基于遙感的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

肖瑛

摘? 要：本課題以長(zhǎng)株潭為研究區(qū)域，以landsat8-OLI影像、GDEM地形數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取植被、土壤、地形三類(lèi)要素作為生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)歸一化處理，構(gòu)建綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型，以此評(píng)估長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)環(huán)境。研究結(jié)果表明：長(zhǎng)株潭總體自然生態(tài)環(huán)境狀況良好，優(yōu)等級(jí)別面積占全區(qū)面積的3.58%，良好級(jí)別的占52.85%，中等級(jí)別的占21.80%，差等級(jí)別的占21.77%;從地理空間分布上看，長(zhǎng)株潭北部的城市核心區(qū)生態(tài)環(huán)境普遍較差，東北部和西南部的狀況較北部好。

關(guān)鍵詞：自然生態(tài)環(huán)境;環(huán)境評(píng)價(jià);長(zhǎng)株潭;綜合指數(shù)法;遙感;OLI;GDEM

中圖分類(lèi)號(hào)：X820.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0044-04

Abstract： This topic takes Changzhutan as the research subject， with landsat8-OLI images and GDEM terrain data as the data source， and selects three basic elements， i.e. vegetation， soil and topography， as the ecological environment evaluation. After normalization and exponential superposition， this paper integrated index evaluation method to finally obtain the results of the ecological environment evaluation of Changzhutan. The results show that the overall natural ecological environment of Changzhutan is in good condition： excellent level area accounts for 3.58% of the whole area， a good level accounts for 52.85%， medium levelaccounting for 21.80%， and the poor levelaccounts for 21.77 percent. From the point of view of geospatial distribution， in the northern part of the city， the ecological environment of the core area is generally poor.?Keywords： natural ecological environment; environmental assessment; Changzhutan; composite index method; remote sensing; OLI; GDEM

引言

生態(tài)環(huán)境不僅是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，更是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要保障，而生態(tài)環(huán)境的退化已成為了現(xiàn)在全球范圍內(nèi)最嚴(yán)重的問(wèn)題之一。近年來(lái)我國(guó)政府也在逐漸加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)力度，常使用生態(tài)環(huán)境指數(shù)評(píng)估當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，生態(tài)環(huán)境遙感本底值是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、容量、環(huán)境恢復(fù)能力等方面的系列指數(shù)[1]。遙感與GIS二者的有機(jī)結(jié)合能為生態(tài)環(huán)境調(diào)控提供大范圍方便加工、應(yīng)用的動(dòng)態(tài)時(shí)空變化信息。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)株潭城市群由長(zhǎng)沙、株洲、湘潭所轄行政區(qū)域組成，位于湖南省中北部。區(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型多樣，盆、嶺、崗、平等齊全，整體生長(zhǎng)期長(zhǎng)，水熱充足，氣候溫和。

作為全國(guó)城市群建設(shè)的先行者，長(zhǎng)株潭地區(qū)2007年至2018年內(nèi)人口年均增長(zhǎng)速度高于全省年均人口增速，人口分布呈現(xiàn)集中的趨勢(shì)，研究長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對(duì)正確處理城市化進(jìn)程中的人地關(guān)系及實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)據(jù)與技術(shù)路線(xiàn)

本課題以長(zhǎng)株潭為研究區(qū)域，利用landsat8-OLI數(shù)據(jù)、GDEM地形數(shù)據(jù)，選取植被覆蓋度、土壤指數(shù)以及地形這3個(gè)生態(tài)因子，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，并提出改善長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的建議與措施（圖1）。

2.1 數(shù)據(jù)源

在遙感監(jiān)測(cè)及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中，常用的遙感數(shù)據(jù)有TM、MODIS、SPOT、ETM、TIRS、OLI等遙感數(shù)據(jù)。本研究采用的遙感數(shù)據(jù)源為L(zhǎng)andsat-8衛(wèi)星搭載的OLI傳感器獲取遙感影像，共5景，空間分辨率為30m，選取2018年8月至10月六景影像，影像獲取時(shí)間植被生長(zhǎng)特點(diǎn)較為茂盛，影像質(zhì)量良好且無(wú)云。數(shù)據(jù)源為美國(guó)USGS網(wǎng)站（http：//glovis.usgs.gov/）。

本研究中所采用的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)是分辨率為30m的GDEM的數(shù)據(jù)，投影為UTM。由于長(zhǎng)株潭地區(qū)經(jīng)緯度范圍分別為東經(jīng)111°54′～114°15′、北緯26°03′～28°40′，下載9景DEM影像，數(shù)據(jù)源為地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)源為landsat8-OLI數(shù)據(jù)，目前Landsat8 OLI傳感器還沒(méi)有相應(yīng)的穗帽變換模型，根據(jù)OLI和ETM+波段對(duì)照，OLI的Band2～7和ETM+的6個(gè)多光譜波段范圍相近，因此，在沒(méi)有出現(xiàn)最新OLI穗帽變換模型時(shí)，可以去除第一波段深藍(lán)波段，將ETM+的穗帽變換模型應(yīng)用于OLI。

3 研究方法

上世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究隨著3S技術(shù)的發(fā)展，由最初的單一要素、單一因子評(píng)價(jià)向多種因子、多要素的評(píng)價(jià)方向改變[2]。國(guó)內(nèi)外都是基于遙感影像技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)質(zhì)量模型構(gòu)建，選取的評(píng)價(jià)因子也大致相同。

目前應(yīng)用較多的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有模糊評(píng)價(jià)法[2]、灰色關(guān)聯(lián)度法[3]和綜合指數(shù)法[4]。應(yīng)用最為廣泛的是綜合指數(shù)法，它是指將一組相同或不同指數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，對(duì)不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值對(duì)其實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，最后轉(zhuǎn)化成一個(gè)綜合指數(shù)，以準(zhǔn)確地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。本文所使用的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是綜合指數(shù)法。

3.1 植被覆蓋度提取

植被覆蓋度是根據(jù)前人研究的NDVI估算模型，見(jiàn)公式（1）。

其中，NDVI是歸一化植被指數(shù)，為減少圖像中不可避免的噪聲影響，本研究選取直方圖取兩頭“拐點(diǎn)處”的值為NDVImax和NDVImin，根據(jù)5%的累計(jì)百分比選擇置信度區(qū)間，結(jié)果如圖2所示。

3.2 土壤指數(shù)提取

土壤指數(shù)同樣采用前人研究的模型裸土植被指數(shù)（GRABS），見(jiàn)公式（2）：

其中，V1和B1分別為纓帽變換的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。結(jié)果如圖3所示。

3.3 坡度提取

利用裁剪好的長(zhǎng)株潭DEM數(shù)據(jù)在ENVI中使用/Terrain/Topographic Modeling工具得到坡度生成圖4。

4 長(zhǎng)株潭生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 生態(tài)因子歸一化

評(píng)價(jià)因子生成后各指標(biāo)的量綱不一致，采用統(tǒng)一順序原則，對(duì)各指標(biāo)的歸一化衡量其對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度，從高到低分為10個(gè)等級(jí)，對(duì)環(huán)境貢獻(xiàn)越大，編碼值越大，反之編碼值越小。

4.1.1 植被覆蓋度歸一化及結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)ENVI計(jì)算像元值、像元個(gè)數(shù)及累計(jì)百分比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以5%的累計(jì)百分比，同時(shí)對(duì)比直方圖，可以確定置信度區(qū)間：有效最大值和最小值對(duì)應(yīng)的像元為NDVImin=0.1，NDVImax=0.35。根據(jù)植被對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)植被覆蓋度將像元分為10級(jí)，計(jì)算后結(jié)果如表1所示。

通過(guò)密度分割可以得到長(zhǎng)株潭地區(qū)植被覆蓋度狀況如圖5，從圖中可以看出長(zhǎng)株潭地區(qū)植被覆蓋度南高北低，四周多中心少，總體程度中等，空間分布不均的規(guī)律。從表1中可知植被覆蓋度低于10%的地區(qū)占長(zhǎng)株潭地區(qū)總面積的13.23%，集中分布在沿湘江建立的長(zhǎng)株潭城市群核心區(qū)。該區(qū)域城市化水平高、人口密集、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度低。

4.1.2 土壤指數(shù)歸一化及結(jié)果分析

土壤的組成與土壤侵蝕等現(xiàn)象息息相關(guān)，這里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10級(jí)，如果質(zhì)量越好編碼越大，見(jiàn)表2。

通過(guò)密度分割可得到長(zhǎng)株潭土壤健康狀況，從圖6可以看出，長(zhǎng)株潭土壤健康狀況分布與植被覆蓋度表現(xiàn)出較強(qiáng)相關(guān)性。從空間分布上來(lái)看，指數(shù)最低值仍存在于長(zhǎng)株潭中心城市核心區(qū)。從結(jié)構(gòu)上看，土壤等級(jí)4～7的地區(qū)占全區(qū)的89.34%，等級(jí)在8以上的地區(qū)不到5%，等級(jí)在3以下的地區(qū)不足7%，數(shù)值呈正態(tài)分布，總體保育良好。

4.1.3 地形因子結(jié)果分析

一般情況下，侵蝕量和坡度成正相關(guān)，將研究區(qū)劃分10級(jí)坡度類(lèi)型，按坡度越低越有利于土地資源利用的原則，較低的坡度區(qū)賦予較高分值，見(jiàn)表3。

通過(guò)密度分割可以得到長(zhǎng)株潭坡度狀況，從圖7可以看出，受地形影響長(zhǎng)株潭大部分地區(qū)坡度等級(jí)較低。整體上來(lái)看，坡度為0～8度的土地占全區(qū)面積的64.15%，坡度為8～33度的土地占全區(qū)面積的34.52%，坡度在33度以上的土地占全區(qū)面積的1.33%。

4.2 長(zhǎng)株潭生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文最終的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果由“自然生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)（E）”的大小決定。

自然生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)能夠反映被評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，按照公式（3）的計(jì)算方法就可以得到生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的值，各項(xiàng)指標(biāo)及其權(quán)重如表4所示。

根據(jù)E值，將生態(tài)環(huán)境分為4級(jí)，即9-10為優(yōu)等、6-9為良好、4-6為中等、1-4為差，再對(duì)其結(jié)果進(jìn)行密度分割，得到最終結(jié)果如圖8。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果表5看，長(zhǎng)株潭自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好，環(huán)境級(jí)別為良好的土地占全區(qū)面積的52.85%，優(yōu)等占全區(qū)面積3.58%，中等占全區(qū)面積的21.80%，環(huán)境級(jí)別為差的土地僅占全區(qū)面積的21.77%。其中，自然生態(tài)環(huán)境為差的地區(qū)絕大部分為長(zhǎng)株潭中部城市核心區(qū)以及南部和東北部的水域部分，這些地區(qū)往往屬于人口密集的城市核心區(qū)，對(duì)土地覆被的改變巨大，為自然災(zāi)害的產(chǎn)生埋下了隱患。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用landsat8-OLI數(shù)據(jù)、GDEM地形數(shù)據(jù)，選取植被、土壤、坡度三個(gè)生態(tài)因子，采用綜合指數(shù)法建立長(zhǎng)株潭地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型。按照本研究建立的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，城區(qū)中的自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果一般為 “差”，但一些綠化帶以?xún)?yōu)等級(jí)別的環(huán)境狀態(tài)交錯(cuò)分布在自然環(huán)境較差的城區(qū)中，改變了差等區(qū)域連片分布的狀態(tài)。

在城市化進(jìn)程中，需要特別注意土地資源的節(jié)約及合理利用，做好土地資源的規(guī)劃及有效利用，加強(qiáng)對(duì)高層空間和地下空間以及城市邊緣地區(qū)的開(kāi)發(fā)會(huì)有助于提高城市生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。比如在城區(qū)內(nèi)進(jìn)行綠道建設(shè)，積極響應(yīng)湖南省的新一輪湖南大綠化，或在進(jìn)行舊城改造的過(guò)程中，將一些土地作為綠地來(lái)建設(shè)，從而整體改善城市生態(tài)環(huán)境狀況。

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