渭源縣近10年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)

王曄立 朱燕麗 王小鵬 焦金魚

摘 要：該文分別從2008年的陸地星5號和2018年的陸地星8號遙感數(shù)據(jù)中提取了反映自然生態(tài)環(huán)境因素的數(shù)據(jù)，在Envi5.3和Arcgis10.4的支持下，建立了渭源縣2008—2018年10年自然生態(tài)環(huán)境變化評價(jià)的模型，評價(jià)了渭源縣2008—2018年近10年的自然生態(tài)環(huán)境變化。

關(guān)鍵詞：自然生態(tài)環(huán)境;植被指數(shù);土壤指數(shù);渭源縣

中圖分類號 X826 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2018）24-0100-3

1 研究區(qū)概況

渭源縣地處黃土丘陵溝壑區(qū)與西秦嶺山脈的交匯地帶，是渭河的發(fā)源地，素有“中國馬鈴薯良種之鄉(xiāng)、中國黨參之鄉(xiāng)”之稱。位于甘肅省中部，定西市西南部，縣域面積2065km2，總?cè)丝?4.5萬人，其中農(nóng)業(yè)人口32.2萬人，海拔在1930～3941m，年平均降水量507mm，平均氣溫6.1℃，無霜期157d。地形破碎、溝深坡陡，土壤貧瘠、植被稀少。根據(jù)地形、氣候、降雨量等特點(diǎn)，全縣分為北部黃土梁峁溝壑干旱區(qū)、中部淺山河谷川（塬）區(qū)、南部高寒陰濕區(qū)3種類型。縣內(nèi)漢、回、藏、滿等多民族和諧雜居[2]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 研究采用的遙感圖像從地理空間數(shù)據(jù)云Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品Landsat4-5 TM衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品下載，30m分辨率DEM數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云GDEMV2 30M數(shù)字高程數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn）下載獲得。

2.2 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程包括幾何校正（地理定位、幾何精校正、圖像配準(zhǔn)、正射校正等）、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪、去云及陰影處理和大氣校正等幾個環(huán)節(jié)。由于整景數(shù)據(jù)范圍比較大，所以在做大氣校正前，先將渭源縣區(qū)域裁剪出來。這個過程使用ENVI中的快速大氣校正工具完成，這個工具的大氣校正結(jié)果一般是基于物理模型精度的±15%。

利用Envi5.3軟件，F(xiàn)ile-> Open As-> Landsat-> GeoTIFF with Metadata，打開MTL.txt，運(yùn)用Toolbox/Radiometric Correction/ Radiometric Calibration，進(jìn)行大氣校正。

通過比較大氣校正前后的圖像（圖1），曲線發(fā)生了較大的變化，校正前波長小于0.5的區(qū)間有上升的趨勢，校正后波長小于0.5的區(qū)間有下降的趨勢，說明大氣校正對圖像的影響較大。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度[1-6] 在Envi5.3軟件下及靈活應(yīng)用Bandmath工具，以NDVI值為參數(shù)，運(yùn)用基于像元二分模型設(shè)計(jì)的植被覆蓋度遙感估算方法技術(shù)路線簡單、可操作性強(qiáng)，也適用于不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)。利用Envi5.3軟件，Toolbox/Bandmath，選擇MTL.txt，利用公式：

既使同一景影像，對于NDVIsoil和NDVIveg不能取固定值，2個值會隨土壤類型和植被覆蓋類型的變化而變化;生成MTL.txt的NDVI，利用計(jì)算統(tǒng)計(jì)生成不同覆蓋類型對應(yīng)的最大值和最小值，一般取5%～95%的區(qū)間值，本研究取NDVImax為0.75，NDVImin為0.25。

利用Envi5.3軟件，Toolbox/Bandmath，輸入公式：

本研究取NDVImax為0.75，NDVImin為0.25，其中b1為MTL.txt的NDVI。

利用ENVI5.3軟件，Layer Manager-> Raster->Color->Slice進(jìn)行植被覆蓋度分級。

3.1.1 土壤指數(shù)[1，3-6] 土壤指數(shù)裸土植被指數(shù)，利用Envi5.3軟件，Toolbox/Bandmath，輸入公式

GRABS=B1-0.09178 B2+5.58959? （4）

B1和B2分別為穗帽變換的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。

Envi5.3軟件，執(zhí)行Terrain->DEMExtraction->Extractiondem->Slope。

利用Envi5.3，Layer Manager-> Raster->Color->Slice進(jìn)行土壤指數(shù)覆蓋度分級。

3.1.2 坡度 在ArcGIS10.4軟件中，利用地形分析--TIN及DEM的生成，TIN的顯示中得到的DEM數(shù)據(jù)：TINGrid;在ArcToolbox中，執(zhí)行命令3D Analyst工具——柵格表面--坡度。在Envi5.3中執(zhí)行Terrain->DEMExtraction->Extractiondem->Slope利用Envi5.3軟件，Layer Manager-> Raster->Color->Slice進(jìn)行坡度分級。

3.2 生態(tài)因子歸一化 生態(tài)因子歸一化：利用Envi5.3軟件，先對植被覆蓋度做歸一化（0-1），右鍵Raster Color Slice—右鍵slices—export圖片格式;土壤指數(shù)歸一化，自定義梯度值;坡度歸一化，數(shù)值從大到小。

3.2.1 植被覆蓋度 根據(jù)實(shí)際情況，植被對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)植被的覆蓋度分為5級，覆蓋度越大編碼值越大。

3.2.2 土壤指數(shù) 采用的是裸土植被指數(shù)作為土壤因子，同樣將裸土植被指數(shù)值劃分為5級，如果質(zhì)量越好編碼值越大。

3.3 生態(tài)環(huán)境評價(jià)[1，3-6] 按照國家環(huán)境監(jiān)測總站制定的《生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[6]中提出的評價(jià)指標(biāo)體系，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況（EI）劃分為5級即優(yōu)、良、中、較差和差。選擇的評價(jià)模型是指數(shù)法與綜合指數(shù)法：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況（EI）劃分為5級，即好、較好、中、較差和差;

式中：b1植被覆蓋度，b2土壤指數(shù)系數(shù)，b3坡度。

把生成的2008年和2018年自然生態(tài)環(huán)境評價(jià)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.4軟件中，形成自然生態(tài)環(huán)境評價(jià)專題地圖（圖2、3）。

生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)：數(shù)值為9～10區(qū)間，確定為優(yōu)，環(huán)境破壞小，恢復(fù)功能好;值為7～9區(qū)間，確定為良，自然生態(tài)結(jié)構(gòu)相對合理穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)功能強(qiáng)，自我恢復(fù)能力強(qiáng);數(shù)值為5～7區(qū)間，確定為中等，自然生態(tài)環(huán)境受到破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)基本合理穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力薄弱;數(shù)值為3～5區(qū)間，確定水平差，自然生態(tài)環(huán)境破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)基本不合理，生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力薄弱;數(shù)值為1～3區(qū)間，確定為差，自然生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)不合理，生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力十分薄弱。

3.4 生態(tài)環(huán)境變化狀況 依據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況變化度分級，將渭源縣2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果與2008年綜合評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，得到渭源縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變化結(jié)果[1，3-6]（表4）。

4 結(jié)論與討論

運(yùn)用TM影像數(shù)據(jù)和GIS與RS技術(shù)，監(jiān)測了渭源縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀以及動態(tài)變化情況，結(jié)果表明：

（1）渭源縣2008年自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以“較差”和“差”為主;2018年自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以“較差”、“中”和“良”為主。

（2）渭源縣自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著變好的區(qū)域主要集中北部重點(diǎn)治理區(qū)、中部封治結(jié)合區(qū)。由2008年和2018年自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)對比來看，植被覆蓋指數(shù)大大提高。

（3）渭河河谷基本農(nóng)田灌溉區(qū)、漫壩河河谷林糧發(fā)展區(qū)、南部林草封育區(qū)的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢。

（4）渭源縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在監(jiān)測期間呈現(xiàn)改善趨勢，表明政策法規(guī)在促進(jìn)和保障環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)方面發(fā)揮著巨大作用。

（5）為了比較渭源縣生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，有必要比較自然、區(qū)域人文和生態(tài)環(huán)境3個方面來評價(jià)環(huán)境質(zhì)量。但由于缺乏自然和區(qū)域人文學(xué)科的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，初步從生態(tài)環(huán)境的角度對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。

參考文獻(xiàn)

[1]王曄立，何啟明，王小鵬，等.2000—2014年隴西縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015， 21（12）：69-72.

[2]黃彩玲.渭源縣水土流失危害與綜合治理成效探析[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2014，11（389）：68.

[3]李漫，胡文英.基于植被供水指數(shù)法的上蔡縣農(nóng)業(yè)春旱遙感監(jiān)測[J].云南地理環(huán)境研究，2006，4（28）：15-17.

[4]ENVI中計(jì)算NDVI和植被覆蓋度《網(wǎng)絡(luò)（http：//blog.sina.com）》-2013.

[5]遙感NDVI估算植被覆蓋度《網(wǎng)絡(luò)（http：//blog.csdn.net）》-2017.

[6]國家環(huán)境保護(hù)總局.生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）[S].2006.3-13.

（責(zé)編：張宏民）