基于多時相遙感生態(tài)指數(shù)的大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估

黃錦彥，孫天成，馬梓程，羅敏玄，賈鳳鳴，張 倩

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410000； 2.湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430000）

區(qū)域生態(tài)環(huán)境保持良好狀態(tài)是地方社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)化的同時帶來的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)影響到社會發(fā)展和居民生活質(zhì)量[1-2]。對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測評估并了解其變化情況，有利于協(xié)調(diào)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理之間的相互關(guān)系，是促進(jìn)人類社會與自然環(huán)境和諧共處，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本條件[3]。

近年來遙感技術(shù)憑借其大范圍、長時序和全天候?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境的優(yōu)勢被越來越多地應(yīng)用于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價。目前，主要采用TM、SPOT等中分遙感影像對區(qū)域植被覆蓋度、地表沉陷、植被破壞、熱環(huán)境影響、植被生產(chǎn)力等單一生態(tài)要素進(jìn)行監(jiān)測[4-5]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用綜合指數(shù)評價法[6]、PSR模型[7]、主成分分析法[8]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]等建立生態(tài)環(huán)境評價模型或指標(biāo)體系對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價。2006年環(huán)境保護(hù)部提出采用基于遙感的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI[10]作為生態(tài)環(huán)境狀況的評價標(biāo)準(zhǔn)，近年來在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但EI只是一個數(shù)值，無法可視化，無法說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布情況。2013年，徐涵秋[11]選取了4個完全基于遙感的指標(biāo)（NDVI、WET、NDBSI、LST），基于主成分分析法構(gòu)建了一種新型的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，該指數(shù)具有可視性，能在一定程度上反映所研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的空間分布特征，，相較于EI能更好的分析生態(tài)環(huán)境的時空變化狀況，因此被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價。

大悟縣地處大別山脈西南段，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化與工業(yè)化促使部分區(qū)域植被破壞、土地退化、水資源污染、生物多樣性銳減等，對生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞。故本文以大悟縣為研究區(qū)，基于2010、2020年Landsat系列遙感影像，采用主成分分析法，結(jié)合綠度、干度、濕度、熱度4個分量指標(biāo)，建立遙感生態(tài)指數(shù)RESI，對大悟縣2010—2020年的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價和分析，以期為大悟縣后續(xù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策及資源開發(fā)利用計(jì)劃的制定提供科學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大悟縣隸屬于湖北省孝感市，地處湖北省東北部鄂豫邊界（圖1）、大別山脈西南段，南北長48.8 km，東西寬42.2 km，全縣國土面積1 986 km2。大悟縣地處大別山與桐柏山的相接地帶，主要為大別山的余脈延伸，構(gòu)成群山環(huán)抱、丘陵起伏的地勢。境內(nèi)分布有五大主峰，余下的低山丘陵、崗地平畈以及河流海拔高度在44～500 m。由于溝壑縱橫，形成了澴河、灄水和竹竿河3條主要河流，地跨長江、淮河兩大流域。研究區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，呈現(xiàn)冬季干冷，夏季濕熱的氣候特征。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文的遙感影像來自于美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站（https：//glovis.usgs.gov/），云量均低于5%，整體質(zhì)量較好，獲取日期分別為2010年8月11日（Landsat 7 ETM影像數(shù)據(jù)），2020年8月21日（Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)），獲取的影像時相保持一致，避免出現(xiàn)不可比性。由于地表反射率、地表干濕度及植被生長狀態(tài)等都會受光照、地形和大氣等因素的影響，因此為了保證影像空間疊加的準(zhǔn)確性，在計(jì)算各分指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)之前，基于ENVI5.3平臺，首先對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將影像的DN值轉(zhuǎn)化為反射率，利用FLAASH大氣校正模型對可見光及近紅外波段等進(jìn)行處理，消除大氣吸收和大氣散射造成的誤差；結(jié)合大悟縣DEM數(shù)據(jù)，采用二次多項(xiàng)式和最鄰近法對兩景影像進(jìn)行幾何校正，最后利用大悟縣行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)裁剪出研究區(qū)經(jīng)過輻射校正等處理的2010年、2020年影像。

1.3 遙感生態(tài)指數(shù)的計(jì)算

遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）基于遙感技術(shù)、能直觀快速地評價生態(tài)環(huán)境狀況，是一種以自然因子為主的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系[12]。改進(jìn)的RESI指數(shù)是利用濕度、干度、綠度、熱度4個指標(biāo)，結(jié)合遙感技術(shù)來評價生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量情況。研究中，4個分量指標(biāo)分別為濕度分量（WET）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、裸土指數(shù)（NDBSI）和地表溫度（LST）。通過對各個分量指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來消除量綱差異，并利用主成分分析法（PCA）確定指標(biāo)權(quán)重等手段，建立大悟縣遙感生態(tài)指數(shù)評價模型。RSEI遙感生態(tài)指數(shù)可以用含有4個分量指標(biāo)的函數(shù)表示：

RSEI=f（WET，NDVI，NDBSI，LST）

（1）

式中，WET為濕度指數(shù)；NDVI為綠度指數(shù)；LST為熱度指數(shù)；NDBSI為干度指數(shù)。

1.3.1 綠度指數(shù)

植被是指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最敏感因子，其長勢能反映部分生態(tài)環(huán)境狀況[13]。NDVI能反映植物植被分布密度、植物生長狀態(tài)等。因此使用歸一化植被指數(shù)來表示綠度指數(shù)，其公式如下：

NDVI=（bNIR-bRED）/（bNIR+bRED）

（2）

式中，bNIR、bRED分別為I近紅外和紅波段的反射率。

1.3.2 濕度指數(shù)

使用纓帽變換可以獲取遙感影像的正亮度、綠度和濕度分量。由于纓帽變換中的濕度分量與植被和土壤的濕度緊密相關(guān)，因此在RSEI模型中，使用纓帽變換中的WET來代表濕度指標(biāo)[14]，公式如下：

WET=C1bB+C2bG+C3bR+C4bNIR+C5bSWIR1+C6bSWIR2

（3）

式中，bB、bG、bR、bNIR、bSWIR1、bSWIR2分別為Landsat 7或Landsat 8遙感影像的藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的反射率。對于Landsat 7 數(shù)據(jù)，C1=0.031 5，C2=0.202 1，C3=0.310 2，C4=0.159 4，C5=-0.680 6，C6=-0.610 9；對于Landsat 8數(shù)據(jù)，C1=0.151 1，C2=0.197 3，C3=0.328 3，C4=0.340 7，C5=-0.711 7，C6=-0.455 9[11]。

1.3.3 干度指數(shù)

地表土壤干化一般使用裸土指數(shù)SI代替，但在研究區(qū)域中，還存在相當(dāng)一部分的建筑用地，它們同樣會造成地表的“干化”，因此使用裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBIIBI合成的干度指標(biāo)NDSI來表示干度指標(biāo)由裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI合成，記為NDBSI[15-16]，計(jì)算公式如下：

NDBSI=（SI+IBI）/2

（4）

（5）

SI=[（bSWIR1+bR）-（bBIR+bR）]/[（bSWIR1+bR）+（bBIR+bR）]

（6）

式中，bB、bG、bR、bNIR、bSWIR1分別為Landsat 7或Landsat 8遙感影像的藍(lán)光、綠光、紅光、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

1.3.4 熱度指數(shù)

LST與作物產(chǎn)量、城市化進(jìn)展、人類活動、植被覆蓋等密切相關(guān)，能反映地表生態(tài)環(huán)境狀況，故使用地表溫度代替熱度指標(biāo)進(jìn)行遙感生態(tài)指數(shù)的構(gòu)建。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式（輻射傳輸方程）為：

（7）

（8）

根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表溫度：

（9）

式中，A1和A2為定標(biāo)系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[17]的計(jì)算地表比輻射率，地面比輻射率ε與NDVI的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：

（10）

1.3.5 遙感生態(tài)指數(shù)評價模型的構(gòu)建

由于干度、濕度、綠度、熱度指數(shù)在數(shù)值單位大小上的差異，在構(gòu)建RESI進(jìn)行綜合性生態(tài)環(huán)境評價，需對各分量標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱上的差異，公式如下：

N=（R-Rmin）/（Rmax-Rmin）

（11）

式中，N為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；R為該指標(biāo)數(shù)值的大小；Rmin和Rmax分別為各指標(biāo)中的最小值和最大值。

對各分量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，利用主成分分析法求出各主成分的方差貢獻(xiàn)率，然后作為各分量指標(biāo)的權(quán)重，將4個分量指標(biāo)轉(zhuǎn)換為原始的遙感生態(tài)指數(shù)[18-20]，提取公式如下：

（12）

式中，a、b分別為主成分和分量指標(biāo)的個數(shù)；ki為主成分的方法貢獻(xiàn)度；PCi為各分量指標(biāo)的主成分；Mj為分量指標(biāo)的權(quán)重；Rj為分量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。

利用公式（11）將原始的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，值越接近1，說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。按照《生態(tài)環(huán)境評價技術(shù)規(guī)范》生態(tài)環(huán)境分級標(biāo)準(zhǔn)[21-23]，將遙感生態(tài)指數(shù)劃分為5個等級，見表1。

表1 遙感生態(tài)指數(shù)等級劃分Tab.1 Classification of remote sensing ecological index

2 結(jié)果與分析

2.1 分量指標(biāo)主成分分析

對標(biāo)準(zhǔn)化后的大悟縣2010年及2020年的4個分量指標(biāo)進(jìn)行波段合成，然后對合成后的新圖像進(jìn)行主成分分析，得到各分量的主成分變換結(jié)果。對結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)可以知道，2010年、2020年第一主成分特征值貢獻(xiàn)度分別為93.43%、92.33%（均超過85%），這表明第一主成分特征值可以表征其他指標(biāo)的主要。在第一主成分中，綠度與濕度值呈正值、熱度與干度呈負(fù)值，這表明濕度與綠度對生態(tài)環(huán)境有保護(hù)改善作用、熱度與干度對生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面的影響。以方差貢獻(xiàn)率作為各分量指標(biāo)權(quán)重合成遙感生態(tài)指數(shù)RSEI綜合評價模型，可以發(fā)現(xiàn)其他主成分各指標(biāo)沒有明顯的變化規(guī)律，其數(shù)值大小正負(fù)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能揭示生態(tài)環(huán)境狀況改變的內(nèi)在原因。因此，利用合成的第一主成分來代替綠度、濕度、干度和熱度4個分量指標(biāo)，即采用第1主成分貢獻(xiàn)率構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)RSEI。

2.2 大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空分布

對第一主體成分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建生態(tài)指數(shù)RSEI（圖2），并分析統(tǒng)計(jì)了大悟縣2010年、2020年的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI均值。由圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以知道，大悟縣2010年、2020年RSEI均值分別為0.70、0.68，呈下降趨勢，表示該地區(qū)生態(tài)環(huán)境在10年內(nèi)呈現(xiàn)略微惡化的趨勢。從空間分布看，2010年大悟縣生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域主要分布在南部及西部，生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域主要在中部偏東部及北部部分區(qū)域；2020年大悟縣生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域主要分布在西南部及西北部，生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域分布在中部部分地區(qū)及東北部。

圖2 2010年、2020年大悟縣RSEI分布Fig.2 Distribution of RSEI in Dawu County in 2010 and 2020

將大悟縣的RSEI指數(shù)按照《生態(tài)環(huán)境評價技術(shù)規(guī)范》生態(tài)環(huán)境分級標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個等級，并統(tǒng)計(jì)其各評價等級所占面積及百分比（表2）。從表2中可以知道，整體來看，大悟縣2010—2020年遙感生態(tài)指數(shù)評級為良的面積占比極高（>90%），其次為一般，面積占比最少的為較差等級。從年份來看，評級為良的在2010年面積為1 901.679 km2，占比為95.849%、在2020年面積為1 863.316 km2，占比為93.91%，呈下降的趨勢；評級為優(yōu)的在2010年面積為39.411 km2，占比為1.986%、在2020年面積為44.580 km2，占比為2.247%，呈略微上升的趨勢。評級為一般的在2010年面積為42.899 km2，占比為2.162%、在2020年面積為76.096 km2，占比為3.835%，呈上升的趨勢；評級為差及較差的在2010年與2020年面積及占比基本相同。

表2 2010年與2020年大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價等級面積統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of ecological environment quality assessment grades and areas in Dawu County in 2010 and 2020

整體上看，研究區(qū)沒有明顯生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級差與較差的區(qū)域，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級中和良的地區(qū)主要分布在城鎮(zhèn)周邊及交通運(yùn)輸區(qū)域，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級優(yōu)的地區(qū)主要分布在南部及西部，即芳畈鎮(zhèn)、夏店鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)南部等，這可能是由于這些區(qū)域主要為林地，植被密度高、植被長勢好。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域主要分布在中部偏東部及北部部分區(qū)域，較為集中，主要分布在建設(shè)用地，交通運(yùn)輸用地等，這可能是這些地區(qū)的不透水面較多，植被覆蓋率低造成的。從時間上看，大悟縣在2020年較2010年遙感生態(tài)指數(shù)RESI均值呈現(xiàn)下降的趨勢，表明大悟縣生態(tài)環(huán)境呈略微惡化趨勢。根據(jù)《大悟縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報》，全縣生產(chǎn)總值由2010年的683 789萬元躍升至2020年的1 713 407萬元，人均可支配收入由12 541元增加至31 014元。人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動促使植被破壞，土壤退化，導(dǎo)致大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降。

2.3 大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析

在遙感生態(tài)指數(shù)分級的基礎(chǔ)上，對各年份的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行差值變化監(jiān)測，進(jìn)而分析大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化，分類級別見表3。由結(jié)果可以知道，從時間上看：2010—2020年間生態(tài)等級變差的面積為64.192 km2，占總面積比例為3.235%；生態(tài)等級不變的面積為1 827.677 km2，占比為92.119%；生態(tài)等級變好的面積為92.165 km2，占比為4.645%。在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域，有64.134 km2的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變差2個等級，占絕大多數(shù)。在生態(tài)環(huán)境變好區(qū)域，等級變好1個等級占絕大多數(shù)，面積為92.075 km2。

表3 2010—2020年間RSEI等級變化檢測Tab.3 Change detection of RSEI grade from 2010 to 2020

從圖3可以知道，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域主要分布在大悟縣的宣化店鎮(zhèn)東北部，豐店鎮(zhèn)中南部等地區(qū)，可能是由于耕地及園地對林草地的轉(zhuǎn)變。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要分布在彭店鄉(xiāng)、芳畈鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、宣化店鎮(zhèn)西部等區(qū)域?！洞笪蚩h礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理和生態(tài)修復(fù)規(guī)劃（2021—2025年）》報告顯示，以飾面石材、建筑用石料為主的礦產(chǎn)開發(fā)已成為大悟縣重要的經(jīng)濟(jì)組成部分，在創(chuàng)造了巨大價值的同時，也造成了諸多環(huán)境地質(zhì)問題，全縣礦山占用破壞土地總面積為314.02 hm2，且無論是地下開采還是露天開采，均影響了全縣的地下水系統(tǒng)，并導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患的出現(xiàn)。因礦業(yè)開采活動占用土地及含水層破壞較多的幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括芳畈鎮(zhèn)、宣化鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、彭店鄉(xiāng)等，這一狀況與大悟縣生態(tài)環(huán)境變差的位置較為一致。芳畈鎮(zhèn)、宣化鎮(zhèn)等地因礦山開采導(dǎo)致的耕地與林地破壞情況較為嚴(yán)重，工礦用地面積明顯增多。這一結(jié)果表明，大悟縣生態(tài)環(huán)境變差可能與人類的直接經(jīng)濟(jì)活動有關(guān)，如植被覆蓋度較高的林地草地區(qū)域向建設(shè)用地、工業(yè)用地等不透水表面占比較多、植被覆蓋度較低的轉(zhuǎn)變、經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動增多導(dǎo)致的氣溫升高等。從空間上看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要是分布在礦山、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及交通運(yùn)輸設(shè)施周邊和大部分水域地區(qū)，水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化可能是與礦山開采對含水層的破壞、未經(jīng)處理的居民生活污水排放、企業(yè)的工業(yè)廢水偷排漏排和近些年水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)興起導(dǎo)致的水體污染等有關(guān)。因此，若要保持當(dāng)前良好的生態(tài)環(huán)境狀況，進(jìn)一步發(fā)展更好的生態(tài)環(huán)境，需要進(jìn)行合理的土地利用資源的配置，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展空間進(jìn)行合理配置，加大對水污染的治理，保護(hù)當(dāng)前農(nóng)田、林地等資源。

圖3 2010—2020年大悟縣RSEI變化檢測Fig.3 Change detection of RSEI in Dawu county from 2010 to 2020

3 結(jié)論

本文基于大悟縣2010年、2020年Landsat系列影像，結(jié)合干度、綠度、濕度、溫度4個分量指標(biāo)，采用主成分分析法計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)RESI，對大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價及變化分析，得到以下結(jié)論。

（1）2010年與2020年第一主成分特征值貢獻(xiàn)度分別為93.43%、92.33%；綠度指標(biāo)與濕度指標(biāo)值呈正值、熱度指標(biāo)與干度指標(biāo)呈負(fù)值。大悟縣2010年、2020年RESI均值分別為0.70、0.68，總體處于生態(tài)環(huán)境良好的等級，但從時間上看呈現(xiàn)減少的趨勢，生態(tài)質(zhì)量略微下降。

（2）2010年及2020年大悟縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都以良等級為主，其面積所占比例達(dá)95.849%、93.916%；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差和差的等級所占面積比例均較小。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)等級主要分布在西南區(qū)域與西北區(qū)域。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域主要分布在中部及北部區(qū)域的工礦建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地附近。

（3）整體來看，2010—2020年間大悟縣生態(tài)等級產(chǎn)生了稍微的變化，變差的面積占比為3.235%；生態(tài)等級不變的占比為92.119%；生態(tài)等級變好的面積占比為4.645%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域主要分布在大悟縣的宣化店鎮(zhèn)東北部，豐店鎮(zhèn)中南部等植被覆蓋率較高的地區(qū)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要分布在彭店鄉(xiāng)、芳畈鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、宣化店鎮(zhèn)西部等工礦用地建設(shè)區(qū)域以及部分水域地區(qū)。