基于改進(jìn)遙感生態(tài)指數(shù)的城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)估①

劉德勝， 連帥帥， 孫 悅， 王柳艷

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其獲取信息范圍廣、速度快、周期短等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1]。遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index，RSEI)不再考慮單一的環(huán)境指標(biāo)，而是將多個(gè)重要的生態(tài)參數(shù)組合成一個(gè)代表整體生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)[2]。RSEI不僅能綜合直觀地定量評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還能從時(shí)空上對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行高精度的可視化分析。所以在很多地區(qū)得到了很好的應(yīng)用，程琳琳等[3]評(píng)估雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn)白洋淀區(qū)域面積的不斷減少和持續(xù)的城鎮(zhèn)化建設(shè)造成了雄安新區(qū)的生態(tài)惡化。劉立冰等[4]對(duì)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)地表植被覆蓋度是治理生態(tài)的關(guān)鍵。宋慧敏等[5]監(jiān)測(cè)和分析渭南市生態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)不僅影響其主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還向周邊城區(qū)輻射。然而采用主成分分析，以PC1歸一化得到的RSEI作為評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)的最終標(biāo)準(zhǔn)，其貢獻(xiàn)率范圍在50%[6-7]到90%[8-9]不等，不能較高的集成評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息。本研究考慮到生態(tài)指數(shù)權(quán)重的合理性、歸一化系數(shù)的設(shè)置、相關(guān)指標(biāo)的易獲取性以及生態(tài)條件的可視化，利用主成分分析(principal components analysis,PCA)從綠、濕、干、熱四個(gè)因子中提取主成分，以前三主成分的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重改進(jìn)遙感生態(tài)指數(shù)(Modified remote sensing ecological index，MRSEI)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

嘉定區(qū)又名疁城，是上海西北郊的區(qū)，堆積型地貌，地勢(shì)較為平坦，由西南向東北地勢(shì)海拔逐漸升高。中心地理位置坐標(biāo)為東經(jīng)121°59'，北緯31°30'，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬暖夏熱，年平均氣溫16.2℃，雨量充沛，平均降雨量1086毫米。

研究選用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分辨率為30m，其具有獲取數(shù)據(jù)便捷、波段較多、數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大等特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地表這一方向。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)來(lái)源日期均在同一季節(jié)，時(shí)間較為接近，可以避免因植被生長(zhǎng)狀況而造成的差異。預(yù)處理階段對(duì)原始影像分別進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、圖像裁剪等處理。

表1 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

2 研究方法

2.1 生態(tài)因子指標(biāo)的選取

2.1.1 綠度指標(biāo)

城市植被的覆蓋不僅可以降低小氣候的風(fēng)速還有助于減輕熱島效應(yīng)，它分別通過(guò)遮蔭和蒸騰作用保持地表溫度和環(huán)境空氣溫度較低[10]。除了降溫之外，植樹還通過(guò)固碳降低城市二氧化碳水平，降低冷卻能源需求從而減少發(fā)電廠的電力需求和二氧化碳排放。因此樹木往往能在很大程度上減少“煙霧”和空氣中的污染物。本文選取NDVI作為綠色指標(biāo)，用于研究城市的植被覆蓋變化。

2.1.2 濕度指標(biāo)

城市空氣濕度對(duì)健康的影響一直存在爭(zhēng)議，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露在低濕度環(huán)境中對(duì)人體感知空氣質(zhì)量、工作表現(xiàn)、睡眠質(zhì)量以及病毒存活等存在重大影響[11]。纓帽變換又稱K-T變換，是多光譜、多時(shí)相遙感影像處理中最常見(jiàn)的一種變換，它抓住了地面景物，特別是土壤濕度和植被在多光譜空間中的特征，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在遙感領(lǐng)域，本文選取其變換后的濕度分量(wetness ,WET)作為評(píng)價(jià)城市濕度的指標(biāo)。

2.1.3 干度指標(biāo)

高密度的建筑作為城市發(fā)展的主要模式之一，對(duì)城市形態(tài)有著巨大的影響[12]。一方面，城市的密集發(fā)展在城市內(nèi)部產(chǎn)生了大量的人為散熱；另一方面，由混凝土、瀝青等組成的城市下墊面增強(qiáng)了其吸收太陽(yáng)輻射的能力，并減少了植被蒸騰帶走的熱量。此外，過(guò)度的建筑密度和建筑高度造成的陰影效應(yīng)將減少向上的長(zhǎng)波輻射和街道的通風(fēng)能力。這些因素將導(dǎo)致城市內(nèi)部的熱量積累，從而導(dǎo)致熱環(huán)境的惡化。因此本文選取建筑指數(shù)和裸土指數(shù)合成(normalized difference built-up and soil index，NDSI)以作為干度指標(biāo)。

2.1.4 熱度指標(biāo)

城市化過(guò)程中建成區(qū)百分比的指數(shù)增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致城市氣候劇烈變化。城市經(jīng)歷城市熱島效應(yīng)，與周圍農(nóng)村地區(qū)相比，建成區(qū)的空氣溫度顯著升高[13]。氣溫上升和城市熱島現(xiàn)象進(jìn)一步加劇了城市環(huán)境和人類健康挑戰(zhàn)，并給現(xiàn)有城市系統(tǒng)增加了負(fù)擔(dān)。由于冷卻需求的增加，城市的能源消耗急劇上升。因此地表溫度的良性循環(huán)對(duì)于城市人口的生產(chǎn)生活具有決定性影響，本文所以選取LST作為評(píng)價(jià)城市熱度的指標(biāo)。

2.2 MRSEI的構(gòu)建

評(píng)價(jià)城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方法有很多，但是大多數(shù)對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的選擇都是人為設(shè)定的，具有很大的主觀性，因此本文選取主成分分析方法對(duì)選取的四個(gè)生態(tài)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行客觀的取值，從而避免人為因素而造成的不確定性。

2007、2013和2020年主成分分析結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)2007年第一主成分PC1只有77.57%，而2013和2020年也只有80.79%和81.55%，并不能完好地覆蓋四個(gè)生態(tài)指標(biāo)的所有信息，此時(shí)僅以第一主成分的值代表生態(tài)狀況不具有信服力。分析表2發(fā)現(xiàn)三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的PC1、PC2和PC3它們的貢獻(xiàn)率之和分別為98.71%、99.44%、99.58%，均大于95%，而第四主成分更多地代表噪聲信息。因此本文選擇前三主成分的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，重新構(gòu)建生態(tài)環(huán)境指數(shù)，計(jì)算公式如(1)。

表2 主成分分析指標(biāo)

(1)

式(1)中：ek為第k主成分所對(duì)應(yīng)的特征值貢獻(xiàn)率,pck為第k主成分。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型的建立

為模擬和預(yù)測(cè)上海市嘉定區(qū)的生態(tài)變化走向，本文建立MRSEI生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型。選取貫穿全影像采樣方法對(duì)嘉定區(qū)2007、2013和2020年三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的MRSEI、NDVI、WET、NDSI、LST影像進(jìn)行采樣。充足的樣點(diǎn)可以確保多元回歸分析結(jié)果的客觀性和正確性，因此每幅影像從全局選取22602個(gè)樣點(diǎn)，以避免因樣本小與局部性采樣而帶來(lái)的結(jié)果欠擬合。公式(2)、(3)、(4)為建立的嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型(均通過(guò)了1%的顯著性檢驗(yàn))。

MRSEI2007=0.3082NDVI+0.0961WET-

0.1851NDSI-0.3146ST+

0.5452(R2=0.9069)

(2)

MRSEI2013=0.1979NDVI+0.1905WET-

0.1840NDSI-0.3195ST+

0.5658(R2=0.9077)

(3)

MRSEI2020=0.1575NDVI+0.1855WET-

0.1787NDSI-0.3789ST+

0.6005(R2=0.9178)

(4)

從嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型分析發(fā)現(xiàn)：NDVI、WET、NDSI、LST四個(gè)生態(tài)指標(biāo)均未被剔除，這表明綠度、濕度、干度和熱度均在城市生態(tài)中扮演著重要角色。由各指標(biāo)的回歸系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：綠度和濕度的系數(shù)為正，說(shuō)明其有助于城市生態(tài)的發(fā)展；干度和熱度的系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明其阻礙城市生態(tài)的進(jìn)步。

2007-2020年，綠度的回歸系數(shù)顯著減小，說(shuō)明城市綠植覆蓋度大面積縮減；熱度的回歸系數(shù)不斷上升，說(shuō)明城市人類生產(chǎn)生活越來(lái)越密集，城市熱島現(xiàn)象愈發(fā)明顯。濕度和干度的回歸系數(shù)則相對(duì)平穩(wěn)，起伏變化不大。此外，從對(duì)城市生態(tài)的正反影響來(lái)看，起消極作用的干度和熱度的貢獻(xiàn)率總值大于起積極作用的綠度和濕度的貢獻(xiàn)率總值。

總的來(lái)說(shuō)，基于最新的嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型(MRSEI),NDVI增加0.667個(gè)單位或WET增加0.539個(gè)單位與NDSI減少0.559個(gè)單位或LST減少0.263個(gè)單位效果一致，均可以使MRSEI改善0.1個(gè)單位。而由于城市建筑的既定布局，生態(tài)環(huán)境的改善應(yīng)主要取決于濕度和綠度的增強(qiáng)，如灌溉和排水設(shè)施效率的提高和擴(kuò)大植被覆蓋度等。

3 結(jié)果與分析

2007、2013、2020年上海市嘉定區(qū)的MRSEI如表3所示均值分別為0.536、0.516、0.502，呈逐漸下降趨勢(shì)。表明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在遭到破壞，但2013-2020年MRSEI減小幅度小于2007-2013年的減小幅度。為進(jìn)一步分析2007-2020年上海市嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空格局變化，三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的MRSEI如圖1所示。

表3 各年份4個(gè)指標(biāo)和MRSEI的統(tǒng)計(jì)值

從時(shí)間上看，2007、2013、2020年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為中等及以上的面積所占比例分別為67.687%、66.289%、64.334%，呈遞減趨勢(shì)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為差和較差的面積所占比例分別為32.313%、33.711%、35.666%，呈遞增趨勢(shì)(表4)。這表明上海市嘉定區(qū)整體生態(tài)環(huán)境保持較好，但是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量仍在小范圍地惡化。從空間上看，嘉定區(qū)北部和西部區(qū)域主要為華亭、婁塘和外岡三鎮(zhèn)。三鎮(zhèn)主要為農(nóng)村區(qū)域，無(wú)高密度的建筑物，綠地覆蓋度較為良好，空氣溫潤(rùn)適宜，生態(tài)環(huán)境較好。安亭鎮(zhèn)、馬陸鎮(zhèn)(嘉定新城)、南翔鎮(zhèn)和江橋鎮(zhèn)位于嘉定南部，四鎮(zhèn)多為老城區(qū)，由于歷史原因，雨污合流，淤泥堵塞加之綠色景觀單調(diào)和數(shù)量銳減，因此生態(tài)質(zhì)量略差。宏觀上看海市嘉定區(qū)北部的生態(tài)環(huán)境明顯優(yōu)于南部，然而不可否認(rèn)的是即使在嘉定北部，也有小范圍的空間生態(tài)在惡化，這主要是由上海市嘉定工業(yè)園等區(qū)域的不合理管理引起的。

表4 嘉定區(qū)2007—2020年各生態(tài)等級(jí)面積比例

4 總結(jié)與討論

基于遙感技術(shù)，首先通過(guò)波段運(yùn)算獲得三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的四個(gè)生態(tài)指標(biāo)，然后對(duì)其進(jìn)行歸一化處理并組合成新圖像，利用主成分分析客觀地得到各個(gè)主成分對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)率，然后再以PC1、PC2、PC3的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，利用加權(quán)求和法改進(jìn)RSEI指數(shù)。此指數(shù)可以集成所選生態(tài)指標(biāo)的絕大部分信息，應(yīng)用在上海市嘉定區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估中，分析了上海市嘉定區(qū)2007至2020年14年的生態(tài)時(shí)空變化。

城市環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)綜合變量，雖然本文較全面地選取了四個(gè)與生態(tài)聯(lián)系密切的指標(biāo)。但是還不能完美地定量評(píng)價(jià)本研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。與其他區(qū)域相比，城市生態(tài)環(huán)境還與空氣指數(shù)、霧霾指數(shù)等生態(tài)指標(biāo)密切相關(guān)，因此在今后評(píng)估城市生態(tài)時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究城市的具體特點(diǎn)選取合理的新的生態(tài)指標(biāo)。