu)成瀏陽市主要地貌，東北地區(qū)海拔較高，西南地區(qū)海拔相對較低。

1.2 ?數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理

選取瀏陽市1994年、2008年、2013年及2019年四期遙感數(shù)據(jù)，對多光譜中的七個(gè)波段進(jìn)行研究分析。影像獲取時(shí)間統(tǒng)一在7—9月，保證氣溫、植被等因素在統(tǒng)一時(shí)間節(jié)點(diǎn)狀態(tài)基本一致，確保研究結(jié)果具有可比性。

其次，對選取的影像進(jìn)行預(yù)處理，即輻射校正、幾何校正、無縫鑲嵌，依據(jù)矢量數(shù)據(jù)裁剪出瀏陽市影像，對不同時(shí)相的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，確保配準(zhǔn)誤差（RMSE）小于0.5個(gè)象元[2]，修正圖像數(shù)據(jù)中因大氣質(zhì)量、太陽高度、傳感器靈敏度等引起的畸變。

2 ?研究方法

選取與人類息息相關(guān)的熱度（LST）、綠度（NDVI）、干度（NDSI）以及濕度（Wet）四個(gè)指標(biāo)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI），以此作為識別生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)的判斷因子。

（1）熱度指標(biāo)

以地表溫度代表熱度指標(biāo)，通常稱之為地表的皮膚溫度。在城市熱島效應(yīng)、自然災(zāi)害監(jiān)測等方面，地表溫度扮演著至關(guān)重要的角色，獲得地表溫度的主要途徑是利用熱紅外遙感技術(shù)[3]。本文采用地表溫度反演方法中的大氣校正法（輻射傳輸方程法），計(jì)算公式為：

（1）

（2）

式中：L10指熱紅外線輻射亮度值;I10↑、I10分別是大氣向上、向下輻射亮度;τ10為大氣在熱紅外波段的透過率;ε10表示地表比輻射率;B（Ts）是與Ts在同一溫度下黑體的熱輻射亮度;Ts為亮度溫度，單位為K。

（3）

地表真實(shí)溫度LST的獲取主要源自普朗克公式的反函數(shù)，單位為℃：

（4）

式中：可通過影像的元數(shù)據(jù)獲得定標(biāo)系數(shù)K1和K2。

地表比輻射率[4]按經(jīng)驗(yàn)公式[5]計(jì)算，表達(dá)式為：

（5）

（2）綠度指標(biāo)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）能敏感地監(jiān)測土壤的變化，對開展植被研究有著極為重要的意義[6]，且在環(huán)境監(jiān)測中得到了十分廣泛的應(yīng)用，用來反映植被覆蓋程度，即歸一化植被指數(shù)越高，表示土地覆蓋較多的植被。其公式為：

（6）

式中：ρnir、ρred分別代表近紅外、紅光波段的光譜反射率。

（3）濕度指標(biāo)

濕度指標(biāo)的獲取主要來源于纓帽變換中的Wet分量，表示植被與土壤中含有的水分。纓帽變換在處理影像時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮以及去冗余，其濕度、綠度、亮度分量與地表物理參數(shù)存在緊密關(guān)系。不同傳感器其公式有所不同，具體為：

TM數(shù)據(jù)：

Wet=0.0315βblue+0.2021βgreen+0.3102βred+0.1594βnir-0.6706βmir1-0.6109βmir2（7）

ETM+數(shù)據(jù)：

Wet=0.2626βblue+0.2141βgreen+0.0926βred+0.0656βnir-0.7629βmir1-0.5388βmir2 （8）

OLI數(shù)據(jù)：

Wet=0.1511βblue+0.1973βgreen+0.3283βred+0.3407βnir-0.7117βmir1-0.4559βmir2（9）

式中：βi代表影像數(shù)據(jù)中相應(yīng)波段的光譜反射率。

（4）干度指標(biāo)

干度指標(biāo)主要用來表示地表“干化”的程度，包括裸露的土壤和建設(shè)用地導(dǎo)致的土地“干化”。因此由裸土指數(shù)和建筑指數(shù)兩部分構(gòu)成干度指標(biāo)（NDSI），具體公式為：

NDSI=（SI+IBI）/2（10）

其中裸土指數(shù)：

SI=[（ρmir+ρred ）-（ρnir+ρbule）]/[（ρmir+ρred）+（ρnir+ρbule） ]（11）

建筑指數(shù)：

（12）

（5）遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

由于各指標(biāo)的量綱與值域存在差異，《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[7]將無量綱化處理后的指標(biāo)的值域規(guī)范到[0，1]范圍內(nèi)，從而更好地分析瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

NIi=（Ii-Imin ）/（Imax-Imin ） ?（13）

其中：Inir為歸一化后的指標(biāo)，Ii為各分項(xiàng)指標(biāo)，Imax代表指標(biāo)的最大值，Imin代表指標(biāo)最小值。

3 ?瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)整體評價(jià)

3.1 ?生態(tài)環(huán)境指標(biāo)分析

借助ENVI軟件對1994年、2008年、2013年、2019年遙感影像進(jìn)行處理，獲取綠度、熱度、干度及濕度指標(biāo)，通過主成分分析獲取RSEI值，以此了解瀏陽市在該期間的生態(tài)環(huán)境變化情況。

從表1可得1994年、2008年、2013年、2019年四期RSEI值分別為0.68、0.57、0.74、0.63，總體上瀏陽市遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)處于較好狀態(tài)。其中熱度、干度指標(biāo)值自1994—2019年總體上呈現(xiàn)出上升趨勢，與瀏陽市城市不斷擴(kuò)張、建筑面積增加息息相關(guān);歸一化植被指數(shù)平均值上升，其中山區(qū)上升較為明顯。

（1）熱度指標(biāo)分析

從圖1可得，瀏陽主要以中低地表能量均質(zhì)性分布，且逐漸呈現(xiàn)趨高態(tài)勢。高熱度區(qū)主要分布在中心城區(qū)、金陽新城等區(qū)域，隨時(shí)間呈逐漸擴(kuò)張趨勢;低值區(qū)主要集中分布于北部連云山片區(qū)、東北部的山地區(qū)域，隨時(shí)間呈逐漸縮小趨勢;中值區(qū)主要分布在高值區(qū)外圈范圍，隨時(shí)間變化逐漸轉(zhuǎn)為與高值區(qū)相間分布。

空間上來看，1994—2019年間，熱度變化最明顯的區(qū)域與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的范圍空間耦合程度較高，說明隨著建成區(qū)的不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致地表溫度不斷升高。

在剔除城區(qū)建設(shè)用地及云層干擾的基礎(chǔ)上，熱度變化明顯的區(qū)域主要集中于瀏陽市西北部沙市—淳口鎮(zhèn)部分區(qū)域及北部的古港—沿溪鎮(zhèn)等部分區(qū)域，主要因?yàn)槌鞘械牟粩嘞蛲鈹U(kuò)張?jiān)斐芍苓吷鷳B(tài)環(huán)境的破壞。

（2）綠度指標(biāo)分析

從圖2發(fā)現(xiàn)高值區(qū)主要集中位于大圍山鎮(zhèn)、張坊鎮(zhèn)、小河鄉(xiāng)、高坪鎮(zhèn)、淳口鎮(zhèn)東部等，且分布范圍隨時(shí)間的增大逐漸減小;低值區(qū)主要位于淮川街道、永安鎮(zhèn)、洞陽鎮(zhèn)、古港—沿溪鎮(zhèn)南部等地，其分布范圍隨時(shí)間的增長逐漸增加，主要是因?yàn)槠鋵儆跒g陽市中心城區(qū)、金陽新區(qū)以及兩型產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，城鎮(zhèn)發(fā)展快，開發(fā)力度強(qiáng)，因此對植被的破壞程度較大。

從綠度質(zhì)量來看，山區(qū)植被綠度質(zhì)量總體情況較好。在1994—2008年期間，隨著瀏陽市建成區(qū)的不斷擴(kuò)大，綠度質(zhì)量有較大幅度下降，西北部、中部、北部地區(qū)出現(xiàn)明顯斑塊狀非植被用地（剔除云層的干擾）。2013年綠度質(zhì)量得到顯著提升，2019年山區(qū)植被指數(shù)上升明顯。

從綠度規(guī)模來看，山地植被分布格局基本定型，整體格局相對穩(wěn)定。建成區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)明顯的破碎化，低值區(qū)域由塊狀聚集逐漸向破碎斑塊轉(zhuǎn)變，說明建設(shè)用地在不斷擴(kuò)張的同時(shí)也逐漸開始注重內(nèi)部植被綠化。

（3）濕度指標(biāo)分析

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，濕度值較高的區(qū)域主要集中分布于北部連云山脈所在片區(qū)及大圍山鎮(zhèn)—張坊鎮(zhèn)等區(qū)域，而低值區(qū)域主要分布于中心城區(qū)、金陽新城等人口密集區(qū)域。

（4）干度指標(biāo)分析

由圖4可知高值區(qū)范圍呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)張的趨勢，其中2008年擴(kuò)張程度最為明顯，主要體現(xiàn)在瀏陽市西北部沙市—淳口鎮(zhèn)及中北部淮川—關(guān)口—古港鎮(zhèn)等區(qū)域。隨著近幾年對自然生態(tài)環(huán)境的逐漸重視，在一定程度上減少裸露土壤的面積，但建設(shè)用地的擴(kuò)張使得干度指標(biāo)仍呈現(xiàn)逐年上漲的趨勢。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布特征

為了更直觀地反映瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布特征，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行分級，包括差、較差、一般、良和優(yōu)五個(gè)等級，其中各等級的區(qū)域范圍分別為[0，0.2]、（0.2，0.4]、（0.4，0.6]、（0.6，0.8]、（0.8，1.0]，以此獲得瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布圖。

從整體上看，瀏陽市在1994—2019年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量基本上處于良好的狀態(tài)，其值分別為0.68、0.57、0.74、0.63。主要呈現(xiàn)出“中間建成區(qū)較差周圍區(qū)域較好”大體走向，且中心建成區(qū)隨時(shí)間不斷向四周擴(kuò)張，由此說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對建成區(qū)及其周邊地區(qū)有著較高敏感度，城市化的快速發(fā)展對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將產(chǎn)生顯著影響。2008年瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相比1994年呈下降趨勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為“一般”占比較大，為40.88%;2013年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善，上升至“良”，占比高達(dá)68.16%;2019年間瀏陽市“優(yōu)”的范圍有所擴(kuò)大，說明瀏陽市注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，使其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在不斷地提高。

從空間上看，1994年瀏陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差和較差的區(qū)域主要集中在中部關(guān)口街道、古港鎮(zhèn)、金剛鎮(zhèn)、鎮(zhèn)頭鎮(zhèn)等區(qū)域;2008年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化最顯著的區(qū)域主要體現(xiàn)瀏陽市金陽新城片區(qū)及金剛—大瑤鎮(zhèn)等部分區(qū)域;2013年期間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化較為明顯，主要體現(xiàn)在西北部金陽新城區(qū)域及沙市-淳口鎮(zhèn)部分地區(qū);2019年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要分布在連云山片區(qū)及大圍山南部、張坊鎮(zhèn)、高坪鎮(zhèn)等區(qū)域，較差的區(qū)域主要位于沙市—淳口、古港—沿溪等鎮(zhèn)及金剛—大瑤鎮(zhèn)的部分地區(qū)。

綜上，將瀏陽市北部由于城鎮(zhèn)發(fā)展較快、林地與耕地等植被減少較多的沙市—淳口、古港—沿溪—官渡—達(dá)滸鎮(zhèn)的部分村莊及南部因礦產(chǎn)資源開發(fā)利用強(qiáng)度較大、分布較密集導(dǎo)致的土壤裸露、植被破壞情況較嚴(yán)重的大瑤—金剛—文家市鎮(zhèn)部分村莊劃定為生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)，詳見圖7。并借助Invest模型對瀏陽市生境質(zhì)量進(jìn)行分析論證，結(jié)果顯示本文提取的生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)所在范圍的生境質(zhì)量較差，主要處于中低等，進(jìn)而表明本文的研究結(jié)果具有一定的真實(shí)性。

4 ?結(jié)論

本文憑借遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）評價(jià)模型從熱度、綠度、干度及濕度四個(gè)維度出發(fā)對瀏陽市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合分析。以此構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，作為判斷因子用于識別瀏陽市生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域，是國土空間生態(tài)修復(fù)前期工作的一部分，能更好地推進(jìn)國土空間規(guī)劃的開展。結(jié)論如下：

（1）選取生態(tài)環(huán)境要素中的地表溫度、植被、裸土、建筑等，結(jié)合定量、定性分析，研究結(jié)果說明地表溫度、干度與建設(shè)用地呈正比，植被與建設(shè)用地呈負(fù)相關(guān)，地表溫度與植被呈負(fù)相關(guān)。

（2）瀏陽市自1994—2019年以來，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從整體上一直處于良好的狀態(tài)。雖隨著城鎮(zhèn)的快速擴(kuò)張，生態(tài)環(huán)境受到一定破壞，但在政府不斷提高居民的生活環(huán)境質(zhì)量、增加城市綠化、改善城區(qū)生態(tài)條件等努力下，生態(tài)環(huán)境得到較好的維持。

（3）綜合分析得出瀏陽市生態(tài)環(huán)境破壞較嚴(yán)重區(qū)域：在1994—2019年間，剔除城區(qū)建設(shè)用地、云層的干擾，熱度、干度變化明顯的區(qū)域主要集中于瀏陽市西北部、南部和東南部大部分區(qū)域;而植被變化明顯的區(qū)域主要集中分布于瀏陽市南部以及北部地區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

因此，將瀏陽市南部地區(qū)的大瑤—金剛—文家市鎮(zhèn)部分村莊、西北部沙市—淳口鎮(zhèn)部分區(qū)域以及北部地區(qū)的古港—沿溪—官渡—達(dá)滸鎮(zhèn)部分生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降的村莊劃定為國土空間生態(tài)功能重點(diǎn)提升區(qū)（剔除中心城區(qū)、云層等的干擾因素），在遵循客觀規(guī)律的前提下開展重點(diǎn)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，有效制定生態(tài)修復(fù)的技術(shù)模式，提升國土空間生態(tài)修復(fù)治理能力。

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