基于RSEI指數(shù)的丹霞山生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)

付炳秀

（仁化縣氣象局，廣東仁化 512300）

生態(tài)環(huán)境是景區(qū)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，丹霞山作為廣東省面積最大、以丹霞地貌景觀為主的世界地質(zhì)公園和世界自然遺產(chǎn)地，對(duì)生態(tài)環(huán)境要求越來(lái)越高。近年來(lái)，丹霞山管理部門秉承綠水青山就是金山銀山的理念，實(shí)施生態(tài)保護(hù)紅線管控規(guī)定，有序落實(shí)生態(tài)保護(hù)工作。對(duì)丹霞山開(kāi)展生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)，是反饋生態(tài)保護(hù)工作成效的一個(gè)有效途徑。付炳秀等［1－2］對(duì)丹霞山所屬縣的生態(tài)氣象開(kāi)展監(jiān)測(cè)與評(píng)估發(fā)現(xiàn)，丹霞山局地區(qū)域氣候明顯，縣范圍的生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)評(píng)估容易忽略局地區(qū)域生態(tài)特征。因此，有必要專門對(duì)丹霞山范圍開(kāi)展生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，各種基于遙感技術(shù)的生態(tài)方法在生態(tài)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。徐涵秋等［3－4］提出綜合指標(biāo)新型遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI），該指數(shù)完全基于遙感方法提取生態(tài)指標(biāo)，從綠度、濕度、熱度和干度等4個(gè)生態(tài)要素角度出發(fā)綜合評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量；該評(píng)價(jià)指標(biāo)易獲取，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量快速監(jiān)測(cè)；該指標(biāo)在近年也得到了諸多科研工作的應(yīng)用［5－9］。因此，本研究采用丹霞山近5年遙感數(shù)據(jù)，綜合濕度、干度、熱度、綠度等指標(biāo)構(gòu)建RSEI綜合指數(shù)模型反演丹霞山生態(tài)質(zhì)量，從空間和時(shí)間角度上分析丹霞山近5年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，可為丹霞山生態(tài)環(huán)境可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)，能夠更有針對(duì)性地去開(kāi)發(fā)和保護(hù)，也可為生態(tài)保護(hù)工作成效評(píng)估提供一定的參考。

1 資料與方法

本研究使用的數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS），采用多光譜Landsat8＿OLI 1T級(jí)衛(wèi)星遙感影像，每年在云量低于1%的影像中挑取質(zhì)量最佳的一景，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和大氣校正等一系列預(yù)處理。

本研究采用遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）法：該指數(shù)通過(guò)植被指數(shù)、濕度信息、地表溫度以及建筑－裸土信息耦合了綠度、濕度、熱度、干度四大生態(tài)要素，通過(guò)主成分分析方法綜合表達(dá)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。RSEI法所需的數(shù)據(jù)易獲取、適用于丹霞山等區(qū)域性氣候地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被密度分布的最佳指示因子，反映農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，又被稱為標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，被廣泛應(yīng)用于遙感圖像研究植被及植物物候方面，因此，選用NDVI代表綠度指標(biāo)。

2）濕度指標(biāo)。

纓帽變換是一種對(duì)數(shù)據(jù)壓縮和去冗余的技術(shù)，其綠度、濕度、亮度分量與地表物理參數(shù)有直接關(guān)系，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，其中的濕度與土壤的濕度和植被緊密相聯(lián)系，因此，本研究中的濕度指標(biāo)采用WET分量來(lái)表示。

3）干度指標(biāo)。

土壤干化會(huì)給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，造成土壤干化的因素有裸土和城區(qū)建筑用地。因此，干度指標(biāo)（NDSI）可由裸土指數(shù)（SI）和建筑指數(shù)（IBI）二者合成。

4）熱度指標(biāo)。

輻射傳輸方程法是一種較早的基于大氣輻射模型的傳統(tǒng)算法，任何遙感數(shù)據(jù)的熱紅外波段都可以用其進(jìn)行地表溫度反演，因此本研究采用輻射傳輸方程法反演地表溫度作為熱度指標(biāo)。

5）綜合指數(shù)。

全面放開(kāi)船長(zhǎng)尺度，船舶調(diào)頭勢(shì)必十分困難，必然影響其他船舶正常航行，引起航道堵塞。航道標(biāo)準(zhǔn)尚未完全到位，并由于拆遷、資金等原因，沿線仍有少數(shù)橋梁未達(dá)標(biāo)，局部水域水下存在一些淺點(diǎn)。諸多航道碼頭按照45 m設(shè)計(jì)，岸線資源有限，靠泊困難，影響通航效率，甚至堵航。

空間主成分分析方法（PCA）是圖像信息提取與數(shù)據(jù)壓縮中應(yīng)用較為廣泛的方法。該方法運(yùn)用對(duì)特征光譜空間坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)去掉各指標(biāo)之間的相關(guān)性，從而達(dá)到將4個(gè)指標(biāo)的主要信息集中在少量主成分上。本研究通過(guò)主成分分析（PCA）合成生態(tài)指數(shù)（RSEI）。由于計(jì)算的4個(gè)指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一，因此在做主成分分析前，需先對(duì)相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化量綱一處理，各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化化公式為

其中，NI為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)；Imin和Imax為最小值與最大值。

其中，RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)；LST為地表溫度（℃）；NDVI為植被指數(shù)；WET為濕度信息（%）；NDSI為建筑－裸土信息。為便于度量指標(biāo)，采用式（7）對(duì)RSEI進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終RSEI指數(shù)取值范圍為［0，1］。

2 結(jié)果與分析

2.1 RSEI指數(shù)的適用性

表1是主成分分析中的第1主成分（簡(jiǎn)稱PC1）統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表達(dá)了各指數(shù)在不同成分間的載荷量，其正負(fù)性對(duì)應(yīng)主成分影響正負(fù)性。由表1數(shù)據(jù)可知，2017—2021年的PC1貢獻(xiàn)率均大于60%，PC1集中了4個(gè)指標(biāo)的大部分特征。各指標(biāo)對(duì)PC1的貢獻(xiàn)程度均不相同，其中綠度和濕度對(duì)PC1的貢獻(xiàn)是正面影響，而干度和熱度對(duì)PC1的貢獻(xiàn)是負(fù)面影響，即表明綠度和濕度對(duì)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量起正面作用，干度和熱度則起負(fù)面作用。在PC1中，綠度載荷量最大，對(duì)PC1影響程度最高。其他成分特征值明顯變小，且正負(fù)性并不具有科學(xué)意義，故PC1可表達(dá)4個(gè)指標(biāo)。

表1 主成分PC1分析結(jié)果

相關(guān)系數(shù)可以反映不同事物間密切程度，表2是各指標(biāo)和RSEI指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)值，其中綠度和濕度與RSEI的相關(guān)系數(shù)均為正值，干度和熱度與RSEI的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，這與表1所反映的結(jié)果一致。表2中相關(guān)系數(shù)值小于0.5的占比為20%，可見(jiàn)絕大部分的相關(guān)系數(shù)值較高。綜合分析可知，RSEI指數(shù)可以集成4個(gè)指標(biāo)的大部分信息，可以更全面地綜合表達(dá)研究區(qū)域的生態(tài)狀況。

表2 各指標(biāo)與RSEI的相關(guān)系數(shù)

2.2 丹霞山生態(tài)質(zhì)量分析

表3為丹霞山2017—2021年各指標(biāo)均值統(tǒng)計(jì)情況。從表3可以看出，在這近5年NDVI基本維持，其中在2021年略有增長(zhǎng)，LST在近5年呈下降趨勢(shì)，WET波動(dòng)變化，NDSI在近3年呈下降趨勢(shì)。RSEI指數(shù)均在0.68以上，表明丹霞山的生態(tài)質(zhì)量整體水平較高，且穩(wěn)中有升。

表3 各指標(biāo)均值變化

將RESI指數(shù)以0.2分級(jí)，共分5個(gè)生態(tài)等級(jí)，其中數(shù)值取值范圍［0，0.2）、［0.2，0.4）、［0.4，0.6）、［0.6，0.8）、［0.8，1］分別對(duì)應(yīng)生態(tài)質(zhì)量差、較差、中級(jí)、良級(jí)、優(yōu)級(jí)。由表4中的RSEI分級(jí)占比可知，2017—2021年，丹霞山RSEI為優(yōu)級(jí)的面積占比逐年升高，其中以2019年增長(zhǎng)最為明顯，較2018年增長(zhǎng)36.46%；其次為2020年，較2019年增長(zhǎng)20.77%。丹霞山RSEI為良級(jí)的面積占比逐年下降，中級(jí)的面積占比大體上也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，較差級(jí)別和差級(jí)別的面積占比雖間中有升，但總體占比都較低，這表明丹霞山的生態(tài)保護(hù)工作對(duì)整體的生態(tài)質(zhì)量的提升起到良性作用。

丹霞山RSEI指數(shù)在2019年出現(xiàn)的明顯增長(zhǎng)與丹霞山管理部門科學(xué)規(guī)劃、大力推進(jìn)景區(qū)生態(tài)文明建設(shè)工作息息相關(guān)。2019年，丹霞山管理部門以貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記“綠水青山就是金山銀山”理念為抓手，嚴(yán)格按照國(guó)家林業(yè)和草原局的部署，科學(xué)規(guī)劃按時(shí)保質(zhì)保量完成“綠衛(wèi)2019”工作，通過(guò)植樹(shù)、創(chuàng)建丹霞山科普小鎮(zhèn)等方式大力推進(jìn)景區(qū)生態(tài)文明建設(shè)，強(qiáng)化生態(tài)發(fā)展保護(hù)宣傳教育，形成景區(qū)管理機(jī)構(gòu)主導(dǎo)、社區(qū)公眾積極參與生態(tài)文明建設(shè)的格局，對(duì)景區(qū)的生態(tài)質(zhì)量的提升起到了積極作用。

2.3 變化監(jiān)測(cè)

為了更直觀地觀察研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量的變化情況，本研究對(duì)2017、2021年的RSEI數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。從2017和2021年丹霞山RSEI分布（圖1）可見(jiàn)，2021年生態(tài)質(zhì)量為良級(jí)以上的面積占了丹霞山絕大部分面積，生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)級(jí)的面積較2017年明顯增長(zhǎng)，增幅達(dá)到65.94%，增長(zhǎng)面積空間分布合理，生態(tài)質(zhì)量在中級(jí)以下的面積占比較小且基本集中在山塘、河流區(qū)域。

圖1 丹霞山2017年（a）和2021年（b）RSEI分級(jí)圖

本研究將2017、2021年數(shù)據(jù)進(jìn)行差值變化監(jiān)測(cè)，再對(duì)差值進(jìn)行頻次正態(tài)分布分析，得出2021和2017年RSEI差值頻次正態(tài)分布（圖2）。

圖2 2021和2017年RSEI差值頻次正態(tài)分布圖

從圖2可見(jiàn)，差值絕大部分集中在0.03～0.34區(qū)間中，表明丹霞生態(tài)質(zhì)量提升明顯。

3 綜合評(píng)價(jià)與建議

丹霞山的生態(tài)質(zhì)量與其規(guī)劃開(kāi)發(fā)息息相關(guān)，近年來(lái)隨著綠水青山就是金山銀山的觀念深入人心，生態(tài)保護(hù)工作力度越來(lái)越大。本研究對(duì)丹霞山2017—2021年生態(tài)質(zhì)量變化分析，得出主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)主成分分析與相關(guān)性分析可知，RSEI指數(shù)從綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)生態(tài)角度綜合表達(dá)丹霞山的生態(tài)質(zhì)量，其中綠度和濕度對(duì)生態(tài)質(zhì)量起積極作用，綠度對(duì)RSEI的貢獻(xiàn)度最大，表明植被是丹霞山生態(tài)系統(tǒng)最重要的影響因素；干度和熱度則相反，起到負(fù)面作用。

2）2017—2021年丹霞山RSEI指數(shù)均在0.68以上，其中2021年較2017上升了20.6%，表明丹霞山的生態(tài)質(zhì)量整體水平較高，且生態(tài)質(zhì)量呈上升趨勢(shì)。

3）統(tǒng)計(jì)變化區(qū)域相關(guān)情況可知，2021年生態(tài)質(zhì)量為良級(jí)以上的面積占了丹霞山絕大部分面積，生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)級(jí)的面積較2017年增幅達(dá)到65.94%，增長(zhǎng)區(qū)域空間分布合理，表明近5年丹霞山生態(tài)質(zhì)量提升明顯。

丹霞山近5年的生態(tài)質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，且生態(tài)質(zhì)量空間分布合理，建議在今后的規(guī)劃建設(shè)中繼續(xù)保持生態(tài)保護(hù)力度，守住生態(tài)保護(hù)紅線，提高植被質(zhì)量，科學(xué)可持續(xù)發(fā)展，守護(hù)綠水青山。此外，本研究雖然得出一定的研究效果，但仍有許多不足之處，如生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)會(huì)受到遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量及觀測(cè)時(shí)間的影響，在后續(xù)工作中會(huì)進(jìn)一步研究以減少評(píng)價(jià)誤差。