徐 敏，陳 俊，鄧嘉翔，程 飛

(1.安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022；2.高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)安徽省滁州市數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心，安徽 滁州 239000)

0 引言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)來(lái)源，良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會(huì)前進(jìn)中的有效保障[1]。為了更好的增加生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，響應(yīng)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展目標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)是必要的。

衛(wèi)星遙感因其監(jiān)測(cè)范圍宏觀，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新速度較快，日漸成為監(jiān)測(cè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的主要手段之一。研究者們通過(guò)使用不同的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，或是不斷創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)數(shù)值模型，對(duì)不同維度的各類生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，取得諸多研究成果[2-5]。但是受制于生態(tài)指標(biāo)選擇的單一性、綜合指標(biāo)體系應(yīng)用范圍的限制以及指標(biāo)參數(shù)易得程度的影響，關(guān)于遙感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用上還存有爭(zhēng)議。近年來(lái)徐涵秋[1]提出了利用區(qū)域生態(tài)環(huán)境中的綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)綜合指標(biāo)，使用主成分分析方法提取綜合指標(biāo)中主要要素，反演區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。該方法既能夠體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的整體特征，又可以保證評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性、客觀性。鑒于此，本研究采用主成分分析法，計(jì)算區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù) (RSEI)，對(duì)2016-2020年間滁州市市轄兩區(qū)(瑯琊區(qū)、南譙區(qū))生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和時(shí)空變化監(jiān)測(cè)分析，為滁州市生態(tài)環(huán)境部門(mén)提供有關(guān)環(huán)境治理、發(fā)展規(guī)劃依據(jù)，為滁州市生態(tài)文明城市建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

滁州市位于安徽省東部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年四季分明。為江淮丘陵地帶，地表植被屬亞熱帶常綠闊葉林帶。滁州因滁河而得名，河流眾多，有各類型水庫(kù)1 000多座。其下轄兩區(qū)四縣及兩個(gè)縣級(jí)市( 瑯琊區(qū)、南譙區(qū)、來(lái)安縣、定遠(yuǎn)縣、全椒縣、鳳陽(yáng)縣、明光市、天長(zhǎng)市)，向東與南京市相連[6]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以滁州市直屬瑯琊區(qū)、南譙區(qū)兩個(gè)區(qū)為研究區(qū)，使用 2016 年7月、2018 年7月和 2020 年7月的Sentinel-2A、Landsat8 遙感影像。數(shù)據(jù)月份一致，經(jīng)過(guò)多波段合成、圖像鑲嵌、表觀反射率定標(biāo)，研究區(qū)裁剪等技術(shù)流程，提取相關(guān)生態(tài)因子，自然生態(tài)環(huán)境具有較大的可對(duì)比性。

2.2 研究方法

遙感生態(tài)指數(shù) RSEI選取了與人類生存環(huán)境密不可分的綠度、濕度、干度、熱度指標(biāo)。分別采用通過(guò)T-C變化的濕度分量(WET)來(lái)代表濕度指標(biāo)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前最常用的植被指數(shù)，它受控于區(qū)域的植物生物量、植被覆蓋度等要素，因此選用NDVI來(lái)代表綠度指標(biāo)；干度指標(biāo)一般選用的是裸土指數(shù)SI，考慮到真實(shí)環(huán)境中還有建筑用地，所以裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI合成(NDSI)代表干度指標(biāo)；地表溫度(LST)表征溫度指標(biāo)。

2.2.1 指標(biāo)的構(gòu)建

1)濕度指標(biāo)

本文采用Index Database發(fā)布的Tasselled Cap-wetness濕度計(jì)算公式計(jì)算哨兵2A數(shù)據(jù)的濕度分量，計(jì)算公式為：

WET=0.1 509*ρ2+0.1 973*ρ3+0.3 279*ρ4+

0.3 406*ρ8-0.7 112*ρ11-0.4 572*ρ12

(1)

式中：ρ2、ρ3、ρ4、ρ8、ρ11和ρ12分別為Sentinel-2A的2、3、4、8、11、12各波段的大氣表觀反射率。

2)綠度指標(biāo)

本次通過(guò)歸一化植被指數(shù)(NDVI)來(lái)獲取綠度信息，其公式為：

(2)

式中：NIR為近紅外波段的反射率；R為紅光波段的反射率。

3)干度指標(biāo)

干度指標(biāo)由裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI合成，計(jì)算公式為：

(3)

其中，

4)熱度指標(biāo)

利用地表溫度(LST)來(lái)表針熱度指標(biāo)。由于哨兵-2A數(shù)據(jù)沒(méi)有熱紅外波段，本文選用同一時(shí)間獲取的Landsat 8 影像的熱紅外波段來(lái)計(jì)算溫度，并將得到的溫度結(jié)果重采樣到10 m，以便與哨兵-2A 10 m分辨率影像能對(duì)應(yīng)。本文使用基于大氣校正法的Landsat8 TIRS數(shù)據(jù)分析研究區(qū)地表溫度信息。

2.2.2 綜合指標(biāo)的構(gòu)建

本研究采用主成分分析法(PCA)，提取遙感影像中 4 個(gè)生態(tài)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)重計(jì)算生態(tài)因素中的主要因素，對(duì)生態(tài)環(huán)境中的主要因素進(jìn)行遙感生態(tài)指數(shù)解譯?？紤]4個(gè)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，因此本文在主成分變換前，對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理，得到各指標(biāo)數(shù)值在0-1范圍內(nèi)，然后進(jìn)行區(qū)域主成分分析。歸一化公式為：

(4)

式中：NIi為歸一化后的某一指標(biāo)值；Ii為該指標(biāo)在區(qū)域像元i上的值；Imin、Imax分別為該指標(biāo)的最小、最大值。

對(duì)歸一化后的4個(gè)指標(biāo)在ENVI中采取主成分分析，得到 PC1，然后用1減去PC1得到原始生態(tài)指數(shù)RSEI0。

(5)

為了使各指標(biāo)統(tǒng)一，以方便指標(biāo)比較，同理對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化：

(6)

RSEI即為遙感生態(tài)指數(shù)，其值介于0-1之間，遙感生態(tài)指數(shù)值趨近于1，代表區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境趨好[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

表1為研究區(qū)3個(gè)年份4個(gè)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果。

表1 2016-2020年滁州市各年份指標(biāo)主成分與遙感生態(tài)指數(shù)RSEI統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出:3期數(shù)據(jù)的第一主成分(PC1)對(duì)RSEI的貢獻(xiàn)率超過(guò)83%。說(shuō)明PC1代表4個(gè)指標(biāo)中的主要載荷，集成了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的主要特征。其中，PC1對(duì)RSEI的貢獻(xiàn)度，2016年為87.77% ， 2018年為83.39% ， 2020年為86.97% 。分析4個(gè)指標(biāo)在PC1的貢獻(xiàn)率，綠度的NDVI和濕度的WET都顯示為正數(shù)，干度和溫度的NDBSI、LST都顯示為負(fù)數(shù)，這與自然界中綠度因素和濕度因素對(duì)自然生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正向效應(yīng)，而干度因素和溫度因素對(duì)自然生態(tài)環(huán)境發(fā)揮負(fù)面效應(yīng)的實(shí)際是一致的[8]。

3.2 滁州市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)變化分析

通過(guò)反演的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，分析滁州市近4年來(lái)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化。研究表明，4年間滁州市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)略下降趨勢(shì)。RSEI均值由2016年的0.669到2020年的0.599，但在2016-2018年間RSEI均值呈增加趨勢(shì)。各指標(biāo)變化中，濕度指標(biāo)WET和綠度指標(biāo)NDVI的均值變化趨勢(shì)與RSEI一致，都表現(xiàn)為先增加后減少；干度指標(biāo)NDSI逐漸增加。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的2016， 2018， 2020年的LST均值分別為:0.287， 0.351， 0.389，則說(shuō)明了熱度指標(biāo)LST也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。結(jié)合各指標(biāo)對(duì)PC1的載荷值，3個(gè)年份中植被覆蓋狀況的綠度指標(biāo)NDVI對(duì)PC1的載荷最大，可以看出自然植被對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響力最大。滁州市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI空間分布，如圖1所示。

從圖1中可以看出，生態(tài)環(huán)境較差的深紅色區(qū)域與滁州市現(xiàn)階段建成區(qū)大體保持一致。近年來(lái)隨著滁州市城南新區(qū)的大力發(fā)展，城區(qū)東南部RSEI下降較明顯，呈現(xiàn)由點(diǎn)向面的拓展。城區(qū)西南部分也出現(xiàn)RSEI明顯下降的趨勢(shì)。另外，老城區(qū)內(nèi)深紅色區(qū)域逐漸被淺綠色代替，說(shuō)明老中心城區(qū)生態(tài)環(huán)境有了較大程度的改善，生態(tài)環(huán)境狀況逐漸變優(yōu)。近年來(lái)隨著我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，市屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)得到了大力發(fā)展，但同時(shí)從RSEI圖中可以得出，諸多鄉(xiāng)鎮(zhèn)遙感生態(tài)指數(shù)出現(xiàn)下降，局部生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化。因此，在發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)的同時(shí)也需要注重保護(hù)環(huán)境。

圖1 滁州市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI空間分布圖Fig.1 RSEI spatial distriburion of Chuzhou city

3.3 遙感生態(tài)指數(shù)RSEI建模分析

回歸分析建模是分析多個(gè)地理要素之間具體的數(shù)量關(guān)系的普遍性方法。本文通過(guò)應(yīng)用4個(gè)生態(tài)因子建模研究滁州市生態(tài)環(huán)境影響因素，力爭(zhēng)為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支撐[9]。模型中在滁州市區(qū)內(nèi)隨機(jī)生成5 000個(gè)采樣點(diǎn)，包含3個(gè)年度的4個(gè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)值和RSEI值，在SPSS中進(jìn)行回歸分析模擬。計(jì)算過(guò)程中以4個(gè)指標(biāo)為自變量，以RSEI為因變量，采用步進(jìn)回歸方法。計(jì)算得出滁州市3個(gè)年份的回歸模型(模型都通過(guò)了1%的顯著性檢驗(yàn))，結(jié)果如下：

2016年RSEI=0.476NDVI+0.402WET-0.362NDSI-0.413LST+0.546，R2=0.988

2018年RSEI=0.582NDVI+0.351WET-0.442NDSI-0.481LST+0.626，R2=0.921

2020年RSEI=0.642NDVI+0.224WET-0.562NDSI-0.571LST+0.643，R2=0.995

通過(guò)計(jì)算得出，滁州市生態(tài)環(huán)境中的4個(gè)指標(biāo)因子在步進(jìn)回歸分析都有相關(guān)性，而且作為綠度指標(biāo)的NDVI相關(guān)性值最大。說(shuō)明作為生態(tài)環(huán)境中綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)是滁州市生態(tài)環(huán)境重要指標(biāo)，其中綠度指標(biāo)影響力最大。因此，在滁州市城市化快速推進(jìn)過(guò)程中，須注重原始自然植被保護(hù)和做好建成區(qū)城市綠化。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用Sentinel-2A、 Landsat8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，對(duì)2016-2020年4年間滁州市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行時(shí)空變化與建模分析，得出如下結(jié)論：

1)從時(shí)空分布來(lái)看，2016-2020年間，滁州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈略下降趨勢(shì)，但2016年至2018年間RSEI均值略有上升。滁州市西南和東南部因開(kāi)發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的生態(tài)變化趨勢(shì)明顯，遙感生態(tài)指數(shù)略有下降；老中心城區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)略有上升，生態(tài)環(huán)境狀況得以改善。

2)從建模分析來(lái)看，在4個(gè)指標(biāo)中，綠度指標(biāo)的影響力較大，說(shuō)明滁州城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降與植被減少的相關(guān)性最大，在城市化發(fā)展過(guò)程中必須注重原始自然植被保護(hù)和做好建成區(qū)城市綠化。

遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)有實(shí)時(shí)性、宏觀性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可滿足一定程度的工作要求。但是生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)涉及范圍廣、技術(shù)指標(biāo)多，評(píng)價(jià)體系有待改善，如何更科學(xué)的建立評(píng)價(jià)分析體系也是未來(lái)科學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。