基于RSEI的大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境評價(jià)

顏 科，劉 瑞*，楊遠(yuǎn)陶

（1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

目前國內(nèi)外對于國家公園生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的相關(guān)研究已有大量，但針對大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境的研究還較少[1]。加拿大學(xué)者Fraser[2]通過景觀格局變化、凈初級生產(chǎn)力、重點(diǎn)物種分布等指標(biāo)建立一個(gè)公園生態(tài)整體觀測系統(tǒng)來監(jiān)測大范圍的國家公園生態(tài)系統(tǒng)。Yan[3]等分析了大熊貓糞便、土壤、竹子和水中的重金屬在不同海拔和緯度下的空間分布，發(fā)現(xiàn)人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對大熊貓國家公園內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響。熵理論在生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要意義。有學(xué)者利用信息熵量化來評價(jià)大熊貓國家公園內(nèi)各個(gè)縣域的生態(tài)質(zhì)量變化，發(fā)現(xiàn)大熊貓國家公園生態(tài)系統(tǒng)總熵流總體上為負(fù)，系統(tǒng)整體健康[4]。

在生態(tài)環(huán)境評價(jià)中，傳統(tǒng)的調(diào)查方式在耗費(fèi)大量人力物力的同時(shí)還得不到理想的效果，且因調(diào)查周期長，不能及時(shí)對實(shí)際情況做出反映，存在許多弊端。而遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境評價(jià)領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，如時(shí)效性高、連續(xù)性強(qiáng)、低成本等，而且對于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的空間差異尤其顯著，利于分析空間差異。將遙感技術(shù)應(yīng)用在國家公園的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測上可以高效、及時(shí)地反映國家公園的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?；谝陨媳尘?，本文針對大熊貓國家公園的現(xiàn)狀對其生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化進(jìn)行相關(guān)研究。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域?yàn)榇笮茇垏夜珗@的邛崍山-大相嶺片區(qū)，包括阿壩州、成都市、雅安市、眉山市、甘孜州的部分地區(qū)。邛崍山-大相嶺片區(qū)地形以山地為主、高山峽谷較多，地形起伏大，近年來地震頻發(fā)，地質(zhì)運(yùn)動活躍。氣候以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)榛鶐У纳降貧夂驗(yàn)橹?，年均?3.6℃，年降水量1 790 mm以上，雨熱同期、冬季溫暖干燥、夏季高溫濕潤。植被具有明顯垂直地帶性分異，從山麓向上依次為常綠闊葉林(1 500 m以下)、常綠與落葉闊葉混交林(1 500~2 100 m)、針闊混交林(2 100~2 600 m)、針葉林(2 600~3 100 m)、亞高山草甸(3 100 m以上)[5]。多樣的環(huán)境和復(fù)雜的氣候類型讓該區(qū)域成為許多珍稀動植物的棲息地，再則該區(qū)域地廣人稀，自然環(huán)境受人類影響小，所以該區(qū)域的生物具有多樣性，研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖(底圖審圖號：GS(2019)1822號)

2 研究方法及數(shù)據(jù)

一個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要由溫度、濕度、植被覆蓋度、生物物種數(shù)等因素決定。這些生態(tài)因子彼此聯(lián)系、相互促進(jìn)、相互制約，某一生態(tài)因子的變化也會導(dǎo)致其他生態(tài)因子發(fā)生變化，從而影響整個(gè)生態(tài)環(huán)境。因此本文在研究方法上選取了生態(tài)遙感指數(shù)來評價(jià)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境，遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)能綜合多種因素并能快速反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化[6]。遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)綜合了綠度、濕度、干度和溫度4個(gè)指標(biāo)來整體反映一個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，這幾個(gè)指標(biāo)都可從遙感影像上直接或間接提取。

本次研究對大熊貓國家公園的邛崍山-大相嶺片區(qū)片區(qū)2013年和2016年2個(gè)年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量做評價(jià)。本文中所使用的遙感影像下載自地理空間數(shù)據(jù)云，因研究區(qū)的Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)涉及多幅影像，所以要先將幾幅影像進(jìn)行拼接，然后利用大熊貓國家公園的矢量邊界剪切得到。

遙感成像時(shí)，由于氣溶膠、天氣狀態(tài)、衛(wèi)星飛行狀態(tài)等的影響，使得遙感影像存在一定的幾何畸變、大氣消光、輻射量失真等現(xiàn)象。這些畸變和失真現(xiàn)象影響了影像的質(zhì)量和使用，必須對其進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程包括輻射定標(biāo)、大氣輻射校正、圖像鑲嵌與裁剪幾個(gè)步驟。

3 指標(biāo)提取

3.1 綠度指標(biāo)

植物生物量、植被覆蓋度、動植物種類數(shù)量等是評價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)（NDVI）又被稱為標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，是植物生長狀態(tài)以及植被密度分布的最佳指示因子，被廣泛應(yīng)用于遙感圖像研究植被及生態(tài)環(huán)境方面。因此本文選用NDVI代表綠度指標(biāo)，其公式為：

式中，ρnir代表紅外波段的像素值；ρred代表紅光波段的像素值。

按照式（1）經(jīng)過計(jì)算后得到2013年和2016年的NDVI值圖，圖2為2013年NDVI值圖，圖3為2016年NDVI值圖。通過對比可以明顯看出2016年的植被生長狀況優(yōu)于2013年，植被覆蓋率有所上升，尤其體現(xiàn)在研究區(qū)南部的天全縣、滎經(jīng)縣、洪雅縣和東部的崇州市、大邑縣。

圖2 2013年NDVI

圖3 2016年NDVI

3.2 濕度指標(biāo)

纓帽變換是一種對數(shù)據(jù)壓縮和去冗余的技術(shù)，其綠度、濕度、亮度分量與地表物理參數(shù)有直接關(guān)系，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，濕度和植被緊密相聯(lián)[7]。本文研究中的濕度指標(biāo)采用Wet分量來表示，其計(jì)算方法如下：

式中，ρi代表相應(yīng)波段的光譜反射率。

按照式（2）通過計(jì)算后得到2013年和2016年的WET值圖，圖4為2013年WET值圖，圖5為2016年WET值圖。通過對比可以明顯看出2016年的濕度大于2013年的濕度，研究區(qū)內(nèi)的土壤和植被濕度有所下降，其中最明顯的地區(qū)在寶興縣、汶川縣。

圖4 2013年WET

圖5 2016年WET

3.3 熱度指標(biāo)

熱度指標(biāo)由地表溫度（land surface temperature，LST）來表示。反演地表溫度對城市熱島、自然災(zāi)害監(jiān)測等方面有著重要意義，利用熱紅外遙感技術(shù)反演地表溫度是獲得地表溫度的主要方式，本文采用大氣校正法進(jìn)行LST計(jì)算：

式（3）、（4）、（5）中，Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；LST為真實(shí)地表溫度；B(LST)為黑體熱輻射亮度；τ為透過率；L↑和L↓分別為大氣向上、向下輻射亮度；Landsat OLI：K1=774.89 W/(m2*μm*sr)，K2=13 21.08 k[8]。

按照式（3）、（4）、（5）通過計(jì)算后得到2013年和2016年的LST值圖，圖6為2013年LST值圖，圖7為2016年LST值圖。通過對比可以明顯看出研究區(qū)2016年的熱度大于2013年的熱度，說明研究區(qū)內(nèi)的總體地表溫度有所上升，其中主要體現(xiàn)在崇州市、大邑縣、蘆山縣、寶興縣。

圖6 2013年LST

圖7 2016年LST

3.4 干度指標(biāo)

城市化進(jìn)程的加快，使農(nóng)田、林地等土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌杆再|(zhì)的建設(shè)用地。下墊面的改變也帶來了諸多“城市病”問題，且裸露的土壤和建設(shè)用地等不透水面，會增加區(qū)域干燥程度。因此，在研究中以土壤指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI綜合得到的干度指標(biāo)NDBSI來反映干度的變化情況。

按照式（6）、（7）、（8）通過計(jì)算后得到2013年和2016年的NDBSI值圖，圖8為2013年NDBSI值圖，圖9為2016年NDBSI值圖。通過對比可以明顯看出研究區(qū)2016年的干度小于2013年的干度，研究區(qū)內(nèi)的總體地表干度小幅度下降，主要體現(xiàn)在海拔較高的理縣、小金縣、康定市干度下降。從4個(gè)分指標(biāo)來看，綠度指標(biāo)和熱度指標(biāo)在增加，濕度指標(biāo)和干度指標(biāo)在減小。由于綠度指標(biāo)對遙感生態(tài)指數(shù)的影響最大且是正相關(guān)，所以總體來說研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定提升。

圖8 2013年NDBSI

圖9 2016年NDBSI

4 綜合分析結(jié)果

4.1 時(shí)空變化特征

將綠、濕、干和熱度4個(gè)指標(biāo)組成的RSEI模型，通過主成分分析確定指標(biāo)權(quán)重，可定性定量地評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。在主成分分析之前需將4個(gè)指標(biāo)歸一化處理，使各指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成無量綱且范圍介于0~1之間的數(shù)值。進(jìn)行主成分分析后綜合計(jì)算，得到最終的遙感生態(tài)指數(shù)值。為了更好地分析研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，把位于[0,1]的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI計(jì)算結(jié)果以自然段點(diǎn)法劃分為5個(gè)等級，如圖10所示。[0,0.2）代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“差”、[0.2,0.4）代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“較差”、[0.4,0.6）代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“中等”、[0.6,0.8）代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“較好”、[0.8,1]代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“好”。

圖10 2013年遙感生態(tài)指數(shù)值圖

根據(jù)圖10、11以及表1可以明顯看出從2013—2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體水平有明顯增加，其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的部分增加了139.788 9 km2；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的部分增加了947.229 3 km2；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等的部分減少了510.018 3 km2；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的部分減少了984.518 1 km2；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的部分增加了407.518 2 km2。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級好、較好的地區(qū)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級差的地區(qū)都增加了面積，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級中等、較差的地區(qū)面積在減少，這說明研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)兩級分化現(xiàn)象。

圖11 2016年遙感生態(tài)指數(shù)值圖

表1 生態(tài)環(huán)境水平變化統(tǒng)計(jì)表

從空間上可以看出研究區(qū)內(nèi)都江堰市、崇州市、大邑縣、蘆山縣、寶興縣中南部、天全縣、滎經(jīng)縣、洪雅縣這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了提升。理縣和汶川縣交界處、小金縣和寶興縣交界處、康定市和寶興縣交界處這幾個(gè)地方的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了下降。汶川縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量基本不變。

4.2 成因分析

研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到綠度、濕度、干度和溫度4個(gè)指標(biāo)的共同影響，在主成分分析確定權(quán)重過程中，綠度的權(quán)重最高，對最終的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響也是最大的。2013—2016年研究區(qū)的NDVI值上升了，使得生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量有所提高。在生態(tài)文明建設(shè)的政策影響下，各地區(qū)都更加重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。根據(jù)2013—2016年四川省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)，這4 a期間，四川省的森林覆蓋率分別是35.5%、35.75%、36.02%和36.88%，森林覆蓋率提高了1.38%，促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升。

5 不足與展望

本研究亦有不足之處：文中使用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為Landsat系列，分辨率僅為30 m。所以在評價(jià)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化時(shí)，未能夠達(dá)到更加精細(xì)化的探討；文中所建立的模型只能評價(jià)當(dāng)時(shí)的情況，要想建立一個(gè)能夠預(yù)測今后發(fā)展的模型，需要考慮4個(gè)指標(biāo)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性變化以及區(qū)域內(nèi)地表的覆被變化趨勢；通過研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化跟地表土地利用情況變化較高關(guān)聯(lián)度，因此今后的研究可以從更高分辨率的數(shù)據(jù)源，以及考慮更加精準(zhǔn)的城市結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢與土地利用信息等方面入手。希望在后續(xù)的研究中能夠?qū)SEI方法做出一些改進(jìn)來適應(yīng)不同的研究區(qū)域。

根據(jù)目前的研究結(jié)果對大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出一些建議：①加快生態(tài)廊道建設(shè)，生態(tài)廊道能有效地增加棲息地斑塊間的大熊貓種群交流，降低種群滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。②在后續(xù)的研究中還可以建立動植物基因庫，將國家公園內(nèi)采集的野生動植物基因儲存起來，以此保護(hù)生物的多樣性。③建立國家公園內(nèi)外入侵物種防御體系。