陳航宇，陳 慧

(1.福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建 泉州 362011;2.安遠(yuǎn)縣自然資源局，江西 安遠(yuǎn) 342100)

1 引言

南靖縣是“土樓”保留最為完整的縣之一，擁有獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)，吸引著全球各地游客前來(lái)參觀，促進(jìn)了南靖縣旅游業(yè)的大力發(fā)展，也帶動(dòng)全縣的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。但城市快速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，如城市生態(tài)環(huán)境破壞、城市污染等。

近年來(lái)，遙感技術(shù)以其大范圍快速、重復(fù)對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，基于遙感的在生態(tài)監(jiān)測(cè)掀起一波浪潮，大量指標(biāo)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境變化，驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究中等[1～4]。徐涵秋提出的新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index，RSEI)[5]具有獨(dú)立依靠遙感技術(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行快速、定量、客觀的評(píng)價(jià)，且能夠可視化地表達(dá)評(píng)價(jià)結(jié)果，并可以基于地理信息系統(tǒng)或遙感影像處理軟件平臺(tái)進(jìn)行時(shí)空變化分析、建模與預(yù)測(cè)。近年來(lái)，該指數(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

本文基于遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，開(kāi)展了對(duì)南靖縣的生態(tài)環(huán)境變化情況及環(huán)境變化的演變趨勢(shì)規(guī)律分析，研究成果能為當(dāng)?shù)貙＜覍?shí)地考察提供參考依據(jù)，也能為南靖縣的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 影像數(shù)據(jù)

本文所研究的遙感影像圖由“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站下載的Landsat數(shù)據(jù)，選取2002年、2009年和2014年3個(gè)時(shí)期的遙感影像圖。在資源上選取遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)選擇云層較少的，以便于提高數(shù)據(jù)分析的精度；遙感影像圖應(yīng)選取植被覆蓋率較高的季節(jié)。具體如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算

遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing based Ecological Index)是由徐涵秋提出的，即RSEI指數(shù)[5,10]。RSEI指數(shù)以綠度、濕度、熱度、干度等4個(gè)指標(biāo)全面反映了一個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，將4個(gè)指標(biāo)合成為一個(gè)主成分分析，既彌補(bǔ)了一個(gè)因素分析的缺陷，又能夠合理的將4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合成。RSEI生態(tài)指數(shù)與2006年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部推出的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI) 相比[9]，既可以對(duì)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行適當(dāng)評(píng)估，而且評(píng)估結(jié)果是可視化的，還支持時(shí)間和空間變化的生態(tài)質(zhì)量分析、建模和預(yù)測(cè)，能夠完善現(xiàn)在的技術(shù)在這個(gè)方面的缺陷[6～8]。

RSEI能直觀反映生態(tài)條件優(yōu)劣的濕度(Wet)、綠度(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、熱度(Land Surface Temperature，LST)、干度(Normalized Difference Soil Index，NDSI)等4個(gè)分量通過(guò)主成分變換后的第一主成分(PC1)生成[9,10]。

2.2.1 濕度指標(biāo)(Wet)

濕度指標(biāo)一般采用纓帽變換，因濕度分量與地表物理參量有一定的相關(guān)，所以普遍應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中。由于其中的濕度分量與植被和土壤的濕度緊密相關(guān)，因此本文的濕度指標(biāo)用濕度分量Wet來(lái)表示[11～13]。計(jì)算式如公式(1)：

Wet=C1ρB+C2ρG+C3ρR+C4ρNIR+C5ρSWIR1+C6ρSWIR2

(1)

式(1)中，TM第1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率分別由ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2來(lái)表示。Ci見(jiàn)文獻(xiàn)[14～16]。

2.2.2 綠度指標(biāo)(NDVI)

歸一化差值植被指數(shù)(NDVI) 是普遍采用的植被指數(shù)，它與植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度都有密切的關(guān)系[17，18]。因此，選用NDVI 來(lái)代表綠度指標(biāo)。計(jì)算式如公式(2)：

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(2)

式(2)中，各傳感器的近紅外及紅色波段反射率分別由ρNIR，ρR來(lái)表示。

2.2.3 熱度指標(biāo)(LST)

熱度指標(biāo)由地表溫度來(lái)代表。計(jì)算式如公式(3)、(4)：

T=K2ln(K1/L+1)

(3)

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(4)

式(3)、(4)中，定標(biāo)參數(shù)是K1和K2，取值參考[19]；比輻射率是ε，取值參考[20]；反演溫度的熱紅外波段的中心波長(zhǎng)是λ；ρ=1.438×10-2mK。

2.2.4 干度指標(biāo)(NDSI)

代表干度指標(biāo)選用的是IBI建筑指數(shù)，因生態(tài)環(huán)境中還存在一些裸土，一樣給地表造成“干化”，所以將二者合成作為干度指標(biāo) (NDSI)，即由建筑指數(shù)IBI和土壤指數(shù)SI[21]合成。計(jì)算式如公式(5)：

NDSI=(SI+IBI)/2

(5)

其中：

SI= [(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3) +(ρ4+ρ1)]

(6)

IBI= {2ρ5/(ρ5+ρ4)-[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2ρ5/(ρ5+ρ4) +[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}

(7)

式(5)～式(7)中，裸土指數(shù)和建筑指數(shù)由SI及IBI來(lái)表示。

為了更精確地表示各分量值對(duì)RSEI的影響力大小，需將獲得的4個(gè)分量進(jìn)行歸一化，再利用ENVI5.1中的的PCA模塊計(jì)算得出PC1。計(jì)算式如公式(8)：

NPi=(Pi-Pmin)/(Pmax-Pmin)

(8)

式(8)中，歸一化后的某一分量值表示為NPi，該值介于[0,1]之間；該分量在象元i的值表示為Pi；最大值、最小值分別為Pmax、Pmin。

需要進(jìn)行1減去計(jì)算所得的PC1得到初始生態(tài)指數(shù)RSEI0，這樣可以更加直觀的表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，PC1的值就越大。計(jì)算式如公式(9)：

RESI0=1-PCI

(9)

為了方便利用生態(tài)指數(shù)對(duì)比研究區(qū)各期生態(tài)變化狀況，對(duì)RSEI0歸一化處理。計(jì)算式如公式(10)：

RESI=(RESI0-RESI0_min)/(RESI0_max-RESI0_min)

(10)

RSEI就是研究分析所需的遙感生態(tài)指數(shù)，大小在[0,1]之間，且生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣與其成正相關(guān)，生態(tài)越好，RSEI值越接近1；生態(tài)越差，RSEI值越接近0。

3 結(jié)果與討論

3.1 生態(tài)質(zhì)量變化時(shí)空分析

對(duì)生態(tài)質(zhì)量的4個(gè)分量均值及綜合指數(shù)RSEI的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示，南靖縣RSEI均值從2002年0.554下降到2009年0.425，下降了23.29%。2009年后，全縣RSEI分量均值穩(wěn)健上升，上升幅度較大，由2009年的0.425上升至2014年的0.578，上升36.00%。在2002～2014年期間，全縣的RSEI分量均值由0.554上升到0.578，上升4.33%，年均増長(zhǎng)率為0.33%。到2014年全縣整體回到2002年的水平。

表2 3期影像4個(gè)分量均值及RSEI的均值統(tǒng)計(jì)

為了對(duì)RESI生態(tài)指數(shù)進(jìn)行定性分析，將3個(gè)時(shí)期的結(jié)果以0.2為一個(gè)間隔區(qū)間劃分為5個(gè)等級(jí)，值由大到小分別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、中、較差、差等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)出2002年、2009年、2014年5個(gè)等級(jí)所占的面積及比例(表3)。

表3 生態(tài)等級(jí)和面積比例變化

2002年南靖縣生態(tài)狀況為優(yōu)、良區(qū)域占總區(qū)域面積的49.64%，生態(tài)狀況為差、較差區(qū)域占總區(qū)域面積的30.35%；2009年南靖縣生態(tài)狀況為優(yōu)、良區(qū)域占總區(qū)域面積的26.58%，生態(tài)狀況為差、較差區(qū)域占總區(qū)域面積的53.22%；2014年南靖縣生態(tài)狀況為優(yōu)、良區(qū)域占總區(qū)域面積的57.46%,生態(tài)狀況為差、較差區(qū)域占總區(qū)域面積的23.69%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，南靖縣的生態(tài)狀況優(yōu)、良比例從2002年的49.62%下降到2009年的26.58%，直到2014年恢復(fù)到57.46%；同時(shí)，生態(tài)狀況差、較差比例從2002年的30.35%上升到2009年的53.22%，直到2014年下降至23.69%。這表明南靖縣生態(tài)狀況先是極度下降，然后再逐步提升，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，提倡退耕還林，以及以發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的科學(xué)發(fā)展觀，生態(tài)狀況逐漸恢復(fù)到2002年的狀態(tài)。

3.2 生態(tài)環(huán)境變化情況分析

遙感變化檢測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)時(shí)期的遙感影像隨時(shí)間變化而引起地表特征變化的一個(gè)過(guò)程。基于以上5個(gè)等級(jí)的劃分，對(duì)南靖縣的生態(tài)環(huán)境變化情況進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表4所示。

從表4中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出：在2002～2009年間，南靖縣生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域面積約943.592 km2，占總面積的48.42%，生態(tài)環(huán)境變差區(qū)域面積約897.409 km2，占總面積的46.05%，態(tài)環(huán)境條件狀況變好和變差的面積大致相同，這表明在環(huán)境整治的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也同樣遭受嚴(yán)重破壞。

表4 變化檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

在2009～20014年間，南靖縣生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域面積約1363.961 km2，占研究區(qū)總面積的69.99%，南靖縣生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域面積約431.100 km2，占總面積的22.12%，生態(tài)環(huán)境變好的面積遠(yuǎn)超于生態(tài)環(huán)境條件狀況變差，高出47.87%，這表明南靖縣在2009～2014年間，區(qū)域生態(tài)環(huán)境整治、改造效果明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在2002～2014年間，南靖縣生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域面積約1367.578 km2，占總面積的70.17%，南靖縣生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域面積約476.613 km2，占總面積的24.46%，這表明南靖縣在2009～2014年間，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)南靖縣來(lái)說(shuō)近幾年的生態(tài)環(huán)境治理效果明顯，主要改善了城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)南靖縣城市生態(tài)變化研究，利用遙感變化檢測(cè)及RSEI對(duì)南靖縣2002年、2009年和2014年的遙感圖像進(jìn)行相關(guān)分析與評(píng)價(jià)，可以得出以下結(jié)論：

(1)2002～2014年間，南靖縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)不變趨勢(shì)。RSEI均值由2002年的0.554下降到2009年的0.425，到2014年上升至0.578，先減少后恢復(fù)到2002年的水平。南靖縣內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)、良的區(qū)域面積占總面積的比例由2002年的49.64%下降到2009年的26.58%，到2014年上升到57.46%，呈現(xiàn)先下降后恢復(fù)的趨勢(shì)，整體增長(zhǎng)了7.82%。

(2)遙感變化監(jiān)測(cè)顯示，2002～2009年間，南靖縣約48.42%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變好， 46.05%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變差；2009～2014年間，約69.99%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變好，約22.12%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變差；2002～2014年間，約70.17%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變好，約24.46%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況變差。對(duì)南靖縣整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析顯示，其生態(tài)環(huán)境整治、管理逐漸得以改善。不過(guò)生態(tài)環(huán)境的改善不可能是一朝一夕就能完成的工程，區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理與維護(hù)還需堅(jiān)持。