基于遙感技術(shù)的哈爾濱巴彥—方正地區(qū)生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

陳 卓, 劉 濤, 段明新, 宋昊南, 趙喜東

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心,黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引言

隨著氣候變化對(duì)環(huán)境影響的不斷加大,極端高溫事件的強(qiáng)度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時(shí)間均有增強(qiáng)[1-3],而城鎮(zhèn)擴(kuò)張等直接人為因素也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯影響[4],地球系統(tǒng)內(nèi)物理、化學(xué)、生物和人類(lèi)的相互作用過(guò)程會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)危機(jī)[5]。開(kāi)展生態(tài)評(píng)價(jià)可以掌握一個(gè)地區(qū)的本底現(xiàn)狀,促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。遙感數(shù)據(jù)具有易得、時(shí)空連續(xù)的特征,極大地方便了生態(tài)信息的獲取,使得對(duì)生態(tài)狀況進(jìn)行快速經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)成為可能。用地類(lèi)型與生物多樣性、生態(tài)過(guò)程及地表溫度密切相關(guān),并進(jìn)而影響著生態(tài)狀況及功能[6-7]。地面溫度、亮度、濕度、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)[8-9]等常被用于生態(tài)評(píng)價(jià)。其中,地面溫度是監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)地表物理、化學(xué)和生物過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[10],地面氣象站無(wú)法提供具有較高空間分辨率的地面溫度,因此遙感影像成為提取地面溫度的理想數(shù)據(jù)源; NDVI常用于植物物理特征及生態(tài)的相關(guān)研究[11]; 亮度可以反映自然與人造景觀的表面特征; 濕度則與土壤、植被含水量、水體等有關(guān)[12-13]。

已有的生態(tài)狀況評(píng)價(jià)較多地集中于單一的用地類(lèi)型、地面參數(shù)或土壤、水體的化學(xué)成分等[8-9,14-15]。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(ecological index,EI)結(jié)合了多種生態(tài)要素,能夠反映某個(gè)區(qū)域的生態(tài)狀況[16-18],但無(wú)法獲得生態(tài)狀況的空間分布特征。通過(guò)遙感技術(shù)可以對(duì)一個(gè)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域上連續(xù)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià),其主要實(shí)現(xiàn)方式為多要素之間的加權(quán)運(yùn)算或主成分分析。徐涵秋[19]通過(guò)主成分分析構(gòu)建了遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index,RSEI),該指數(shù)能夠避免在加權(quán)運(yùn)算過(guò)程中因不合理權(quán)重而產(chǎn)生主觀誤差,目前該指數(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[8-9,20-21]。Landsat影像數(shù)據(jù)因其時(shí)間、空間、光譜和輻射分辨率而適宜用于生態(tài)評(píng)價(jià)應(yīng)用。已有學(xué)者利用遙感開(kāi)展了哈爾濱主城區(qū)的多要素生態(tài)評(píng)價(jià),但并未包含周邊縣市[22]。本文利用Landsat 8影像數(shù)據(jù),以哈爾濱巴彥—方正地區(qū)為研究區(qū),包括巴彥縣、賓縣和方正縣,通過(guò)RSEI開(kāi)展基于易得數(shù)據(jù)的生態(tài)狀況評(píng)價(jià),分析不同縣域和用地類(lèi)型的生態(tài)特征,以期助力區(qū)域綠色發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

巴彥縣、賓縣、方正縣地處我國(guó)東北地區(qū),為黑龍江省哈爾濱市的下轄縣級(jí)行政區(qū),黑土分布廣泛,為東北地區(qū)主要的糧食產(chǎn)地。北部為小興安嶺,東南部毗臨張廣才嶺,平原遼闊、丘陵低緩,總體南北高、中間低(圖1)。區(qū)內(nèi)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫3.3 ℃,年平均降水量約560 mm。

圖1 研究區(qū)2020年Landsat 8真彩色影像(a)及地理位置(b)Fig.1 The true color image in 2020 (a) and location (b) of the study area

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源與處理

本文選用Landsat 8 OLI/TIRS (Collection 2 Level 1)共3景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地面溫度、NDVI、亮度、濕度的提取,影像選取過(guò)程中確保了研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有云層覆蓋和積雪干擾,且盡量選擇植被生長(zhǎng)季的影像。Qureshi等[8]建議在進(jìn)行生態(tài)狀況評(píng)價(jià)時(shí)將影像之間各年的天數(shù)間隔設(shè)定為小于60 d,本研究選取的影像時(shí)相分別為2019年9月15日、2019年9月17日、2019年9月24日,間隔小于10 d,滿(mǎn)足遙感信息提取和對(duì)比要求(表1)。同時(shí)本文還收集了研究區(qū)GlobeLand 30 2020年的用地類(lèi)型數(shù)據(jù),用于提取分析不同用地類(lèi)型的生態(tài)特征。

表1 研究區(qū)選取的數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.1 Selected data parameters of the study area

2.2 評(píng)價(jià)流程

本研究主要包括地面參數(shù)提取、生態(tài)狀況評(píng)價(jià)與空間分析,主要流程為: ①在GlobeLand 30數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將用地類(lèi)型重新劃分為林草地、建設(shè)用地、旱地,并通過(guò)目視解譯提取水田,由于大片水域的存在會(huì)干擾濕度指數(shù)對(duì)植被和土壤含水量的反映[19],所以需利用遙感數(shù)據(jù)提取水體并掩模去除; ②對(duì)Landsat 8影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后提取地面溫度、NDVI、亮度、濕度等地面參數(shù),在統(tǒng)計(jì)中排除了最小的前0.01%和最大的后0.01%的異常值; ③利用地面參數(shù)構(gòu)建得到研究區(qū)2019年9月的遙感生態(tài)指數(shù); ④以縣域和用地類(lèi)型為研究對(duì)象分別進(jìn)行地面參數(shù)和生態(tài)狀況的空間對(duì)比、分析(圖2)。

圖2 研究區(qū)生態(tài)狀況評(píng)價(jià)技術(shù)流程Fig.2 Workflow of ecological assessment of the study area

2.2.1 地面參數(shù)提取

在參數(shù)提取之前,需對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和基于FLAASH模塊的大氣校正,分別得到Landsat 8 TIRS第10波段的熱紅外輻亮度和Landsat 8 OLI可見(jiàn)光近紅外波段的反射率數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,亮度和濕度分別為纓帽變換的第1和第3主成分,各波段的變換系數(shù)因傳感器類(lèi)型而異[13,23]。本文亮度和濕度直接采用ENVI軟件為L(zhǎng)andsat影像提供的纓帽變換工具獲取。此外,由于計(jì)算得到的濕度數(shù)據(jù)含較多的負(fù)值,會(huì)影響變異系數(shù)的比較,故將濕度數(shù)據(jù)在原值基礎(chǔ)上統(tǒng)一加10 000。地面溫度可利用熱紅外輻亮度數(shù)據(jù),通過(guò)輻射傳輸方程法(大氣校正法)計(jì)算得到[24-28]; NDVI采用第5波段和第4波段計(jì)算得到。

2.2.2 遙感生態(tài)指數(shù)

RSEI集成了各類(lèi)地面參數(shù)信息,能夠比單一指標(biāo)更好地反映生態(tài)狀況。本文RSEI處理過(guò)程為: ①對(duì)地面溫度、NDVI、亮度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,使其值域?yàn)?～1,分別得到歸一化后的地面溫度(TS)、NDVIS、亮度(LS)、濕度(WS); ②對(duì)4個(gè)地面參數(shù)進(jìn)行主成分分析,選擇與地面溫度(TS)、NDVIS、亮度(LS)、濕度(WS)的生態(tài)意義均一致的主成分作為RSEI,該方法與基于主成分分析的遙感礦化蝕變提取類(lèi)似[29],主成分分析結(jié)果顯示地面溫度(WS)、亮度(LS)在第2主成分的特征值均為正值,NDVIS、濕度(WS)在第2主成分的特征值均為負(fù)值(表2),故提取第2主成分作為RSEI; ③對(duì)RSEI進(jìn)行歸一化處理,使其值域?yàn)?～1,得到RSEIS,其可以反映研究區(qū)各區(qū)域的相對(duì)生態(tài)狀況; ④將RSEIS分為優(yōu)良[0,0.2)、良好[0.2,0.4)、中等[0.4,0.6)、一般[0.6,0.8)、較差[0.8,1.0)共5類(lèi)[8,19]。

表2 研究區(qū)RSEI特征值Tab.2 Eigenvalue for RSEI of the study area

3 結(jié)果分析

3.1 地面參數(shù)

3.1.1 縣域特征

從表3可知,巴彥縣、賓縣和方正縣之間亮度和濕度的均值差異并不顯著。標(biāo)準(zhǔn)差可以反映地面參數(shù)的空間異性[25],其中地面溫度空間差異最顯著的是賓縣,NDVI空間差異最顯著的是巴彥縣和方正縣,亮度空間差異最顯著的是方正縣,濕度空間差異最顯著的是巴彥縣。相比地面溫度和濕度,各縣域的NDVI和亮度均具有較高的變異系數(shù)(表3)。由圖3可見(jiàn),整個(gè)研究區(qū)的高溫地區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)和村莊,耕地區(qū)域的地表溫度為中等,低溫地區(qū)主要位于林草地區(qū)域,可能與森林具有更強(qiáng)的蒸騰作用有關(guān)[30]; 由于9月份哈爾濱地區(qū)的玉米仍處于生長(zhǎng)期,NDVI在林草地和耕地區(qū)域均較高,低值區(qū)主要位于建設(shè)用地和水域周邊。建設(shè)用地表現(xiàn)為較高的亮度和較低的濕度,耕地區(qū)域表現(xiàn)為中等亮度和較高的濕度,林草地區(qū)域表現(xiàn)為較低的亮度和中等濕度,和預(yù)期不同的是,方正縣周邊水田的亮度和濕度均較高。

表3 研究區(qū)地面參數(shù)特征Tab.3 Attributes of ground parameters in the study area

(a) 地面溫度 (b) NDVI

3.1.2 用地類(lèi)型特征

研究區(qū)各用地類(lèi)型地面參數(shù)見(jiàn)表4。地面溫度均值從低到高依次為林草地、水田、旱地、建設(shè)用地,地面溫度分布均較為集中,其中林草地和水田在近20 ℃處具有次峰值(圖4); NDVI從低到高依次為建設(shè)用地、水田、旱地、林草地,頻率曲線顯示林草地和水田具有明顯的峰值,建設(shè)用地的NDVI分布范圍較廣,可能是由于城鎮(zhèn)內(nèi)的綠化分布不均勻,旱地的NDVI范圍較廣,可見(jiàn)次峰值; 亮度分布特征明顯,從低到高依次為林草地、旱地、水田、建設(shè)用地,林草地和旱地的峰值位置相近,建設(shè)用地和水田具有雙峰值且峰值位置相近; 濕度的均值從低到高依次為建設(shè)用地、林草地、旱地和水田,頻率曲線顯示林草地、旱地、水田的濕度分布較為集中,其中林草地和旱地的峰值位置較為相近,建設(shè)用地的濕度峰值相對(duì)其他用地類(lèi)型較低,水田可見(jiàn)次峰值。

表4 研究區(qū)各用地類(lèi)型地面參數(shù)特征Tab.4 Attributes of ground parameters for different land covers in the study area

(a) 地面溫度 (b) NDVI

圖4 研究區(qū)各用地類(lèi)型地面參數(shù)頻率分布Fig.4 Frequency distribution of ground parameters for different land covers in the study area

3.2 生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

3.2.1 縣域特征

由圖5(a)可知,3個(gè)縣中生態(tài)狀況為優(yōu)良的區(qū)域占比差異不顯著,均超20%; 巴彥縣和賓縣生態(tài)狀況為良好的區(qū)域占比超過(guò)60%,明顯高于方正縣; 方正縣內(nèi)生態(tài)狀況中等的區(qū)域占比明顯高于其他兩縣; 3個(gè)縣中生態(tài)狀況為一般、較差的區(qū)域占比差異不顯著。圖3、圖5(b)和圖6顯示生態(tài)狀況為優(yōu)良的區(qū)域主要分布于巴彥縣北部、賓縣南部和東部、方正縣東部的林草地區(qū)域內(nèi),這些區(qū)域具有較低的地面溫度、亮度,較高的NDVI和中等的濕度; 生態(tài)狀況為良好的區(qū)域面積最廣,主要為耕地,對(duì)應(yīng)中等的地面溫度、NDVI、亮度,中等或較高的濕度; 生態(tài)狀況中等的區(qū)域主要分布于方正縣城周邊的水田區(qū)域,對(duì)應(yīng)中等的地面溫度、NDVI、亮度和較高的濕度; 生態(tài)狀況一般和較差的區(qū)域主要為建設(shè)用地分布較大的城鎮(zhèn),對(duì)應(yīng)較高的地面溫度、亮度和較低的NDVI、濕度。

(a) 縣域 (b) 用地類(lèi)型圖5 研究區(qū)各用地類(lèi)型各級(jí)生態(tài)狀況分布面積Fig.5 Distribution area of different land covers at different ecological classes in the study area

圖6 研究區(qū)RSEIS分布Fig.6 Distribution of RSEIS in the study area

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,RSEIS均值最高的為方正縣(0.30),其次為賓縣(0.29)、巴彥縣(0.28),總體來(lái)看3個(gè)縣的生態(tài)狀況均屬良好; 標(biāo)準(zhǔn)差顯示各縣域內(nèi)的生態(tài)狀況分布不均,其中巴彥縣內(nèi)的空間差異性明顯低于方正縣、賓縣(表5),與之對(duì)應(yīng),巴彥縣的RSEIS頻率分布曲線相對(duì)更為集中,頻率峰值位于0.21,與方正縣(0.22)相近,但方正縣RSEIS在中等區(qū)可見(jiàn)次峰值,賓縣RSEIS峰值位置最高(0.25)(圖7(a))。

表5 研究區(qū)RSEIS特征Tab.5 Attributes of RSEIS in the seady area

(a) 縣域 (b) 用地類(lèi)型圖7 研究區(qū)各用地類(lèi)型RSEIS頻率分布Fig.7 Frequency distribution of RSEIS for different land covers in the study area

3.2.2 用地類(lèi)型特征

由圖5(b)可知,林草地內(nèi)優(yōu)良、良好區(qū)域共占比超86%,建設(shè)用地內(nèi)中等、一般的區(qū)域共占比超74%,其次為良好、較差,旱地內(nèi)良好區(qū)域占比超72%,其次為中等、優(yōu)良,水田內(nèi)良好、中等區(qū)域占比超90%,用地類(lèi)型之間不同生態(tài)狀況占比的差異特征明顯。統(tǒng)計(jì)顯示,各用地類(lèi)型的主要生態(tài)狀況從好到差依次為林草地(優(yōu)良)、旱地(良好)、水田(中等)、建設(shè)用地(一般)(表5)。林草地的生態(tài)狀況峰值最為明顯,位于0.21,標(biāo)準(zhǔn)差為0.09,空間異性較小; 建設(shè)用地的峰值同樣明顯,位于0.65,標(biāo)準(zhǔn)差為0.17,生態(tài)狀況多樣; 旱地的峰值位于0.23,標(biāo)準(zhǔn)差為0.11,空間異性較低; 水田生態(tài)狀況具有明顯的雙峰分布特征,峰值位置分別為0.47,標(biāo)準(zhǔn)差為0.14,空間異性一般(圖7(b))。各用地類(lèi)型內(nèi)生態(tài)狀況的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的指示結(jié)果存在差異,如林草地具有較低的標(biāo)準(zhǔn)差和較高的變異系數(shù)(表5),RSEIS的頻率分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)差的指示結(jié)果更為一致(圖7(b))。

4 討論

本文利用遙感地面溫度、NDVI、亮度、濕度這4個(gè)參數(shù),通過(guò)主成分分析構(gòu)建了RSEI。結(jié)果顯示,建設(shè)用地和裸地具有更高的地面溫度和亮度,對(duì)生態(tài)有負(fù)面影響; NDVI、濕度的高值區(qū)分別代表了更好的植被覆蓋以及更高的植被、土壤含水量,對(duì)生態(tài)有正面影響[19],所以在構(gòu)建RSEI時(shí)應(yīng)確定這4個(gè)因子貢獻(xiàn)的正負(fù),使RSEI具有合理的生態(tài)意義。變異系數(shù)可克服不同地面參數(shù)間值域和量綱的差異,并反映數(shù)據(jù)相對(duì)于均值的變化程度,本研究中亮度和NDVI不僅在縣域內(nèi)具有較高的變異系數(shù),在同一用地類(lèi)型內(nèi)仍然如此(表3,表4),表明二者在同一用地類(lèi)型之內(nèi)仍具有較大的空間差異,這可能是由于同一用地類(lèi)型內(nèi)具有不同的生物物理特征有關(guān),且相較于地面溫度和濕度,亮度和NDVI對(duì)研究區(qū)的不同表面特征反饋可能更加靈敏,在今后的生態(tài)評(píng)價(jià)和其他研究中可加以重點(diǎn)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比RSEIS在表5中的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和在圖7中的頻率分布特征,可見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)差反映的空間異性與頻率分布曲線更為一致,由于變異系數(shù)反映的是相對(duì)于均值的變化程度,其更易受均值數(shù)值大小的影響,因此在今后研究中對(duì)于同一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù),直接利用標(biāo)準(zhǔn)差分析空間異性是更優(yōu)的選擇,對(duì)于不同的統(tǒng)計(jì)參數(shù),可對(duì)其進(jìn)行歸一化后再利用標(biāo)準(zhǔn)差分析比較空間異性。

本研究中水田具有比林草地和旱地更高的平均亮度和更低的NDVI,導(dǎo)致水田的生態(tài)狀況次于林草地和旱地。同時(shí),水稻在可見(jiàn)光至短波紅外上具有比森林上更高的反射率[31],哈爾濱地區(qū)的水稻成熟期為每年的九月份[32],其稻穗呈亮黃色,可能致使反射率進(jìn)一步升高,本次研究采用了9月份的影像開(kāi)展生態(tài)評(píng)價(jià),水田相對(duì)旱地的高亮度和低NDVI可能由水稻葉片及稻穗的高反射率同時(shí)引起。

巴彥、賓縣、方正3個(gè)縣的生態(tài)狀況以良好為主,且差別很小,其中方正縣RSEIS的次峰值可能由水田引起(表5,圖7(a)),水田的存在使方正縣RSEIS均值向高值偏移,但對(duì)研究區(qū)整體的生態(tài)狀況未產(chǎn)生顯著影響。用地類(lèi)型的RSEIS統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明建設(shè)用地具有最次的生態(tài)狀況(表5),RSEIS頻率分布曲線表明建設(shè)用地的生態(tài)狀況最為多變,較差或優(yōu)良的區(qū)域均有不可忽視的占比。線性混合像元模型認(rèn)為多種地物可按面積比例在遙感影像中形成混合像元[33],其多變的生態(tài)狀況應(yīng)是由主要由城鎮(zhèn)內(nèi)部的小塊地表差異引起。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1)研究區(qū)3個(gè)縣的生態(tài)狀況的相對(duì)排序,由好到次依次為巴彥縣、賓縣、方正縣,3個(gè)縣內(nèi)的優(yōu)良區(qū)域比例均超20%,良好區(qū)域占比分別為64.33%、61.50%、49.22%,中等區(qū)域占比分別為10.88%、12.12%、21.85%,一般區(qū)域占比位于2%～ 3%,較差區(qū)域占比均為1%左右。

(2)林草地對(duì)應(yīng)較低的地面溫度、亮度,較高的NDVI,中等的濕度,優(yōu)良、良好的生態(tài)狀況; 建設(shè)用地對(duì)應(yīng)較高的地面溫度、亮度,較低的NDVI、濕度,中等、一般的生態(tài)狀況; 旱地對(duì)應(yīng)中等的地面溫度、亮度、NDVI、濕度,良好的生態(tài)狀況; 水田對(duì)應(yīng)中等的地面溫度、NDVI、亮度,較高的濕度,良好、中等的生態(tài)狀況。不同用地類(lèi)型間的生態(tài)狀況差異較大,通過(guò)不同用地類(lèi)型間的良性轉(zhuǎn)換能夠有效提高研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)狀況。

5.2 展望

對(duì)于各遙感地面參數(shù)或RSEIS的空間異性,可通過(guò)變異系數(shù)或歸一化后的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)合頻率分布曲線進(jìn)行分析。相對(duì)于變異系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)差更能反映統(tǒng)計(jì)對(duì)象的空間差異特征,因此在今后研究中對(duì)于同一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù),直接利用標(biāo)準(zhǔn)差分析空間異性是更優(yōu)的選擇,對(duì)于不同的統(tǒng)計(jì)參數(shù),可對(duì)其進(jìn)行歸一化后再利用標(biāo)準(zhǔn)差分析比較空間異性。

成熟的稻穗會(huì)使水田與旱地在NDVI和亮度上形成較明顯的差異,從而在一定程度上影響研究區(qū)的RSEIS均值與頻率分布曲線,雖未在整體上引起質(zhì)變,但在今后評(píng)價(jià)中應(yīng)盡量選擇非農(nóng)作物成熟期的影像數(shù)據(jù),降低非葉片信息的影響。