基于TM數(shù)據(jù)的阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI動態(tài)變化分析

李清云，楊勇強，王振錫 *，崔 婕,3，楊 光，廉國強

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學，林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆教育廳，干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052;3. 新疆林業(yè)廳，天山東部國有林管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

【研究意義】隨著經(jīng)濟的快速增長，全球性生態(tài)問題環(huán)境問題在不斷的加劇[1]，人們意識到對環(huán)境的破壞越發(fā)地嚴重，對環(huán)境的保護也越發(fā)重視，隨著計算機技術和遙感技術的不斷發(fā)展和成熟，運用遙感和地理信息系統(tǒng)相結合的方法評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，便捷、省時；可以快速的為壞生態(tài)環(huán)境做出合理的評價，從而做出較為合適的改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的措施。【前人研究進展】我國這方面的研究也很多：王虹[2]開展了內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗地區(qū)的生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測研究，李秀云[3]針對鄂爾多斯市東勝區(qū)的城市動態(tài)變化進行了分析，于晶[4]在烏魯木齊市開展了土地利用/覆被變化的研究等。【本研究切入點】新疆阿克蘇市是南疆阿克蘇地區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化中心，近年來受經(jīng)濟快速發(fā)展、人口增加等方面的影響，區(qū)域環(huán)境也會受到相應的影響?！緮M解決的關鍵問題】本研究借助生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RSEI)，在降雨量不足100 mm的阿克蘇市開展自1992年以來區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)變化分析，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護和恢復提供有效的支撐依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

1.1 地理條件

阿克蘇市是阿克蘇地區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化中心，位于天山西南麓，塔里木盆地西北邊緣沖積平原上。坐標39°30′～41°27′N；79°39′～82°01′E。阿克蘇市轄4鄉(xiāng)2鎮(zhèn)1場，全市總面積2.33×104km2。在其行政界限范圍內(nèi)還有新疆生產(chǎn)建設兵團的阿拉爾市。區(qū)域地域遼闊，地勢平坦，地形北高南低，由西北向東南傾斜，北部眾多山峰，南部是浩瀚無垠的塔克拉瑪干沙漠，中部為山麓礫質(zhì)扇形地、沖積平原區(qū)、戈壁、綠洲相間。阿克蘇市水資源非常豐富，境內(nèi)河流、水渠縱橫交錯，地下水蘊藏量非?？捎^，“阿克蘇”這一地名，突厥語意為“冰山雪水”，維吾爾語意為“白色的水”。

1.2 氣候特點

阿克蘇市屬于暖溫帶大陸性氣候，氣候較為干燥，年降雨量較少，日照時間較長，年日照時數(shù)為2750～3029 h，太陽總輻射量為5340～6220 MJ/m2，區(qū)域是全國太陽輻射量較多的地區(qū)之一，光熱資源十分豐富，晝夜溫差大，年平均氣溫在9.9～11.5 ℃，年降水量42.4～94.4 mm，具有冬季干冷和夏季干熱的氣候特點。

2 材料與方法

2.1 Landsat 數(shù)據(jù)來源

Landsat系列衛(wèi)星具有中等空間分辨率，覆蓋周期短，其歷史存檔數(shù)據(jù)豐富，是開展地物動態(tài)變化研究的重要遙感數(shù)據(jù)源。本研究從NASA網(wǎng)站上獲取了1992、2000和2016年3個年份植被生長季的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)景號為14631、14632、14633、14731、14732，共計15景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。

圖1 阿克蘇市行政區(qū)劃Fig.1 Administrative division of Aksu city

2.2 方法

2.2.1 遙感數(shù)據(jù)的處理 本研究以1992、2000年的Landsat TM數(shù)據(jù)和2016年OLI為傳感器的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，由于1992、2000年的Landsat TM數(shù)據(jù)在下載之前做過輻射定標和大氣校正，因此只需將2016年的遙感影像進行預處理(輻射定標、大氣校正、圖像融合)，之后在進行幾何校正，直方圖匹配，圖像鑲嵌，圖像裁剪[5]等步驟，裁剪出阿克蘇市轄4鄉(xiāng)2鎮(zhèn)1市的遙感影像，為求出各時相影像的4個評價指標做準備(遙感數(shù)據(jù)處理在遙感圖像處理軟件ENVI5.1下完成，數(shù)據(jù)分析在EXCEL下開展)。遙感數(shù)據(jù)投影坐標系統(tǒng)采用UTM Zone 44 North，橢球為WGS-84。

2.2.2 RSEI生態(tài)環(huán)境指數(shù) 本研究采用的生態(tài)環(huán)境指數(shù)是徐涵秋[6-7]提出的一個新型遙感生態(tài)指數(shù)，在反應生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的諸多因素中，將綠度(Greenness)、濕度(Wetness)、干度(Dryness)和熱度(Heat)4個指標作為判別生態(tài)條件優(yōu)劣的重要因素，用來評價生態(tài)系統(tǒng)[8-9]，通過主成分分析方構建生態(tài)環(huán)境指數(shù)RSEI。生態(tài)環(huán)境指數(shù)表示為4個指標的函數(shù)，即可表示為：

RSEI=f(Greenness，Wetness，Heat，Dryness)

其遙感定義為：

RSEI=f(NDVI，Wet，LST，NDSI)

表1 Landsat系列衛(wèi)星參數(shù)

表2 各指標主成分分析

式中：Greenness為綠度函數(shù)，Wetness為濕度函數(shù)，Heat為熱度函數(shù)，Dryness為干度函數(shù)；NDVI間接表示綠度指標，Wet代表濕度指標，LST代表熱度指標，NDSI代表干度指標。各指標選取主成分分析的第一主成分，構建了初步的RSEI0指數(shù)：

RSEI0=1-PC(NDVI，Wet，LST，NDSI)

為了使RSEI便于分析和比較，對RSEI0進行歸一化處理，使其范圍值處于0～1之間，RSEI值越大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量則越好；反之，則越差。

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

3 結果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)提取

借助ENVI 5.1遙感數(shù)據(jù)處理平臺，對研究區(qū)1992、2000和2016年3期Landsat影像數(shù)據(jù)進行預處理，分別計算不同時期植被、濕度、干度和熱度4個指標，通過主成分變換后得到遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI。主成分變換后4個分量的特征值及其貢獻率情況見表2。

從表2可以看出，阿克蘇市1992、2000和2016年3個時期4個指標(植被、濕度、干度和熱度)的第一主分量的特征值分別是0.118、0.180和0.099，特征值貢獻率分別是89.29 %、95.63 %和83.94 %，可見3期數(shù)據(jù)的第一主分量(PC1)貢獻率均超過了80 %以上，說明第一主分量包含了4個指標絕大多數(shù)的信息特征。因此，本實驗以主成分變換后的第一主分量來代表綠度、濕度、干度和熱度指標的信息，并以此構建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

1992、2000和2016年3個時期4個指標(植被、濕度、干度和熱度)的特征向量統(tǒng)計見表3。由表3可知，研究區(qū)1992、2000和2016年3個時期的第一主分量中較大的特征向量分別為0.118、0.179和0.099，說明這3個時期的第一主分量主要代表了綠度指標。同理可以推斷第二主分量主要代表了濕度指標，第三、四分量分別代表了熱度和干度指標。一般而言，綠度和濕度反映了區(qū)域植被覆蓋程度及水分條件的豐缺，其值越大說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好；而干度和熱度越大說明地表溫度較高，荒漠、沙漠、建筑用地等的干燥程度越嚴重，表征了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的趨勢。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體情況

通過對1992、2000和2016年3個時期Landsat影像數(shù)據(jù)的處理，對綠度、濕度、干度和熱度4個指標進行計算，得到遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI數(shù)據(jù)。RSEI指數(shù)是綠度、濕度、干度和熱度4個方面的綜合指標，其值越大表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。表4為3個時期遙感數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI的最大值、最小值、平均值和標準差。為便于數(shù)據(jù)比較分析，對各期RSEI指數(shù)結果進行了離差歸一化處理，故各期RSEI值域范圍在0.000～1.000之間。1992、2000、2016年RSEI均值分別為0.688、0.608、0.718，表明從1992-2016年，在這24年期間，阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI先下降，而后明顯上升。其中2001年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI值比1992年平均總體下降了7.80 %；2016年比2000年平均總體上升了10.9 %。說明1992-2000年間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微有所下降，降低幅度較小，隨后在2000-2016年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)?？傮w而言，自上世紀90年代以來，阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體向好的方向發(fā)展。這與新疆自2000年以來陸續(xù)啟動了公益林建設、林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展、退耕還林等一系列林業(yè)生態(tài)工程有著密切的關系[11]。

表3 各指標特征向量統(tǒng)計

表4 各期數(shù)據(jù)遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI

3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)變化分析

Landsat系列衛(wèi)星發(fā)展、應用較早，擁有豐富的歷史存檔數(shù)據(jù)，為開展區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)變化分析提供了重要的評價方法。根據(jù)2006年國家環(huán)保部頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(CHJ/T192-2006)，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變化幅度分為4級，即無明顯變化、略微變化、明顯變化和顯著變化。其中Δ為3個時期數(shù)據(jù)間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化值。

從研究區(qū)總體上來看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI值在1992、2000和2016年分別為0.688、0.608、0718。1992-2000年變化幅度為-0.010，2000-2016年變化幅度為+0.11，根據(jù)表5進行級別劃分，1992-2000年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化為“略微變差”，2000-2016年則為“顯著變好”。由于阿克蘇市地處南疆塔克拉瑪干沙漠北緣，區(qū)域內(nèi)具有明顯的綠洲、荒漠生態(tài)系統(tǒng)。由于水資源的分布不均衡，決定了區(qū)域不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有顯著的地帶性。由表5可知，1992-2000年和2000-2016年間阿克蘇市所轄4鄉(xiāng)2鎮(zhèn)40 %～50 %的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都是“無明顯變化”。1992-2000年間喀勒塔勒鎮(zhèn)和托普魯克鄉(xiāng)處于“明顯變化”的區(qū)域超過了25 %，而“顯著變化區(qū)域”所占比例非常小，基本在0.01 %，說明這一時期阿克蘇市生態(tài)環(huán)境變化比較平緩；2000-2016年間喀勒塔勒鎮(zhèn)和市直屬(荒漠、沙漠區(qū)域)“明顯變化”的區(qū)域超過了29 %，托普魯克鄉(xiāng)、依干其鄉(xiāng)和拜什吐格曼鄉(xiāng) “顯著變化”比例較高，變化比例為9.9 %、17.4 %和19.0 %，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)比例相對較低。但相對于1992-2000年間，阿克蘇市所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)(含市直屬)區(qū)域“顯著變化”比例均有大幅提高，在一定程度上說明2000-2016年間阿克蘇市整體生態(tài)環(huán)境變化幅度較大，也是近十幾年來阿克蘇市日益重視生態(tài)環(huán)境建設的表現(xiàn)。

3.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化率分析

為進一步分析阿克蘇市不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化幅度，計算得研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的RSEI指數(shù)均值變化幅度分級統(tǒng)計表(表6)。阿克蘇市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境變化幅度不論在1992-2000年和2000-2016年間均表現(xiàn)為正值，變化級別均為“明顯變好”或“顯著變好”。阿克蘇市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在1992-2016年期間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總變化率均高于5 %，其中依干其鄉(xiāng)、拜什吐格曼鄉(xiāng)和市直屬(荒漠、沙漠區(qū)域)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化相對較大，總變化率分別為32.74 %、

表5 1992-2016各鄉(xiāng)鎮(zhèn)RSEI像元值變化統(tǒng)計

表6 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)RSEI指數(shù)均值變化幅度分級統(tǒng)計表

21.8 %和15.5 %，尤其是依干其鄉(xiāng)變化幅度大于0.1，變化級別達到了“顯著變好”級別。自上世紀90年代以來研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化由好到差的排序為依干其鄉(xiāng)、拜什吐格曼鄉(xiāng)、市直屬(荒漠、沙漠區(qū)域)、庫木巴什鄉(xiāng)、阿依庫勒鎮(zhèn)、喀勒塔勒鎮(zhèn)和托普魯克鄉(xiāng)?？傮w來講，阿克蘇市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在1992-2016年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量朝著良性方向發(fā)展，其中依干其鄉(xiāng)、拜什吐格曼鄉(xiāng)、市直屬(荒漠、沙漠區(qū)域)的變化較明顯，其余的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也是向好的方向發(fā)展，只是變化不是很顯著。

4 討 論

通過1992、2000和2016年3個時期的RSEI指數(shù)變化分析表明1992-2000年間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微有所下降，但降低幅度較小，隨后在2000-2016年間生環(huán)境質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。形成這種趨勢的原因與新疆林業(yè)生態(tài)建設進程密不可分。在2000年之前，新疆南疆林業(yè)生態(tài)建設主要以三北防護林體系建設為主體；隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，2000年以來，新疆響應國家林業(yè)局的號召，陸續(xù)開展了天然林保護、生態(tài)公益林、退耕還林、防沙治沙、流域生態(tài)修復(南疆主要是塔里木河)、特色經(jīng)濟林等是十多項林業(yè)生態(tài)工程建設，通過“全國林地一張圖”加大了對山區(qū)、荒漠、河谷天然林的保護力度，同時在南疆區(qū)域根據(jù)地域優(yōu)勢大力發(fā)展特色林果產(chǎn)業(yè)。這些舉措在阿克蘇市也都相應開展了相應的建設內(nèi)容，目前阿克蘇市一半以上的耕地上栽植了核桃、棗等特色經(jīng)濟林[12]。本文所得結果與研究區(qū)林業(yè)生態(tài)建設進程保持一致，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善是林業(yè)生態(tài)建設的必然趨勢。此外，由于水資源的分布不均衡，阿克蘇市區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有一定的地帶性，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)林業(yè)生態(tài)建設發(fā)展水平也不完全一致，從而出現(xiàn)了研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化有所差異。但從總體而言，阿克蘇市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在1992-2016年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量朝著良性方向發(fā)展。

圖2 1992-2000年阿克蘇市RSEI值變化分布Fig.2 Distribution of RSEI in Aksu city from 1992 to 2000

另外，從氣候變化方面來看，王建等[10]對新疆阿克蘇地區(qū)近40a氣候、水文變化特征分析結果表明新疆南疆降水量、氣溫均呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，降水量的增大有利于植被的生長，這也是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步提高的重要因素。

針對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)研究方面，徐秋涵[6]和鄭勇[7]采用RSEI主要在福建西部長汀縣和浙江省義烏市等我國南方開展了生態(tài)環(huán)境變化研究，取得了符合當?shù)氐目陀^結論，本研究借助生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RSEI)，在降雨量不足100 mm的阿克蘇市開展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，所得結論符合區(qū)域?qū)嶋H情況，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價開展了新的嘗試。

圖3 2000-2016年阿克蘇市RSEI值變化分布Fig.3 Distribution of RSEI in Aksu city from 2000 to 2016

在研究過程中，一方面由于研究區(qū)范圍比較大，每一時期都需要5景Landsat衛(wèi)星標準分幅數(shù)據(jù)才能覆蓋研究區(qū)；另一方面因為研究時期較長(跨越25年)，獲取的遙感數(shù)據(jù)大多集中在8-10月，數(shù)據(jù)時相很難完全統(tǒng)一。因此，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RSEI)的提取不可避免的會產(chǎn)生一定影響，但在數(shù)據(jù)分析過程中通過遙感數(shù)據(jù)間的直方圖匹配等處理盡可能的增強了數(shù)據(jù)的一致性。從分析結果的客觀性來看，所得結論并沒有受到較大影響。

5 結 論

通過對不同歷史時期的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RSEI)，分析得出：1992-2000年間阿克蘇地區(qū)總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微有所下降，下降幅度為-0.08，之后在2000-2016年間阿克蘇地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所上升，上升幅度為+0.11?？傮w而言，自上世紀九十年代以來，阿克蘇市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體向好的方向發(fā)展。

在總體生態(tài)環(huán)境向好的方向發(fā)展的情況下，本實驗繼續(xù)做了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，并得出了：阿依庫勒鎮(zhèn)為+0.031、拜什吐格曼鄉(xiāng)為+0.086、喀勒塔勒鎮(zhèn)為+0.030、庫木巴什鄉(xiāng)為+0.034、市直屬為+0.061、托普魯克鎮(zhèn)為+0.023、依干其鄉(xiāng)為+0.129，其中依干其鄉(xiāng)、拜什吐格曼鄉(xiāng)、市直屬(荒漠、沙漠區(qū)域)的變化較明顯。