基于遙感技術(shù)的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
——以鹽城沿海地區(qū)為例

牛志春，侍昊，李旭文，王甜甜，張悅

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

·環(huán)境預(yù)警·

基于遙感技術(shù)的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
——以鹽城沿海地區(qū)為例

牛志春，侍昊，李旭文，王甜甜，張悅

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

從生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)管需求出發(fā)，利用遙感技術(shù)建立生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)測(cè)方法，并采用生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成及變化、生態(tài)景觀平均斑塊面積變化和NDVI植被指數(shù)變化3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)江蘇省鹽城沿海地區(qū)2012—2013年各類型生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，水源水質(zhì)保護(hù)和生物多樣性保護(hù)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)相對(duì)較高；桑蠶品種多樣性保護(hù)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)類型占比較低，生態(tài)景觀較為破碎，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)相對(duì)較低；大部分生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持穩(wěn)定。

遙感；生態(tài)保護(hù)紅線；鹽城；沿海地區(qū)；監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

生態(tài)保護(hù)紅線是指依法在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)劃定的嚴(yán)格管控邊界，是國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全的底線[1]。劃定生態(tài)保護(hù)紅線是生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵舉措，是維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的需要，是保障人民群眾健康的基石[2-3]。

生態(tài)保護(hù)紅線劃定后需要制定并實(shí)施有效的管控措施，嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域[4]。已劃定的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域管控應(yīng)滿足性質(zhì)不轉(zhuǎn)換、功能不降低、面積不減少的要求，即生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)內(nèi)的自然生態(tài)用地不可轉(zhuǎn)換為非生態(tài)用地，生態(tài)保護(hù)的主體對(duì)象保持相對(duì)穩(wěn)定；自然生態(tài)系統(tǒng)功能能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮，退化的生態(tài)系統(tǒng)功能得到不斷改善；生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)邊界保持相對(duì)固定，區(qū)域面積規(guī)模不可隨意減少[5-6]。針對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域管控要求，遙感技術(shù)所特有的宏觀、快捷、動(dòng)態(tài)、連續(xù)等技術(shù)特點(diǎn)，能夠成為生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)管的“天眼”[7]，能夠?yàn)樯鷳B(tài)保護(hù)紅線區(qū)域監(jiān)管提供最直觀、最客觀、最宏觀、最準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

鹽城沿海地區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域涉及響水縣、濱?？h、射陽(yáng)縣、大豐區(qū)和東臺(tái)市，總面積達(dá)2 853.8 km2，區(qū)域內(nèi)有鹽城濕地珍禽國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，主要生態(tài)功能類型包括洪水調(diào)蓄、水源水質(zhì)保護(hù)、桑蠶品種多樣性保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、自然與人文景觀保護(hù)、濕地生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)、河流生態(tài)維護(hù)及其他類型等(圖1)[8]。

圖1 研究區(qū)生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)域分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域生態(tài)空間變化監(jiān)管需要滿足遙感數(shù)據(jù)易獲取、重訪時(shí)間短、覆蓋范圍廣、空間分辨率相對(duì)較高等要求。鹽城沿海地區(qū)土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度較高，生態(tài)景觀格局較為破碎，因此對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)以較高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為主。選用2012—2013年國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)類型變化及生態(tài)景觀平均斑塊面積變化開(kāi)展監(jiān)測(cè)分析；選用2012—2013年美國(guó)EOS/MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的NDVI標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品開(kāi)展生態(tài)質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)。表1為國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)參數(shù)[7]。

表1 國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)參數(shù)

2.2 研究方法

利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)類型占比變化、生態(tài)景觀平均斑塊面積變化及NDVI植被指數(shù)變化進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況變化，為生態(tài)紅線區(qū)域監(jiān)管提供參考。

2.2.1 生態(tài)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)面積占比

自然生態(tài)系統(tǒng)所占比例對(duì)于保持生物多樣性、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康、維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[10]、保證生態(tài)紅線區(qū)域可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。利用自然生態(tài)系統(tǒng)面積總和占生態(tài)紅線區(qū)域面積的比例，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)的占比情況，自然占比越高說(shuō)明區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)起主導(dǎo)效果越大。自然生態(tài)系統(tǒng)年度變化情況可以表征生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)保護(hù)成效，其公式如下：

式中：P——生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)面積占比；S——生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)面積，km2；TS——生態(tài)紅線區(qū)域總面積，km2。

2.2.2 生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)景觀平均斑塊面積

在監(jiān)測(cè)自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步研究人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)景觀的完整性和穩(wěn)定性的影響，采用生態(tài)景觀指數(shù)中的平均斑塊面積來(lái)衡量生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)景觀總體完整性和破碎化程度[11]。由于景觀指數(shù)隨空間幅度和粒度的變化而變化[12]，具有尺度效應(yīng)，文中主要利用資源三號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同生態(tài)功能類型的生態(tài)紅線區(qū)域進(jìn)行地域上的橫向比較，平均斑塊面積越大代表景觀越完整，破碎化程度越低，其公式如下：

式中：MPS——生態(tài)紅線區(qū)域平均斑塊面積，km2；A——生態(tài)紅線區(qū)域總面積，km2；N——斑塊數(shù)量[12]。2.2.3 生態(tài)紅線區(qū)域NDVI植被指數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及服務(wù)功能變化選取生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)變化進(jìn)行表征，該指標(biāo)是指評(píng)價(jià)區(qū)域植被近紅外波段的反射率與紅光波段的反射率之差與兩者之和的比值[13]，選取5—9月份植被生長(zhǎng)季美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官方發(fā)布的MODIS/NDVI 16 d合成產(chǎn)品的平均最大值進(jìn)行評(píng)價(jià)。該指標(biāo)用于反映生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)植被覆蓋程度和植被生長(zhǎng)狀況，植被指數(shù)越高表明區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中植被覆蓋程度越高，生長(zhǎng)狀況越好，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量越高，生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)，其公式如下：

2.2.4 生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況遙感綜合評(píng)估

利用生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)面積比例、生長(zhǎng)季自然生態(tài)系統(tǒng)植被的多年NDVI指數(shù)均值和自然生態(tài)系統(tǒng)平均斑塊面積3個(gè)生態(tài)指標(biāo)構(gòu)建紅線區(qū)域綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(EQI)。將3個(gè)指標(biāo)采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法歸一到0～100后，采用專家咨詢和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法確定各指標(biāo)權(quán)重，利用構(gòu)建的指標(biāo)體系對(duì)生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)分析，EQI值越高，表明生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境總體狀況越好，植被覆蓋度高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，其公式如下：

式中：X歸一化——?dú)w一化后的指標(biāo)值；max、min——樣本數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)選取的2012—2013年資源三號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何糾正、圖像融合等預(yù)處理，利用面向?qū)ο蠓诸惙ㄌ崛「魍恋乩妙愋蛯ｎ}信息，建立影像分割尺度[14]，提取土地利用類型信息。

大氣校正是利用輻射傳輸模型計(jì)算出氣體分子、水蒸氣、氣溶膠等大氣成分的吸收與散射的影響，進(jìn)而恢復(fù)地物原來(lái)的光譜性質(zhì)的過(guò)程。通過(guò)影像配準(zhǔn)將多圖像的同名影像通過(guò)幾何變換實(shí)現(xiàn)重疊，即實(shí)現(xiàn)影像與影像間地理坐標(biāo)及像元空間分辨率上的統(tǒng)一。將配準(zhǔn)后的多波段影像與全波段影像進(jìn)行像元級(jí)融合，突出專題信息，提升分類信息識(shí)別的可靠性。專題信息提取采取面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǎㄟ^(guò)設(shè)定分割尺度對(duì)遙感圖像進(jìn)行分割，其中，分割尺度根據(jù)遙感影像空間分辨率不同分別設(shè)定，繼而提取分割單元的各種特征，并在特征空間中進(jìn)行對(duì)象識(shí)別和標(biāo)識(shí)，從而最終完成分類。統(tǒng)計(jì)分析各生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)，進(jìn)一步分析生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)空間變化情況和生態(tài)景觀格局變化情況等。生態(tài)紅線區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

圖2 生態(tài)紅線區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)類型占比變化

2013年，鹽城沿海地區(qū)生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)森林、灌叢、草地、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)類型面積總計(jì)為1 681.4 km2，占生態(tài)紅線區(qū)域總面積的58.9%，其中水源水質(zhì)保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、自然與人文景觀保護(hù)及洪水調(diào)蓄等區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)面積占比較高，桑蠶品種多樣性保護(hù)及河流生態(tài)維護(hù)等區(qū)域占比較低。從2012—2013年比較來(lái)看，鹽城沿海地區(qū)生態(tài)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)面積占比總體無(wú)明顯變化。從各類型變化來(lái)看，生物多樣性保護(hù)生態(tài)紅線區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積稍有減少，減少了5.2 km2；濕地生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)生態(tài)紅線區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積略有增加，增加了1.6 km2(表2)。

表2 2012—2013年鹽城沿海地區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)占比變化

續(xù)表

3.2 研究區(qū)域生態(tài)景觀平均斑塊面積變化

2013年，鹽城沿海地區(qū)各類型生態(tài)紅線區(qū)域平均斑塊面積為0.005 0 ～0.428 7 km2。其中水源水質(zhì)保護(hù)生態(tài)紅線區(qū)平均斑塊面積最大生態(tài)格局相對(duì)穩(wěn)定，平均斑塊面積為0.428 7 km2，其次為生物多樣性保護(hù)生態(tài)紅線區(qū)，平均斑塊面積為0.178 km2，桑蠶品種多樣性保護(hù)生態(tài)紅線區(qū)和河流生態(tài)維護(hù)生態(tài)紅線區(qū)平均斑塊面積較低，生態(tài)格局較為脆弱。2012—2013年，鹽城沿海地區(qū)生態(tài)景觀指標(biāo)總體無(wú)明顯變化，但洪水調(diào)蓄和生物多樣性保護(hù)區(qū)域生態(tài)景觀穩(wěn)定性略有下降，濕地生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)、河流生態(tài)維護(hù)等生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)景觀穩(wěn)定性略有上升(表3)。

表3 2012—2013年鹽城沿海地區(qū)生態(tài)紅線區(qū)域 平均斑塊面積變化 km2

3.3 研究區(qū)域NDVI植被指數(shù)變化

2013年鹽城沿海地區(qū)各類型生態(tài)紅線區(qū)域NDVI均值在0.51～0.85之間，自然與人文景觀保護(hù)區(qū)域和河流生態(tài)維護(hù)區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)以森林為主，植被覆蓋率相對(duì)較高，生態(tài)質(zhì)量較好；生物多樣性保護(hù)區(qū)域主要以濕地為主，優(yōu)勢(shì)種群為堿蓬、互花米草等草生植被，NDVI均值相對(duì)較低。2012—2013年，生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)明顯變化，NDVI均值略微有所下降，下降幅值為0.01～0.03(表4)。

表4 2012—2013年鹽城沿海地區(qū)生態(tài) 紅線區(qū)域NDVI變化

3.4 研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況綜合變化

利用自然生態(tài)系統(tǒng)類型占比、平均斑塊面積及NDVI均值歸一化后綜合評(píng)估鹽城沿海地區(qū)生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況(圖3)。

圖3 2012—2013年鹽城沿海地區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線 區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合變化

從評(píng)價(jià)結(jié)果看，2013年鹽城沿海地區(qū)水源水質(zhì)保護(hù)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)相對(duì)較高，生物多樣性保護(hù)紅線區(qū)域次之，桑蠶品種多樣性保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)最低。這主要是由于該區(qū)域以農(nóng)田、農(nóng)村居民用地為主，森林、灌叢、草地及濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)占比最低，且農(nóng)村居民用地交錯(cuò)分布在農(nóng)田中，平均斑塊面積較低，生態(tài)景觀較為破碎，生態(tài)服務(wù)功能較低。從2012—2013年變化來(lái)看，大部分生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持穩(wěn)定，但生物多樣性保護(hù)紅線區(qū)域與河流生態(tài)維護(hù)紅線區(qū)域指標(biāo)都略微有所下降，生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量總體略有下降。

4 結(jié)語(yǔ)

以江蘇省鹽城沿海地區(qū)為研究區(qū)，研究了生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，包括多源遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、面向?qū)ο蟮倪b感解譯技術(shù)方法、生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等。分析評(píng)價(jià)了2012—2013年鹽城沿海地區(qū)不同類型生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型、生態(tài)系統(tǒng)平均斑塊面積及生態(tài)系統(tǒng)植被指數(shù)變化情況，綜合評(píng)估了生態(tài)紅線區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體變化情況，監(jiān)測(cè)及評(píng)估結(jié)果可以為生態(tài)紅線區(qū)域監(jiān)管提供有效的技術(shù)手段。

[1] 環(huán)境保護(hù)部.生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南(環(huán)發(fā)[2015]56號(hào))[EB/OL].(2015-04-30)[2015-05-08].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201505/t20150518_301834.htm.

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Remote Sensing Monitoring of Ecological Red Lines in Yancheng Coastal Region of Jiangsu Province

NIU Zhi-chun，SHI Hao，LI Xu-wen，WANG Tian-tian，ZHANG Yue

(JiangsuEnvironmentalMonitoringCenter，Nanjing，Jiangsu210036，China)

From the ecological protection requirements， this paper attempted to use the remote sensing technology to establish the monitoring method and the three evaluation index(the composition and change of ecosystem in the region of ecological red line， the change of average patch area of ecological landscape and the change of NDVI). The change of the ecological environment in different types of ecological red lines region was evaluated from 2012 to 2013 in Yancheng coastal region of Jiangsu Province. The result shows that the ecological environmental quality remains stable and the ecological quality index is not significant changed in the ecological red lines area.

Remote sensing；Ecological red lines；Yancheng；Coastal region；Monitor with evaluation

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.02.002

2016-12-06；

2017-01-24

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金資助項(xiàng)目(1315)

牛志春(1977—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究工作。

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1674-6732(2017)02-0006-04