基于遙感的大興安嶺小揚(yáng)氣鎮(zhèn)用地類型變化及生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)

陳卓， 陳建平， 周傳芳， 劉濤， 姜平， 張起鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

土地是自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的綜合體，其利用類型是動(dòng)態(tài)變化的，反映了人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的改造，其變化規(guī)律和機(jī)制的研究對(duì)于保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-4]。大興安嶺位于我國(guó)最北方，在保障國(guó)家生態(tài)安全、應(yīng)對(duì)氣候變化等方面具有重要作用[5]。大興安嶺土地利用類型以林地為主、兼有濕地，森林覆蓋率高，水資源豐富。目前，大興安嶺建設(shè)模式已由林木采伐轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨鷳B(tài)建設(shè)為主的森林資源全系統(tǒng)保護(hù)、經(jīng)營(yíng)和利用[6]。遙感技術(shù)對(duì)地物屬性的多時(shí)段變化研究具有先天優(yōu)勢(shì)，開展自然資源動(dòng)態(tài)變化分析可促進(jìn)資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[7-10]。為掌握大興安嶺土地利用類型、生態(tài)環(huán)境狀況本底及時(shí)空變化，本文利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，以松嶺區(qū)小揚(yáng)氣鎮(zhèn)為研究區(qū)，分別對(duì)1985年、1998年、2008年和2018年土地利用類型進(jìn)行解譯，揭示不同土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化，計(jì)算不同年份的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，以期助力當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

小揚(yáng)氣鎮(zhèn)地處大興安嶺南部，為大興安嶺松嶺區(qū)區(qū)政府所在地。研究區(qū)坐標(biāo)范圍為124°00′～124°45′E，50°30′～51°00′N，面積約2 900 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)為低山丘陵地貌，西北高、東南低，海拔300～1 000 m，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒期長(zhǎng)，夏季炎熱期短，年平均氣溫-3 ℃，最高氣溫30 ℃，最低氣溫-48 ℃； 年平均降水量600 mm，其中7、8月降水量占全年的50%左右； 區(qū)內(nèi)主要河流為多布庫爾河，屬嫩江水系。監(jiān)測(cè)站顯示多布庫爾河徑流量主要集中分布在每年的4—10月，約占全年徑流量的92%以上，其中7月、8月徑流量占全年的60%以上[11]。當(dāng)?shù)厣?、濕地資源豐富，政府積極發(fā)展嫩江源濕地文化[12]； 主要喬木樹種有白樺、興安落葉松、樟子松和黑樺等。

圖1 研究區(qū)地理位置(左)及GF-1真彩色影像圖(右)

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在本次研究使用的數(shù)據(jù)中，1985年、1998年選擇的是Landsat-5 TM數(shù)據(jù)，包含7個(gè)波段，涉及紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)、近紅外(NIR)、短波紅外(SWIR)和熱紅外(TIR)波段，熱紅外波段空間分辨率為120 m，其余波段空間分辨率為30 m； 2008年選擇的是SPOT-5數(shù)據(jù)，包含5個(gè)波段，涉及全色(Pan)、紅(R)、綠(G)、近紅外(NIR)和短波紅外(SWIR)波段，其中全色波段空間分辨率為2.5 m，紅、綠、近紅外波段空間分辨率為10 m，短波紅外波段空間分辨率為20 m； 2018年采用的是GF-1 PMS數(shù)據(jù)，包含5個(gè)波段，涉及全色(Pan)、紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)和近紅外(NIR)波段，其中全色波段空間分辨率為2 m，其他波段空間分辨率為8 m； 坡度計(jì)算采用的是ASTER GDEM 30 m數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

本文研究方法主要包括土地利用分類提取、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算及變化程度分級(jí)。其中，土地利用分類需首先確定分類體系，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的計(jì)算需考慮研究區(qū)數(shù)據(jù)的可得性。

2.2.1 分類體系和方法

在野外考察的基礎(chǔ)上，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)[13]中提出的土地利用分類系統(tǒng)，結(jié)合大興安嶺地區(qū)地表類型及特征，制定了研究區(qū)的分類體系，包括針葉林、混交林、闊葉林、草地、森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、耕地、園地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域水利設(shè)施用地、其他用地等14類。

采用多尺度圖像分割及決策樹等處理方法對(duì)用地類型進(jìn)行分類提取[14-18]。根據(jù)不同影像空間分辨率，通過多次圖像分割試驗(yàn)，最終選擇100、80、60和300、200、100尺度及相應(yīng)因子權(quán)重分別對(duì)Landsat-5 TM和SPOT-5、GF-1影像中不同的地物類型進(jìn)行分割(表1)。

表1 多尺度圖像分割參數(shù)設(shè)置

由于Landsat-5和SPOT-5、GF-1影像的空間、輻射分辨率差異較大，分別采用不同的分類流程，根據(jù)不同地物的光譜、形狀、紋理特征及各決策節(jié)點(diǎn)的分類目的，優(yōu)選各類參數(shù)(表2)，并通過不斷調(diào)試參數(shù)閾值范圍，使自動(dòng)分類結(jié)果與已知的地物分布或目視判讀基本一致，獲得最佳分類參數(shù)和相應(yīng)閾值(圖2，圖3)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)時(shí)相地物信息的初步提取。

表2 各類參數(shù)定義

圖2 Landsat-5 TM用地類型分類決策樹規(guī)則

圖3 SPOT-5及GF-1用地類型分類決策樹規(guī)則

按上述規(guī)則完成分類后，通過人機(jī)交互方法從林地中區(qū)分出針葉林、闊葉林、針闊混交林和園地，從其他建設(shè)用地中區(qū)分出工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地等，并進(jìn)行目視修正，得到最終的分類結(jié)果。由于各時(shí)相的影像數(shù)據(jù)空間分辨率不同，分類后需根據(jù)野外調(diào)查及亞米級(jí)影像目視結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，確保不同時(shí)相、不同分辨率影像的分類效果具有可比性以滿足用地變化分析的需求。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的計(jì)算

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)[19]開展。新版規(guī)范改進(jìn)了相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法，新增了專題生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)[20]，可在遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合同期水資源量、降水量、土壤侵蝕強(qiáng)度和主要污染物等地面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[21]。計(jì)算式如下：

IE=0.35IB+0.25IV+0.15IW+0.15100-IL+0.10100-IP+IEL

。

(1)

式中：IE為生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)；IB為生物豐度指數(shù)，表征生物的豐貧程度；IV為植被覆蓋指數(shù)；IW為水網(wǎng)密度指數(shù)；IL為土地脅迫指數(shù)；IP為污染負(fù)荷指數(shù)；IEL為環(huán)境限制指數(shù)。

在計(jì)算過程中，各因子權(quán)重可根據(jù)實(shí)際情況確定[22]。此次根據(jù)數(shù)據(jù)可得性將某一因子剔除后，將其權(quán)重平均分配到其他因子中。由于無法獲得污染負(fù)荷指數(shù)，故將各因子權(quán)重調(diào)整如下：

IE=0.375IB+0.275IV+0.175IW+0.175100-IL+IEL

，

(2)

IB=(IBI+IHQ)/2

，

(3)

IBI=0.20RV+0.20RP+0.20DE+0.20ED+0.10RT+0.10(100-EI)

，

(4)

IHQ=511.264(0.35SF+0.21SG+0.28SW+0.11SC+0.04SR+0.01SO)/S

。

(5)

式(3)—式(5)中：IBI為生物多樣性指數(shù)；IHQ為生境質(zhì)量指數(shù)；RV為歸一化野生動(dòng)物豐富度；RP為歸一化野生維管束植物豐富度；DE為歸一化生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性；ED為歸一化物種特有性；RT為歸一化受威脅物種豐富度；EI為歸一化外來物種入侵度；SF為林地面積,m2；SG為草地面積,m2；SW為水域濕地面積,m2；SC為耕地面積,m2；SR為建設(shè)用地面積,m2；SO為其他土地面積,m2[23]； S為研究區(qū)總面積,m2。由于未獲得生物多樣性指數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)，故此次使用生境質(zhì)量指數(shù)代表生物豐度指數(shù)。

。

(6)

式中：n為研究區(qū)影像像元總數(shù)；Pi為各像元NDVI。由于NDVI絕對(duì)值小于1，再乘以歸一化系數(shù)(0.012 1)后將導(dǎo)致植被覆蓋指數(shù)對(duì)IE的影響可以被忽略。饒麗[24]在進(jìn)行生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)時(shí)的歸一化系數(shù)取值介于121.02～122.09之間，故將研究區(qū)植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)取為121.50。

IW=(84.370 4LW+591.790 8SW+86.386 9VW)/3S

。

(7)

式中：LW為河流總長(zhǎng)度，m；SW為水域總面積，m2；VW為水資源量，m3；S為研究區(qū)總面積，m2。由于水資源量未能獲取，故將水資源量因子剔除。計(jì)算方法調(diào)整為：

IW=(84.370 4LW+591.790 9SW)/2S。

(8)

IL=236.043 5(0.4SH+0.2SM+0.2SR+0.2SO)/S

。

(9)

式中：SH為重度侵蝕面積，m2；SM為中度侵蝕面積，m2；SR為建設(shè)用地面積，m2；SO為其他土地脅迫面積，m2；S為研究區(qū)總面積，m2。由于研究區(qū)植被覆蓋度高，裸地主要為路塹和修路產(chǎn)生的采石場(chǎng)，具有坡度陡、面積小的特征，故均按中等侵蝕強(qiáng)度計(jì)算。

環(huán)境限制指數(shù)(IEL)為生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的約束性指標(biāo)，指根據(jù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的嚴(yán)重影響人類生產(chǎn)生活安全的生態(tài)破壞和環(huán)境污染事項(xiàng)，如重大生態(tài)破壞、環(huán)境污染和突發(fā)環(huán)境事件等，其可根據(jù)事件的嚴(yán)重程度對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況的最高等級(jí)進(jìn)行限制并降級(jí)。研究區(qū)未發(fā)生相關(guān)問題，故環(huán)境限制指數(shù)不對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)產(chǎn)生影響。

3 結(jié)果及分析

通過以上基于多尺度的圖像分割、決策樹及目視修正，可對(duì)研究區(qū)用地類型進(jìn)行分類，同時(shí)計(jì)算生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

3.1 用地現(xiàn)狀

將研究區(qū)分為針葉林、針闊混交林、闊葉林、草地、森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、耕地、園地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域水利設(shè)施用地和其他用地共14類(圖4)。

(a) 1985年(b) 1998年(c) 2008年(d) 2018年

2018年小揚(yáng)氣鎮(zhèn)林地面積為2 181.31 km2，沼澤面積為659.22 km2，水域水利設(shè)施用地面積為19.43 km2。上述3類景觀占整個(gè)區(qū)域總面積的97%(表3)。林地在整個(gè)研究區(qū)中均勻分布，沼澤區(qū)主要分布在中部及東部區(qū)域，水域及水利設(shè)施用地主要分布在中部及東部的沼澤區(qū)附近，整體表現(xiàn)出水域—沼澤區(qū)—林地逐漸過渡的景觀特征。

表3 研究區(qū)各年份用地類型面積

為得到更加準(zhǔn)確的分類結(jié)果，結(jié)合野外調(diào)查樣點(diǎn)以及亞米級(jí)分辨率影像，通過抽取隨機(jī)樣本點(diǎn)分別對(duì)1985年、1998年、2008年和2018年的分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法為將解譯結(jié)果與驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行疊加分析，計(jì)算1985—2018年分類結(jié)果的混淆矩陣，并計(jì)算不同類型地物的分類精度及Kappa系數(shù)。結(jié)果顯示1985年、1998年、2008年和2018年的分類精度均達(dá)到85%以上，Kappa系數(shù)均大于0.83(表4)，表明分類精度達(dá)到較高或高水平[25-26]。

表4 研究區(qū)各年份用地分類精度評(píng)價(jià)

3.2 生態(tài)環(huán)境狀況

基于遙感解譯結(jié)果及式(2)—式(9)計(jì)算得到1985年、1998年、2008年和2018各個(gè)年份的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)如表5所示。

表5 研究區(qū)各年份生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)及變化

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)[19]分級(jí)要求，即IE≥75為優(yōu)，55≤IE<75為良，35≤IE<55為一般，20≤IE<35為較差，IE<20為差，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況保持在良的范圍。

3.3 用地類型動(dòng)態(tài)變化

如圖5所示，1985—2018年，沼澤草地、耕地、水域及水利設(shè)施用地增加面積最多，草地、灌叢沼澤、森林沼澤減少面積最多，增長(zhǎng)百分比最多的為水域水利設(shè)施用地、耕地，減少百分比最多的為園地、針葉林、草地，總體表現(xiàn)為沼澤草地、耕地、水域的增加和草地的減少。草地、森林沼澤、灌叢沼澤、其他用地、水域及水利設(shè)施用地、交通運(yùn)輸用地、園地、針葉林在4個(gè)年份的面積波動(dòng)性較大，該類用地面積較小，更易受各類因素的影響。1985—2018年，闊葉林與沼澤草地之間的相互轉(zhuǎn)化最為劇烈，且闊葉林和沼澤草地受人類建設(shè)活動(dòng)影響最為明顯(表6，圖5)。

1.針葉林； 2.針闊混交林； 3.闊葉林； 4.草地； 5.森林沼澤； 6.灌叢沼澤； 7.沼澤草地； 8.耕地； 9.園地； 10.住宅用地； 11.工礦倉儲(chǔ)用地； 12.交通運(yùn)輸用地； 13.水域水利設(shè)施用地； 14.其他用地。

表6 1985—2018年小揚(yáng)氣鎮(zhèn)用地類型變化轉(zhuǎn)移矩陣

根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)變化(ΔIE)的絕對(duì)值，可將變化程度分為4個(gè)等級(jí)： |ΔIE|<1為無明顯變化； 1≤|ΔIE|<3為略微變化； 3≤|ΔIE|<8為明顯變化； |ΔIE|≥8為顯著變化。此外，如果生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)所屬等級(jí)發(fā)生變化，如由良變?yōu)橐话?、良變成?yōu)等，則認(rèn)為生態(tài)環(huán)境狀況發(fā)生明顯變化[19]。根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)變化(表5)，1985—1998年生態(tài)環(huán)境狀況無明顯變化，1998—2008年生態(tài)環(huán)境狀況有略微變好，2008—2018年生態(tài)環(huán)境狀況發(fā)生明顯降低。生態(tài)環(huán)境狀況的改善主要發(fā)生在1998—2008年間，總體上看1985—2018年間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況無明顯變化。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)是對(duì)各種地類生態(tài)效應(yīng)的綜合反映，從各因子組成及權(quán)重可知林草濕和水體對(duì)指數(shù)具有重要的正向促進(jìn)作用，林草濕和水體是研究區(qū)的地類主體，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的總體平穩(wěn)反映了研究區(qū)主體生態(tài)功能的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)通過面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罴皼Q策樹規(guī)則，結(jié)合人機(jī)交互解譯，較好地完成了大興安嶺小揚(yáng)氣鎮(zhèn)的土地利用分類，分類精度較高，能夠滿足研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)的需要。

(2)小揚(yáng)氣鎮(zhèn)1985—2018年生態(tài)環(huán)境狀況總體無明顯變化，用地類型上表現(xiàn)為沼澤草地、耕地、水域的增加和草地的減少，其中沼澤草地主要由闊葉林轉(zhuǎn)化而來，耕地主要由闊葉林、沼澤草地轉(zhuǎn)化而來，草地主要轉(zhuǎn)化為闊葉林、沼澤草地，除闊葉林外，其他自然地類面積較小，易受到外界因素影響，面積波動(dòng)變化較大，原有闊葉林和沼澤草地被新增人類生產(chǎn)生活設(shè)施占用最多。

(3)30余a來，小揚(yáng)氣鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境狀況變化不顯著，總體保持良好，從2018年本底數(shù)據(jù)來看，該區(qū)林地、沼澤、水域水利設(shè)施用地占整個(gè)研究區(qū)面積的97%，自然地類占絕對(duì)主導(dǎo)地位，主體生態(tài)功能完善、穩(wěn)定。