基于遙感和PSR模型的城市景觀生態(tài)安全評價——以福建省龍巖市為例

虞繼進，陳雪玲，陳紹杰

(1.江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，南京 210013;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，徐州 221116;3.龍巖學院資源工程學院，龍巖 364000)

0 引言

生態(tài)安全是指維護人類社會可持續(xù)發(fā)展所需的生態(tài)環(huán)境，由于自然因素和人類活動以及二者共同作用而產(chǎn)生的生態(tài)安全隱患，對人類生態(tài)安全空間暫未構(gòu)成破壞與威脅的狀態(tài)或演變趨勢的可能性[1－2]。城市生態(tài)安全是城市可持續(xù)發(fā)展的目標，也是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。城市化進程的快速推進引發(fā)了眾多生態(tài)環(huán)境問題，導致區(qū)域生態(tài)安全隱患日益彰顯。所以，如何有效并且快速定量評估城市化過程中的生態(tài)安全水平，已越來越受到研究者們的重視。龔建周等從空間和時間上評價了廣州市的生態(tài)安全，并在此基礎上研究了生態(tài)安全水平的空間分異與動態(tài)轉(zhuǎn)移特征[3－4];李中才等[5]以“壓力－狀態(tài)－響應(press－state－response，PSR)”模型為基礎，綜合應用生態(tài)足跡和能值理論評價了山東省長島縣生態(tài)安全的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;曹明蘭等[6]運用能值分析方法構(gòu)建了城市生態(tài)安全評價體系和指數(shù)，評價了唐山市生態(tài)安全水平。總體來看，現(xiàn)有的生態(tài)安全體系評價涉及了不同尺度，而中尺度的評價研究(如流域、區(qū)域)則是生態(tài)安全研究的核心。目前的研究結(jié)果在一定程度上能反映城市生態(tài)安全狀況，但所選擇的指標體系大多基于統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，忽略了城市快速發(fā)展所引發(fā)的城市熱島對城市生態(tài)安全的影響，對遙感影像中包含的各種信息和指標沒有深入挖掘。研究表明，城市生態(tài)安全所涉及的因素和尺度具有復雜性，需要結(jié)合典型城市的特點，構(gòu)建更全面、更能體現(xiàn)城市安全狀況的評價指標體系。

龍巖市是福建省經(jīng)濟高速發(fā)展的城市之一，近10 a的城市土地利用類型發(fā)生了巨大的變化，區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能面臨巨大的壓力。本文以龍巖市為例，基于PSR概念模型，構(gòu)建有效的景觀生態(tài)安全評價體系，結(jié)合多時相遙感數(shù)據(jù)和GIS技術，重點研究2001—2008年間龍巖市生態(tài)安全狀況，并通過區(qū)域間和年際間的縱橫向比較，揭示龍巖市景觀生態(tài)安全狀況變化及其規(guī)律。

1 景觀生態(tài)安全評價方法

1.1 景觀生態(tài)安全評價指標的構(gòu)建

景觀生態(tài)安全格局是由對控制生態(tài)過程有重要意義的景觀某些關鍵性局部、位置和空間聯(lián)系所構(gòu)成[7]。作為生態(tài)安全研究的一個切入點，在景觀生態(tài)安全形成和演變機制中，應用聯(lián)合國經(jīng)濟開發(fā)合作署(OECD)提出的PSR概念模型[8]，構(gòu)建了龍巖市景觀生態(tài)安全評價體系。該評價體系包含目標層、準則層及指標層3個層次，其中，準則層包括壓力層、狀態(tài)層及響應層。每個準則層包含若干個指標，選所的指標應盡量滿足可比性、可獲取性及可量化性等要求(表1)。

表1 景觀生態(tài)安全評價體系框架Tab.1 Index system of landscape ecological security assessment

1.1.1 景觀壓力層(B1)指標

人類活動和自然災害對自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成潛在壓力，促使景觀格局發(fā)生相應變化。城市用地擴張和人口迅速增長是龍巖市城市化過程中景觀生態(tài)安全所承受的主要壓力。因此，景觀生態(tài)系統(tǒng)安全受外界的干擾強度可用人口壓力和建筑用地指數(shù)表示。人口壓力的分布可理解為以城市區(qū)為面源壓力中心，隨著向外距離的增加逐級遞減，可通過遙感圖像的目視解譯獲取城市主城區(qū)范圍并做緩沖區(qū)分析得到;城市建筑用地在中紅外波段的反射率高于近紅外波段，因此可以用建筑用地指數(shù)(NDBI)來表征城市用地擴展狀況，其計算式為[9]

式中:ρMIR，ρNIR分別為中紅外波段和近紅外波段圖像像元的反射率或亮度值，這里分別代表 TM/ETM+5，4波段的像元亮度值。

1.1.2 景觀狀態(tài)層(B2)指標

從景觀活力、組分結(jié)構(gòu)和生態(tài)貢獻3個角度出發(fā)，選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)、生態(tài)彈性度(ECO)和生物豐度指數(shù)(BAI)來反映景觀生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。

1)歸一化植被指數(shù)(NDVI)。運用NDVI對研究區(qū)的植被覆蓋度和生長活力等進行定量評價，其計算式為[10]

式中:ρNIR和ρRed分別為近紅外波段和紅光波段圖像像元的反射率或亮度值，這里分別代表TM/ETM+4，3波段的像元亮度值。

2)生態(tài)彈性度(ECO)。ECO是指當生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)外擾動或壓力不超過其彈性限度時，系統(tǒng)在偏離原來狀態(tài)后可恢復到原有狀態(tài)的程度，用于表征生態(tài)系統(tǒng)緩沖與調(diào)節(jié)的能力[13]。將生態(tài)系統(tǒng)健康評價中提取ECO的方法用于景觀生態(tài)安全評價，計算式為[14]

式中:Si為第i類土地利用類型面積;Pi為第i類土地利用類型的彈性分值;n為土地利用類型數(shù)。

3)生物豐度指數(shù)(BAI)。BAI反映評價區(qū)域生物多樣性的豐貧程度(生物豐富質(zhì))，計算式為[11－12]

式中:Abio為歸一化系數(shù);Si為第i類土地利用類型面積;Pi為第i類土地利用類型的生物豐度權重;S為區(qū)域總面積;n為土地利用類型數(shù)。

1.1.3 景觀響應層(B3)指標

景觀響應是指景觀對當前環(huán)境壓力所產(chǎn)生的反映;或者人類感知區(qū)域生態(tài)安全問題受到影響后所采取的正向彌補措施。景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)能定量描述研究區(qū)景觀空間格局結(jié)構(gòu)組成和配置特征，表征為景觀破碎度、多樣性、分維數(shù)及脆弱度的線性組合，因而對區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究能揭示區(qū)域生態(tài)安全狀況[15－16]。城市熱環(huán)境是城市生態(tài)環(huán)境的重要指標，其空間分布特征是人類活動與城市景觀相互作用的結(jié)果[17－18]。將熱環(huán)境融入到景觀生態(tài)學理論中，對城市熱景觀時空過程進行研究，能夠間接反映城市景觀的生態(tài)安全狀況。

目前，城市熱環(huán)境研究大多注重的是溫度相對強弱的空間分布。因此，本研究運用地面輻射亮溫來研究龍巖市的熱環(huán)境。

利用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)反演地面輻射亮溫的公式[19]為

式中:T為輻射亮溫，K;L[19]為熱紅外波段的輻射強度，W·m－2·Sr－1·μm－1;K1，K2為校訂系數(shù)。對于 TM 遙感圖像，K1=607.776 mW·m－2·Sr－1·μm－1，K2=1 260 K;對于ETM+遙感圖像，K1=666.093 mW·m－2·Sr－1·μm－1，K2=1 283 K。

1.2 景觀生態(tài)安全評價指標權重的確定

景觀生態(tài)安全評價因子反映各個指標在評價體系中的相對重要性，影響整個生態(tài)安全的評價結(jié)果。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，采用層次分析－Delphi法確定評價因子的權重[20]。該方法獲取的指標權重客觀性強，準確度高。經(jīng)計算，各層的權重如表2所示;判斷矩陣目標層的隨機一致性比率為0.004 3(小于0.1)。

表2 景觀生態(tài)安全評價指標體系權重Tab.2 Weight of ecological security assessment index system

1.3 景觀生態(tài)安全評價指標的規(guī)范化

通過以上方法得到的指標因子評價值量綱不統(tǒng)一，不具有可比性，因此對原始數(shù)據(jù)指標因子進行規(guī)范化處理，使最終的標準量化值在(0～10)之間。

對于值越大，生態(tài)越安全的指標處理方式為

對于值越小，生態(tài)越安全的指標處理方式為

式中:Xi(i=1，2，…，n)為第 i個評價指標的原始值;Xmax為實測最大值;Xmin為實測最小值;Pi為標準化值。

1.4 景觀生態(tài)安全綜合評價指標的計算

景觀生態(tài)安全綜合評價指標通過各指標因子加權求和得到，評價模型為

式中:LESI為景觀生態(tài)安全評價指數(shù);xi為第i個評價因子的評價向量;wi為第i個評價因子的權重向量;n為評價指標的個數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)的實際情況，并結(jié)合國內(nèi)外景觀生態(tài)安全等級劃分方法，采用非等間距劃分，將景觀生態(tài)安全指數(shù)值和安全等級進行如表3所示的關聯(lián)。

表3 景觀生態(tài)安全評價指數(shù)分級標準Tab.3 Criterion of integrative index of landscape ecological security assessment

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

龍巖市新羅區(qū)位于 N24°47 ～25°35，E16°40 ～117°20之間(圖1)，處于福建省西南部。新羅區(qū)地處龍巖城市中心，全境東西寬約66 km，南北長約89 km，總面積約2 685.4 km2。地勢東高西低，北高南低，四周群山環(huán)抱，山巒疊嶂，九龍江上游的雁石溪、萬安溪二大支流匯成“丫”字形貫穿全區(qū)。隨著近幾年城市的快速發(fā)展，龍巖市新羅區(qū)已成為閩西政治、經(jīng)濟和文化中心。

圖1 研究區(qū)地理位置及其圖像覆蓋范圍Fig.1 Geographical location of Longyan city and remote sensing image of study area

2.2 數(shù)據(jù)源及其預處理

選擇2001年10月21日和2008年12月19日2期Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)進行研究。首先，采用ENVI軟件對圖像進行輻射校正，然后采用圖像對圖像的配準方式，以2001年圖像為基準，將2008年圖像與之配準。在圖像上均勻選取25個控制點，配準后誤差為0.49個像元。

2.3 龍巖市景觀生態(tài)安全評價結(jié)果

根據(jù)上述評價方法，以ENVI 4.7和ArcGIS 9.2為處理平臺，通過支持向量機分類方法將研究區(qū)土地利用類型分為林地、建設用地、水體、農(nóng)業(yè)用地及未利用土地5類景觀，分類精度為88%;利用FRASTATS軟件以及ArcGIS空間分析模塊得到龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)及等級圖(圖2，3)。

圖2 龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of landscape ecological security index in Longyan city

圖3 龍巖市景觀生態(tài)安全等級Fig.3 Level of landscape ecological security index in Longyan city

2.3.1 龍巖市景觀類型生態(tài)安全評價

將2個時期土地利用分類圖分別和同期的景觀生態(tài)安全評價圖像疊加，統(tǒng)計2001，2008年各景觀類型的生態(tài)安全均值(圖4)。

圖4 龍巖市景觀類型生態(tài)安全均值折線圖Fig.4 Security mean line chart of landscape types ecological security in Longyan city

從圖4可以看出:

2001年林地和水體處于生態(tài)安全等級;建筑用地、農(nóng)業(yè)用地值介于4.5～5之間，處于安全臨界狀態(tài);未利用土地存在一定的生態(tài)安全隱患。2008年林地、水體生態(tài)安全均值各為6.97和5.52，而農(nóng)業(yè)用地成為所有景觀類型中安全水平最低的類型。

在近10 a期間，除了水體生態(tài)安全水平有所上升外，其他景觀類型安全值均有所下降，其中林地景觀下降的幅度最大。其主要原因是在龍巖市城市化進程中，城市建筑用地面積不斷擴張，侵占城市綠地及周邊的耕地，再加上公路網(wǎng)對林地景觀的切割，使得林地、農(nóng)業(yè)用地安全水平下降。由于建筑用地增多，城市植被相對減少，建筑用地的生態(tài)安全也隨之下降。另一方面，龍巖市水體景觀處于臨界安全等級，總水平有小幅度提高，可見這期間龍巖市水體治理的效果有初步顯現(xiàn)，但也不容樂觀。

2.3.2 龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)分析

對龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)空間分布(圖2)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2001年龍巖市景觀生態(tài)安全平均值為7.27，處于較高的安全水平;2008年平均值為6.65，處于中等安全水平。該結(jié)果反映龍巖市景觀生態(tài)安全尚處于安全的狀態(tài)，但是整體水平有小幅度的下降。

對2個時期各自的生態(tài)安全等級(圖3)進行統(tǒng)計，得到圖5。

圖5 景觀生態(tài)安全等級百分比變化圖Fig.5 Raking percentage of landscape ecological security assessment

從圖5可以看出:

1)在2個時期的各自安全等級中，“安全”等級所占的比例最大，超過研究區(qū)總面積的50%。結(jié)合圖2分析，安全區(qū)域?qū)鞘型鈬拇笃值亍Ｕf明龍巖市所具有的較高森林覆蓋度對整個區(qū)域的生態(tài)安全貢獻度最大。

2)在生態(tài)安全等級中，“病態(tài)”和“很安全”等級所占比例較小。結(jié)合圖2分析，認為“很安全”等級變化的幅度最大，減少了7.74%，減少的部分主要對應城市區(qū)域附近的林地。

3)2001—2008年間，生態(tài)安全等級中“病態(tài)”、“不安全”及“臨界”的權重都有上升，分別為0.56%，4.37% 和 5.31%。2001 年生態(tài)安全等級“安全”的區(qū)域大部分轉(zhuǎn)化“臨界”狀態(tài)，對應著城市的建筑用地區(qū)域。

為了從宏觀角度分析龍巖市景觀生態(tài)安全變化狀況，繪制了景觀生態(tài)安全變化曲線圖(圖6)。

圖6 龍巖市景觀生態(tài)安全變化曲線Fig.6 Change cures of landscape ecological security in Longyan city

圖中2條曲線的2個大波峰大致位于生態(tài)安全值7.5～8.5之間，且2008年的波峰明顯下降，表明生態(tài)安全有向低值方向移動的趨勢。同時，在生態(tài)安全值4～6區(qū)間也出現(xiàn)了2小波峰，其中2008年的波峰明顯高于2001年的，這說明2001年和2008年龍巖市大部分區(qū)域生態(tài)安全水平較高，但是到了2008年，景觀生態(tài)安全度有所下降。同時存在相當一部分的區(qū)域生態(tài)安全綜合值徘徊于5左右，瀕臨“臨界安全值”等級。結(jié)合圖2可知，龍巖市生態(tài)安全等級較高區(qū)域主要集中在離建成區(qū)較遠、受人類干擾較小的江山鄉(xiāng)區(qū)。以天馬山、登高公園為中心的龍巖市新羅區(qū)主城區(qū)域為藍色，屬于臨界安全狀態(tài)，其中小部分為紫色，表明生態(tài)安全等級已向生態(tài)惡化轉(zhuǎn)變，提醒相關部門應給予重視。

3 結(jié)論

本文根據(jù)“壓力－狀態(tài)－響應(press－stateresponse，PSR)”生態(tài)安全評價模型，從景觀尺度對龍巖市生態(tài)安全狀況進行了評價和分析，其結(jié)果客觀反映了該研究區(qū)的生態(tài)安全狀況，為相關部門提供了生態(tài)安全預警信息，以維護城市的生態(tài)環(huán)境，減少城市擴展對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響。研究結(jié)果表明:

1)2001年和2008年龍巖市景觀生態(tài)安全度均值分別為7.27和6.65，都處于“安全”等級，但景觀壓力指數(shù)的增大和生態(tài)狀態(tài)指數(shù)的下降，導致龍巖市景觀生態(tài)安全水平呈下降趨勢。所以，今后在龍巖市城市發(fā)展規(guī)劃建設中，應重點保護城市周邊的林地，逐步減輕生態(tài)環(huán)境壓力。具體體現(xiàn)在對生態(tài)安全度較低的城市中心區(qū)域要重點優(yōu)化，對生態(tài)安全度較高的江山鄉(xiāng)區(qū)域要重點保護，最終實現(xiàn)整個龍巖市生態(tài)環(huán)境的健康、安全發(fā)展。

2)城市生態(tài)安全評價涉及的因素和尺度具有復雜性，而指標的選取、權重賦值是生態(tài)安全評價的核心內(nèi)容。

本文所構(gòu)建的評價模型能夠客觀反映出研究區(qū)的生態(tài)安全狀況，但指標權重的確定受專家經(jīng)驗知識影響，存在一定的主觀性。因此，指標的選取和賦權值問題在今后工作中仍需要進一步研究。

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