基于遙感的康巴什生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究

孫小添* 陳睿 張彪

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

在信息化時代，衛(wèi)星遙感技術(shù)廣泛的應(yīng)用于人們生活，可以容易的獲得地理數(shù)據(jù)的遙感技術(shù)被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測方面[1]。生態(tài)環(huán)境治理工作中更加注重生態(tài)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，通常會用生態(tài)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果來制定后期的環(huán)境保護(hù)工作。國內(nèi)外研究學(xué)者利用遙感對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價已做了大量的研究，生態(tài)環(huán)境評價不僅局限于植被、地表溫度等單一指標(biāo)的評測，通過其不斷發(fā)展評價中加入了濕度、干度等多指標(biāo)進(jìn)行綜合評價[2-4]?？蛋褪彩莾?nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市所建立的新區(qū)[5]，如何客觀而有效的對康巴什進(jìn)行評價是一個重要問題。本文對康巴什地區(qū)進(jìn)行環(huán)境評價研究，展示綠色城市建設(shè)對環(huán)境變化的影響，研究對象為16 年和20 年的哨兵2[6]和Landsat8 衛(wèi)星遙感圖像，構(gòu)建RSEI 指數(shù)對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，深入了解現(xiàn)代城市對環(huán)境的影響，為綠色城市建設(shè)提供更多的科學(xué)依據(jù)。

1 生態(tài)遙感指數(shù)的構(gòu)建

本文所選取的RSEI（遙感生態(tài)指數(shù)）是通過Landsat8 所提供的LST（地表溫度）、和通過哨兵2 圖像經(jīng)過纓帽變化得出的WET（濕度指數(shù)）、以及近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和所得出的NDVI（歸一化植被指數(shù)）和通過SI 與IBI 指數(shù)進(jìn)行平均得出的NDSI 干度指數(shù)[7]所得到的的。各指標(biāo)計算方法如下：

1.1 熱度指數(shù)

熱度指標(biāo)通常通過陸地表面溫度計算，平均溫度可以使用從遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中反演出的地表溫度代替，地表溫度是衡量溫室效應(yīng)的有效數(shù)據(jù)?？梢圆捎萌缦氯齻€公式來進(jìn)行計算：

從上述公式中可知，變量L 代表在傳感器周圍，TM熱紅外波段所具備的輻射值；gain 變量是指紅外波段的增益值，變量bias 是指熱紅外波段的偏置值，變量DN 是指像元的灰度值；K1和K2分別為輻射標(biāo)定參數(shù)，λ 為熱紅外6 波段或熱紅外10 波段的中心波長，這些參數(shù)可從影像頭文件獲得；T6/10為傳感器處的溫度值，LST6/10為地表溫度；ρ=1.438*10-2mK，ε 為地表比輻射率。

1.2 濕度指數(shù)

濕度分量能能夠直接反映出水體和土壤、植被等對象的濕度情況，能夠直接影響到生態(tài)環(huán)境的多樣化[8]，即濕度指標(biāo)可以采用濕度分量來代表。其中，濕度計算公式為：

1.3 綠度指數(shù)

歸一化植被指數(shù)NDVI 能夠客觀、科學(xué)地描述植被指數(shù)，是與葉面積指數(shù)、植被覆蓋率、植物生物數(shù)量和其他重要值密切相關(guān)的最廣泛的植被指數(shù)之一[9]，可以選用將NDVI 作為綠度指標(biāo)來衡量區(qū)域植被情況。

采用10 米多波段哨兵-2A 數(shù)據(jù)表觀反射率計算NDVI：

式中變量ρNIR和變量ρred代表不同的含義，分別為近紅外與紅光波段地表反射率。

1.4 干度指數(shù)

干度指標(biāo)通常情況下可以選定裸土指數(shù)SI，同時，應(yīng)該注意到實際環(huán)境中，該區(qū)域可能存在建筑用地，因此，兩者可以整合在一起作為地表的“干化”，那么需要對它們兩個不同特征的區(qū)域進(jìn)行合成，即由裸土指數(shù)SI 和建筑指數(shù)IBI 合成：

1.5 標(biāo)歸一化處理

通過計算可以獲得評價因子，并需要采用一定方法來統(tǒng)一這些量綱，對它們進(jìn)行歸一化處理，確保所有指標(biāo)數(shù)值范圍處于0 到1 之間，從而可以為開展生態(tài)指數(shù)計算創(chuàng)造條件[10]。歸一化的公式為：

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 環(huán)境質(zhì)量評價

本文將生態(tài)環(huán)境評價分為10 個等級：通過RESI 指數(shù)的數(shù)值分為1～10 區(qū)間。9～10 區(qū)間，確定為優(yōu)，環(huán)境質(zhì)量優(yōu)秀，綠化程度極高；值為6～8 區(qū)間，確定為良，環(huán)境質(zhì)量良好，綠化程度較高；數(shù)值為3～5 區(qū)間，確定為中等，環(huán)境質(zhì)量一般，綠化程度不高；數(shù)值為1～2 區(qū)間，環(huán)境質(zhì)量較差，綠化程度較低。根據(jù)表1 顯示，康巴什區(qū)在16-20 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的地區(qū)（1-2）從12%降低到了5%，而環(huán)境質(zhì)量中等地區(qū)（3-5）從58%增加到了65%，環(huán)境質(zhì)量等級1-3 的總面積從95km2下降到了62km2，環(huán)境質(zhì)量等級4-7 的地區(qū)總面積從202 km2增長到了238 km2。而環(huán)境質(zhì)量較高以及極高的總面并沒有太大差異，這證明康巴什區(qū)在建設(shè)初期進(jìn)行的綠化經(jīng)過4 年的成長已經(jīng)初見規(guī)模，環(huán)境得到較大的改善（如圖1）。

圖1 不同年份環(huán)境等級面積

表1 環(huán)境質(zhì)量等級表

2.2 RSEI 變化成因分析與討論（圖2）

圖2 康巴什環(huán)境質(zhì)量

研究選取了2016 年-2020 年Sentinel-2A 和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，通過RSEI 模型并采用主成分分析方法得到康巴什地區(qū)近4 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況。結(jié)果表明不同指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響具有復(fù)雜性。但是RSEI 模型依然能夠較好地模擬康巴什地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的情況。通過對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在2016-2020 年間，康巴什區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了明顯的變化，從空間角度分析，2016 年康巴什市區(qū)RESI指數(shù)并不是特別良好，生態(tài)環(huán)境優(yōu)質(zhì)地區(qū)主要集中于東部鄉(xiāng)村地區(qū)，而在2020 年，康巴什市區(qū)RESI 指數(shù)得到飛躍，甚至超過了周邊鄉(xiāng)村地區(qū)，總體來看康巴什區(qū)自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著變好的區(qū)域主要集中中部市區(qū)。由2016 年和2020 年自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)對比來看，植被覆蓋指數(shù)大大提高，這為康巴什城區(qū)建設(shè)提供了正面的肯定。而東部鄉(xiāng)村植被覆蓋度稍有下降生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢，這也是導(dǎo)致環(huán)境極高的地區(qū)面積有所下滑的主要原因，所以在進(jìn)行城區(qū)綠化建設(shè)的過程中，也不能忽視周邊鄉(xiāng)村的環(huán)境質(zhì)量，要綜合發(fā)展才能真正的改善一個地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過運(yùn)用RESI 指數(shù)和RS 技術(shù)手段，監(jiān)測了康巴什區(qū)建設(shè)過程中的環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀與動態(tài)變化情況，結(jié)果表明：

3.1 康巴什新區(qū)的建設(shè)給周邊環(huán)境帶來了極大的正面影響，這表明在有著良好的規(guī)劃下，新區(qū)的建設(shè)是有很大的積極影響的，綠色城市的建設(shè)就目前而言有著可觀的前景，不僅可以緩解大城市人口集中的現(xiàn)象，在有著規(guī)劃的條件下也對環(huán)境質(zhì)量的提升有著很大的促進(jìn)作用。

3.2 康巴什區(qū)東部的鄉(xiāng)村地帶環(huán)境質(zhì)量呈惡化趨勢，原來表現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量極好的地區(qū)有所退化。

3.3 RESI 指數(shù)在各方面都體現(xiàn)出了其極高的性能，無論是獲取的便利程度，還是體現(xiàn)環(huán)境變化的準(zhǔn)確度，都表現(xiàn)出色，RESI 的廣泛應(yīng)用將給環(huán)境檢測方面的工作帶來極大的便利。