基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數(shù)研究

鄧瑜兵，李德平，易 敏，李 毅

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院GIS研究中心，湖南 長沙 410081；2.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410004；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128）

基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數(shù)研究

鄧瑜兵1，李德平1，易 敏2，李 毅3

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院GIS研究中心，湖南 長沙 410081；2.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410004；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128）

利用Landsat5 TM遙感影像對湖南省2011年的地表覆蓋信息進(jìn)行提取，計算出2011年湖南省的生物豐度歸一化系數(shù)及各地州市的生物豐度指數(shù)，繪制2011年湖南省的生物豐度指數(shù)分縣分布圖，反映湖南省不同區(qū)域的生物豐度指數(shù)的差異，為湖南省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供數(shù)據(jù)支持。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價；生物豐度指數(shù)；歸一化系數(shù)

2006年國家環(huán)?？偩种贫ǖ摹渡鷳B(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》（試行）（HJ/T192-2006）（以下簡稱《規(guī)范》）中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價因子選定為生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。生物豐度指數(shù)是權(quán)重值最大的指標(biāo)，對區(qū)域的生物豐度指數(shù)進(jìn)行評價是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的重要一環(huán)。由于區(qū)域之間土地利用方式的多樣性與差異性，生物豐度指數(shù)存在較大的差異，為了統(tǒng)一尺度，引入生物豐度歸一化系數(shù)對不同區(qū)域的生物豐度指數(shù)進(jìn)行無量綱化處理[1]?！兑?guī)范》為地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供了一個科學(xué)的定量計算模型，用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的值（IE）來定量評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量能夠直觀具體地反映研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計算用了9個歸一化系數(shù)來對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，而《規(guī)范》并沒有提供相應(yīng)的數(shù)值[1]。《規(guī)范》對歸一化系數(shù)進(jìn)行了簡單的描述：歸一化系數(shù)=100 / A最大值，A最大值是指某組數(shù)據(jù)在進(jìn)行歸一化處理時的最大值。各歸一化系數(shù)是因尺度而異的系數(shù)，正確計算歸一化系數(shù)是客觀科學(xué)地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的首要問題[2]。

對生物豐度歸一化系數(shù)和生物豐度指數(shù)的研究大多包含在區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價研究中[3-10]。本研究利用Landsat5 TM數(shù)據(jù)、全國生態(tài)環(huán)境10 a（2000～2010）變化遙感調(diào)查與評估項目數(shù)據(jù)對湖南省生物豐度歸一化系數(shù)及指數(shù)進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的定量計算，對湖南省縣級行政單元的生物豐度指數(shù)的時空分布規(guī)律進(jìn)行科學(xué)總結(jié)，為湖南省生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

湖南省位于中國東南部的長江中游地區(qū)，東接江西，西臨重慶、貴州，南毗廣東、廣西，北與湖北相連。土地面積21．18萬km2，面積居全國第十位。屬大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，光、熱、水資源豐富，全省東、西、南三面山地環(huán)繞，逐漸向中部及東北部傾斜，形成向東北開口不對稱的馬蹄型地貌形態(tài)，全省地形以山地和丘陵地貌為主，合占總面積的66．62%。以山地丘陵為主以及降水豐富的氣候使湖南省生態(tài)環(huán)境具有一定的脆弱性，水土流失等生態(tài)環(huán)境問題比較突出。因此，正確計算湖南省生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)，把握湖南省生物豐度指數(shù)，從而對湖南省內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行客觀科學(xué)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價是正確把握湖南省生態(tài)脈搏、維持生態(tài)平衡必須要解決的問題。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

矢量數(shù)據(jù)大都從“全國生態(tài)環(huán)境10 a（2000～2010）變化遙感調(diào)查與評估項目”中整理得到，部分缺失的縣級行政單元土地利用數(shù)據(jù)則采用基于像元的監(jiān)督分類與基于人工目視的手段獲取。土地利用分類采用中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫的土地利用分類系統(tǒng)所建立的兩級土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，共分6個一級類型、25個二級類型[1]。在此分類基礎(chǔ)上對湖南省省級生物豐度指數(shù)進(jìn)行計算，并對縣級評價單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。這樣既能避免采用其他土地利用分類系統(tǒng)造成的解譯效率與解譯精度不高的問題，也方便生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計算，有利于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價工作的進(jìn)行。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括遙感影像處理和地面信息的提取，主要利用Erdas9．2及ArcGIS10．0實現(xiàn)對地面信息的初步獲取和精度校正，再通過數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算與分析[11-12]。

3 生態(tài)環(huán)境結(jié)果分析

3.1 湖南省生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)分析

通過對湖南省122個縣級行政單位的生物豐度指數(shù)進(jìn)行計算，得出湖南省生物豐度指數(shù)分縣統(tǒng)計表（表1）。經(jīng)計算得出，邵陽市的城步縣是2011年湖南省生物豐度指數(shù)最高的縣，故可由公式：歸一化系數(shù) = 100 / A最大值計算出湖南省2011年生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)為560．818 87。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價必然會涉及到尺度的問題，通過計算得出的湖南省2011年生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)能較為客觀地導(dǎo)出湖南省內(nèi)縣級行政單位的生物豐度指數(shù)，為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供數(shù)據(jù)支持。

放大尺度來對比全國的生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)，湖南省的生物豐度指數(shù)略大于全國的400．62。如果通過全國的歸一化指數(shù)進(jìn)行計算，則湖南省縣級行政區(qū)中最大的生物豐度指數(shù)值是城步縣的71．434 8，最小值為芙蓉區(qū)的8．98。如果不進(jìn)行無量綱化處理，則不僅不利于縣級行政區(qū)之間的對比，還會由于尺度的不同影響評價工作的準(zhǔn)確性，如果用更小行政單位的生物豐度進(jìn)行計算則可能出現(xiàn)大于100的情況，影響評價工作的進(jìn)行[2]。

3.2 湖南省生物豐度指數(shù)分析

生物豐度指數(shù)通過單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，間接地反映被評價區(qū)域內(nèi)生物豐度的豐貧程度。參考國家環(huán)保總局提出的生態(tài)環(huán)境狀況分級表，并根據(jù)湖南省區(qū)域內(nèi)部的生物豐度指數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)修正，可將湖南省122個縣級行政區(qū)的生物豐度指數(shù)分為5個等級（表2）。

表2 湖南省生物豐度指數(shù)狀況分級

從整體上看，分級表中處于良和優(yōu)的縣級行政單位達(dá)到了77個，占到總數(shù)的63．1%（圖1），總面積在整個省域內(nèi)也處于絕對優(yōu)勢。這表明在湖南省范圍內(nèi)，生物豐度指數(shù)等級處于良和優(yōu)的占到了大多數(shù)，生物豐度狀況處于一個相對穩(wěn)定且良好的水平。

圖1 湖南省2011年生物豐度等級圖

3.2.1 湖南省生物豐度指數(shù)的空間差異

通過生物豐度指數(shù)的計算和可視化表達(dá)（圖2）可以看出，2011年湖南省生物豐度指數(shù)在整體良好的情況下呈現(xiàn)較為明顯的區(qū)域特征。

圖2 湖南省2011年生物豐度指數(shù)分縣分級圖（審圖號：湘S（2004）04號）

1）整體呈現(xiàn)南高北低、西高東低的分布特征。湖南省生物豐度指數(shù)分布的特點與地形有著密切關(guān)系。從計算方法上看，影響生物豐度指數(shù)值大小的因子主要有林地面積、草地面積和水域濕地面積。湖南省地表植被以地帶性的常綠闊葉林為主，缺少草地，所以草地面積在整個生物豐度指數(shù)的計算中影響十分有限。水域濕地的二級指標(biāo)中，灘涂用地的權(quán)重達(dá)到了0．6，而這一地類在湖南省的分布也十分有限。所以對湖南省的生物豐度指數(shù)起決定性作用的便是林地的面積，特別是有林地的面積。

湖南省地形呈西高東低、南高北低的特點。南部有南嶺，西部有雪峰山和武陵山，北部和中東部以平原和低山丘陵為主。與地形相對應(yīng)的便是不同的地表覆蓋。山地地表覆蓋以林地為主，處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的湖南省以地帶性的亞熱帶常綠闊葉林為主，故而生物豐度指數(shù)相對較大。北部和中部地區(qū)由于以平原和低山丘陵為主，地表植被覆蓋較低，故而生物豐度指數(shù)較低。

2）局部呈現(xiàn)散點塌陷分布的特征。塌陷點主要分布在長株潭城市群和經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的縣級行政單位。由于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，建設(shè)用地占整個用地類型的比重較大，而在生物豐度指數(shù)的計算中建筑用地的權(quán)重僅有0．04，很難對生物豐度的大小產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，故造成經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)生物豐度指數(shù)呈現(xiàn)塌陷的特點。

3.2.2 湖南省生物豐度指數(shù)的時間差異

根據(jù)《規(guī)范》計算出湖南省2005年分縣生物豐度指數(shù)，通過與2011年的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究湖南省生物豐度指數(shù)的時間變化規(guī)律（表3）。

表3 2005～2011年湖南省生物豐度指數(shù)分縣變化表

從表3可以看出，湖南省縣級行政區(qū)生物豐度指數(shù)變化最大的為赫山區(qū)，增長了3．594 2。變化幅度在2以上的有13個縣級行政區(qū)，整體上無論從位次還是生物豐度指數(shù)的數(shù)值都維持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。華容縣、靖州縣、南縣、南岳區(qū)等縣級行政區(qū)在省內(nèi)屬于生物豐度指數(shù)下降較快的地區(qū)，建設(shè)用地和耕地侵占林地導(dǎo)致林地面積銳減是生物豐度指數(shù)下降的主要原因。采取措施保護(hù)現(xiàn)有林地并擴(kuò)大林地面積、保護(hù)區(qū)域內(nèi)的生物多樣性成為這些縣市今后生態(tài)工作的主要方向。

4 結(jié) 語

通過對湖南省2011年生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)的計算，為客觀準(zhǔn)確計算湖南省的生物豐度指數(shù)提供了信息支持，為清晰了解湖南省的生物多樣性現(xiàn)狀及時空規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支持。經(jīng)研究可以得出如下結(jié)論：

1）湖南省生物豐度指數(shù)整體較高，生物多樣性處于一個良好并且動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2）在空間上，南部和西部地區(qū)生物多樣性較為豐富，而東部和北部生物多樣性較為單一，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的生物多樣性較為單一，經(jīng)濟(jì)相對落后地區(qū)的生物多樣性較為豐富。

3）利用RS和GIS技術(shù)對湖南省生物豐度歸一化系數(shù)進(jìn)行計算，快速準(zhǔn)確地計算出湖南省122個縣級行政單元的生物豐度指數(shù)。實踐證明，基于RS的生物豐度歸一化系數(shù)及指數(shù)的更新，能有效利用RS技術(shù)快速準(zhǔn)確獲取地面信息，減少地面調(diào)查的人力、物力投入，提高生物豐度指數(shù)獲取的效率及精度，結(jié)合現(xiàn)勢性強(qiáng)的遙感數(shù)據(jù)更能實現(xiàn)生物豐度指數(shù)的快速更新。應(yīng)用更合適的RS數(shù)據(jù)參與生態(tài)環(huán)境的評價成為生態(tài)工作不可或缺的一環(huán)。

本文利用RS和GIS可視化相結(jié)合的方法，提出了一種快速更新省級生物豐度指數(shù)的工作思路。然而，由于研究區(qū)域的復(fù)雜性，針對湖南省實際生物豐度指數(shù)計算模型的修正十分有限，加之人工目視解譯精度的可控性也可能存在不足。因此，如何改進(jìn)湖南省的生物豐度指數(shù)計算模型，應(yīng)用更為精確的地面信息對生物豐度指數(shù)進(jìn)行計算，以及如何選取精確化因子對生物豐度指數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證等，還有待于進(jìn)一步思考與論證。

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P237

B

1672-4623（2016）12-0048-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.016

鄧瑜兵，碩士研究生，研究方向為GIS應(yīng)用。

2015-09-11。

項目來源：全國生態(tài)環(huán)境十年（2000～2010）變化遙感調(diào)查與評估項目（STSN-05-18）；湖南省普通高等學(xué)校重點實驗室開放基金資助項目（09K020）。