基于面向对象理论的区域生态环境综合评价

刘 洋,吕建树,吴泉源,孙 翔 (.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 0046；.南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室, 江苏 南京 0093；3.山东师范大学人口⋅资源与环境学院,山东 济南 5004)

生态环境由自然环境与人为环境构成,通常是指生态系统与环境系统的有机结合体[1].近年来,在全球气候变化的背景下,滨海地区作为海洋和陆地交互作用的过渡区域,自然、人为的综合作用使其成为生态环境脆弱带.因此,对滨海地区生态环境的优劣程度进行科学地评价,了解其现状、掌握其演化规律,并分析其发展趋势及变化原因,可为区域生态系统风险预警、结构调整和功能优化奠定基础,为生态环境的管理与规划提供理论依据.

生态环境评价总体上分为所处状态和服务功能两类,主要集中在生态环境的脆弱性、生态风险、生态退化、生态健康及生态系统服务价值评价等方面[1-3].国外相关研究始于20世纪60年代,侧重从不同角度和等级尺度进行研究,如以可持续发展为标准建立指标体系的综合评价、以景观生态学为理论的评价研究、以环境资源价值为主的评估,以及运用RS、GIS等技术的动态评价等[4-6].国内研究主要涉及评价类别、指标体系、评价方法、研究手段等方面,研究区域突出生态环境脆弱带和人类活动干扰强烈的地区[7-9].

然而,过去开展的研究工作多侧重于灾害、污染的分析及治理,对区域生态环境的整体评价和综合分析仍不充分,欠缺统一的原理指导和完善的指标体系,且评价手段和精度有待提高[9-11].本研究在梳理国内外生态环境评价理论和实践的基础上,选取山东省典型的滨海地区——龙口市,尝试采用面向对象的原理及方法,结合遥感、地理信息系统、计算机技术以及相关数学方法对研究区生态环境进行综合评价,宏观地认识人类活动造成的生态破坏和环境影响,整体上把握生态环境变化趋势,为滨海地区的生态建设和环境规划与管理提供依据.本研究的主要贡献在于应用面向对象的原理建立评价系统,以此选取评价因子,并将景观地类的种类和面积作为表现生态环境状况的一种量化方式;同时,强调面向对象原理的技术应用,即以面向对象的图像分析方法提取地物因子.由此,全面应用面向对象理论,探索分析环境问题的技术手段.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

龙口市(120°13′20"E～120°44′45"E,37°27′45"N～37°47′30"N)位于山东半岛北部,隶属于烟台市;西北濒临渤海,南与栖霞市和招远市毗邻,东与蓬莱市接壤,总面积 901.05km2.研究区地处北温带东亚季风型大陆性气候区,年温适中,四季分明.因濒临渤海,受海洋调节和影响,易出现温带风暴潮灾害;冬季受蒙古高压控制,呈现干冷气候特征.年平均降水量624.9mm,年均蒸发量 1900mm,年际变化较大,且境内水资源分布不均,属严重缺水地区[12-13].地势南高北低,呈台阶式下降,西部和北部为滨海平原,是重要的农业耕作区,东部和南部为低山丘陵地带,有水源保护地和生态控制区.西北平原拥有国内第一个滨海煤矿,丰富的矿产资源带动了全市的工业发展,同时也给生态环境带来了压力.土地利用类型复杂多样且地域分异明显,沿岸地带以港口建设用地、湿地和沙地为主;滨海平原以耕地、园地等农用地为组成部分;南部山区多为林地、草地、园地等植被类型和河流、坑塘等众多水域,有全市重要的水源保护地.龙口市现辖东莱、龙港、新嘉3个街道,及徐福镇、东江镇、北马镇等10个镇(图1).全市以砂质海岸为主,仅屺姆岛有不长的基岩海岸,海岸带有滩涂面积约300hm2,渔业、旅游资源丰富.2010年GDP位列全国百强县第11名,山东省第1名.良好的区位优势使其成为资源产业密集区,人类经济活动对区域环境干扰程度剧增,研究区土地利用/覆被状况发生了剧烈变化,面临着土壤盐渍化、滩涂湿地锐减、水环境恶化、植被覆盖度下降、采煤塌陷等生态环境问题,是滨海地区生态与环境效应较典型的区域.

图1 研究区行政区划Fig.1 Administrative divisions of study area

1.2 数据来源

研究数据包括遥感影像,专题图件及统计调查资料,GPS控制点数据.遥感影像选择 1996年,2002年和2008年的Landsat TM影像和中巴卫星影像(CBERS),同时以航片、SPOT5影像作为参考数据,成像时间均为4～7月;专题图件和统计调查数据用于检验结果的准确性及相关评价因子的提取,包括评价年份的土地利用现状图、行政区划图和地形图,以及降雨量、风暴潮、水文、土壤、统计年鉴等自然与社会经济统计数据;GPS控制点数据用于遥感影像的几何校正和矢量图像的配准纠正,根据研究区情况确定了40个控制点.

2 主体思想与研究方法

2.1 面向对象的思想

面向对象理论起源于20世纪60年代的信息系统工程,现已发展成一套完整方法论和图示记号体系[14].该理论将客观世界中的任何事物都视为一个对象,拥有自己的静态特征和动态特征,各个对象间通过组合及相互作用构成客观世界.目前面向对象思想已用于阐述地学问题或现象,研究地理空间实体的位置、状态、时空变化等[15-16].本研究采用面向对象的理论构建评价系统.以往的生态环境综合评价主要采用联合国经济合作开发署(OECD)建立的PSR(压力-状态-响应)模型或进一步修正的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型构建评价指标体系[17];也有参考我国的《生态环境状况评价技术规范(试行)》,根据研究区实际情况选择指标,并结合各自权重构建生态环境指数模型[18];抑或采用层次分析法,通过计算生态环境质量指数进行评价[19]等等.总的来看,以PSR模型为代表的研究,侧重生态环境变化的驱动机理、过程的描述;由于生态环境是一个复杂的非线性系统,各组成要素之间的相互作用过程和程度相当复杂,以线性的模型模拟其内部机理及变化必然会产生偏颇;通常所遴选的指标之间具有相似性,且需要丰富的数据来源,有时指标属于状态还是压力指标难以界定;同时众多的指标之间组合较为牵强,缺乏逻辑上的必然联系,这都对研究结果带来了一定的不确定性.

基于面向对象理论的区域生态环境综合评价将研究问题作为复合系统,通过划分问题域来认知系统(即建立基于问题域的子系统),通过抽象事物为对象来反映系统(即确定基于个体的评价因子),从而建立基于个体对象的指标体系,并侧重分析对象的属性和行为,而非考虑具体的分析步骤和作用机理,从而使系统直接地映射问题,确保问题域中事物及相互关系的本来面貌[20].因此,基于该理论的研究针对性强,直接着眼于区域生态问题,进行问题域和个体对象的划分,而不是遵循着因果关系进行建模,可以抓住主要矛盾;所遴选的指标均为表现性因子,能全面、直接的体现区域生态环境问题的主要方面,减少了评价结果的不确定性;特别的,对于缺少丰富数据源和作用机理不明确的综合评价研究具有较大的优势[21],可操作性较强.值得注意的是,面向对象理论并不是弱化了生态环境的驱动力-响应等机理研究,通过分析系统的问题域和对象,可以还原其驱动力,进而提出调控政策.

2.2 评价系统的构建

面向对象的区域生态环境综合评价系统结构框架如图 2所示.该框架的第一级为总系统,即研究的综合系统,表现为研究区整体的生态环境状态;第二级按照生态与环境特征和组分,划分为5个子系统(问题域),以各自相应的方式反映总系统的生态环境综合状况,体现了面向对象理论的多态性;第三级是对第二级的进一步细分,可以理解为滨海地区典型的生态环境评价因子(个体对象),是各子系统典型的景观地类和表现因素.景观地类因子包括退化地类、水域地类、植被类型和塌陷地面;其中,退化地类包括裸地、沙地和盐碱地,水域地类则有河流、水库、坑塘(含养殖水面)及滩涂湿地,植被类型分为林地、草地及耕作植被.研究选取景观地类作为评价因子衡量子系统的优良状态,其原因是地类变化能最直接反映自然环境和人类活动共同作用的结果,反映生态环境状况的发展趋势,即将研究问题的本质特征抽象为问题域对象,集中表现时空变化特征.此外,根据研究需求,考虑到区域生态环境的本底差异和人类对其适应及影响程度,选择各问题域下的典型表现因子,从而确定植被覆盖度、水网密度、年降水量、环境可持续度等评价因子.

图2 研究区生态环境综合评价系统框架Fig.2 Index system of comprehensive assessment on ecological environment in study area

面向对象原理是根据问题域划分系统的对象,直接针对区域生态环境问题的表现形式进行建模,将驱动机制产生的结果地类作为评价因子,而非选取驱动因素,避免了问题或现象的诱发因素.例如,土地退化性子系统中选择的评价因子是土壤侵蚀、沙化产生的结果地类,而非土壤侵蚀、沙化等诱发因素.该方法的特点是对象的选取具有指向性和典型性,对象间通过共同作用显示外部特征,其内部本质属性通过封闭机制加以隐藏,使研究问题具有针对性,便于实际应用.

2.3 评价因子的提取

研究借助RS和GIS技术获取生态环境评价因子,再按照相关属性值转化为30m×30m的栅格图像.具体提取方法如下:

龙口市属于缺水较严重地区,年降水量作为气候要素的重要因子影响着区域生态系统的物质流动,维持水资源环境的状态和生态系统平衡发展,提取过程为:根据区域气象站点各年份的降水量数据,采用克里金插值法得到研究区降水分布图,再通过ArcGIS的栅格计算器进一步得到年降水距平值分布图.风暴潮作为渤海湾沿岸较为严重的气象灾害之一,显著影响滨海地区的生态环境状况和社会经济发展,该因子的提取过程为:根据研究年份的气象灾害资料,模拟山东半岛北部沿岸风暴潮过境曲线,考虑到地形的阻挡作用和不同年份风暴潮的影响强度,找出影响范围,作缓冲区分析,并赋予影响强度值,得到风暴潮影响范围分布图;同时以莱州湾羊角沟水文站为中心进行点缓冲,辅助分析.

气候变化和人类活动干扰导致生态功能用地逐渐减少,土地退化问题出现.系统中主要的退化地类为裸地、沙地和部分盐碱地,采用面向对象的图像分析方法,结合土地利用图计算退化面积,作为评价土地退化性的定量元素.根据相关统计资料、塌陷地实地调查及影像地物判读,将煤矿塌陷地分为深度、中度和轻度塌陷区.由于3m以下的塌陷地不稳定,易发生进一步的塌陷,需结合统计数据和以往测定的塌陷地变化速率进行缓冲区分析,并确定重度和轻度影响区,赋予相应属性值,以表示塌陷地对不同距离的影响程度.

水环境状况影响生态系统的纳污能力和自净能力,关系到系统的生态循环及安全性.研究选用的评价因子为水域地类和河网密度.水域地类以各自其所具有的生态功能和地类面积来衡量环境状况的影响程度.通过面向对象的图像分析方式,以eCognition为平台进行提取.河网密度的提取则以ArcGIS为技术平台,将研究区等高线生成数字高程模型(DEM),通过水文分析模块的洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算,提取河网栅格和子流域,并将两者均转化为矢量数据,计算各子流域河网密度.

植被具有调节气候、涵养水源、保持水土等许多良好的生态环境效应,是衡量区域生态环境状况的重要标准.根据研究区不同植被地类的光谱、纹理、影像特征,结合归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)及 DEM 专题信息建立分类规则,采用面向对象的图像分析方式进行自动分类,再将结果导出,对照土地利用图进行手工修改,确定最终的植被类型.植被覆盖度提取则采用较为常用的归一化植被指数(NDVI),通过TM影像生成,再进行极差标准化后得到.

社会经济发展对生态环境产生压力,表现为人类分布聚集,资源开采利用、工业生产排放、环境污染治理等行为对生态环境的影响.环境可持续度是通过选取一定环境要素及污染源监测因子(包括污染物排放量控制度、污染防治程度、生态环境保护与建设、城市环境保护度、农村环境保护度、社会可接受性6大类18个因子), 采用 TOPSIS法[22]对研究区各乡镇环境质量及动态变化情况进行定量评价.人口密度反映人类的聚集状态、分布情况及对生态环境的干扰程度,根据镇驻地和辖区行政界限,通过ArcView软件密度计算工具,选取核心计算法(Kernel)进行栅格计算.

2.4 评价模型的建立

生态环境评价系统涉及自然、社会、经济等多方面,具有一定的模糊色彩,且提取的评价因子多为栅格数据,因此选取基于GIS栅格数据的模糊综合评判,结合加权求和法集成各个子系统的评价因子,得到评价因素集,再根据隶属度函数和评价等级标准计算隶属度层,以最大隶属度原则求取生态环境质量等级图,分析研究区生态环境状况.综合评价过程如下:

首先对各子系统的评价因子进行标准化处理:对于等级递变性因子(如降水变化、人口密度等)采用极差标准化,并将结果乘以100,将数值范围扩展到0～100,便于比较计算;对于经验性因子,如塌陷地程度、植被类型等,难以直接量化,可采用专家分级标准化.其次,考虑到单一的赋权方法可能会产生一定误差,利用熵权法和层次分析法相结合的组合赋权法[23]确定各因子及评价因素集的权重,并将标准化的因子与相应权重进行加权求和运算,得到基于各子系统的评价因素集模 糊 权向 量 的合成运 算[24-26],即:=⋅ R.其中,为模糊评价结果,是一个多维向量,采用最大隶属度原则进行处理,得到单个栅格的唯一隶属度值;为模糊权向量,r为m×n阶的模糊关系矩阵,ij表示评价因素集U中第i个因素Ui相对于评价等级集合V中第j个等级Vj的隶属度.根据隶属度函数确定每个栅格单元隶属于不同等级的程度,组成具有空间分布特征的隶属度图层[25].

3 结果与分析

3.1 综合评价结果

按照模糊综合评价原理将提取的评价因子进行集成运算,得到模糊关系矩阵 R,并确定评价权向量为= ｛0.212, 0.213,0.185,0.213,0.177｝;B,形成综合评价系统的4个隶属度层;按照最大隶属度原则,由CON条件函数计算评价结果,如图 3.再统计各评价等级的栅格数、面积及比例,见表1.在ArcGIS软件中通过空间叠置分析和空间运算功能,得到模糊评价结果.再次,根据龙口市实际情况和评价需要,将研究区生态环境评价等级分为优、良、中、差 4个级别,即建立评语集:= { 优,良,中,差},采用等间距法确定评价等级标准.最后进行模糊关系矩阵与

图3 研究区2008年模糊综合评价等级Fig.3 Grade map of fuzzy synthetic assessment in study area in 2008

由图3和表1可见,研究区2008年生态环境状况的等级分布具有较明显的区域性.生态环境质量优级面积为22296.15hm2,占研究区总面积的24.75%,主要分布在龙口市东南部的黄水河沿岸和南部林地繁茂的山区;良级的面积占总面积的41.78%,且分布范围较广,从东北到西南均有所分布;中级仅占总面积的5.29%,主要分布在北部易受风暴潮影响的沿海地带和中部一些工业地区;差级的面积为25391.25 hm2,占总面积的28.18%,集中分布于西部的沿海地带与西北部的煤矿塌陷地,中心城区及东部一些地区也存在零散分布.总体来看,2008年各等级分布状况与研究区实际环境情况较为符合,研究区整体生态环境状况良好,各等级面积比例差别较大.

表1 研究区2008年模糊综合评价结果统计表Table 1 Statistical result of fuzzy comprehensive assessment in study area in 2008

3.2 空间分布及成因分析

根据2008年综合评价结果来看,龙口市生态环境状况的空间分布特征是从西北沿海到东南内陆逐渐变好,沿岸地带和中心城区的生态环境状况较差,南部山区与海岛内部的状况最好,其余地区则处于中间水平.按照自然条件、土地利用状况、资源开发利用及产业发展等因素对其典型分区进行分析.

中心城区是人类活动干扰强烈的地区,生态环境状况较差,主要原因是人口压力的逐年增加和开发建设的不断加强.随着城镇化进程的加快,大量农村人口向城市转移,人口密度不断增加[27],环境污染和资源浪费程度逐渐加大;作为工商业聚集区,其产业发展迅速,土地利用变化大,农用地多转为城镇建设用地,中心城区建设用地密集(图4),产生许多城市不透水面,造成植被锐减,生态环境负荷增强.

沿岸地带是海-陆-人交互作用最明显地区,在大气、海洋和陆地的强烈作用下,具有明显的边缘效应[28],生物群落结构复杂,港口、城镇等人工建筑面积大,人类活动干扰较强,生态环境脆弱.该区处于渤海湾沿岸,易遭受温带风暴潮侵袭,1996年渤海湾出现 3次较强的温带风暴潮[29],2008年夏季烟台沿海地区经历了大风暴雨过程,龙口海域产生风暴潮高达 225cm[30].龙口经济开发区和徐福镇广泛分布着采煤塌陷地,土壤贫瘠,植被多以杂草和芦苇为主;开采时间较长的深度塌陷区常年积水,原有地类破坏严重,地表出现深坑和堆积地貌;3m以下的轻度塌陷区存在一定的季节性积水,地表不稳定,植被覆盖低,易发生进一步塌陷(图5).

图4 2008年龙口市及中心城区建设用地Fig.4 Construction land of Longkou and its central area in 2008

图5 2008年龙口市及沿海地带采煤塌陷地Fig.5 Coal mining subsidence district of Longkou and its littoral zone in 2008

南部山区是自然环境保持较好的地区,以石良镇最突出,其质量等级为"优"的面积为9348.03hm2,占整个研究区优等面积的41.93%,占石良镇总面积的73.29%.归结其原因主要是林地、园地等有利于改善自然环境的植被覆盖度高,且黄水河流经该处,在此有较多的河流分支,形成众多子流域,河流的纳污能力较强;同时该处的王屋水库水源保护区是龙口市面积最大的一级饮用水源保护区(图6),人类活动受到一定程度的控制.

3.3 动态演变分析

根据实地调查、专家评定及研究区的资料查询,可以确定该方法能有效评价研究区生态环境状况,因此采用该方法进一步评价研究区2002和1996年的生态环境状况,以实现生态环境动态演变分析.通过ArcGIS计算汇总的结果见表2.

图6 2008年龙口市及南部山区水域地类Fig.6 Water types of Longkou and its southern mountains in 2008

表2 研究区生态环境动态变化统计表Table2 Dynamic statistics of ecological environment in study area

从评价等级面积来看,研究区除2008年外均以优等级面积最大,其次是差等级.其中,1996年优级面积占区域总面积的52.08%,2002年有所下降,占总面积的42.50%,2008年优级面积进一步减少,仅占 24.74%,而良等级成为该年份的最大面积.与该变化趋势相反的是差等级,其面积比例由1996年的24.53%上升到2008年的28.18%.从隶属度均值来看,高级别的隶属度均值逐年降低,低级别的隶属度均值逐渐升高,与等级面积的变化趋势较为吻合.可见,研究区生态环境状况以优或良为主,但呈现逐年下降趋势.滨海地区处于海洋和陆地的交错地带,具有本底的脆弱性;加之人类活动加剧,土地覆被的非自然变化,生态系统的平衡性受到破坏,生态环境负荷逐渐增加.另外,滨海地区特殊的地理位置使其生态环境因子的空间异质性较高,成为全球变化的敏感区域,其中气候变化异常突出,频繁出现旱涝、低温等极端气候现象,进而引起植被覆盖度、河流流通性的变化以及风暴潮、干旱等自然灾害的发生,影响滨海地区的整体生态环境状况.

在综合评价的基础上进一步分析全市典型分区的变化情况(图7).其中,中心城区评价等级的隶属度均值和面积的变化特征与全市较为相似,隶属情况由优变为良,优等级面积逐年减少,农村人口的大量迁移与城镇建设用地的不断增加成为该变化的主要原因.沿岸地带的变化情况较为复杂,呈现先上升后下降的倒“V”型变化,2002年的隶属等级最高,其原因可能为该年份风暴潮灾害发生次数少、强度低、影响范围小,对生态环境破坏性不强,气候环境相比之下较为适宜;其他年份则隶属于差等级,但状况有所缓解,除自然因素影响外,企业环保意识的加强也成为生态环境改善的推动力,尤其是龙口市污水处理厂的建成运行,减少了排入海域的污水,使沿岸水污染有所缓解.南部山区的变化情况较为稳定,以优、良为主,但其隶属度均值逐渐下降,等级面积逐渐减少;随着人类的开发利用与盲目建设,使有利于涵养水源、保持水土的林地面积逐渐减少,水土流失日益加重,生态承载力下降,原生态环境 逐渐发生改变.

图7 龙口市3个典型分区生态环境动态变化示意Fig.7 Dynamic change of ecological environment in 3 typical partitions

3.4 研究结果验证

表3 研究区城市热岛效应遥感监测统计表Table 3 Urban heat island of RS monitoring in study area

城市热岛效应是城市生态环境质量优劣的综合表现形式之一,热岛效应的强度与分布,可以从一定程度上反映评价结果的合理性[31].根据2002年7月和2008年7月的遥感监测结果,计算统计研究区内各等级热岛效应影响值(表3).可见龙口市生态环境综合状况为优等级的热岛效应最弱,良等级的热岛效应较弱,差等级的热岛效应最强.与城市热岛效应遥感监测结果的对比分析表明,研究区生态环境综合状况与热岛效应的强度和分布有较好的一致性.

4 结语

本文尝试以面向对象的原理为指导,结合区域生态环境特点建立综合评价指标体系,同时采用面向对象方法和GIS空间分析法提取指标因子,在数学建模与GIS技术的支持下建立基于栅格数据的模糊评价模型,对龙口市生态环境状况进行评价.

以2008年为例,计算出从高到低4个等级面积占总面积的比例分别为24.75%、41.78%、5.29%、28.18%,优级区主要分布在龙口市东南部的黄水河沿岸和南部山区,多是面积较大的坑塘、林地、园地等生态用地;良级区从东北到西南均有较广泛的分布;中级区与差级区集中分布于西北部及西部沿海地区,主要为煤矿塌陷地、人类活动干扰强烈的港口和工业建设用地;整体上表现为从西北沿海到东南内陆逐渐变好的空间分布特征,这与不同地区的自然条件、土地开发利用和社会经济发展状况等因素有很大的相关性.从动态演变分析来看,1996～2008年研究区整体生态环境状态呈下降趋势,其主要原因是人类活动的干扰性与地理位置的特殊性;典型分区中,南部山区状态略微下降,沿岸地带呈倒"V"型变化,中心城区则与全市变化情况相似.

由于研究时间、数据资料等方面的限制,一些内容有待进一步加深,如数据收集的渠道不一,转换过程均按统一的尺度进行,尤其是属性数据的空间化,忽略了行政单元与栅格尺度的差异,使研究结果存在一定的误差,今后可探索更为合理的方法进行数据转化.由于区域地理环境和社会发展程度不同,该方法能否较好的应用于其他地区,还有待进一步实证研究.

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