基于遙感生態(tài)指數(shù)的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)
——以貴陽市為例

文詩雅，朱大明，付志濤，菅永勝，江佳雯

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

0 引言

鑒于信息技術(shù)的急速發(fā)展和社會醫(yī)療水平的提升，人口總數(shù)大幅增長。人類為了探求高品質(zhì)的美好生活，不斷開發(fā)和利用豐富的自然資源，引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)增長的同時(shí)，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大破壞，使生態(tài)環(huán)境越來越脆弱。生態(tài)環(huán)境指影響人們賴以生存和發(fā)展的各類自然資源的總量和品質(zhì)的總稱。人類文明的所有生產(chǎn)活動都與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展變化相互依賴又相互影響，因此對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)與研究既是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，又是推動生態(tài)文明發(fā)展建設(shè)的迫切需求[1]。

從20 世紀(jì)70 年代的斯德哥爾摩“聯(lián)合國人類環(huán)境會議”，全球各地政府代表首次就生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行探討以來，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究不斷成熟。學(xué)者通過構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，選用主成分分析法、層次分析法、模糊綜合評價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、綜合指數(shù)法等方法來研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化特征[2-7]。事實(shí)上現(xiàn)階段國內(nèi)外仍未有一套標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)的選取具有一定的不全面性和局限性。在現(xiàn)代遙感技術(shù)的支撐下，徐涵秋[8]提出了以綠度、濕度、熱度、干度四項(xiàng)指數(shù)為代表的遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）對城市展開生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)。該方法完全基于遙感技術(shù)，不但能夠更加全面、精確、直觀地評估研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還能夠?qū)⒃u價(jià)結(jié)果加以高精度的可視化表達(dá)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]。

貴陽市是我國第一個(gè)國家森林城市，作為“中國十大避暑旅游城市”之首，具有溫度適宜、濕度適中、水質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。是一座山中有城、城中有山、綠帶環(huán)繞的高原現(xiàn)代化城市，也是大數(shù)據(jù)聚集區(qū)的“中國數(shù)谷”。評價(jià)貴陽市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化特征能為我國省會城市及其他地區(qū)的環(huán)境保護(hù)綜合治理工作，以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。因此，研究基于landsat 5 TM、landsat 8 OLI 遙感影像建立遙感生態(tài)指數(shù)并結(jié)合主成分分析法來探究貴陽市2008、2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變特性，力求為貴州省的生態(tài)環(huán)境治理和維護(hù)工作提供參照。

1 研究區(qū)概況

貴陽市（圖1）位于貴州省中部、云貴高原東部，市域總面積8 034 平方千米，地勢總體上西南高、東北低，位于黔中山原丘陵中段，長江與珠江分水嶺地帶，地貌以山區(qū)、丘陵居多。貴陽市海拔1 100 米左右，屬于亞熱帶濕潤溫暖型氣候，年均氣溫15.3℃，年均總降水量1 129.5 毫米，夏無酷暑冬無嚴(yán)寒，降雨充裕濕潤舒適，具有“上有天堂，下有蘇杭，氣候宜人數(shù)貴陽”之美稱。貴陽市植物資源豐富，森林覆蓋率達(dá)到55%，擁有唯一的花溪青巖油杉自然保護(hù)區(qū)。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究所用遙感圖像數(shù)據(jù)主要來源于國家地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）的2008 年4 月8號Landsat 5 TM 影像和2018 年6 月7 號Landsat 8 OLI影像，選取的時(shí)段云量比較低，均在5%以下。將遙感影像在ENVI 5.3 軟件中完成輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理步驟后開始計(jì)算RSEI。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)模型

遙感生態(tài)指數(shù)分為綠度（NDVI）、濕度（Wet）、熱度（LST）、干度（NDBSI）四種指數(shù)，不但能夠直觀判別區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣，還降低了研究中的主觀性和指標(biāo)的提取難度[14]。為避免研究區(qū)內(nèi)水體對RSEI 計(jì)算的影響，在ENVI 中利用掩膜工具剔除水體后計(jì)算四個(gè)指數(shù)。

2.2.1 綠度指標(biāo)。歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）是反映植物生長發(fā)育狀態(tài)的最佳因子，還在一定程度上與植被覆蓋度等因子息息相關(guān)，是代表綠度指標(biāo)的最佳選擇因子，計(jì)算公式如下[15]：

式中，ρNIR為近紅外波段反射率；ρRED為紅波段反射率。

2.2.2 濕度指標(biāo)。纓帽變換可通過數(shù)據(jù)壓縮，消除冗余，從而提取出能夠反映土壤情況的濕度因子（Wet），計(jì)算公式如下[16]：

式中，ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別是藍(lán)波段反射率、綠波段反射率、紅波段反射率、近紅外波段反射率、短波紅外1 波段反射率、短波紅外2 波段反射率；對Landsat 5 影像來說，α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為0.031 5、0.202 1、0.310 2、0.159 4、0.680 6、0.610 9，對Landsat 8 影像來說，α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為0.151 1、0.197 3、0.328 3、0.340 7、0.717 1、0.455 9。

2.2.3 熱度指標(biāo)。研究通過計(jì)算傳感器溫度以及使用熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演的結(jié)果來代表熱度指標(biāo)（LST），計(jì)算公式如下[17]：

式中，T 為傳感器溫度；λ 為熱紅外波段中心波長；ρ=0.014 38；ε 為地表比輻射率。

2.2.4 干度指標(biāo)。建筑指數(shù)（IBI）和裸土指數(shù)（SI）都能夠反映城市土壤干化狀況，因而選用其平均值來表示干度指標(biāo)（NDBSI），計(jì)算公式如下[14]：

式中，ρSWIR1、ρSWIR2、ρNIR、ρRED、ρGREEN、ρBLUE分別為中紅外1 波段反射率、中紅外2 波段反射率、近紅外波段反射率、紅波段反射率、綠波段反射率、藍(lán)波段反射率。

2.2.5 RSEI 計(jì)算。在計(jì)算RSEI 之前，因?yàn)樗姆N指數(shù)間存在著量綱不統(tǒng)一無法進(jìn)行比較的問題，于是通過歸一化公式[18]將四種指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其值在0～1 之間，繼而消除對實(shí)驗(yàn)中指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果的影響。在ENVI 中將歸一化后的四個(gè)指標(biāo)融合為一幅影像，接著使用主成分分析工具進(jìn)行計(jì)算，提取第一主成分作為初始RSEI值，記為RSEI0[19]。計(jì)算公式如下：

為了便于分析，將RSEI0值同樣進(jìn)行歸一化處理，使其取值范圍在0～1 之間，得到最終的RSEI。RSEI 的值越大，代表該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之RSEI 值越小，代表該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。根據(jù)規(guī)范，在ArcGIS 中把RSEI 分為五個(gè)等級，包括極差（0～0.2）、差（0.2～0.4）、一般（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優(yōu)（0.8～1.0）。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)指數(shù)時(shí)間變化分析

研究計(jì)算出的綠度、濕度、熱度、干度四個(gè)生態(tài)指數(shù)結(jié)果分布情況如圖2 所示，均值大小統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 生態(tài)指數(shù)均值

圖2 各生態(tài)指數(shù)歸一化圖

2008—2018年，綠度指標(biāo)均值由0.362 799 增長至0.434 172，濕度指標(biāo)均值由0.686 646 增長至0.791 502，熱度指標(biāo)均值由0.524 512 下降至0.222 790，干度指標(biāo)均值由0.298 486 增長至0.391 325。表示生態(tài)環(huán)境好的綠度、濕度指標(biāo)均值有所增加，表示生態(tài)環(huán)境差的熱度指標(biāo)均值有所下降，表明近年來，貴陽市生態(tài)文明建設(shè)取得成效，貫徹發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)理念，植被覆蓋度逐漸增加，土壤水分充足，氣候適宜，生態(tài)環(huán)境變好。而代表生態(tài)環(huán)境差的干度指標(biāo)均值有所增加，表明貴陽市具有一定程度的不合理人為建設(shè)開發(fā)活動。但由于綠度和濕度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響比熱度和干度更大，因此熱度和干度的變化可以忽略不計(jì)。

3.2 主成分結(jié)果分析

第一主成分分析結(jié)果（表2）可以看出，2008 年、2018 年的第一主成分貢獻(xiàn)率分別為89.78%、88.35%，均在85%以上，能夠代表四個(gè)指數(shù)絕大部分信息進(jìn)行計(jì)算。綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)在第一主成分中的特征向量值為正，熱度指標(biāo)和干度指標(biāo)的特征向量值為負(fù)，表明綠度和濕度對貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是正向的，而熱度和干度對貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是負(fù)向的，與實(shí)際情況相符。

表2 第一主成分分析結(jié)果表

3.3 貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化評價(jià)

2008 年、2018 年貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布如圖3 所示，為更好地分析貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征，統(tǒng)計(jì)不同質(zhì)量等級區(qū)域所占面積比例及兩期RSEI均值，如表3 所示。2008 年代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的極差和差等級區(qū)域主要在貴陽市中部向西部和南部擴(kuò)散隨機(jī)分布，總面積為3 686.847 9 平方千米。代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的良好和優(yōu)等級區(qū)域主要在貴陽市北部集中分布，往南部方向擴(kuò)散隨機(jī)分布，總面積為2 849.967 9平方千米。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為一般的區(qū)域主要在貴陽市中部向四周擴(kuò)散隨機(jī)分布，總面積為1 418.251 5平方千米。2018 年代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的極差和差等級區(qū)域主要在貴陽市中部和南部集中分布，總面積為1 573.449 3 平方千米。代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的良好和優(yōu)等級區(qū)域主要在貴陽市北部、西部、東部集中分布，總面積為5 309.078 4 平方千米。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為一般的區(qū)域主要在貴陽市中部往南和西部擴(kuò)散隨機(jī)分布，總面積為1 072.539 9 平方千米。

表3 貴陽市RSEI 均值及各等級面積所占比例

圖3 貴陽市RSEI 等級分布圖

貴陽市的RSEI 均值由2008 年的0.544 0 增長至2018年的0.759 1，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)提升趨勢。2008年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差的區(qū)域面積所占比例最高，為23.78%，其次是良好、極差等級區(qū)域，面積所占比例分別為22.68%、22.56%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的區(qū)域面積所占比例最低，為13.15%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為一般的區(qū)域面積所占比例為17.83%。到2018年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的區(qū)域面積所占比例最高，為37.53%，比2008 年提高了13.75%，其次是良好、一般等級區(qū)域，面積所占比例分別為29.21%、13.48%，比2008 年分別提高和下降了6.53%、4.35%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為極差的區(qū)域面積所占比例最低，為7.28%，比2008 年下降了15.28%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差的區(qū)域面積所占比例為12.50%，比2008 年下降了11.28%。

3.4 貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化因素

貴陽市從2008 年到2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)變好歸功于近年來的生態(tài)文化廣泛普及，創(chuàng)建了一系列生態(tài)文明機(jī)關(guān)、學(xué)校、企業(yè)等，加之綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大，成為中國綠色發(fā)展優(yōu)秀城市。同時(shí)采取了機(jī)動車污染防控、城市清潔能源使用、實(shí)施重大產(chǎn)業(yè)環(huán)境污染整治、加大植樹造林力度等措施，有效降低了人類活動對自然環(huán)境的直接影響，截至2018年，貴陽市森林覆蓋率達(dá)48.66%，建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)41.13%，飲用水質(zhì)100%達(dá)標(biāo)，空氣質(zhì)量優(yōu)良率保持95%以上，促進(jìn)了生態(tài)-經(jīng)濟(jì)良性循環(huán)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升。

4 結(jié)論

研究使用遙感生態(tài)指數(shù)來分析貴陽市2008、2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征，研究結(jié)論如下：

（1）2008—2018年，RSEI 均值由0.544 0 增長至0.759 1，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好。綠度和濕度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響是正向的，熱度和干度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響是負(fù)向的，且濕度的影響效果最大。

（2）貴陽市西部如清鎮(zhèn)市、南部的市轄區(qū)以及東部的開陽縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都有改善，得益于貴陽市科學(xué)的生態(tài)規(guī)劃建設(shè)。

（3）較之2008年，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的等級為極差和差的區(qū)域面積所占比例共下降了26.56%，而代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的等級為良好和優(yōu)的區(qū)域面積所占比例共增長了30.91%。