生态环境状况遥感动态监测.doc

人口的增长和社会工业化程度的提高，使得区域人口、资源与环境的 矛盾不断加剧，荒漠化、水土流失等生态环境问题更加突出，正确认 识和评价区域生态环境状况成为区域生态环境预测和预警的基础．黄 土高原因脆弱的生态环境、严重的水土流失成为我国生态环境建设的 重点区域，中央和地方在政策和资金方面大力支持黄土高原地区生态 环境建设．富县是陕北黄土高原沟壑区向黄土丘陵沟壑区的过渡带， 是子午岭国家级水土流失重点防治区水土保持重点县之一．了解该地 区生态环境现状及其变化，不仅能检验封山禁牧、退耕还林草工程建 设的成效，也可为黄土高原沟壑区生态环境的保护及管理提供理论方 法与科学依据．区域生态环境质量评价的方法有很多种，但目前尚没 有一个规范的评价体系．随着卫星遥感技术的发展，越来越多基于遥 感反演的生态环境指标参与到生态环境监测和质量评价中，为宏观区 域生态环境质量评价提供了科学数据．2006 年国家环境保护部规范了 基于生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和 环境质量指数的生态环境状况指数（EI），在我国多个省、市、自治区、 县域及流域范围内得到广泛应用．但在实际应用中，学者们对规范中 的指标和权重均作了不同程度的调整，这是因为规范中还存在诸多问 题，如大部分评价指标是基于土地利用来确定的，同质性较高;环境质 量指标是以县为单位的统计数据，难以在空间上对生态环境状况作出 响应;在地形地貌复杂的县域范围内，土地利用信息提取精度受限， EI 的各项指标提取都存在精度挑战．因此，完全基于遥感信息技术的、 与EI具有可比性的新型遥感生态指数（RSEI）受到青睐，可用来定量 评价区域生态环境状况．本文采用主成分分析的方法，耦合基于遥感 反演的植被指数、裸土指数、湿度指数和地表温度指标，利用RSEI对 黄土高原沟壑区陕西省富县 1995—2014 年的生态环境状况进行评价， 分析研究区生态环境状况的空间分布及其变化，探讨生态环境变化的 影响因素，以期为生态环境建设提供理论方法和科学依据．1 研究地区与研究方法1.1研究区概况陕西省富县（35°44'6〃一36° 23'23〃N,108° 29'30〃一109° 42'54〃E ）东与宜川、洛川相邻，西与甘肃省合 水县、宁县相连，南与黄陵相靠，北与志丹、甘泉、延安相连（图 1）， 海拔856〜1680m,全县辖8镇5乡.该区地形地貌包括以洛河和葫芦 河为主的河流阶地，中部高塬沟壑区，塬区北部为丘陵沟壑，东部和 西部为土石低山．全县土壤以分布于丘陵沟壑和低山林草地带的灰褐 土为主，耕地土壤类型以黄绵土为主．属中纬度半干旱地区，年均气 温7. 1〜9.0°C，年日照时数2032〜2428h，年无霜期平均130d，年 均降水量500〜600mm，多呈高强度的阵性降水过程.1.2 数据源与数据预处理遥感数据为美国地质调查局网站提供的 1995年 11 月 13 日的 Landsat5TM 影像和 2014 年 11 月 3 日获取的Landsat8OLI和TIRS影像.非遥感数据包括富县1X5万地形图、行政 区划图、土地利用现状图、土壤图和富县统计文本资料.在 ENVI5. 0 下对两个时期的遥感影像进行辐射定标，将像元灰度值（DN）转换为辐 射亮度值.采用 FLAASH 大气校正工具和中纬度冬季标准大气模型对两 期影像的可见光-近红外波段进行大气校正.校正后的可见光-近红外 反射率波段和热波段的辐射亮度影像通过波段组合（layers tacking ）生 成多波段图像文件.基于1：5万地形图，采用二次多项式和最近邻法 对多波段图像进行配准，均方根误差（RMS）控制在0. 5个像元以内， 同时利用富县行政区划矢量数据提取研究区内多波段遥感图像.1.3 生态质量遥感评价指标在反映生态质量的诸多自然因素中，绿度 湿度、热度、干度与人类的生存息息相关，是人类直观感觉生态条件 优劣的最重要指标，遥感生态指数（RSEI）采用植被指数、裸土指数、 湿度指数、地表温度分别代表绿度、干度、湿度和热度作为生态指数 的评价指标.1.3.1 湿度指标土壤湿度是进行土壤退化等生态环境研究的重要指 标.遥感缨帽变换所获取的湿度分量反映了地表水体、植被和土壤的 湿度状况，在生态环境监测中得到广泛应用.基于 TM 和 OLI 反射率数 据的湿度分量（We t）提取公式。

1.3.2 绿度指标植被是对区域生态环境状况最为敏感的指示因子．归 一化植被指数(NDVI)利用植物叶面在红光波段强的吸收和近红外波段 强的反射特性组合而成，是遥感监测植被覆盖度、生物量、叶面积指 数等生理参数的重要指标．热度指标地表温度(LST)与植被的生长与分布、农作物产量、地 表水资源蒸发循环等许多自然、人文现象和过程密切相关，是反映地 表环境的一个重要参数.对于Landsat5TM6波段，利用热红外波段辐 射定标参数将像元灰度值(DN)转换为传感器处的辐射亮度值(L6)，通 过Planck辐射函数求出包含了大气影响的像元亮度温度(Tb)，进而通 过比辐射率(* 6)转换为地表温度(Ts)，基于TM6的地表温度提取公式 如下1.3.4 干度指标裸土和建筑用地均会造成地表“干化”，因此，干度 指标由裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)合成，记为裸土指数(NDSI)1. 3. 5指标标准化为了消除量纲以及不同指标数值大小对遥感生态指 数结果的影响，采用下式将4个指标数值标准化为［0， 1］之间的无 量纲．1.4遥感生态指数生态环境评价的关键是将由遥感调查获得的湿度指 数、植被指数、地表温度和裸土指数转化为综合评价指标．本研究对 标准化后的评价指标进行主成分分析，以主成分的方差贡献率为权重， 富县遥感生态指数(RSEI)可以表示为：代表绿度的NDVI和代表湿度 的 Wet 变量系数为正值，它们共同对生态起正面的贡献;而代表热度和 干度的 LST、 NDSI 变量系数为负值，说明它们协同对生态起负面影 响．利用式(12)对两个时期的遥感生态指数进行标准化，标准化后的 RSEI值越接近于1,说明生态环境越好.在ArcGIS中利用重分类函 数，采用自然断点法，按照数值由小到大将遥感生态指数RSEI划分为 差、较差、中等、良和优5个生态等级，分别量化为1、 2、 3、 4、 5 等级数值．1.5 生态环境质量综合指数为定量表达两个时期生态环境的整体状况 客观分析生态环境的动态变化，定义生态环境质量综合指数（ESI）的公 式如下。

2 结果与分析2.1研究区的生态质量总体评价1995年，富县遥感生态指数（RSEI） 值在0. 09〜0. 99，平均值为0. 55, 45. 8%的地区RSEI在0. 4〜 0.6;2014年，其RSEI值介于0. 03〜0. 99,平均值为0.57，较1995 年略有增加，63. 8%的地区RSEI在0.4〜0. 6（表1）.根据《生态环 境状况评价技术规范》，富县生态环境整体属于良好级别，植被覆盖 度较高，生物多样性较丰富，与卓静［24］的研究结果一致. 1995— 2014 年间，研究区生态等级为差和较差所占的面积比例明显下降，从 33. 8%下降到 16. 3%; 中等级别和良好级别的面积比例分别由 1995 年 的 23. 5%和 23. 0%上升到 2014 年的 30. 5%和 34. 6%; 而优等级所占 的比例从 20. 8%下降到 18. 7%. 2014 年生态环境质量综合指数 ESI 由 1995 年的 3.17 上升到 3. 53，表明研究期间富县生态环境得到了较大 改善.2014年，富县生态环境质量差的面积为114. 2km2，占全县总 面积的 2. 8%，主要分布于县城和富城镇洛阳村，土地利用为城镇和工 矿建设用地，少量分布在中部塬面，零星分布在洛河、葫芦河、川子 河、余渠沟以及青兰高速以北的埝沟等川道地.生态环境较差的地区 主要分布在各大塬面和河谷川道地以及部分沟坡地上，土地利用以农 耕地为主，易受城镇乡村建设和农事活动的干扰.中等级别占到富县 总面积的 30. 5%，广泛分布在塬面边缘、塬间沟壑区、低山丘陵、梁 峁缓坡和半阳向沟坡地，土地利用以天然草地和灌木林地为主.塬面 和川道以外的地区生态环境以良和优等级为主，优等级主要分布在县 西北部、东北部和葫芦河南岸的丘陵沟壑区.2.2 富县生态质量动态监测在生态质量指数 5 个等级的基础上，对富 县的生态变化进行差值变化检测（图 2） .从变化检测的结果来看（表 2 和表 3） ， 1995—2014 年间，该区生态环境质量等级下降的面积为 688. 26km2，生态转好的面积则达1763. 14km2，生态环境质量维持不 变的面积有1674. 79km2，约占富县总面积的41%.研究区生态环境等 级为差的地区环境质量明显提高，其中， 45．2%的生态质量差的地区 增加 1 个等级， 40.3%的地区增加 2 个等级，但是另有 40. 3%的生态质 量为优的地区下降 1 个等级，总体上等级上升的幅度和比例高于下降 的幅度和比例，生态质量明显得到改善.从空间上看，相对于 1995 年 生态环境得到改善的地区主要分布在县域中部的高塬和丘陵沟壑地， 县东北部的土石低山区和西南的子午岭自然保护区.生态质量变差的 地区主要是县西北部的丘陵沟壑区、川子河沿岸和洛河河流阶地，其 中，川子河和葫芦河沿岸主要是生态环境质量为优等级的面积下降.2.3 富县乡镇生态环境质量评价生态环境质量综合指数 （ESI 值）越大 说明生态环境越好;其值越小，说明生态环境越脆弱. 2014 年各乡镇 ESI 值（表 4）由大到小依次为牛武镇、张村驿镇、寺仙乡、张家湾乡、 茶坊镇、直罗镇、北道德乡、交道镇、南道德乡、吉子现乡、富城镇、 羊泉镇，表明当前牛武镇的生态环境质量整体状况最好，最差的是羊 泉镇.研究期间，全县 13 个乡镇中，只有张家湾乡生态环境质量综合 指数略微下降，由 3. 62 下降到 3.57，但整体生态环境质量综合指数 在全县仍然靠前.其他 12 乡镇的综合指数都呈现不同幅度的上升，说 明近 20 年来富县各乡镇的生态环境质量均得到了一定程度的改善.从 空间上看，由西北到东南方向，生态环境质量改变的幅度逐渐递增， 变化最大的是交道镇和南道德乡， ESI 分别提升 0. 87 和 0. 83，其次 是钳二乡、羊泉镇和吉子现乡，变化最小的是张家湾乡.乡镇生态环 境质量等级的变化差异较大，羊泉镇和钳二乡差等级的比例减少最多， 分别减少了各自乡镇面积的 32. 5%和 31. 2%.寺仙乡较差等级的下降 比例和良等级增加的比例最高，分别占寺仙乡面积的 23. 4%和16. 9%.张村驿镇、张家湾乡和直罗镇生态质量优等级的比例下降， 牛武镇优等级的增加幅度最大，占牛武镇面积的 9. 7%，而牛武镇差、 较差和中等级的比例都有所下降，成为全县生态环境质量最优的乡镇.2.4 生态环境变化成因植被覆盖度因受人类活动干扰的影响，对生态 环境质量的等级有明显影响.县域范围内地形、水热条件和土壤类型 相对稳定，土地植被覆盖度增加，土壤侵蚀等级明显下降，生态环境 质量显著提高．自国家退耕还林还草政策实施以来，全县不仅保质保 量完成了 1999—2010年15773hm2退耕还林工程的检验，此后每年就 天然林保护工程飞播造林、天保工程人工造林、“三北”防护林造林、 “三北”防护林封山育林、退耕还林进行补植．基于像元二分模型［25］遥感估算植被覆盖度的结果表明（图2B）, 1995年研究区67. 7% 的植被覆盖度在20%〜40%，仅1%的植被覆盖度在60%〜80%,全县平均 植被覆盖度为31.7%;2014年全县平均植被覆盖度为62%， 50. 1%的地 区植被覆盖度在60%〜80%.植被覆盖度较高的石泓寺至直罗镇段、葫 芦河南岸、张家湾乡海拔1370m以上丘陵梁脊地区、茶坊镇西北部和 县城东北部牛武镇也是。