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基于遙感和PSR模型的城市景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)——以福建省龍巖市為例

2013-09-26 02:25:20虞繼進(jìn)陳雪玲陳紹杰
自然資源遙感 2013年1期
關(guān)鍵詞:龍巖市景觀指標(biāo)

虞繼進(jìn),陳雪玲,陳紹杰

(1.江蘇省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,南京 210013;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221116;3.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,龍巖 364000)

0 引言

生態(tài)安全是指維護(hù)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所需的生態(tài)環(huán)境,由于自然因素和人類活動(dòng)以及二者共同作用而產(chǎn)生的生態(tài)安全隱患,對(duì)人類生態(tài)安全空間暫未構(gòu)成破壞與威脅的狀態(tài)或演變趨勢(shì)的可能性[1-2]。城市生態(tài)安全是城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),也是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)引發(fā)了眾多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)安全隱患日益彰顯。所以,如何有效并且快速定量評(píng)估城市化過(guò)程中的生態(tài)安全水平,已越來(lái)越受到研究者們的重視。龔建周等從空間和時(shí)間上評(píng)價(jià)了廣州市的生態(tài)安全,并在此基礎(chǔ)上研究了生態(tài)安全水平的空間分異與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移特征[3-4];李中才等[5]以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(press-state-response,PSR)”模型為基礎(chǔ),綜合應(yīng)用生態(tài)足跡和能值理論評(píng)價(jià)了山東省長(zhǎng)島縣生態(tài)安全的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì);曹明蘭等[6]運(yùn)用能值分析方法構(gòu)建了城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系和指數(shù),評(píng)價(jià)了唐山市生態(tài)安全水平??傮w來(lái)看,現(xiàn)有的生態(tài)安全體系評(píng)價(jià)涉及了不同尺度,而中尺度的評(píng)價(jià)研究(如流域、區(qū)域)則是生態(tài)安全研究的核心。目前的研究結(jié)果在一定程度上能反映城市生態(tài)安全狀況,但所選擇的指標(biāo)體系大多基于統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),忽略了城市快速發(fā)展所引發(fā)的城市熱島對(duì)城市生態(tài)安全的影響,對(duì)遙感影像中包含的各種信息和指標(biāo)沒(méi)有深入挖掘。研究表明,城市生態(tài)安全所涉及的因素和尺度具有復(fù)雜性,需要結(jié)合典型城市的特點(diǎn),構(gòu)建更全面、更能體現(xiàn)城市安全狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

龍巖市是福建省經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的城市之一,近10 a的城市土地利用類型發(fā)生了巨大的變化,區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能面臨巨大的壓力。本文以龍巖市為例,基于PSR概念模型,構(gòu)建有效的景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系,結(jié)合多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù),重點(diǎn)研究2001—2008年間龍巖市生態(tài)安全狀況,并通過(guò)區(qū)域間和年際間的縱橫向比較,揭示龍巖市景觀生態(tài)安全狀況變化及其規(guī)律。

1 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法

1.1 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

景觀生態(tài)安全格局是由對(duì)控制生態(tài)過(guò)程有重要意義的景觀某些關(guān)鍵性局部、位置和空間聯(lián)系所構(gòu)成[7]。作為生態(tài)安全研究的一個(gè)切入點(diǎn),在景觀生態(tài)安全形成和演變機(jī)制中,應(yīng)用聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)合作署(OECD)提出的PSR概念模型[8],構(gòu)建了龍巖市景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系。該評(píng)價(jià)體系包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層3個(gè)層次,其中,準(zhǔn)則層包括壓力層、狀態(tài)層及響應(yīng)層。每個(gè)準(zhǔn)則層包含若干個(gè)指標(biāo),選所的指標(biāo)應(yīng)盡量滿足可比性、可獲取性及可量化性等要求(表1)。

表1 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系框架Tab.1 Index system of landscape ecological security assessment

1.1.1 景觀壓力層(B1)指標(biāo)

人類活動(dòng)和自然災(zāi)害對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成潛在壓力,促使景觀格局發(fā)生相應(yīng)變化。城市用地?cái)U(kuò)張和人口迅速增長(zhǎng)是龍巖市城市化過(guò)程中景觀生態(tài)安全所承受的主要壓力。因此,景觀生態(tài)系統(tǒng)安全受外界的干擾強(qiáng)度可用人口壓力和建筑用地指數(shù)表示。人口壓力的分布可理解為以城市區(qū)為面源壓力中心,隨著向外距離的增加逐級(jí)遞減,可通過(guò)遙感圖像的目視解譯獲取城市主城區(qū)范圍并做緩沖區(qū)分析得到;城市建筑用地在中紅外波段的反射率高于近紅外波段,因此可以用建筑用地指數(shù)(NDBI)來(lái)表征城市用地?cái)U(kuò)展?fàn)顩r,其計(jì)算式為[9]

式中:ρMIR,ρNIR分別為中紅外波段和近紅外波段圖像像元的反射率或亮度值,這里分別代表 TM/ETM+5,4波段的像元亮度值。

1.1.2 景觀狀態(tài)層(B2)指標(biāo)

從景觀活力、組分結(jié)構(gòu)和生態(tài)貢獻(xiàn)3個(gè)角度出發(fā),選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)、生態(tài)彈性度(ECO)和生物豐度指數(shù)(BAI)來(lái)反映景觀生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。

1)歸一化植被指數(shù)(NDVI)。運(yùn)用NDVI對(duì)研究區(qū)的植被覆蓋度和生長(zhǎng)活力等進(jìn)行定量評(píng)價(jià),其計(jì)算式為[10]

式中:ρNIR和ρRed分別為近紅外波段和紅光波段圖像像元的反射率或亮度值,這里分別代表TM/ETM+4,3波段的像元亮度值。

2)生態(tài)彈性度(ECO)。ECO是指當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)外擾動(dòng)或壓力不超過(guò)其彈性限度時(shí),系統(tǒng)在偏離原來(lái)狀態(tài)后可恢復(fù)到原有狀態(tài)的程度,用于表征生態(tài)系統(tǒng)緩沖與調(diào)節(jié)的能力[13]。將生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中提取ECO的方法用于景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià),計(jì)算式為[14]

式中:Si為第i類土地利用類型面積;Pi為第i類土地利用類型的彈性分值;n為土地利用類型數(shù)。

3)生物豐度指數(shù)(BAI)。BAI反映評(píng)價(jià)區(qū)域生物多樣性的豐貧程度(生物豐富質(zhì)),計(jì)算式為[11-12]

式中:Abio為歸一化系數(shù);Si為第i類土地利用類型面積;Pi為第i類土地利用類型的生物豐度權(quán)重;S為區(qū)域總面積;n為土地利用類型數(shù)。

1.1.3 景觀響應(yīng)層(B3)指標(biāo)

景觀響應(yīng)是指景觀對(duì)當(dāng)前環(huán)境壓力所產(chǎn)生的反映;或者人類感知區(qū)域生態(tài)安全問(wèn)題受到影響后所采取的正向彌補(bǔ)措施。景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)能定量描述研究區(qū)景觀空間格局結(jié)構(gòu)組成和配置特征,表征為景觀破碎度、多樣性、分維數(shù)及脆弱度的線性組合,因而對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究能揭示區(qū)域生態(tài)安全狀況[15-16]。城市熱環(huán)境是城市生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo),其空間分布特征是人類活動(dòng)與城市景觀相互作用的結(jié)果[17-18]。將熱環(huán)境融入到景觀生態(tài)學(xué)理論中,對(duì)城市熱景觀時(shí)空過(guò)程進(jìn)行研究,能夠間接反映城市景觀的生態(tài)安全狀況。

目前,城市熱環(huán)境研究大多注重的是溫度相對(duì)強(qiáng)弱的空間分布。因此,本研究運(yùn)用地面輻射亮溫來(lái)研究龍巖市的熱環(huán)境。

利用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)反演地面輻射亮溫的公式[19]為

式中:T為輻射亮溫,K;L[19]為熱紅外波段的輻射強(qiáng)度,W·m-2·Sr-1·μm-1;K1,K2為校訂系數(shù)。對(duì)于 TM 遙感圖像,K1=607.776 mW·m-2·Sr-1·μm-1,K2=1 260 K;對(duì)于ETM+遙感圖像,K1=666.093 mW·m-2·Sr-1·μm-1,K2=1 283 K。

1.2 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)因子反映各個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的相對(duì)重要性,影響整個(gè)生態(tài)安全的評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,采用層次分析-Delphi法確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重[20]。該方法獲取的指標(biāo)權(quán)重客觀性強(qiáng),準(zhǔn)確度高。經(jīng)計(jì)算,各層的權(quán)重如表2所示;判斷矩陣目標(biāo)層的隨機(jī)一致性比率為0.004 3(小于0.1)。

表2 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重Tab.2 Weight of ecological security assessment index system

1.3 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化

通過(guò)以上方法得到的指標(biāo)因子評(píng)價(jià)值量綱不統(tǒng)一,不具有可比性,因此對(duì)原始數(shù)據(jù)指標(biāo)因子進(jìn)行規(guī)范化處理,使最終的標(biāo)準(zhǔn)量化值在(0~10)之間。

對(duì)于值越大,生態(tài)越安全的指標(biāo)處理方式為

對(duì)于值越小,生態(tài)越安全的指標(biāo)處理方式為

式中:Xi(i=1,2,…,n)為第 i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始值;Xmax為實(shí)測(cè)最大值;Xmin為實(shí)測(cè)最小值;Pi為標(biāo)準(zhǔn)化值。

1.4 景觀生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算

景觀生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)各指標(biāo)因子加權(quán)求和得到,評(píng)價(jià)模型為

式中:LESI為景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù);xi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)向量;wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重向量;n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,并結(jié)合國(guó)內(nèi)外景觀生態(tài)安全等級(jí)劃分方法,采用非等間距劃分,將景觀生態(tài)安全指數(shù)值和安全等級(jí)進(jìn)行如表3所示的關(guān)聯(lián)。

表3 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Criterion of integrative index of landscape ecological security assessment

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

龍巖市新羅區(qū)位于 N24°47 ~25°35,E16°40 ~117°20之間(圖1),處于福建省西南部。新羅區(qū)地處龍巖城市中心,全境東西寬約66 km,南北長(zhǎng)約89 km,總面積約2 685.4 km2。地勢(shì)東高西低,北高南低,四周群山環(huán)抱,山巒疊嶂,九龍江上游的雁石溪、萬(wàn)安溪二大支流匯成“丫”字形貫穿全區(qū)。隨著近幾年城市的快速發(fā)展,龍巖市新羅區(qū)已成為閩西政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。

圖1 研究區(qū)地理位置及其圖像覆蓋范圍Fig.1 Geographical location of Longyan city and remote sensing image of study area

2.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

選擇2001年10月21日和2008年12月19日2期Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。首先,采用ENVI軟件對(duì)圖像進(jìn)行輻射校正,然后采用圖像對(duì)圖像的配準(zhǔn)方式,以2001年圖像為基準(zhǔn),將2008年圖像與之配準(zhǔn)。在圖像上均勻選取25個(gè)控制點(diǎn),配準(zhǔn)后誤差為0.49個(gè)像元。

2.3 龍巖市景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法,以ENVI 4.7和ArcGIS 9.2為處理平臺(tái),通過(guò)支持向量機(jī)分類方法將研究區(qū)土地利用類型分為林地、建設(shè)用地、水體、農(nóng)業(yè)用地及未利用土地5類景觀,分類精度為88%;利用FRASTATS軟件以及ArcGIS空間分析模塊得到龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)及等級(jí)圖(圖2,3)。

圖2 龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of landscape ecological security index in Longyan city

圖3 龍巖市景觀生態(tài)安全等級(jí)Fig.3 Level of landscape ecological security index in Longyan city

2.3.1 龍巖市景觀類型生態(tài)安全評(píng)價(jià)

將2個(gè)時(shí)期土地利用分類圖分別和同期的景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)圖像疊加,統(tǒng)計(jì)2001,2008年各景觀類型的生態(tài)安全均值(圖4)。

圖4 龍巖市景觀類型生態(tài)安全均值折線圖Fig.4 Security mean line chart of landscape types ecological security in Longyan city

從圖4可以看出:

2001年林地和水體處于生態(tài)安全等級(jí);建筑用地、農(nóng)業(yè)用地值介于4.5~5之間,處于安全臨界狀態(tài);未利用土地存在一定的生態(tài)安全隱患。2008年林地、水體生態(tài)安全均值各為6.97和5.52,而農(nóng)業(yè)用地成為所有景觀類型中安全水平最低的類型。

在近10 a期間,除了水體生態(tài)安全水平有所上升外,其他景觀類型安全值均有所下降,其中林地景觀下降的幅度最大。其主要原因是在龍巖市城市化進(jìn)程中,城市建筑用地面積不斷擴(kuò)張,侵占城市綠地及周邊的耕地,再加上公路網(wǎng)對(duì)林地景觀的切割,使得林地、農(nóng)業(yè)用地安全水平下降。由于建筑用地增多,城市植被相對(duì)減少,建筑用地的生態(tài)安全也隨之下降。另一方面,龍巖市水體景觀處于臨界安全等級(jí),總水平有小幅度提高,可見(jiàn)這期間龍巖市水體治理的效果有初步顯現(xiàn),但也不容樂(lè)觀。

2.3.2 龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)分析

對(duì)龍巖市景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)空間分布(圖2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),2001年龍巖市景觀生態(tài)安全平均值為7.27,處于較高的安全水平;2008年平均值為6.65,處于中等安全水平。該結(jié)果反映龍巖市景觀生態(tài)安全尚處于安全的狀態(tài),但是整體水平有小幅度的下降。

對(duì)2個(gè)時(shí)期各自的生態(tài)安全等級(jí)(圖3)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到圖5。

圖5 景觀生態(tài)安全等級(jí)百分比變化圖Fig.5 Raking percentage of landscape ecological security assessment

從圖5可以看出:

1)在2個(gè)時(shí)期的各自安全等級(jí)中,“安全”等級(jí)所占的比例最大,超過(guò)研究區(qū)總面積的50%。結(jié)合圖2分析,安全區(qū)域?qū)?yīng)著城市外圍的大片林地。說(shuō)明龍巖市所具有的較高森林覆蓋度對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全貢獻(xiàn)度最大。

2)在生態(tài)安全等級(jí)中,“病態(tài)”和“很安全”等級(jí)所占比例較小。結(jié)合圖2分析,認(rèn)為“很安全”等級(jí)變化的幅度最大,減少了7.74%,減少的部分主要對(duì)應(yīng)城市區(qū)域附近的林地。

3)2001—2008年間,生態(tài)安全等級(jí)中“病態(tài)”、“不安全”及“臨界”的權(quán)重都有上升,分別為0.56%,4.37% 和 5.31%。2001 年生態(tài)安全等級(jí)“安全”的區(qū)域大部分轉(zhuǎn)化“臨界”狀態(tài),對(duì)應(yīng)著城市的建筑用地區(qū)域。

為了從宏觀角度分析龍巖市景觀生態(tài)安全變化狀況,繪制了景觀生態(tài)安全變化曲線圖(圖6)。

圖6 龍巖市景觀生態(tài)安全變化曲線Fig.6 Change cures of landscape ecological security in Longyan city

圖中2條曲線的2個(gè)大波峰大致位于生態(tài)安全值7.5~8.5之間,且2008年的波峰明顯下降,表明生態(tài)安全有向低值方向移動(dòng)的趨勢(shì)。同時(shí),在生態(tài)安全值4~6區(qū)間也出現(xiàn)了2小波峰,其中2008年的波峰明顯高于2001年的,這說(shuō)明2001年和2008年龍巖市大部分區(qū)域生態(tài)安全水平較高,但是到了2008年,景觀生態(tài)安全度有所下降。同時(shí)存在相當(dāng)一部分的區(qū)域生態(tài)安全綜合值徘徊于5左右,瀕臨“臨界安全值”等級(jí)。結(jié)合圖2可知,龍巖市生態(tài)安全等級(jí)較高區(qū)域主要集中在離建成區(qū)較遠(yuǎn)、受人類干擾較小的江山鄉(xiāng)區(qū)。以天馬山、登高公園為中心的龍巖市新羅區(qū)主城區(qū)域?yàn)樗{(lán)色,屬于臨界安全狀態(tài),其中小部分為紫色,表明生態(tài)安全等級(jí)已向生態(tài)惡化轉(zhuǎn)變,提醒相關(guān)部門應(yīng)給予重視。

3 結(jié)論

本文根據(jù)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(press-stateresponse,PSR)”生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型,從景觀尺度對(duì)龍巖市生態(tài)安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析,其結(jié)果客觀反映了該研究區(qū)的生態(tài)安全狀況,為相關(guān)部門提供了生態(tài)安全預(yù)警信息,以維護(hù)城市的生態(tài)環(huán)境,減少城市擴(kuò)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。研究結(jié)果表明:

1)2001年和2008年龍巖市景觀生態(tài)安全度均值分別為7.27和6.65,都處于“安全”等級(jí),但景觀壓力指數(shù)的增大和生態(tài)狀態(tài)指數(shù)的下降,導(dǎo)致龍巖市景觀生態(tài)安全水平呈下降趨勢(shì)。所以,今后在龍巖市城市發(fā)展規(guī)劃建設(shè)中,應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)城市周邊的林地,逐步減輕生態(tài)環(huán)境壓力。具體體現(xiàn)在對(duì)生態(tài)安全度較低的城市中心區(qū)域要重點(diǎn)優(yōu)化,對(duì)生態(tài)安全度較高的江山鄉(xiāng)區(qū)域要重點(diǎn)保護(hù),最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)龍巖市生態(tài)環(huán)境的健康、安全發(fā)展。

2)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)涉及的因素和尺度具有復(fù)雜性,而指標(biāo)的選取、權(quán)重賦值是生態(tài)安全評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。

本文所構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型能夠客觀反映出研究區(qū)的生態(tài)安全狀況,但指標(biāo)權(quán)重的確定受專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)影響,存在一定的主觀性。因此,指標(biāo)的選取和賦權(quán)值問(wèn)題在今后工作中仍需要進(jìn)一步研究。

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