基于遙感影像技術(shù)的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空演變分析

摘" 要：生態(tài)環(huán)境保護是維持我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，總結(jié)生態(tài)環(huán)境時空演變規(guī)律，評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與其他因素之間的關(guān)聯(lián)性，對經(jīng)濟、生態(tài)良性發(fā)展有積極作用。該文研究將遙感影像技術(shù)應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空演變的數(shù)據(jù)提取、分析中解讀生態(tài)環(huán)境時空變化特征，得到植被、河流等演變特征，使用驅(qū)動因子評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空演變的驅(qū)動性，以此保障生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：遙感影像技術(shù)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；時空演變；驅(qū)動力；可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：X830""""" 文獻標(biāo)志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0090-05

Abstract： Ecological and environmental protection is an important measure to maintain the sustainable development of China's economy. Monitoring the quality of regional ecological environment， summarizing the temporal and spatial evolution laws of the ecological environment， and evaluating the correlation between the quality of the ecological environment and other factors has a positive effect on the sound development of the economy and ecology. This paper studies the application of remote sensing imaging technology to interpret the spatio-temporal change characteristics of the ecological environment in data extraction and analysis of the spatio-temporal evolution of regional ecological environment quality， obtain the evolution characteristics of vegetation， rivers， etc.， and use driving factors to evaluate the driving force of the spatio-temporal evolution of ecological environment quality. In order to ensure the sustainable development of the ecological environment.

Keywords： remote sensing image technology; ecological environment quality; spatio-temporal evolution; driving force; sustainable development

生態(tài)文明建設(shè)是我國長期發(fā)展的依據(jù)，黨在十八大、十九大、二十大會議中強調(diào)生態(tài)建設(shè)、生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間的并行性。明確區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化特征，分析其驅(qū)動力，采用定量評價的方法，對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響指標(biāo)予以評估，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展提供路徑，減少經(jīng)濟發(fā)展對自然環(huán)境的破壞。

1" 遙感影像技術(shù)數(shù)據(jù)處理

生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)來源于遙感影像采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為長時間序列遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)搭載平臺為MODIS平臺，該平臺利用云計算功能處理遙感影像數(shù)據(jù)，具備可視化、數(shù)據(jù)分析的基本功能。平臺擁有數(shù)據(jù)庫數(shù)量達到200個以上，除具備遙感影像數(shù)據(jù)之外，也包括土地覆蓋數(shù)據(jù)、環(huán)境變量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，相關(guān)數(shù)據(jù)在入數(shù)據(jù)庫時經(jīng)過預(yù)處理，可直接運用到評估中。本文對某區(qū)域內(nèi)的遙感影像進行最小云量融合，重構(gòu)區(qū)域影像信息，利用現(xiàn)在編程算法反映生態(tài)環(huán)境變化程度，得到生態(tài)指數(shù)，評估時空生態(tài)環(huán)境演變質(zhì)量[1]。

遙感影像打造衛(wèi)星為aqua，傳感器使用成像光譜儀，最大空間分辨率為300 m，具有離散光譜波段數(shù)量45個，支持掃描空間寬度在2 000 km以上。光譜儀可在多波段數(shù)據(jù)中獲取到地表特征數(shù)據(jù)信息，在地面土地、森林覆蓋監(jiān)測、提取中應(yīng)用效果良好。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估所設(shè)定的指標(biāo)、獲取的數(shù)據(jù)均來自遙感影像數(shù)據(jù)庫，采用最小量合成的方式變換，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。遙感影像數(shù)據(jù)獲取時間為2018—2023年，每年數(shù)據(jù)獲取時間為5—10月份。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的邊界位置及遙感中心提供的影像數(shù)據(jù)，完成矢量裁剪過程，將文本數(shù)據(jù)數(shù)字化，完成數(shù)據(jù)的提取過程。

2" 遙感影像技術(shù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型

2.1" 評價指標(biāo)

2.1.1" 綠度

GEE平臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)劃分綠度指標(biāo)，通過提取遙感影像內(nèi)的地表植被覆蓋面積，評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。綠度主要用于反饋植被的覆蓋度，起到調(diào)節(jié)氣候、促進水循環(huán)，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的作用。遙感影像數(shù)據(jù)中，綠度指標(biāo)獲取采用歸一化差異值處理方式，判斷不同時空下的生態(tài)環(huán)境演變情況，該指數(shù)下，監(jiān)測植被的生長狀態(tài)，反饋生態(tài)環(huán)境的情況。具體綠度遙感數(shù)據(jù)指標(biāo)處理過程為

式中：N表示表征綠度因子，Pr表示遙感影像數(shù)據(jù)中的近紅外波段，Pn表示短波紅外波段。

2.1.2" 濕度

濕度是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量指標(biāo)，與區(qū)域環(huán)境內(nèi)的土壤性質(zhì)、水體分布、植被分布等因素息息相關(guān)。適宜的濕度有利于植物的生長，維持區(qū)域內(nèi)的水分平衡，保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健康性，濕度過高則生態(tài)環(huán)境內(nèi)的病蟲害滋生嚴重，濕度過低會影響到植物的生長。濕度指標(biāo)獲取利用MODIS地標(biāo)，采用遙感纓帽變換的方式，獲取綠度、亮度、濕度和黃度指標(biāo)，在消除光譜響應(yīng)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，完成濕度指標(biāo)提取。在分量的確定上，學(xué)者研究出了標(biāo)準(zhǔn)化的濕度計算和表達方法，具體公式為

公式使用纓帽變換的方式得到濕度數(shù)據(jù)，在遙感影像響應(yīng)光譜中，將Pb作為藍波段、Pg作為綠波段、Pr作為近紅外波段、Pn作為短波紅外波段、Ps作為短紅波段、Pm作為中波紅外波段。利用光譜響應(yīng)結(jié)果和纓帽變換公式，能夠得到生態(tài)環(huán)境內(nèi)的濕度分量。

2.1.3" 熱度

熱度是影響區(qū)域內(nèi)植物生長指標(biāo)的重要因子，具有驅(qū)動生態(tài)環(huán)境變化的作用，可用于評估生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的脆弱性。熱度主要使用地表溫度表示，獲取的地表溫度指標(biāo)源自GEE平臺的數(shù)據(jù)庫，采用均值合成的方法，完成數(shù)據(jù)的處理[2]。

2.1.4" 干度

區(qū)域生態(tài)環(huán)境內(nèi)的建筑用地、土壤用地數(shù)量占比較大，表明出現(xiàn)一定程度的地表干化問題。地表干化是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境污染程度的重要指標(biāo)，計算生態(tài)環(huán)境干化程度時，主要使用建筑指數(shù)、裸土指數(shù)，計算干度指標(biāo)，具體公式為

式中：N表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的干度指標(biāo)，BI則表示建筑指數(shù)，IBI則表示裸土指數(shù)。獲取干度數(shù)據(jù)時，根據(jù)遙感影像中的波段顏色數(shù)據(jù)和反射率等相關(guān)指標(biāo)，確定區(qū)域生態(tài)環(huán)境內(nèi)的干度因子。

2.1.5" 生態(tài)指數(shù)建立

利用遙感影像技術(shù)獲取生態(tài)環(huán)境時空演變數(shù)據(jù)時，由于指標(biāo)之間的相互影響存在相關(guān)性，需要考慮到生態(tài)指數(shù)之間的影響程度。例如，濕度指標(biāo)計算期間，區(qū)域內(nèi)存在大范圍水域情況下，濕度指標(biāo)會比較高。采用主成分分析的方法，對水域建模后，能夠建立更加準(zhǔn)確且具有代表性的遙感生態(tài)指數(shù)。綠度、濕度、干度和熱度等因子指標(biāo)量綱存在差異，需在標(biāo)準(zhǔn)化處理相關(guān)指標(biāo)后，映射數(shù)值，確定數(shù)值在[0-1]間，采用歸一化的方式，確定這一指標(biāo)的實際貢獻率。歸一化處理過程為

式中：In表示歸一化指標(biāo)，n表示編號，i表示分項因子，max和min表示指標(biāo)的最大值和最小值。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，根據(jù)遙感影像覆蓋的范圍，建立網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為500 m×500 m。網(wǎng)格表示區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境之間的位置環(huán)境，確定每個網(wǎng)格的因子后，采用主成分分析的方法，確定具體的生態(tài)指數(shù)[3]。為避免相關(guān)因素對主成分分析結(jié)果所產(chǎn)生的影響，應(yīng)確保主成分的累計貢獻率在85%以上，采用合成的方式確定最終的指標(biāo)。具體生態(tài)指數(shù)的計算過程為

式中：R表示遙感生態(tài)指數(shù)，W表示貢獻率，k表示主成分數(shù)量，P表示對應(yīng)的主成分因子。該過程采用指數(shù)比較分析的方法，并需要對主成分指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。最終指數(shù)反饋結(jié)果數(shù)值越大，則表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，指數(shù)越小，則表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。

2.2" 主成分數(shù)學(xué)模型

主成分分析中，具有相關(guān)性的指標(biāo)需轉(zhuǎn)化為獨立指標(biāo)，確保數(shù)據(jù)信息能夠準(zhǔn)確、直觀地反映生態(tài)環(huán)境實際情況。該方法避免了各指標(biāo)之間的影響，基于評價函數(shù)確定權(quán)重，根據(jù)主成分信息，避免誤差值的產(chǎn)生。在區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空演變分析中，將生態(tài)環(huán)境指數(shù)劃分為m個維度數(shù)據(jù)，建立矩陣，將觀測變量綜合處理后，得到變量指標(biāo)。計算結(jié)果中，主成分的方差值越小，則信息含量越少，貢獻率也越低，數(shù)據(jù)的離散程度越高，則信息的貢獻率也越大[4]。確定主成分數(shù)量時，根據(jù)累計貢獻率計算，并要滿足85%以上的基本要求，確保因子覆蓋大部分信息，貢獻率的計算公式為

式中：m表示主成分的數(shù)量，α表示主成分的特征值。

2.3" 地理探測器

演變分析屬于動態(tài)性的分析方法，由于區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境存在空間分異現(xiàn)象，使用地理探測器完成探測過程。地理探測器具備分異探測、因子探測、交互探測、風(fēng)險探測和生態(tài)探測的基本功能。分異探測和因子探測均是利用自變量解釋因變量的方法，得到度量值，具體計算公式為

式中：q表示度量值，h表示分層值，N表示單位數(shù)，β表示方差，L表示探測長度。

交互探測是探索獲取遙感影像之間因子的相互作用情況，評估遙感數(shù)據(jù)內(nèi)的交互效應(yīng)，解釋遙感數(shù)據(jù)之間的獨立性。該過程采用關(guān)系描述的方法，確定最終的交互作用。風(fēng)險探測則使用統(tǒng)計計量的方法，判斷區(qū)域之間屬性的差異是否存在顯著性。生態(tài)探測則比較因子之間的分布情況，判斷相互影響之間的差異性。

2.4" 分析步驟

在數(shù)據(jù)庫內(nèi)提取遙感影像數(shù)據(jù)，確定具體的研究區(qū)域，完成區(qū)域邊界裁剪過程。提取遙感影像數(shù)據(jù)指標(biāo)，掩蓋研究區(qū)域內(nèi)的大面積水體。篩選遙感影像，計算波段，獲取生態(tài)環(huán)境指標(biāo)因素，進行各項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算遙感區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境指數(shù)。劃分生態(tài)指數(shù)等級，采用等間距的方法，以0.2作為標(biāo)準(zhǔn)，共計在[0-1]之間劃分5個等級，并將其分為優(yōu)、良、中、劣和差5個標(biāo)準(zhǔn)。使用地理信息處理其他網(wǎng)格，生成500 m×500 m網(wǎng)格，隨機采集12 000個樣本，保留有效樣方，根據(jù)網(wǎng)格空間關(guān)系，賦予屬性，確定生態(tài)因子、探測因子之間的關(guān)系，建立模型，具體因子分級結(jié)果見表1。

3" 基于遙感影像技術(shù)的生態(tài)環(huán)境時空演變分析結(jié)果

3.1" 主成分分析

生態(tài)環(huán)境時空演變基于主成分分析基本原理，將相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，建立相關(guān)系數(shù)矩陣，計算特征值、貢獻率等。具體主成分分析結(jié)果見表2。

分析表2中的主成分分析結(jié)果，方差貢獻率均滿足85%以上的基本要求，涵蓋生態(tài)環(huán)境各指標(biāo)的信息量比較大。根據(jù)主成分分析的變化結(jié)果分析矩陣中的指標(biāo)，4個指標(biāo)對主成分的結(jié)果均具有一定的貢獻率，對生態(tài)環(huán)境有著促進和抑制的作用。綠度、熱度對主成分的荷載比較大，能夠用于解釋生態(tài)環(huán)境的狀況。

3.2" 生態(tài)因子指標(biāo)

生態(tài)指數(shù)集中各生態(tài)因子信息，建立樣方提取大量的數(shù)據(jù)后，保障了模型的準(zhǔn)確性。將結(jié)果投射到三維空間之中，除光度指標(biāo)呈現(xiàn)出良好的趨勢外，其他的指數(shù)并未顯示出良好的趨勢。建筑指數(shù)和裸土指數(shù)過大在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境。采用回歸分析法，生態(tài)因子指標(biāo)并未刪除，采集的樣本數(shù)量也比較充足，具有一定的擬合度。計算結(jié)果中，綠度、濕度的回歸指標(biāo)均在0.34以上，對改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起到了一定的貢獻。干度的系數(shù)為負數(shù)，與生態(tài)指數(shù)之間呈負相關(guān)的關(guān)系，表明干度對生態(tài)環(huán)境的影響是負面的。熱度指標(biāo)具有不穩(wěn)定的特點，表明了對于生態(tài)環(huán)境影響的不穩(wěn)定性，影響程度也會較低。從2018—2023年，由于時間間隔比較短，整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化程度較小[5]。

3.3" 時空演變

利用遙感影像技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，并使用生態(tài)指數(shù)均值統(tǒng)計空間內(nèi)的數(shù)據(jù)，2018—2023年內(nèi)的生態(tài)環(huán)境指數(shù)呈現(xiàn)出先下降、后改善的變化趨勢。在整個演變過程中，環(huán)境的變化差異比較小，呈現(xiàn)出交替變化的特點。遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表3。

由表3可知，在時空變化上，2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量比較好，少部分區(qū)域的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出脆弱性的趨勢。整體上的環(huán)境變化比較明顯，向壞的方向演變后，逐漸向好的方向演變，但并沒達到原來的效果。各年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化呈現(xiàn)出差異性的特點。生態(tài)環(huán)境保護過程中，應(yīng)集中對脆弱區(qū)域、敏感區(qū)域進行生態(tài)環(huán)境保護，繼續(xù)保持處于良、優(yōu)階段的環(huán)境區(qū)域。

4" 區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善建議

4.1" 影響因素分析

影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素包括自然因素和人為因素。使用遙感影像技術(shù)統(tǒng)計計算生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，完成時空演變分析的過程中，需要從區(qū)域內(nèi)的自然因素和人為因素，分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。綠度、濕度、干度和熱度構(gòu)建的生態(tài)指數(shù)反映區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況。該區(qū)域內(nèi)2018—2023年的降水量呈現(xiàn)出逐年上漲的趨勢，氣候向濕、暖方向的發(fā)展，干度指數(shù)則有所上漲，整體上對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升的影響并不高。在全球變暖的情況下，熱島現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少了濕度對生態(tài)環(huán)境指數(shù)的貢獻率，影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善。

人為因素也對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生影響，人口的增加和城市化的發(fā)展，造成了耕地面積增加，用水量增加，河流流量減少，林地、草地的面積減少，風(fēng)險增加。工業(yè)用地和建設(shè)用地增加，對生態(tài)環(huán)境造成了破壞。邊發(fā)展、邊治理的模式，使得區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出波動變化的情況。

4.2" 生態(tài)環(huán)境改善建議

在保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境上，根據(jù)遙感影像的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，該區(qū)域在進一步發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)的過程中，也應(yīng)注重環(huán)境的保護，有針對性保護生態(tài)環(huán)境。

首先，加大林地面積是生態(tài)環(huán)境建設(shè)中重要的一項舉措。增加林地面積可以提高植被覆蓋率，促進土壤保持和水源涵養(yǎng)，有利于減少水土流失，改善氣候環(huán)境，凈化空氣質(zhì)量。林地是生物多樣性的重要棲息地，擴大林地面積有助于保護和恢復(fù)野生動植物種群，維護生態(tài)平衡。此外，林地還具有經(jīng)濟和社會效益，可以提供木材、草藥等資源，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，改善居民生活。在實施過程中，相關(guān)部門應(yīng)科學(xué)規(guī)劃林地用途，選擇適宜樹種，加強管護和防火工作，確保林地建設(shè)的可持續(xù)性和有效性。加大林地面積不僅是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要舉措，也是推動可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。

其次，加大水體保護對于維護生態(tài)環(huán)境和促進可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。水是生命之源，保護水體可以確保供水安全，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡。加強水體保護可以減少污染物排放，改善水質(zhì)，保護水生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。水體保護有助于保護水資源，確保可持續(xù)利用。加大水體保護還可以促進生物多樣性，維護水生生物群落的健康。此外，水體保護還可以提升城市景觀品質(zhì)，改善人們的生活環(huán)境，提升城市形象和吸引力。在實施過程中，應(yīng)加強水體監(jiān)測和管理，加大執(zhí)法力度，嚴懲違法行為，推動全社會參與水體保護，形成合力。綜上所述，加大水體保護不僅關(guān)乎生態(tài)環(huán)境和資源利用，也是保障人類健康和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

最后，相關(guān)部門應(yīng)建立健全的環(huán)境監(jiān)測體系，及時發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境污染問題，加大治理力度，凈化空氣、水質(zhì)等環(huán)境，提升生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量。倡導(dǎo)綠色生產(chǎn)方式和消費模式，推動綠色能源利用和低碳生活方式，減少對環(huán)境的負面影響，促進生態(tài)環(huán)境的改善。加大自然保護區(qū)建設(shè)力度，保護珍稀物種和生態(tài)系統(tǒng)，維護生物多樣性和生態(tài)平衡，促進生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。推動資源循環(huán)利用和廢物減量化處理，降低資源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的良性循環(huán)。

上述措施能夠有效提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的良性互動，促進可持續(xù)發(fā)展。

5" 結(jié)論

綜上所述，使用遙感影像技術(shù)獲取數(shù)據(jù)信息具有長期性、精準(zhǔn)性的特點，結(jié)合地理信息系統(tǒng)可在特定時間、空間內(nèi)獲取信息，了解生態(tài)環(huán)境變化趨勢。獲取信息類型包括植被、土地、水體等，比較不同時間段內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)，可揭示時空變化規(guī)律，識別影響生態(tài)環(huán)境的潛在因素，直觀了解生態(tài)環(huán)境特點，為區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境保護提供借鑒。

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