基于RSEI的杭州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變研究

賈峻，于夢(mèng)林

(寧波市阿拉圖數(shù)字科技有限公司，浙江 寧波 315042)

1 引 言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快[1，2]，人類活動(dòng)更加頻繁，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響[3]。生態(tài)環(huán)境是人類與自然和諧共生的中介，生態(tài)環(huán)境惡化必定造成發(fā)展的不可持續(xù)與不穩(wěn)定。因此對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)、整治有利于維護(hù)山水林田湖草等自然資源的健康[4，5]，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。

生態(tài)環(huán)境意義廣泛，生態(tài)環(huán)境研究成果豐富。胡曉芬[6]等通過(guò)構(gòu)建“能值-生態(tài)足跡模型”對(duì)甘肅省西北生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全格局進(jìn)行分析，得出研究區(qū)生態(tài)壓力指數(shù)增加，安全問(wèn)題亟待解決。秦余朝[7]等基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型對(duì)安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究表明人類活動(dòng)頻繁影響到了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。張婕[8]等構(gòu)建流域生態(tài)補(bǔ)償政策效果評(píng)估模型對(duì)渭河流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明陜西省綜合績(jī)效增長(zhǎng)有積極作用，甘肅省則無(wú)明顯效果。

生態(tài)環(huán)境的影響因素眾多，評(píng)價(jià)方法各異。2013年徐秋涵[9]提出了生態(tài)遙感指數(shù)模型對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，該模型通過(guò)構(gòu)建綠度、濕度、干度、熱度四類評(píng)價(jià)因子并進(jìn)行空間疊加分析，形成對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)。本文以杭州灣為研究區(qū)域，計(jì)算杭州灣地區(qū)2000年～2020年間遙感生態(tài)指數(shù)，分析研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境時(shí)空變化情況，為杭州灣未來(lái)發(fā)展提供參考。

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)

杭州灣地區(qū)是由上海、杭州、寧波三市構(gòu)成的三角區(qū)域，覆蓋錢(qián)塘江流域入?？谖恢茫嫌泻贾轂晨绾４髽蚴沁B接三地的重要地區(qū)，如圖1所示?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲得性，本次的研究區(qū)主要包含寧波北部五縣區(qū)市，包括慈溪市、余姚市、鎮(zhèn)海區(qū)、江北區(qū)與海曙區(qū)。研究區(qū)范圍內(nèi)地形平坦，植被覆蓋程度高，近海水源充足是理想的生態(tài)環(huán)境保護(hù)地區(qū)。

圖1 杭州灣地理位置

2.2 研究方法

生態(tài)遙感指數(shù)模型的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)包括綠度、濕度、干度、熱度四個(gè)分量，通過(guò)主成分分析得出地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況。計(jì)算方法及含義如下：

(1)綠度計(jì)算：

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(1)

綠度主要由歸一化植被指數(shù)(NDVI)表征，測(cè)度地面植被覆蓋情況及植被生長(zhǎng)狀況。其中ρNIR為遙感數(shù)據(jù)的近紅外波段，ρR為紅波段。

(2)濕度計(jì)算：

WET=c1ρB+c2ρG+c3ρR+c4ρRIR+c5ρSWIR1+c6ρSWIR2

(2)

濕度表征區(qū)域地表水分含量高低，其中WET為區(qū)域濕度指標(biāo)，c1—c6為各波段對(duì)應(yīng)系數(shù)，ρB為遙感數(shù)據(jù)的藍(lán)波段，ρG為綠波段，ρSWIR1為短波紅外1，ρSWIR2為短波紅外2。由于Landsat4-5與Landsat8傳感器類型不同，因此在構(gòu)建濕度指標(biāo)時(shí)使用不同的系數(shù)，對(duì)于Landsat4-5數(shù)據(jù)的TM傳感器，濕度系數(shù)分別為 0.031 5、0.202 1、0.310 2、0.159 4、0.680 6、0.610 9，而對(duì)于Landsat8數(shù)據(jù)的OLI傳感器，濕度系數(shù)分別為 0.151 1、0.197 3、0.328 3、0.340 7、0.711 7、0.455 9。

(3)干度計(jì)算：

NDBSI=(SI+IBI)/2

(3)

(4)

(5)

NDBSI為干度指標(biāo)，由地表裸土指數(shù)SI與地表建筑指數(shù)IBI共同影響。干度表征區(qū)域地面裸露程度，當(dāng)?shù)乇碇脖桓采w度越低時(shí)或地面硬化過(guò)高時(shí)則地表干度越大。

(4)熱度計(jì)算：

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(6)

LST為熱度指標(biāo)，表征地面真實(shí)溫度，溫度反演主要根據(jù)不同傳感器而定，λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng)，ρ=1.438×10-2m·k；ε為地表比輻射率，具體計(jì)算方式依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10～13]。

2.3 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

遙感生態(tài)指數(shù)由綠度、濕度、干度與熱度構(gòu)成，其中綠度與濕度為生態(tài)環(huán)境的正向指標(biāo)，當(dāng)綠度與濕度越高時(shí)可認(rèn)為地區(qū)生態(tài)環(huán)境越好，干度與熱度為負(fù)向指標(biāo)，當(dāng)干度與熱度越高時(shí)則認(rèn)為地區(qū)生態(tài)環(huán)境越差，因此遙感生態(tài)指數(shù)的四個(gè)影響因子中正負(fù)向各有兩個(gè)，在對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需提取影響因子主要成分以減少重疊性問(wèn)題。根據(jù)RSEI模型指標(biāo)構(gòu)建要求[14，15，16]，一般采取主成分分析法，來(lái)減少多重共線性問(wèn)題。

為解決由于分量之間的量級(jí)及單位之間的差異，首先采用歸一化指數(shù)將遙感生態(tài)指數(shù)分量進(jìn)行歸一化，本文采取最大最小值方式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(7)

其中NIi為生態(tài)分量第i個(gè)單元的歸一化指，Ii為第i個(gè)單元的實(shí)際值，Imax為生態(tài)分量的最大值，Imin為生態(tài)分量的最小值。

對(duì)所有生態(tài)分量進(jìn)行歸一化后，在ENVI中采用圖層合法并將合成后的分量進(jìn)行掩膜提取，通過(guò)主成分分析法對(duì)合并圖層提取主成分。主成分分析法計(jì)算公式如下：

RSEI=(RSEI0-RSEI0_min)/(RSEI0_max-RSEI0_min)

(8)

RSEI0=1-PC1

(9)

其中PC1為主成分分析結(jié)果所得第一主成分，RSEI0_max為RSEI0的最大值，RSEI0_min為RSEI0的最小值。由遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算過(guò)程可知，指數(shù)與生態(tài)環(huán)境成正相關(guān)，當(dāng)指數(shù)越高時(shí)則生態(tài)環(huán)境越好。

(5)土地轉(zhuǎn)移矩陣

土地轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用變化定量分析方式，可直觀計(jì)算出地區(qū)在不同年份之間土地利用變化情況及土地利用變化數(shù)量[17，18]。通過(guò)分析土地利用轉(zhuǎn)移情況可對(duì)生態(tài)環(huán)境變化情況進(jìn)行一定解釋。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果

將杭州灣2000年、2010年、2020年的土地按照耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六類進(jìn)行分析，并將2000年土地地類作為基期年份分析2010年與2020年的土地利用變化情況，其中2000年、2010年、2020年土地利用覆被狀況如圖2所示。

圖2 杭州灣2000年、2010年、2020年土地利用覆被

由土地利用覆被結(jié)果顯示，杭州灣在不同年份的土地利用情況有較大的差別，尤其是在耕地與建設(shè)用地方面，代表建設(shè)用地的紅色部分?jǐn)U張明顯，而代表耕地的黃色部分則逐漸減少，在杭州灣西北地區(qū)的慈溪市與余姚市設(shè)立了前灣新區(qū)，在20年間建設(shè)用地侵占了大量耕地及臨海濕地，2000年～2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表1所示：

表1 2000年～2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(單位：公頃)

表1中列所在數(shù)據(jù)為2000年土地利用情況，行所在數(shù)據(jù)為2020年土地利用數(shù)據(jù)，由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可看出2000年～2020年間共有 77 903.39公頃非建設(shè)用地轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地，研究區(qū)總面積的19.66%，建設(shè)用地的擴(kuò)張深入至耕地生態(tài)區(qū)腹地，并在慈溪市、余姚市的四明山國(guó)家森林公園與綠野山居景區(qū)周邊開(kāi)發(fā)大量建設(shè)用地，而耕地共減少 18 164.16公頃，占研究區(qū)總面積的4.58%，耕地保護(hù)壓力重大。慈溪市與余姚市靠近海灣的濕地中有 10 624.84公頃在20年間轉(zhuǎn)變?yōu)榱朔菨竦兀堑湫偷某鞘型鈹U(kuò)造成的濕地減少情況，為合理利用和保護(hù)后備土地資源，劃定城市開(kāi)發(fā)邊界至關(guān)重要。

3.2 遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果

對(duì)杭州灣2000年、2010年、2020年遙感生態(tài)指數(shù)的分量分別進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到結(jié)果如下：

圖3 杭州灣2000年、2010年、2020年遙感生態(tài)指數(shù)分量

由遙感生態(tài)分量指標(biāo)結(jié)果可看出，2000年～2020年間，杭州灣遙感生態(tài)分量指標(biāo)變化情況較為明顯。其中綠度與濕度略有下降，而干度與熱度略有上升。隨著城市化進(jìn)程的加快，杭州灣區(qū)域內(nèi)的不透水面指數(shù)上升，導(dǎo)致生態(tài)用地面積減少，不僅是在綠度上得以反應(yīng)，且由于建設(shè)用地的擴(kuò)張，人口流動(dòng)聚集導(dǎo)致城市熱度逐漸上升，尤其是在中心城區(qū)地，熱島效應(yīng)顯著高于周邊區(qū)域。

將杭州灣2000年、2010年、2020年各分量進(jìn)行主成分分析后得到研究區(qū)范圍內(nèi)的遙感生態(tài)指數(shù)，結(jié)果如圖4所示：

圖4 杭州灣2000年、2010年、2020年遙感生態(tài)指數(shù)

將遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果按照等間隔方式分為5類，遙感生態(tài)指數(shù)在[0.0，0.2]之間為低等級(jí)，[0.2，0.4]之間為較低等級(jí)，[0.4，0.6]之間為一般等級(jí)，[0.6，0.8]之間為較高等級(jí)，[0.8，1.0]之間為高等級(jí)。按照不同區(qū)縣市進(jìn)行統(tǒng)計(jì)生態(tài)面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 杭州灣遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果

由表2杭州灣遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果表可知，2000年～2020年間遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)為低和較低的區(qū)域面積共下降了 57 757.18公頃，遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)為較高和高的區(qū)域面積共上升 81 750.78公頃，位于中間部分，等級(jí)為一般的區(qū)域面積下降了 23 993.57公頃，杭州灣整體上遙感生態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中慈溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低水平下降最多達(dá)到 21 804.55公頃，余姚市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高水平上升最多達(dá)到 35 318.89公頃。在2000年～2020年間，余姚市的生態(tài)用地逐漸向好，尤其是位于四明山國(guó)家森林公園的大面積山區(qū)林地，生態(tài)等級(jí)提升明顯，但人為活動(dòng)逐漸加強(qiáng)的慈溪市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸下降，尤其是城區(qū)工業(yè)園區(qū)處，熱度明顯聚集與提高，綠化覆蓋逐漸減少都對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)論

本文通過(guò)遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)杭州灣地區(qū)的五個(gè)縣市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用了綠度、濕度、干度、熱度四個(gè)分量指標(biāo)作為評(píng)價(jià)體系，得到杭州灣地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量結(jié)果，并對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)杭州灣2000年～2020年間土地轉(zhuǎn)移情況明顯，建設(shè)用地向非建設(shè)用地轉(zhuǎn)變了 2 450.94公頃，而非建設(shè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了 77 903.39公頃，耕地減少 67 643.41公頃，其中因建設(shè)用地轉(zhuǎn)占用的耕地達(dá) 53 873.35公頃占耕地減少總量的79.64%，大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地被建設(shè)用地侵蝕，生態(tài)用地保護(hù)壓力加大。

(2)杭州灣地區(qū)的生態(tài)環(huán)境因子在2000年～2020年間有了較為明顯的變化情況，其中綠度、濕度逐漸減少、干度、熱度逐漸增加，但由于建設(shè)用地的增長(zhǎng)較為集聚，且由于植被覆蓋度逐漸上升，因此整個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)上升的狀態(tài)，但生態(tài)分布存在明顯的差異性，位于余姚市的四明山國(guó)家森林公園生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)進(jìn)一步的上升狀況，綠化程度高，而位于慈溪市與余姚市的主城區(qū)內(nèi)，建設(shè)用地增長(zhǎng)導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，地區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)東北低而西南高的趨勢(shì)。

4.2 結(jié)論

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是評(píng)價(jià)地區(qū)生態(tài)情況的重要指標(biāo)，是人與自然相處是否和諧的表現(xiàn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)用地逐步被建設(shè)用地所侵蝕，尤其是在用地管轄不嚴(yán)格的情況下，建設(shè)用地的增長(zhǎng)更易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境下降。對(duì)城市劃定開(kāi)發(fā)邊界是控制城市無(wú)序擴(kuò)張的重要手段，因此為保護(hù)生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)久穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)，必須在一定程度上限制人類傷害自然的活動(dòng)，以達(dá)到人與自然和諧共生的狀態(tài)。