基于遙感生態(tài)指數(shù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析
——以撫州市東鄉(xiāng)區(qū)為例

黃振興， 李滿根， 封志兵， 陳念楠， 劉 穎

(東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

城市化進(jìn)程在給人類社會(huì)帶來(lái)繁榮和進(jìn)步的同時(shí)也帶來(lái)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，例如土地荒漠化、城市熱島效應(yīng)、水土流失等(方燦瑩等，2017；張寒等，2020)。生態(tài)環(huán)境的變化，對(duì)人們生產(chǎn)生活有極大的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了研究(高鵬文等，2020；程朋根等，2015；趙恒謙等，2019；方正等，2020)。目前，在生態(tài)研究方面運(yùn)用最廣泛的是國(guó)家環(huán)境保護(hù)部2015年修訂的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)，但其評(píng)價(jià)結(jié)果只是單一的數(shù)值，無(wú)法體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境狀況的時(shí)空分異特征，且數(shù)據(jù)不易獲取(徐涵秋，2013a)。遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)時(shí)、精確地評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供了可能(唐堯等，2016)。徐涵秋(2013b)提出了一種基于主成分分析法且能耦合多種單一指標(biāo)的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法——遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，既能夠綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的整體特征，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)客觀、綜合的評(píng)價(jià)。東鄉(xiāng)區(qū)作為撫州市整體發(fā)展的重要部分之一，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞與時(shí)空變化情況對(duì)撫州市生態(tài)文明建設(shè)研究有著重要的參考意義。據(jù)此，筆者以近18年來(lái)?yè)嶂菔袞|鄉(xiāng)區(qū)遙感影像為基礎(chǔ)，反演綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)指標(biāo)，結(jié)合主成分分析方法構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI),定量分析撫州市東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化，為撫州市東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步改善提出合理性建議。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

東鄉(xiāng)區(qū)位于江西省撫州市東北部，為鄱陽(yáng)湖平原與贛東丘陵的過(guò)渡地區(qū)，東部鄰近余江縣，南部依托撫州市中心——臨川區(qū)，西部與南昌市進(jìn)賢縣接壤，北部連接上饒市余干縣(官炎俊等，2018)。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季多雨炎熱，冬季干燥寒冷。2017年，東鄉(xiāng)縣撤縣設(shè)區(qū)，下轄1個(gè)街道、9個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)鄉(xiāng)，總面積約為1 201 km2。近年來(lái)，東鄉(xiāng)區(qū)在撫州市帶動(dòng)下經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，GDP穩(wěn)居撫州市第二，其生態(tài)環(huán)境變化顯著。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究采用地理空間數(shù)據(jù)云下載的Landsat系列影像(2001年6月、2008年5月、2014年5月、2018年4月)，其中2001年和2005年的影像為L(zhǎng)andsat5 TM影像，2014年和2018年的影像為L(zhǎng)andsat8 OLI/TIRS影像，研究區(qū)域云量均在1%以下。為準(zhǔn)確、有效地把數(shù)據(jù)運(yùn)用到本次研究中，對(duì)Landsat TM(30 m分辨率)和Landsat OLI(30 m分辨率)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用ENVI5.3對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和矢量裁剪處理。

圖1 撫州市東鄉(xiāng)區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of Dongxiang district, Fuzhou city

2 研究方法

遙感生態(tài)指數(shù)依據(jù)與人類生活環(huán)境密切相關(guān)的4個(gè)重要指標(biāo)因子——濕度、干度、熱度、綠度來(lái)客觀、定量地評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。4個(gè)指標(biāo)都能通過(guò)對(duì)遙感影像的反演得到，數(shù)據(jù)容易獲取，與生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)相比有更大的優(yōu)勢(shì)(王瑤等，2008；程晉南等，2008；孟巖等，2009)。筆者使用ENVI5.3軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行波段運(yùn)算，得到4個(gè)指標(biāo)。綠度通過(guò)歸一化植被指數(shù)表示(Anyamba et al.,2014)，干度采用地表建筑指數(shù)和地表裸土指數(shù)平均合成的指數(shù)表示(徐涵秋等，2017)，濕度指標(biāo)用WET分量數(shù)值表示(Crist,1985;Baig et al.，2014)，熱度指標(biāo)用單窗算法反演出的地表溫度表示(覃志豪等，2001)。具體計(jì)算公式如下：

NNDVI=(ρNir-ρRed)/(ρNir+ρRed)

NWET=aρBlue+bρGreen+cρRed+dρNir-eρSwir1-fρSwir2

NNDSI=(S+I)/2

S=[(ρSwir1+ρRed)]-(ρNir+ρBlue)]/[(ρSwir1+ρRed)+(ρNir+ρBlue)]

式中,NNDVI為綠度指標(biāo)、NWET為濕度指標(biāo)、NNDSI為干度指標(biāo)、S為裸土指數(shù)、I為地表建筑指數(shù)。ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNir、ρSwir1、ρSwir2分別代表藍(lán)、綠、紅、近紅外和中紅外1、中紅外2的光譜反射率。對(duì)于TM影像，a=0.031 5、b=0.202 1、c=0.310 2、d=0.159 4、e=-0.680 6、f=-0.610 9；對(duì)于OLI影像，a=0.151 1、b=0.197 3、c=0.328 3、d=0.340 7、e=-0.711 7、f=-0.455 9。

L=Ggain×Gdn+Gbias

Tb=K2/ln(K1/L+1)

NLST=Tb/{1+[(λTb)/ρ]lnε}-273.15

式中,NLST為熱度指標(biāo)，L為輻射亮度值，Gdn為像元灰度值，Ggain和Gbias分別為波段的增益值和偏置值，Tb為衛(wèi)星傳感器處的亮溫，K1、K2為定標(biāo)參數(shù)，λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng)，ρ=1.438×10-2，ε為地表輻射率。

由于量綱不一致，上述計(jì)算的4個(gè)指標(biāo)只能反映出不同情況下研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況，為避免權(quán)重失衡的影響，在構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)時(shí)需提前對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理(Anyamba et al.，2014)。由于研究區(qū)存在水域，為了避免水域?qū)χ鞒煞州d荷的影響，需要對(duì)綠度、干度、濕度和熱度等指標(biāo)運(yùn)用MNDWI水體指數(shù)對(duì)水體信息進(jìn)行掩膜(徐涵秋，2008)。融合成新的影像再進(jìn)行主成分變換，其計(jì)算公式為：

NRSEI0=1-{P1[f(NNDVI,NWET,NLST,NNDSI)]}

式中，NRSEI0為歸一化前的遙感生態(tài)指數(shù)值，P1為第一主成分值。

最后對(duì)NRSEI0進(jìn)行歸一化處理，得到遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，其計(jì)算公式為：

NRSEI=(P1-P1min)/(P1max-P1min)

式中,NRSEI為歸一化后的遙感生態(tài)指數(shù)值，P1max為第一主成分中的最大值;P1min為第一主成分中的最小值。歸一化后的遙感生態(tài)指數(shù)范圍為[0,1],RESI的值越大，說(shuō)明東鄉(xiāng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之，說(shuō)明東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析結(jié)果

采用累計(jì)貢獻(xiàn)率大于0.85的主成分為RSEI指數(shù)(鄭振燦等，2019)，故本研究選取第一、第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率構(gòu)建RSEI。從表1可以看出，2001—2018年撫州市東鄉(xiāng)區(qū)4個(gè)指標(biāo)中的第一主成分(PC1) 和第二主成分(PC2)的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為86.61%、90.41%、90.78%和95.22%,均大于85%，表明它們已集中了綠度、濕度、干度、熱度等4個(gè)指標(biāo)的大部分特征。綠度和濕度在PC1中表現(xiàn)為正值，說(shuō)明對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境起促進(jìn)作用；熱度和干度在PC1中表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境起抑制作用。

表1 2001—2008年各指標(biāo)主成分分析

由表2可知，研究區(qū)NDVI均值較高，都在0.75以上，在2001年甚至達(dá)到了0.853 7，說(shuō)明撫州市東鄉(xiāng)區(qū)綠化環(huán)境較好，植被覆蓋率水平較高。2001、2008、2014和2018遙感生態(tài)指數(shù)的均值分別為0.716 8、0.652 5、0.682 5和0.641 3，總體呈下降的趨勢(shì)。通過(guò)比較研究區(qū)2001—2018年LST、NDSI與WET、NDVI的PC1載荷可以發(fā)現(xiàn)，前者絕對(duì)值之和是大于后者的，表明LST和NDSI對(duì)東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的消極作用大于WET和NDVI對(duì)東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的積極作用；NDVI對(duì)生態(tài)環(huán)境所起到的促進(jìn)作用大于WET的促進(jìn)作用。同理，2001—2018年，NDSI載荷值的絕對(duì)值越來(lái)越大，在2008年超過(guò)了LST指標(biāo)載荷值的絕對(duì)值，說(shuō)明NDSI對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境所起到的抑制作用越來(lái)越大，這與研究區(qū)城鎮(zhèn)化的發(fā)展(城市擴(kuò)張)有關(guān)。

表2 2001—2018年遙感生態(tài)指數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2 東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空分布差異分析

將遙感生態(tài)指數(shù)分為5個(gè)級(jí)別，以0.2為一個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間分別代表研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“差[0,0.2)、較差[0.2,0.4)、中等[0.4,0.6)、良好[0.6,0.8)和優(yōu)[0.8,1)”，生成遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)圖(圖2)并統(tǒng)計(jì)各級(jí)面積及占比(表3)，白色區(qū)域?yàn)樗w掩膜地區(qū)。由表3可見，東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)等級(jí)為良好和優(yōu)秀的面積占總面積比例之和大于55%，2001年甚至達(dá)到90%以上。2001—2018年，研究區(qū)優(yōu)秀等級(jí)面積總體呈大幅下降趨勢(shì)，特別是在2008年，研究區(qū)優(yōu)秀等級(jí)面積僅占總面積的10%，盡管2008年以后有所上升，但未恢復(fù)至原有水平；良好等級(jí)面積表現(xiàn)為先上升后下降的態(tài)勢(shì)，這與優(yōu)秀等級(jí)面積下降有關(guān);根據(jù)其他的生態(tài)等級(jí)所占面積比例情況分析發(fā)現(xiàn)，東鄉(xiāng)區(qū)處于中等等級(jí)的面積比例呈上升的趨勢(shì)，從2001年的7.86% 上升至2018年的38.77%；撫州市東鄉(xiāng)區(qū)處于較差和差等級(jí)的面積所占比例較少，均處于10%以下，兩者所占比例最高為2008年的9.25%，最低為2001年的1.34%，且總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。綜上所述，東鄉(xiāng)區(qū)總體的生態(tài)環(huán)境狀況較好，遙感生態(tài)指數(shù)處于中等及以上的區(qū)域所占面積較多。盡管2001—2018年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，但以孝崗鎮(zhèn)為中心的人口聚集區(qū)，自2008年以后生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)得到一定的改善，人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)有所提高，這與撫州市爭(zhēng)創(chuàng)生態(tài)文明城市采取的相應(yīng)政策有關(guān)。

表3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積及比例

圖2 遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)分布圖Fig.2 Spatial distribution of remote sensing ecological index

圖3 東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化圖Fig.3 Change of ecological quality in Dongxiang District

由圖 2可見，生態(tài)狀況變化明顯的地區(qū)主要分布于人口活動(dòng)稠密的城區(qū)、耕地以及植被覆蓋較低的區(qū)域，說(shuō)明人們生產(chǎn)生活、城市擴(kuò)張以及當(dāng)?shù)刂脖桓采w狀況對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化有顯著影響，研究區(qū)東南部丘陵、林場(chǎng)和北部地區(qū)的丘陵總體生態(tài)質(zhì)量明顯高于其他研究區(qū)域。由圖3可見，2001—2008 年間東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)質(zhì)量下降的區(qū)域較多，且分布于整個(gè)研究區(qū)，特別集中在東鄉(xiāng)區(qū)孝崗鎮(zhèn)為中心的北部和西部地區(qū)，這主要與地區(qū)發(fā)展、人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，受人類活動(dòng)的影響較大；2008—2014年間，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體改善，且改善力度較大，范圍較廣。2014—2018年間，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要趨勢(shì)維持在無(wú)明顯變化和有所改善的級(jí)別，同時(shí)出現(xiàn)了生態(tài)質(zhì)量變差的地區(qū)，主要集中在研究區(qū)的東北部、西南部以及東南角地區(qū)，這與城市擴(kuò)張、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移以及人為活動(dòng)密切相關(guān)?？傮w來(lái)說(shuō)，2001—2018年間，東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，主要呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降明顯的地區(qū)主要集中在以城區(qū)為中心的西南部地區(qū)，表明城鎮(zhèn)的擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化具有顯著的影響。

為了更清晰地分析撫州市東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化狀況，以遙感生態(tài)指數(shù)分級(jí)圖為基礎(chǔ)，對(duì)2001、2008、2014、2018年的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算，將得到的結(jié)果按區(qū)間分為“急劇變差(-1，-0.4]、明顯變差(-0.4，-0.2]、略微變差(-0.2，-0.05]、無(wú)明顯變化(-0.05，0.05]、略微變好(0.05，0.2]、明顯變好(0.2，0.4]和急劇變好(0.4，1]”等7個(gè)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各變化級(jí)別的面積及所占研究區(qū)總面積的比例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4(王勇等，2019)。

由表4可知，2001—2008年?yáng)|鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好、不變和變差的區(qū)域面積分別為41.13 km2，231.38 km2，929.12 km2，面積比分別為3.42%、19.26%和77.32%，變差面積遠(yuǎn)大于變好面積，這與當(dāng)時(shí)注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民環(huán)保意識(shí)薄弱有關(guān)。2008—2014年?yáng)|鄉(xiāng)區(qū)全力推進(jìn)“治水、凈空、復(fù)綠”工程措施，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極大改善，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的區(qū)域面積為766.26 km2，占總面積的63.77%，主要表現(xiàn)為略微變好，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為163.20 km2，僅占總面積的13.58%，主要表現(xiàn)為略微變差，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)不變的區(qū)域面積為272.17 km2，占總面積的22.65%。2014—2018年?yáng)|鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好面積為126.95 km2，占總面積比的10.57%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)不變的面積為520.00 km2，占總面積的43.27%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為554.68 km2，占總面積的46.16%。2001—2018年?yáng)|鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好面積為183.26 km2，主要表現(xiàn)為略微變好，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)不變的面積為330.26 km2，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為688.11 km2，主要表現(xiàn)為略微變差?？傮w來(lái)說(shuō)，撫州市東鄉(xiāng)區(qū)18年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積在逐漸增加。

表4 生態(tài)質(zhì)量變化等級(jí)及面積變化統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

通過(guò)Landsat影像計(jì)算了研究區(qū)地表綠度指數(shù)、地表濕度指數(shù)、地表干度指數(shù)和地表熱度指數(shù)，運(yùn)用主成分分析法構(gòu)建遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)，定量評(píng)價(jià)了撫州市東鄉(xiāng)區(qū)中心城區(qū)以及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)2001、2008、2014和2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。從 RSEI 的時(shí)空變化中分析了撫州市東鄉(xiāng)區(qū)18年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。

(1)研究區(qū)域內(nèi)，城區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯差于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)及林區(qū)，以城市化程度最高的孝崗鎮(zhèn)最為明顯。研究表明，2001—2008年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降明顯(RSEI從0.716 8下降到0.652 5)，2008—2014年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善(RSEI從 0.652 5上升到0.682 5)；而 2018年研究區(qū)的 RSEI 為0.641 3。就整體而言研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降且趨勢(shì)逐漸變慢。

(2)在空間格局的變化上，2001—2018年間，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)主要以良好、優(yōu)秀為主，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要分布于東南部植被覆蓋稠密的林地、林場(chǎng)以及西北部的人類活動(dòng)較少的丘陵地帶。但依據(jù)撫州市東鄉(xiāng)區(qū)2001—2018年的遙感生態(tài)指數(shù)分析，遙感生態(tài)指數(shù)由 2001年的0.716 8下降至2018年的0.641 3，下降幅度達(dá)10.53%，表明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在變差，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的區(qū)域主要分布于中部人類活動(dòng)頻繁的城區(qū)、城市擴(kuò)張地帶以及西南部的城區(qū)擴(kuò)張區(qū)域。其中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積為688.11 km2，占東鄉(xiāng)區(qū)總面積的57.27%。

(3)在體現(xiàn)東鄉(xiāng)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的4個(gè)指標(biāo)中，熱度和干度對(duì)生態(tài)環(huán)境的抑制作用明顯大于綠度和濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境的促進(jìn)作用，其中，綠度指標(biāo)對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所起的促進(jìn)作用較大，干度指標(biāo)對(duì)生態(tài)質(zhì)量變化的抑制作用較大，表明城市擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著降低，植被覆蓋度的增加對(duì)研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量提升有較好的作用。因此，若想改善研究區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量，城市化進(jìn)程中應(yīng)減少裸地面積，增加區(qū)域植被覆蓋度，進(jìn)一步合理開發(fā)利用區(qū)域的土地資源，加強(qiáng)土壤水土保持能力，使區(qū)域向生態(tài)化、可持續(xù)化發(fā)展。