劉德勝， 連帥帥， 孫 悅， 王柳艷

(佳木斯大學信息電子技術(shù)學院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

21世紀以來，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其獲取信息范圍廣、速度快、周期短等特點廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[1]。遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index，RSEI)不再考慮單一的環(huán)境指標，而是將多個重要的生態(tài)參數(shù)組合成一個代表整體生態(tài)環(huán)境的指標[2]。RSEI不僅能綜合直觀地定量評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還能從時空上對評價結(jié)果進行高精度的可視化分析。所以在很多地區(qū)得到了很好的應(yīng)用，程琳琳等[3]評估雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境時發(fā)現(xiàn)白洋淀區(qū)域面積的不斷減少和持續(xù)的城鎮(zhèn)化建設(shè)造成了雄安新區(qū)的生態(tài)惡化。劉立冰等[4]對自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評估時發(fā)現(xiàn)地表植被覆蓋度是治理生態(tài)的關(guān)鍵。宋慧敏等[5]監(jiān)測和分析渭南市生態(tài)時發(fā)現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)不僅影響其主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還向周邊城區(qū)輻射。然而采用主成分分析，以PC1歸一化得到的RSEI作為評價區(qū)域生態(tài)的最終標準，其貢獻率范圍在50%[6-7]到90%[8-9]不等，不能較高的集成評價指標的信息。本研究考慮到生態(tài)指數(shù)權(quán)重的合理性、歸一化系數(shù)的設(shè)置、相關(guān)指標的易獲取性以及生態(tài)條件的可視化，利用主成分分析(principal components analysis,PCA)從綠、濕、干、熱四個因子中提取主成分，以前三主成分的貢獻率作為權(quán)重改進遙感生態(tài)指數(shù)(Modified remote sensing ecological index，MRSEI)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

嘉定區(qū)又名疁城，是上海西北郊的區(qū)，堆積型地貌，地勢較為平坦，由西南向東北地勢海拔逐漸升高。中心地理位置坐標為東經(jīng)121°59'，北緯31°30'，屬于亞熱帶季風氣候，冬暖夏熱，年平均氣溫16.2℃，雨量充沛，平均降雨量1086毫米。

研究選用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分辨率為30m，其具有獲取數(shù)據(jù)便捷、波段較多、數(shù)據(jù)時間跨度大等特點，因而被廣泛地應(yīng)用在長期監(jiān)測地表這一方向。數(shù)據(jù)獲取時間見表1，數(shù)據(jù)來源日期均在同一季節(jié)，時間較為接近，可以避免因植被生長狀況而造成的差異。預處理階段對原始影像分別進行輻射定標、FLAASH大氣校正、圖像裁剪等處理。

表1 遙感數(shù)據(jù)來源

2 研究方法

2.1 生態(tài)因子指標的選取

2.1.1 綠度指標

城市植被的覆蓋不僅可以降低小氣候的風速還有助于減輕熱島效應(yīng)，它分別通過遮蔭和蒸騰作用保持地表溫度和環(huán)境空氣溫度較低[10]。除了降溫之外，植樹還通過固碳降低城市二氧化碳水平，降低冷卻能源需求從而減少發(fā)電廠的電力需求和二氧化碳排放。因此樹木往往能在很大程度上減少“煙霧”和空氣中的污染物。本文選取NDVI作為綠色指標，用于研究城市的植被覆蓋變化。

2.1.2 濕度指標

城市空氣濕度對健康的影響一直存在爭議，研究發(fā)現(xiàn)長期暴露在低濕度環(huán)境中對人體感知空氣質(zhì)量、工作表現(xiàn)、睡眠質(zhì)量以及病毒存活等存在重大影響[11]。纓帽變換又稱K-T變換，是多光譜、多時相遙感影像處理中最常見的一種變換，它抓住了地面景物，特別是土壤濕度和植被在多光譜空間中的特征，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在遙感領(lǐng)域，本文選取其變換后的濕度分量(wetness ,WET)作為評價城市濕度的指標。

2.1.3 干度指標

高密度的建筑作為城市發(fā)展的主要模式之一，對城市形態(tài)有著巨大的影響[12]。一方面，城市的密集發(fā)展在城市內(nèi)部產(chǎn)生了大量的人為散熱；另一方面，由混凝土、瀝青等組成的城市下墊面增強了其吸收太陽輻射的能力，并減少了植被蒸騰帶走的熱量。此外，過度的建筑密度和建筑高度造成的陰影效應(yīng)將減少向上的長波輻射和街道的通風能力。這些因素將導致城市內(nèi)部的熱量積累，從而導致熱環(huán)境的惡化。因此本文選取建筑指數(shù)和裸土指數(shù)合成(normalized difference built-up and soil index，NDSI)以作為干度指標。

2.1.4 熱度指標

城市化過程中建成區(qū)百分比的指數(shù)增長會導致城市氣候劇烈變化。城市經(jīng)歷城市熱島效應(yīng)，與周圍農(nóng)村地區(qū)相比，建成區(qū)的空氣溫度顯著升高[13]。氣溫上升和城市熱島現(xiàn)象進一步加劇了城市環(huán)境和人類健康挑戰(zhàn)，并給現(xiàn)有城市系統(tǒng)增加了負擔。由于冷卻需求的增加，城市的能源消耗急劇上升。因此地表溫度的良性循環(huán)對于城市人口的生產(chǎn)生活具有決定性影響，本文所以選取LST作為評價城市熱度的指標。

2.2 MRSEI的構(gòu)建

評價城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方法有很多，但是大多數(shù)對于指標權(quán)重的選擇都是人為設(shè)定的，具有很大的主觀性，因此本文選取主成分分析方法對選取的四個生態(tài)指標的權(quán)重進行客觀的取值，從而避免人為因素而造成的不確定性。

2007、2013和2020年主成分分析結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)2007年第一主成分PC1只有77.57%，而2013和2020年也只有80.79%和81.55%，并不能完好地覆蓋四個生態(tài)指標的所有信息，此時僅以第一主成分的值代表生態(tài)狀況不具有信服力。分析表2發(fā)現(xiàn)三個時間點的PC1、PC2和PC3它們的貢獻率之和分別為98.71%、99.44%、99.58%，均大于95%，而第四主成分更多地代表噪聲信息。因此本文選擇前三主成分的貢獻率作為權(quán)重，重新構(gòu)建生態(tài)環(huán)境指數(shù)，計算公式如(1)。

表2 主成分分析指標

(1)

式(1)中：ek為第k主成分所對應(yīng)的特征值貢獻率,pck為第k主成分。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型的建立

為模擬和預測上海市嘉定區(qū)的生態(tài)變化走向，本文建立MRSEI生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型。選取貫穿全影像采樣方法對嘉定區(qū)2007、2013和2020年三個時間點的MRSEI、NDVI、WET、NDSI、LST影像進行采樣。充足的樣點可以確保多元回歸分析結(jié)果的客觀性和正確性，因此每幅影像從全局選取22602個樣點，以避免因樣本小與局部性采樣而帶來的結(jié)果欠擬合。公式(2)、(3)、(4)為建立的嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型(均通過了1%的顯著性檢驗)。

MRSEI2007=0.3082NDVI+0.0961WET-

0.1851NDSI-0.3146ST+

0.5452(R2=0.9069)

(2)

MRSEI2013=0.1979NDVI+0.1905WET-

0.1840NDSI-0.3195ST+

0.5658(R2=0.9077)

(3)

MRSEI2020=0.1575NDVI+0.1855WET-

0.1787NDSI-0.3789ST+

0.6005(R2=0.9178)

(4)

從嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型分析發(fā)現(xiàn)：NDVI、WET、NDSI、LST四個生態(tài)指標均未被剔除，這表明綠度、濕度、干度和熱度均在城市生態(tài)中扮演著重要角色。由各指標的回歸系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：綠度和濕度的系數(shù)為正，說明其有助于城市生態(tài)的發(fā)展；干度和熱度的系數(shù)為負，說明其阻礙城市生態(tài)的進步。

2007-2020年，綠度的回歸系數(shù)顯著減小，說明城市綠植覆蓋度大面積縮減；熱度的回歸系數(shù)不斷上升，說明城市人類生產(chǎn)生活越來越密集，城市熱島現(xiàn)象愈發(fā)明顯。濕度和干度的回歸系數(shù)則相對平穩(wěn)，起伏變化不大。此外，從對城市生態(tài)的正反影響來看，起消極作用的干度和熱度的貢獻率總值大于起積極作用的綠度和濕度的貢獻率總值。

總的來說，基于最新的嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型(MRSEI),NDVI增加0.667個單位或WET增加0.539個單位與NDSI減少0.559個單位或LST減少0.263個單位效果一致，均可以使MRSEI改善0.1個單位。而由于城市建筑的既定布局，生態(tài)環(huán)境的改善應(yīng)主要取決于濕度和綠度的增強，如灌溉和排水設(shè)施效率的提高和擴大植被覆蓋度等。

3 結(jié)果與分析

2007、2013、2020年上海市嘉定區(qū)的MRSEI如表3所示均值分別為0.536、0.516、0.502，呈逐漸下降趨勢。表明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在遭到破壞，但2013-2020年MRSEI減小幅度小于2007-2013年的減小幅度。為進一步分析2007-2020年上海市嘉定區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空格局變化，三個時間點的MRSEI如圖1所示。

表3 各年份4個指標和MRSEI的統(tǒng)計值

從時間上看，2007、2013、2020年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為中等及以上的面積所占比例分別為67.687%、66.289%、64.334%，呈遞減趨勢；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為差和較差的面積所占比例分別為32.313%、33.711%、35.666%，呈遞增趨勢(表4)。這表明上海市嘉定區(qū)整體生態(tài)環(huán)境保持較好，但是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量仍在小范圍地惡化。從空間上看，嘉定區(qū)北部和西部區(qū)域主要為華亭、婁塘和外岡三鎮(zhèn)。三鎮(zhèn)主要為農(nóng)村區(qū)域，無高密度的建筑物，綠地覆蓋度較為良好，空氣溫潤適宜，生態(tài)環(huán)境較好。安亭鎮(zhèn)、馬陸鎮(zhèn)(嘉定新城)、南翔鎮(zhèn)和江橋鎮(zhèn)位于嘉定南部，四鎮(zhèn)多為老城區(qū)，由于歷史原因，雨污合流，淤泥堵塞加之綠色景觀單調(diào)和數(shù)量銳減，因此生態(tài)質(zhì)量略差。宏觀上看海市嘉定區(qū)北部的生態(tài)環(huán)境明顯優(yōu)于南部，然而不可否認的是即使在嘉定北部，也有小范圍的空間生態(tài)在惡化，這主要是由上海市嘉定工業(yè)園等區(qū)域的不合理管理引起的。

表4 嘉定區(qū)2007—2020年各生態(tài)等級面積比例

4 總結(jié)與討論

基于遙感技術(shù)，首先通過波段運算獲得三個時間點的四個生態(tài)指標，然后對其進行歸一化處理并組合成新圖像，利用主成分分析客觀地得到各個主成分對生態(tài)環(huán)境的貢獻率，然后再以PC1、PC2、PC3的貢獻率為權(quán)重，利用加權(quán)求和法改進RSEI指數(shù)。此指數(shù)可以集成所選生態(tài)指標的絕大部分信息，應(yīng)用在上海市嘉定區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估中，分析了上海市嘉定區(qū)2007至2020年14年的生態(tài)時空變化。

城市環(huán)境是一個復雜的生態(tài)綜合變量，雖然本文較全面地選取了四個與生態(tài)聯(lián)系密切的指標。但是還不能完美地定量評價本研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。與其他區(qū)域相比，城市生態(tài)環(huán)境還與空氣指數(shù)、霧霾指數(shù)等生態(tài)指標密切相關(guān)，因此在今后評估城市生態(tài)時，應(yīng)根據(jù)研究城市的具體特點選取合理的新的生態(tài)指標。