基于遙感生態(tài)指數(shù)的衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)*

劉馨，江亞軍，李月英

1.饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)；2.深州市氣象局；3.衡水市氣象局/饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)

衡水市屬于首都經(jīng)濟(jì)圈的京南區(qū)，是首都和雄安新區(qū)的南大門。2022年衡水市政府工作報(bào)告指出：十四五時(shí)期，是衡水市加快建美麗衡水的關(guān)鍵階段[1]。實(shí)踐證明，人類活動(dòng)和城市擴(kuò)張會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，應(yīng)用遙感影像評(píng)價(jià)分析生態(tài)質(zhì)量能直觀展示區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量等級(jí)分布和動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)具有重要參考意義。

目前，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生態(tài)研究中，其中徐涵秋提出遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）評(píng)價(jià)法[2-3]已得到廣泛應(yīng)用。RSEI各指標(biāo)均可通過遙感影像反演得到，適用于對(duì)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)與分析。本研究選取2000～2021年間四期遙感影像構(gòu)建RSEI指數(shù)，分析衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布和變化情況，為當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供參考意見。

一、研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

衡水市位于黑龍港流域，地處于河北省東南部，地形平原，總面積8836km2，屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。全市以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)用地占土地總面積的78.65%。

選用Landsat系列遙感影像，時(shí)間分別為2000.8.28、2007.9.9、2014.9.4、2021.9.7，所選影像時(shí)間相近，具有較高的代表性和可比較性。

二、分析方法

RSEI以綠度（NDVI）、濕度(Wet)、干度(NDSI)、熱度（LST）4個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過主成分分析法（PCA）將第一主成分歸一化處理生成RSEI指數(shù)。各指標(biāo)計(jì)算方法如下：

（1）綠度：以歸一化植被指數(shù)（NDVI）表示,表達(dá)式為：

（2）濕度：以纓帽變換中的濕度分量表示。本研究應(yīng)用到ETM和OLI兩種影像，分別為：

（3）干度：以建筑指數(shù)(IBI)和裸土指數(shù)(SI)均值表示：

（4）熱度：本文應(yīng)用大氣校正法反演的地表溫度作為熱度指標(biāo)[4]，具體公式為：

式中：LST為地表溫度（℃）；T為黑體輻射亮度；Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；τ為大氣透過率；L↑和L↓分別為大氣上行和下行輻射亮度；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)常量。

（5）RSEI指數(shù)構(gòu)建

通過NDWI指數(shù)[5]將大型水體去除，對(duì)四個(gè)指數(shù)歸一化處理后進(jìn)行主成分分析，得到第一主成分PC1，對(duì)PC1進(jìn)行歸一化處理即可得到遙感生態(tài)指數(shù)，取值范圍為［0,1］,結(jié)果越接近“1”表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，接近“0”為差。

三、結(jié)果與分析

（一）主成分分析結(jié)果

各年度指標(biāo)特征值見（表1），結(jié)果顯示，第一主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率都大于85%，表明第一主成分已經(jīng)集中了4個(gè)分量的絕大部分特征。四個(gè)年份中的NDVI和NDSI特征值貢獻(xiàn)率高于WET和LST，表明植被和城市建設(shè)對(duì)生態(tài)質(zhì)量影響最大。

表1 主成分分析結(jié)果

從表2看出，2000～2014年間RSEI指數(shù)變化不大，2021年提升至0.75，增幅7%，表明近幾年衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了明顯改善。單一指標(biāo)中NDVI在2007年下降15%，隨后升高；WET呈升高趨勢(shì)；NDSI和LST在2014～2021年間有較大幅度下降；說明近幾年雖然城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，但同時(shí)加強(qiáng)城區(qū)綠化率提升，總體上抵消了城市建設(shè)和氣候變暖帶來的不利影響，使區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平不斷提高。

表2 各年度各指標(biāo)歸一化均值統(tǒng)計(jì)

表4 2000～2021衡水市RSEI等級(jí)變化情況（單位：km2）

（二）RSEI空間變化和時(shí)間變化

為研究生態(tài)質(zhì)量的分布情況，將RSEI指數(shù)以0.2為間隔等分為差、較差、中等、良、優(yōu)5個(gè)等級(jí)（圖1），并對(duì)各等級(jí)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)。從空間分布來看，全市生態(tài)等級(jí)以良至優(yōu)區(qū)域?yàn)橹?，各年度?yōu)良等級(jí)之和占比均在70%以上，這是由于衡水地處平原，區(qū)域內(nèi)以耕地為主，植被覆蓋度較高；差和較差區(qū)域主要為城市區(qū)域。

圖1 2000～2021衡水市RSEI等級(jí)分布圖

表3 2000～2021年衡水市RSEI等級(jí)面積及占比

2007年因夏季降水偏少導(dǎo)致當(dāng)年植被生長(zhǎng)狀況較差，等級(jí)優(yōu)區(qū)域比例降低；四個(gè)時(shí)相分RSEI布圖中，建筑用地面積逐年增加，表明城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)區(qū)域向外擴(kuò)張，但近幾年同時(shí)加強(qiáng)城區(qū)綠化和裸地植被修復(fù)工作，使等級(jí)差和較差區(qū)域比例反倒減少。

為研究各年度間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化程度，對(duì)各年度RSEI指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算，根據(jù)結(jié)果分為變差、無變化、變好3個(gè)類別，面積變化情況見圖2和表3。從圖2可以看出2000～2007年因夏季降水偏少生態(tài)變差區(qū)域較多，2007～2014年和2014～2021年隨著植樹造林力度加強(qiáng)生態(tài)逐漸變好。整體來看2000～2021年生態(tài)變差區(qū)域主要為城市周邊新開發(fā)區(qū)域，主要因建成時(shí)間短，綠化力度不足導(dǎo)致；饒陽(yáng)、阜城南部因發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，溫室大棚較多，也使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)質(zhì)量變差；部分城區(qū)中心生態(tài)質(zhì)量變好，表明隨著城區(qū)綠化力度加強(qiáng)，城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了極大改善。

圖2 2000～2021年衡水市RSEI變化圖

四、結(jié)論

（1）RSEI生態(tài)指數(shù)模型能夠較好地反映衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間和時(shí)間變化，4個(gè)生態(tài)因子中主要影響因素為綠度（正反饋）和干度（負(fù)反饋）。

（2）衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水體總體處于較高水平，2007年因氣候原因略有下降，2014年后隨著園林城市建設(shè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了大幅提升。

（3）從空間格局上看，衡水市區(qū)域內(nèi)主要為農(nóng)業(yè)用地，生態(tài)質(zhì)量好的區(qū)域占比較高，生態(tài)質(zhì)量差區(qū)域主要為城市，其中城市周邊新建成區(qū)最差，城市中心隨著綠化力度加強(qiáng)生態(tài)質(zhì)量逐漸變好。