基于遙感生態(tài)指數(shù)的宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境變化研究

羅瑪詩(shī)藝，陶 榮*，張城芳，陳興芳

（1. 湖北省空間規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430071；2. 武漢華夏理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430223；3. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；4. 華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

自然生態(tài)系統(tǒng)是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著大量以城鎮(zhèn)化為主的人類(lèi)活動(dòng)的增加，土地利用情況發(fā)生了很大的變化，對(duì)各種尺度上的生態(tài)系統(tǒng)均造成了嚴(yán)重?cái)_動(dòng)。因此，有效評(píng)價(jià)某地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境狀況的時(shí)空變化，一方面符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)際需求，另一方面將為區(qū)域規(guī)劃人員進(jìn)行國(guó)土空間規(guī)劃提供參考。

目前，遙感技術(shù)以其方便、快捷和客觀等優(yōu)勢(shì)，成為生態(tài)環(huán)境研究中不可或缺的一部分。遙感技術(shù)運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究可分為3 類(lèi)：①基于遙感獲取的單個(gè)指標(biāo)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方法，如根據(jù)遙感解譯獲取的土地利用/覆被的分布特征和變化趨勢(shì)分析生態(tài)環(huán)境變化[1]，土地利用/覆被變化雖可作為生態(tài)環(huán)境變化的一個(gè)方面，但生態(tài)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的整體，單一的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)不能反映生態(tài)環(huán)境全面且真實(shí)的變化情況；②運(yùn)用不同指數(shù)所構(gòu)建的指標(biāo)體系綜合反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化情況，如國(guó)家頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》則利用遙感反演獲取的生物豐度指標(biāo)、植被覆蓋指標(biāo)、水網(wǎng)密度指標(biāo)、土地脅迫指標(biāo)和污染負(fù)荷指標(biāo)等來(lái)綜合反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況[2]，但各指標(biāo)在體系中的權(quán)重是人為賦予的，因此其結(jié)果存在不合理性；③基于遙感信息的空間化，從遙感影像中直接獲取與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)的指數(shù)，從而減少對(duì)指標(biāo)權(quán)重的人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境變化的可視化，如對(duì)于長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究，肖瑛[3]選取了植被覆蓋度、土壤含水量、地形3 個(gè)生態(tài)環(huán)境要素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，徐涵秋[4]采用RSEI評(píng)價(jià)了一個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，該體系中主要包括綠度指標(biāo)、濕度指標(biāo)、干度指標(biāo)和熱度指標(biāo)。

宜昌市作為長(zhǎng)江流域的重要節(jié)點(diǎn)城市，其生態(tài)環(huán)境關(guān)乎長(zhǎng)江整體流域的發(fā)展。在全球氣候變暖的背景下，當(dāng)?shù)剡^(guò)度挖掘資源和毀林開(kāi)荒等活動(dòng)使得當(dāng)?shù)氐乃亮魇Ш退|(zhì)污染等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。本文采用RSEI 對(duì)宜昌市西陵區(qū)、點(diǎn)軍區(qū)、猇亭區(qū)、夷陵區(qū)和伍家崗區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)宜昌市區(qū)）的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并分析了該區(qū)域RSEI 的時(shí)間變化情況和空間分布情況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的研究對(duì)象是宜昌市區(qū)，位于湖北省西南部。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫為16.9℃，年均降水量為992.1~1 404.1 mm，植被類(lèi)型以常綠闊葉落葉林為主；地形西北高、東南低，西北部為高山植被覆蓋區(qū)，東南部丘陵平原相間分布。研究區(qū)全域林業(yè)和耕地面積占比較大，中南部城市建設(shè)用地占比較高，建成區(qū)已達(dá)170 km2。社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面以電力、化工、食品醫(yī)藥、裝配制造為四大支柱產(chǎn)業(yè)，2018年5個(gè)市轄區(qū)所創(chuàng)造的生產(chǎn)總值占宜昌全市生產(chǎn)總值的36.8%[5]，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文以L(fǎng)andsat8 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，為保證影像能最大限度地觀測(cè)到綠度信息，影像獲取時(shí)間盡量處于該區(qū)域主要植被的生長(zhǎng)期；同時(shí)為避免時(shí)間/季節(jié)變化效應(yīng)引起不同光譜的響應(yīng)問(wèn)題，不同年份的多期影像盡量保證在一年中相近的時(shí)間段內(nèi)，使植被具有相近的物候和生長(zhǎng)狀態(tài)。宜昌市夏季多云多雨，因此大量5—10月的Landsat8影像數(shù)據(jù)云量較大，不能滿(mǎn)足應(yīng)用條件，最終只有2013年8月、2015年8月和2019年10月3期影像能滿(mǎn)足云量較少的條件，影像詳細(xì)信息如表1 所示。Landsat8 影像數(shù)據(jù)均從美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）官網(wǎng)（https://earthexplorer.usgs.gov）下載。

表1 影像數(shù)據(jù)詳細(xì)參數(shù)

基于ENVI 軟件，結(jié)合LaSRC 2.0，本文對(duì)Landsat OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，采用云量最小的策略，無(wú)縫鑲嵌遙感影像；并通過(guò)影像裁剪生產(chǎn)特定區(qū)域的可用于地表參數(shù)反演的影像數(shù)據(jù)，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理路線(xiàn)圖

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取與反演

本文借助徐涵秋等學(xué)者提出的RSEI 去評(píng)價(jià)宜昌市區(qū)的生態(tài)環(huán)境。RSEI由綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)的指標(biāo)耦合而成。4 個(gè)指標(biāo)可直接從遙感影像中獲取，可綜合反映某一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況[6]。

綠度指標(biāo)是表示研究區(qū)內(nèi)植被狀況的一個(gè)綜合感知指標(biāo)。本文選取歸一化植被指數(shù)（NDVI）來(lái)表示綠度。

式中 ，ρNIR和 ρRed為L(zhǎng)andsat8 OLI 影像近紅外波段和紅光波段經(jīng)大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)。

濕度指標(biāo)反映的是水體、土壤和植被的含水量情況[7]。本文采用Landsat8 OLI傳感器所獲影像的纓帽變換的濕度分量——地表濕度（LSM）表示濕度指標(biāo)。詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

式中， ρBlue、 ρGreen、 ρRed、 ρNIR、 ρSWIR1、 ρSWIR2分別為L(zhǎng)andsat8 OLI 影像藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1 和短波紅外2 六個(gè)波段經(jīng)大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)。

熱度指標(biāo)反映地表熱量的分布情況，可采用從熱紅外影像中獲取的地表溫度（LST）來(lái)表示。本文利用Jiménez-Munoz J C[9]等提出的單通道算法來(lái)反演LST，即

式中， Lsen為衛(wèi)星傳感器測(cè)得的輻射強(qiáng)度，單位為W/m2/sr/μm；Tsen為亮溫；γ、δ 為基于普朗克函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)，其中對(duì)于TIRS 10波段而言bγ為1 324；ε 為地表比輻射率，具體數(shù)字見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]；ψ1、ψ1和ψ1是3個(gè)大氣水含量的函數(shù)，具體函數(shù)表達(dá)和推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]。

Lsen可通過(guò)輻射校正將影像的亮度值（DN）轉(zhuǎn)換為大氣頂部的光譜輻射值，即

式中， ML為波段 λ 的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)；AL為波段λ的調(diào)整偏移量，這兩個(gè)值均能從影像的元數(shù)據(jù)文件（MTL文件）中獲取。

Tsen可根據(jù)黑體輻射能量的分布定律將輻射能量轉(zhuǎn)換為亮溫，即

式中，對(duì)于TIRS 10波段而言，K1和K2是熱紅外波段的定標(biāo)常數(shù)，分別為774.89 W/m2/sr/μm和1 321.08 K。

干度指標(biāo)反映的是裸土、人工建設(shè)的道路、建筑等不透水面造成的地表“干化”情況，能在一定程度上反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況的影響，一般由反映裸土（SI）和不透水面（IBI）[11]的指數(shù)綜合而成。本文參照參考文獻(xiàn)[12]，采用一個(gè)綜合植被指數(shù)NDBSI來(lái)估算。針對(duì)Landsat8影像，其計(jì)算方法為：

式中 ，ρGreen、 ρRed、 ρNIR、 ρSWIR1、 ρSWIR2分別為L(zhǎng)andsat8 OLI影像綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2五個(gè)波段經(jīng)大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)。

2.2 RSEI的計(jì)算

由于宜昌市區(qū)內(nèi)存在長(zhǎng)江、西北口水庫(kù)等大面積水體，為避免大片水域影響主成分變換的荷載分布，使?jié)穸戎笜?biāo)能更準(zhǔn)確地反映土壤和植被的含水量信息，在計(jì)算RSEI 前，本文采用MNDWI 指數(shù)[13]來(lái)提取水體面積，用于掩膜水體信息。其計(jì)算方式為：

式中， ρGreen、 ρMIR分別為影像數(shù)據(jù)中綠、中紅外波段經(jīng)大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)。

RSEI 由綠度、濕度、干度、熱度4 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。為了消除各分量指標(biāo)量綱和數(shù)值范圍的不同，在執(zhí)行主成分分析前，本文對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，即

式中，NI 為歸一化后的指標(biāo)值； I 為指標(biāo)的數(shù)值；Imax和Imin分別為指標(biāo)的最大值和最小值。

將4個(gè)歸一化后的指標(biāo)借助ENVI軟件融合為一個(gè)圖像，并進(jìn)行主成分分析；再根據(jù)各主成分對(duì)其不同的貢獻(xiàn)率，保留貢獻(xiàn)率最大的主成分。由于第一個(gè)成分（PC1）可解釋超過(guò)80%的RSEI，集中了4個(gè)指標(biāo)的大部分特征，可選擇PCA的PC1來(lái)表示RSEI，即

其中用1 減去PC1是為了使大的數(shù)值可以代表好的生態(tài)狀況。

為了比較不同時(shí)期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況，將實(shí)際的RSEI值進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化為0~1的范圍，即

RSEI值越高代表生態(tài)環(huán)境越好。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 RSEI評(píng)價(jià)模型檢驗(yàn)

本文通過(guò)4個(gè)分量指標(biāo)和RSEI指數(shù)的相關(guān)性以及分量指標(biāo)相互之間的相關(guān)性來(lái)檢驗(yàn)RSEI 的可行性與綜合代表程度。由表2 可知，在4 個(gè)分量指標(biāo)中，干度指標(biāo)的平均相關(guān)度最高，其均值為0.775 5，綠度、熱度和濕度指標(biāo)的3期平均相關(guān)度均值分別為0.679 5、0.575 0和0.650 1；3期RSEI對(duì)各指標(biāo)的平均相關(guān)度均值為0.731，而4 個(gè)分量指標(biāo)的平均相關(guān)度僅為0.67，表明RSEI 指數(shù)相對(duì)于單一指標(biāo)來(lái)說(shuō)更具代表性，能從整體上評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量；從各指標(biāo)分量與RSEI的相關(guān)性來(lái)看，干度與熱度指標(biāo)對(duì)RSEI 的貢獻(xiàn)為負(fù)值，綠度與濕度指標(biāo)對(duì)RSEI 的貢獻(xiàn)為正值，表明干度與熱度指標(biāo)對(duì)城市生態(tài)環(huán)境起消極作用，而綠度與濕度指標(biāo)的提高可以更好地促進(jìn)城市生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化。

表2 RSEI與各指標(biāo)的相關(guān)性分析

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)

宜昌市區(qū)2013—2019 年RSEI 和4 個(gè)分量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，2013年、2015年和2019年的RSEI 均值分別為0.633、0.620 和0.529，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈逐漸下降趨勢(shì)，整體降幅達(dá)到16.4%。從空間分布特征來(lái)看（圖2），宜昌市區(qū)西部山地地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量明顯高于東南部的平原地區(qū)，西部的夷陵區(qū)與點(diǎn)軍區(qū)由于植被覆蓋度較好，人口壓力和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)力度較小，大部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略高于其他三區(qū)。生態(tài)質(zhì)量較差的地區(qū)主要集中在東南沿江地區(qū)以及黃泊河流域附近。結(jié)合2011—2030年宜昌市中心城區(qū)空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃圖（圖3）發(fā)現(xiàn)，宜昌市規(guī)劃發(fā)展呈現(xiàn)沿江沿河向南部發(fā)展的特點(diǎn)，規(guī)劃了伍家崗組團(tuán)和白洋組團(tuán)等多個(gè)建設(shè)集聚區(qū)。隨著多個(gè)工業(yè)加工園和產(chǎn)業(yè)園相繼建成投入使用，一方面對(duì)耕地和林地等生態(tài)用地有較大地破壞，另一方面工業(yè)園與產(chǎn)業(yè)園所產(chǎn)生的工業(yè)廢物難以進(jìn)入生態(tài)循環(huán)，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了較大影響。

圖3 2011—2030年宜昌市中心城區(qū)空間結(jié)構(gòu)圖注：來(lái)源于中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院。

表3 各指標(biāo)均值分析

圖2 宜昌市區(qū)2013—2019年RSEI區(qū)域分布圖

從4個(gè)分量指標(biāo)來(lái)看，與RSEI呈正相關(guān)的濕度與綠度指標(biāo)呈先升后降的趨勢(shì)，整體降幅分別為2.8%和1.5%；而對(duì)RSEI 的貢獻(xiàn)為負(fù)的干度與熱度指標(biāo)均呈上升趨勢(shì)，增幅分別為12.5%和2.7%，表明宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境的下降與植被、土壤和植被含水量的減少、地表熱量和不透水面的增加有關(guān)系。植被的減少和城市不透水面的增加在一定程度上導(dǎo)致了宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降。

3.3 生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化分析

根據(jù)徐涵秋[6]提出的分級(jí)研究方法，本文以0.2為分級(jí)間隔，將RSEI分為[0 0.2]、[0.2 0.4]、[0.4 0.6]、[0.6 0.8]、[0.8 1]五個(gè)等級(jí)，分別借鑒等級(jí)差值運(yùn)算和土地利用變化研究的轉(zhuǎn)移矩陣法，探究了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的詳細(xì)變化情況。2013—2015 年RSEI 等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣如表4所示，可以看出，第四等級(jí)和第三等級(jí)存在明顯的轉(zhuǎn)出，第一等級(jí)和第五等級(jí)轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出不明顯；經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，2013—2015年生態(tài)環(huán)境等級(jí)為第三等級(jí)地區(qū)的面積通過(guò)轉(zhuǎn)化增加了120.212 km2，其原因是部分第四等級(jí)地區(qū)轉(zhuǎn)化為第三等級(jí)，第四等級(jí)地區(qū)的面積減少了190.282 km2；對(duì)角線(xiàn)上的值表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不變，對(duì)角線(xiàn)上方區(qū)域?yàn)楦叩燃?jí)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為低等級(jí)指標(biāo)，表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，而下方區(qū)域?yàn)榈偷燃?jí)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為高等級(jí)指標(biāo)，表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高，對(duì)角線(xiàn)上方的面積為377.583 km2，指標(biāo)下降面積占變化值的71.3%，因此2013—2015年宜昌市生態(tài)質(zhì)量變差區(qū)域大于變好區(qū)域。

表4 2013—2015年RSEI等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣/km2

本文將 2015 年的 RSEI 值減去 2013 年的 RSEI 值，得差值為正、零、負(fù)分別代表生態(tài)環(huán)境變好、不變和變差。由圖4 可知，2013—2015 年大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量沒(méi)有大的變化；生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域主要在西北口水庫(kù)地區(qū)，查閱2015 年宜昌市的氣象資料可知，宜昌市區(qū)經(jīng)歷了大面積降雨，西北口水庫(kù)庫(kù)容增加，為水庫(kù)周?chē)值睾筒莸氐幕謴?fù)提供了充足的水源，因此該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所轉(zhuǎn)變；生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域主要集中在點(diǎn)軍區(qū)的中部、夷陵區(qū)的西南部以及黃泊河流域附近，且呈點(diǎn)狀分布，這是由于宜昌市區(qū)在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)，對(duì)局部地區(qū)過(guò)度開(kāi)發(fā)，使得當(dāng)?shù)氐脑忌鷳B(tài)環(huán)境發(fā)生破壞所致。

圖4 2013—2015年等級(jí)變化圖

2015—2019年RSEI等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣如表5所示，可以看出，第二等級(jí)與第三等級(jí)地區(qū)的面積有所增加，其增加面積分別為387.175 km2和1 392.179 km2，第二等級(jí)地區(qū)面積增加的原因主要是第三等級(jí)和第四等級(jí)不斷轉(zhuǎn)化為第二等級(jí)；而第四等級(jí)地區(qū)的面積減少了1 758.7 km2，其原因是大部分第四等級(jí)轉(zhuǎn)化為第三等級(jí)和第二等級(jí)。

表5 2015—2019年RSEI等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣/km2

由2015—2019 年的等級(jí)變化圖（圖5）來(lái)看，區(qū)域生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域大面積增長(zhǎng)，變差區(qū)域主要集中在北部與中部地區(qū)，且呈局部地區(qū)集中分布的特點(diǎn)；北部地區(qū)土地覆蓋原為森林草地，但由于人們的大肆開(kāi)發(fā)，土地覆蓋發(fā)生明顯變化，生態(tài)環(huán)境變化較為明顯，同時(shí)由于2019 年的影像獲取時(shí)期為10 月，一方面該地區(qū)的植被處于凋落期，相對(duì)的綠度指標(biāo)有所降低，另一方面該時(shí)期亞熱帶地區(qū)降水相對(duì)減少，使得干度指標(biāo)有所增加，使得RSEI值有所下降。

圖5 2015—2019年等級(jí)變化圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于 2013 年、2015 年和 2019 年 3 期遙感數(shù)據(jù)，反演獲取了干度、熱度、濕度和綠度4 個(gè)指標(biāo)，通過(guò)主成分分析法構(gòu)建了RSEI；并結(jié)合差值運(yùn)算和等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣研究方法，全面分析了宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化情況，為宜昌市城市發(fā)展與規(guī)劃提供了有效的依據(jù)。

1）濕度、綠度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)所構(gòu)成的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系比單一指標(biāo)更能反映生態(tài)環(huán)境的變化。從單一指標(biāo)與RSEI 的相關(guān)性來(lái)看，綠度與濕度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)為正，而干度與熱度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)為負(fù)。

2）由3期遙感指數(shù)的均值來(lái)看，宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降態(tài)勢(shì)。從時(shí)間跨度來(lái)看，2013年、2015年和2019 年宜昌市區(qū)RSEI 均值分別為0.633、0.620 和0.529，表明2013—2019 年宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在逐漸變差。從空間跨度來(lái)看，東南方向整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，而西北方向的RSEI 指數(shù)相對(duì)其他地區(qū)較高。

3）在RSEI 等級(jí)變化研究中，以中等等級(jí)和較好等級(jí)變化最為明顯，且在轉(zhuǎn)化中，等級(jí)下降比例明顯高于等級(jí)上升比例，這也表明宜昌市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降態(tài)勢(shì)。