基于GIS和RS的沿?？h生態(tài)環(huán)境質量綜合評價
——以霞浦縣為例

林漳河

（福建省林業(yè)勘察設計院，福州 350003）

由生態(tài)環(huán)境的相關概念可知，人類活動與自然環(huán)境的相互作用影響著生態(tài)系統(tǒng)，而生態(tài)系統(tǒng)的變化對人類活動也具有反饋作用[1]。因此，人類健康的生產(chǎn)生活方式、適宜的生居住環(huán)境離不開對生態(tài)系統(tǒng)的保護。隨著全球化進程的加快，中國的經(jīng)濟、社會正處于高速發(fā)展時期，城市高速發(fā)展給我們帶來的生活便利，帶來了繁榮的經(jīng)濟，同時，過度的開發(fā)也給生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在本質進行干擾，加重其惡化[2]，地表環(huán)境的破壞、大氣污染、水污染、土地退化、森林覆蓋率下降等生態(tài)環(huán)境問題日益凸現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)所要承受的壓力越來也大，尤其是以沿海城市生態(tài)系統(tǒng)更為嚴重。世界上約有三分之一的人口居住在距離海冰60 km以內(nèi)的范圍，因此，沿海城市是人口密集區(qū)，人類活動相對比較頻繁，城市開發(fā)力度大，工業(yè)開發(fā)密集?；仡櫄v史，沿海地區(qū)開發(fā)基本上都是開發(fā)一片、污染一片，干擾當?shù)鼐坝^格局和生態(tài)系統(tǒng)，沒有協(xié)調(diào)好經(jīng)濟與生態(tài)的發(fā)展，往往更加在注重經(jīng)濟上增長，忽視了生態(tài)環(huán)境質量，這種不可持續(xù)的發(fā)展模式造成了嚴重的生態(tài)與環(huán)境問題。因此，如何在開發(fā)沿海區(qū)的同時保護生態(tài)環(huán)境質量，是一個亟需解決的問題。

生態(tài)環(huán)境質量是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎，可持續(xù)發(fā)展的保證，是人口環(huán)境居住舒適度的重要指標。本次研究綜合運用GIS（地理信息系統(tǒng)英文Geographic information system的簡稱）和RS（遙感英文Remote sensing的簡稱）技術對霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀進行評價，結合地理信息系統(tǒng)技術，可以定量化分析霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀，能為霞浦縣生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)經(jīng)濟規(guī)劃、生態(tài)修復及生態(tài)建設提供重要的依據(jù)?；谏鷳B(tài)環(huán)境質量評價結果，可以劃定霞浦縣的生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣度等級較差的區(qū)域為敏感區(qū)，進行重點保護，形成良好的生態(tài)環(huán)境保護體系。為其他相似研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量評價提供參考模型、提供技術路線。十九大提出，要全面加強生態(tài)環(huán)境保護，打好污染防治攻堅戰(zhàn)，因此，對沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價是響應國家政策的重要舉措，可以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，促進霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量合理健康發(fā)展，對霞浦縣生態(tài)環(huán)境保護具有現(xiàn)實指導意義[3-10]。

1 研究區(qū)概況

霞浦縣，福建省寧德市轄縣，國務院批準的沿海經(jīng)濟開放縣，是閩東最古老的縣城，也是閩東文化中心，位居臺灣海峽西北岸，地處福建省東北部，轄有2街道12鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總人口53萬。霞浦山海資源豐富，海域占全省海域面積的21.76%?，F(xiàn)有耕地面積1.8萬hm2，占陸地面積的12%；林地面積9.93萬hm2，森林覆蓋率36%。近年來，霞浦縣近海水質基本保持穩(wěn)定，城市空氣質量尚屬清潔水平，生態(tài)環(huán)境總體上保持在較好狀態(tài)[11]。但是人類活動的加劇、粗放型的經(jīng)濟增長方式尚未變動，對陸地生態(tài)系統(tǒng)造成了壓力，如養(yǎng)殖污染的增多，人為水土流失，局部環(huán)境破壞嚴重，森林遭受破壞、生物多樣性銳減等生態(tài)問題。發(fā)展沿海經(jīng)濟是富民強國的重要措施，因此，對于沿海開發(fā)帶來的破壞，需要加強保護，這是區(qū)域經(jīng)濟社會和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

2 數(shù)據(jù)處理和土地利用專題信息提取

2.1 數(shù)據(jù)收集及處理

研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 8影像，拍攝時間均為2017年3月1日，影像云量較少，研究區(qū)內(nèi)基本無云覆蓋，影像質量好，可以滿足研究需要。運用ENVI軟件對研究區(qū)Landsat 8影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌、裁剪等處理后得到研究區(qū)所需的遙感影像數(shù)據(jù)（見圖1）。

研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)在地理空間數(shù)據(jù)云上下載，影像分辨率為30m。運用ENVI軟件對研究區(qū)影像進行鑲嵌、裁剪處理，并通過處理后的DEM數(shù)據(jù)提取高程和坡度。

研究區(qū)其它數(shù)據(jù)包括霞浦縣森林資源檔案的2016年林業(yè)基本圖、行政邊界圖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界圖、人口密度統(tǒng)計數(shù)據(jù)等統(tǒng)計資料。

2.2 土地利用專題信息提取

土地利用和生態(tài)環(huán)境存在著相互制約的作用，因此，本研究根據(jù)國土資源部劃分的土地分類系統(tǒng)，考慮到研究區(qū)區(qū)域范圍較小，結合研究目的，將該系統(tǒng)的土地利用類型確定為林地、耕地、建筑用地、水域、未利用地。本研究使用SVM模型（支持向量機）對遙感圖像分類，得到初步結果，對初步的分類結果進行聚類、過濾處理、分類統(tǒng)計等操作，得到滿足后續(xù)生態(tài)環(huán)境研究需要的分類結果（見圖2）:林地面積101135.52 hm2，占總面積的68.15%；耕地面積24274.89 hm2，占總面積的16.36%；建筑用地面積16561.62 hm2，占總面積的11.16%；未利用地面積4556.88 hm2，占總面積的3.07%；水域面積1871.64hm2，占總面積的1.26%?？芍计挚h的土地利用類型以林地為主，建筑用地與未利用地的占比也比較大。

3 指標體系的設置和確定

3.1 指標體系的設置

指標是評價的基本尺度和衡量標準，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價有其特殊性，每個區(qū)域的特點和制約因素不同，研究區(qū)所處的背景不同，則評價的方法和所選擇的指標體系也就不同?；贕IS和RS技術，結合實地考察情況，查閱霞浦縣相關文獻、年鑒等資料，閱讀相關學者對于沿海地區(qū)相關指標體系情況，從社會因子、植被因子、地表因子、地形因子四個方面來進行因子的選取，選取人口密度、城市擴張強度、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)、植被覆蓋度、地表溫度、水體指數(shù)、高程、坡度8個參考因子來評估霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量情況。建立了如表1的霞浦縣生態(tài)安全評價指標體系。

圖1 影像圖

圖2 研究區(qū)土地利用類型圖

表1 生態(tài)環(huán)境評價指標框架

3.1.1 人口密度

生態(tài)環(huán)境的壓力主要來源于人類的生產(chǎn)活動與自然災害，人類和自然都能促使景觀格局發(fā)生相應的變化。首先是城市化進程伴隨著人口的擴張，而人口的增長對土地資源、水資源、能源森林資源的需求上升，會加劇對這些資源的開發(fā)，因此，沿海城市發(fā)展過程中人口的迅速增長是生態(tài)環(huán)境所承受的主要壓力，可以選擇人口壓力作為生態(tài)環(huán)境的評價指標。人口密度代表著區(qū)域經(jīng)濟的活躍程度，區(qū)域人口越密集，區(qū)域經(jīng)濟活躍度起伏越大，進而生態(tài)環(huán)境質量就會受到強烈的干擾，甚至破壞。

3.1.2 城市擴張強度

人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展極大擴大了城市用地需求，城市用地的擴張會給生態(tài)環(huán)境施加壓力，促使生態(tài)環(huán)境格局發(fā)生改變。霞浦縣生態(tài)環(huán)境受外界的干擾強度可以用人口密度和城市擴張強度來表示。

3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)

參考石斌[13]，對蘭州新區(qū)的生態(tài)環(huán)境研究，本文選擇了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)作為評價指標。土地利用景觀存在相對穩(wěn)定性，沒有絕對穩(wěn)定性，也就是景觀其實經(jīng)常變化的，其只會在一定的時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定。景觀由不同的要素的構成，要素不同、要素的空間組合不同、空間組合的配置不同等都會影響景觀的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而人類是景觀的一種組成成分，一種復雜并對景觀具有非常強改造能力的干擾要素。土地利用景觀是人類活動作用于自然環(huán)境的主要途徑之一，反映著人為因素和自然因素的綜合效應，不同的土地景觀類型在維護不同的土地景觀類型在維護生物多樣性、保護物種、完善整體結構和功能、促進景觀結構自然演替等方面的作用是有差別的，同時，其對于外界干擾的抵抗能力也不同[14]。

3.1.4 植被覆蓋度

植被覆蓋度在一定統(tǒng)計區(qū)內(nèi)，植被在地面上的垂直投影面積占該統(tǒng)計區(qū)面積的比例，作為影響生態(tài)環(huán)境變化的重要指標[15]，在植被變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評價、干旱、沙塵暴等自然災害監(jiān)測、氣候和水土保持等諸多研究領域都有廣泛的應用[16]。植被覆蓋度這一指標在研究水文、生態(tài)、植被覆蓋情況等都具有重要意義，可以作為描述生態(tài)環(huán)境變化的基礎指標數(shù)據(jù)，植被覆蓋度的大小嚴重影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。植被覆蓋度在生態(tài)環(huán)境調(diào)查中具有廣泛的應用，可以初步擬定植被覆蓋度作為生態(tài)環(huán)境的指標。

3.1.5 地表溫度（城市熱島效應）

本研究基于地表溫度來研究霞浦縣的城市熱島效應，地表溫度是地表能量（熱量）平衡的表現(xiàn)形式，其蘊含了非常豐富的地學信息，直接影響著大氣、海、陸之間的潛熱交換，可作為生態(tài)環(huán)境分析的重要指標[17]。城市熱島效應是指一種由于城市建筑及人類活動導致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象，是城市氣候最顯著的特征之一[18]。伴隨著城市化進程的加劇，城市熱島的強度也會加強，而熱島的強度與下墊面性質，植被覆蓋度的情況，人口等又密切相關，這些必定會影響城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，影響著城市生態(tài)環(huán)境。

3.1.6 水體指數(shù)

水是自然界生命的源泉，對維持生物體的正常生理活動有著重要的意義，對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義，是反映生態(tài)環(huán)境中水源涵養(yǎng)量的一個重要指數(shù)。霞浦縣是沿海城市，水域分布較廣，因此選用水體指數(shù)作為生態(tài)環(huán)境質量評價的因子。

3.1.7 地形地貌（高程和坡度）

地形地勢特征影響著自然地理環(huán)境和社會經(jīng)濟，影響著氣候、河流流向、植被、土壤、地質災害、對人類生產(chǎn)生活也有著重要的影響。霞浦縣是典型的山海結合的地形地貌，研究初步選用高程和坡度來參與生態(tài)環(huán)境評價。海拔反映了地表的起伏狀態(tài)，影響著植被種類的分布，影響著溫度、濕度的變化以及大氣的流通，是生態(tài)環(huán)境評價中的重要因素。坡度通常是指坡面的垂直高度和水平距離的比值，影響著地表物質流動和能量強度，是制約生態(tài)環(huán)境的重要因子。因此研究選用高程和坡度兩個地形地貌因子作為生態(tài)環(huán)境的評價指標。不同的地形因子對生態(tài)環(huán)境的影響不同，高程越大，生態(tài)環(huán)境質量更穩(wěn)定，這兩者是正向關系，坡度越大，容易造成水土流失等不利的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，坡度和生態(tài)環(huán)境質量表現(xiàn)為正相關關系。

3.2 指標體系的確定

指標權重處理是一項及其重要的工作，指標權重的確定表明了各個指標對生態(tài)環(huán)境質量的不同影響程度，獲取指標權重的方法有很多。本次研究采用熵權法來獲取指標權重。通過遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用信息數(shù)據(jù)及其它統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用ArcGIS 10.2、ENVI軟件提取生態(tài)環(huán)境評價指標專題信息，根據(jù)熵權法計算了各指標的信息熵和熵權值，計算結果見表2所示。

4 評價結果分析

本研究采用熵權法確定8個指標的權重，用ArcGIS 10.2統(tǒng)計分析工具計算出霞浦縣的生態(tài)環(huán)境質量平均值，生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)平均值為0.6682，參考《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》，依據(jù)生態(tài)環(huán)境評價的相關研究，將霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量劃分為5個級別（具體分布詳見圖3），劃分的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)閾值范圍和含義見表格3所示。霞浦縣的總體生態(tài)環(huán)境綜合質量等級為良，生態(tài)結構相對比較合理，穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復能力較強。

表2 評價指標權重

表3 評價分級標準

圖3 生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)等級圖

5 結語

研究基于GIS、RS等信息技術，對霞浦縣生態(tài)環(huán)境進行評價分析，評價結果比較貼合實際，在一定程度上驗證了評價方法和模型的科學性和適用性，評價結果能夠為今后霞浦縣生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供科學依據(jù)。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境評價模型構建大多基于歷史數(shù)據(jù)、人文數(shù)據(jù)，可獲性較差，而本文選擇的指標大多數(shù)可運用GIS、RS技術進行獲取，能夠更加快速與準確。但由于作者水平有限，在某些數(shù)據(jù)、指標的選擇上還不盡完善，本文在研究過程中存在的主要不足之處，應該注意的問題主要有:

①生態(tài)環(huán)境指標的選擇應該是多方位的，多角度的，生態(tài)環(huán)境評價不僅包括自然生態(tài)環(huán)境評價，也包括社會生態(tài)環(huán)境評價，但是由于社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的可獲性比較難，資料受到限制，本文沒有將社會經(jīng)濟指標納入評價體系。社會經(jīng)濟指標的加入是今后區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量值得探討的問題。

②以后的研究中將更多結合GIS、RS、GPS等先進的信息技術，特別是對沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的調(diào)查，可擴大研究范圍與信息的采集，文章以霞浦縣為例驗證了沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境的初步研究成果，今后將進一步充實沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指標，不斷修正評價模型。