基于遥感的赣江源地区地表生态环境评价

况润元，罗 卫，张 萌，万文韬，杨惠晨，李大千

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000）

基于遥感的赣江源地区地表生态环境评价

况润元，罗 卫，张 萌，万文韬，杨惠晨，李大千

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000）

鉴于传统人工调查生态环境时人力、物力投入较大，且不利于宏观大范围的观测.文中利用选取赣江源地区的石城县为研究区，以Landsat卫星的TM影像为数据源，利用遥感技术提取关键的生态因子，并将植被覆盖度、土壤指数、坡度等信息进行归一化，建立生态环境评价模型.运用该模型对赣江源地区近20年的生态环境质量进行动态监测.结果表明：赣江源地区的总体自然生态环境良好，其东北部和东南部及西部的自然生态环境好于中部地区，生态环境整体不断改善.采用遥感方法进行赣江源生态环境综合评价是可行的.

遥感；赣江源地区；生态环境评价；生态因子

0 引言

生态环境质量评价就是根据特定的目的，通过选取具有代表性、可比性、可操作性的评价指标和方法，对生态环境质量的优劣程度进行定性或定量的分析和判别.基于环境监测站点或者实地考察的数据的环境评价，其人力、物力投入较大，而不利

于宏观大范围的观测.随着遥感技术的发展，为自然生态环境评价提供了新的技术手段.诸多学者利用不同的方法和模型对生态环境评价进行了深入的研究.江振蓝等[1]利用遥感数据提取福州市生态环境评价因子，并通过线性回归方法确定各因子的权重，建立生态环境遥感评价模型；王钦[2]、罗彩莲[3]采用景观生态学方法分别对闽江水口库区和高速公路的自然生态环境状况进行评价.朱远辉等[4]利用新丰江流域的3个时期（1988、1998和2011年）的遥感和DEM等数据，建立新丰江流域生态环境质量评价体系.况润元等[5]采用最优尺度对高分辨率影像进行分割，从而实现对赣州矿山的监测，有利于进一步评价生态环境.Karthikeyan[6]提出了应用一个总环境质量指数（TEQI）来评价环境总体质量.但是这些研究还不够深入，因此利用遥感信息提取多种自然环境因子，并利用GIS技术建立自然生态环境评价模型，把该模型应用于赣江源地区进行自然生态环境的动态监测.

基于赣江源地区的TM影像数据，以赣江源地区的石城县为研究区，利用从遥感影像中提取出来的植被覆盖指数、土壤指数和地形因子等进行自然生态环境评价，为以后有效监测赣江源地区的自然生态环境提供依据，进而合理保护好赣江的源头.

图1 赣江源地区示意图

1 研究区概况

赣江源地区的石城县位于赣州市东北部（图1），江西省东南部，是赣江的发源地，也是赣州乃至江西的主要水源地，关系着赣南地区和江西的生态环境.介于北纬25°57′47"～26°36′13"、东经116°05′ 46"～116°38′03"，总面积1581.546 km2，总人口30.2万人.境内山多田少，受亚热带季风气候控制，温和湿润，四季分明，雨量充沛，适合农作物与森林生长.石城的生态环境较好，森林覆盖率达66.8%，大小河溪140条，水质纯净无污染.温和的气候，丰富的雨量，为石城发展高效、特色农业提供了良

好的条件，石城县是“中国烟叶之乡”和“中国白莲之乡”.

2 生态环境评价

2.1 数据来源及预处理

Landsat-5对地观测卫星于1984年3月1日发射成功，其搭载的专题绘图仪TM影像（Thematic Mapper）分为7个波段，分别是蓝波段(0.45～0.52 μm)、绿波段(0.52～0.60 μm)、红波段(0.63～0.69 μm)、近红外波段(0.76～0.90 μm)、两个短波红外波段（1.55～1.75 μm）和（2.08～2.35 μm）及长波红外（10.40～12.5 μm），除了第6波段（长波红外波段）的空间分辨率为120 m，其余6个波段都为30 m. TM影像有较高空间分辨率，数据量大，信息丰富，获取便捷等特点，在土地利用、农作物病虫害、城市热岛效应的监测及反演水质参数等很多方面都得到了广泛的应用[7-10].

研究选取1989年2月13日、2002年1月8日和2009年1月11日三景TM影像数据及石城县的DEM数据和矢量行政区划图（校正后）等辅助信息.

数据预处理：首先对TM影像辐射定标，然后利用ENVI遥感处理软件的FLAASH大气校正模型对影像进行大气校正，将图像的像元值转化为反射率.最后采用人机交互式的方法在石城县矢量行政区划图上选取多个GCP(地面控制点)，按照均匀分布及一些地物特征明显的地方进行选取，利用二次多项式和最邻近内插法对TM影像进行几何精度纠正，并保证误差在0.5个像元内.

2.2 生态环境因子提取

运用NDVI、波段运算、缨帽变换等多种手段对研究区的TM影像进行处理，获取了反映生态环境关键因子：植被、土壤、坡度及综合信息4项指数.

2.2.1 植被覆盖度

归一化植被指数（NDVI）是使用最广泛、简单灵活的一种植被指数，其计算公式为：

式（1）中，近红外波段NIR对应TM影像中第4波段，红波段R对应TM影像中的第3波段.

由于归一化植被指数(NDVI)是地物光谱信息推算而得到的定量值，其反映了地表植被状况，所以一个像元的NDVI值是由两部分组成：无植被覆盖(裸土)部分所贡献的信息和地表绿色植被部分所贡献的信息.因此直接依据NDVI的大小来估算植被覆盖度，其结果是不够理想的.因此利用估算植被覆盖度模型[11]：

式（2）中，NDVI是归一化植被指数，NDVImin表示赣江源地区最小的NDVI值，NDVImax表示赣江源地区最大的NDVI值，由于TM影像中不可避免的存在着噪声，因此该区域内最小NDVI值和最大的NDVI值并不一定是NDVImin和NDVImax，依据以往诸多学者的研究经验，选择以5%的累积百分比为置信度区间，读取对应的像元值，从而确定有效的NDVI最大和最小值分别0.53和0.106.利用式（3）计算赣江源地区的植被覆盖度F.

式（3）的意思是小于NDVImin的像元赋值为0，大于NDVImax的像元赋值为1，也就是说NDVI最大部分可能是又有植被覆盖度太大，造成NDVI失灵，就认为这部分区域的植被覆盖度是1；在两者之间的，运用NDVI估算模型计算.

2.2.2 土壤指数

土壤指数采用常用的裸土植被指数（GRABS）：

式（4）中，VI代表穗帽变换的绿度指数，BI表示穗帽变换的土壤亮度指数.绿度指数可用来评价植被的行为，土壤亮度指数可用来评价裸土的行为，故由BI和VI线性组合形成的裸土植被指数能很好地反映土壤的裸露情况[12].

2.2.3 坡度影像数据的生成

赣江源地区的石城具有“八山半水一分田，半分道路和庄园”的特征，是个典型的东南丘陵低山地区，其中山地面积约占总面积的89%，坡度对土壤侵蚀和植被长势有着较大的影响，所以该研究的坡度因子是自然生态环境评价中必不可少的关键因子.高翔等[13]利用GIS技术对不同坡度等级的土壤侵蚀特征进行了分析，研究表明在理想状态中一般坡度等级越高，土壤侵蚀越明显；但在坡度等级较低的地带由于存在较多的人为活动，土地开发利用程度较高，从而对植被和土壤的破坏较大，会造成反常现象.研究中利用USGS提供的GLS2000产品的DEM数据，运用ENVI软件的Topographic Modeling的功能下Slope提取出研究区的坡度.

2.3 生态因子归一化

各项生态环境评价因子生成之后，由于量纲不一致，因此可比性不强，从而直接运用各指标项去进行赣江源地区自然生态环境评价是较为困难的.依据各环境评价因子对生态环境质量的贡献程度来决定各评价因子的量化分值，采用统一顺序原则，即按照各评价因子对自然生态环境的正向影响的大小，从低到高划分为若干等级，根据对生态环境质量的贡献越大，等级越高，反之则等级越低.各个参评因子数据经过归一化后是一组反映其属性特征的数值，其值介于1~10之间（表1）.

表1 生态因子归一化

2.4 建立生态环境评价模型

研究选择的评价模型是综合指数法：

式（5）中，E表示生态环境综合评价，Sv代表植被覆盖度，Ss表示土壤指数，St代表坡度.因为评价模型中各生态环境因子对自然生态环境的贡献不同，所以应赋予不同的评价权重.因此评价结果的科学性和合理性取决于权重系数大小分配是否合理.由于在生态环境评价中，植被覆盖度的贡献最大，土壤指数贡献其次，坡度贡献较小，因此采用专家打分法确定各评价因子的权重：W1=0.7，W2=0.2，W3=0.1.

根据生态环境综合评价，将其划分为差、中、良和优四个评价等级，赣江源地区自然生态环境质量评价标准如表2所示.

表2 赣江源地区生态环境等级划分

3 近20年的生态环境变化

利用建立好的生态环境评价模型，应用到赣江源地区预处理好的遥感影像中，从而得到赣江源地区生态环境评价图（图2）.如图2所示，赣江源地区整体上东北和东南部及西部明显好于中部河谷地区，近20年来，评价等级是优良的占大多数，说明该地区大部分区域的自然生态处于良好；综合评价是优的区域大部分集中森林腹地及河谷狭小平原且耕地作物长势较好；综合评价处于差的区域中水域部分占了一部分，其余主要集中在居民地、交通用地区域.赣江源地区自然生态环境不变的区域主要的森林腹地；而人类活动频繁的地域，生态环境改变较大，可以清楚的观察到石城县县城和乡镇的城镇建设地带和交通设施建设地带（泉南高速和济广高速过境路段等）生态环境质量呈现下降趋势；变好的区域主要分布在低山丘陵区，植被覆盖度越来越好，且变化的区域范围也较广，是变化的主要趋势.因此赣江源地区大部分区域生态环境质量是向好的方向发展.

利用ARC/INFO的统计功能分别计算出1989年、2002年和2009年三年的各生态级别的面积，

进而得出其变化.从变化趋势来看（表3），生态环境评价差的区域面积由1989年的149.0237 km2降为2002年的50.1273 km2，然后上升了一点点到2009年的54.5454 km2；评价等级中的区域面积由1989年的311.9714 km2一直减少至2009年的180.9837 km2；生态环境处于良的区域面积由1989年所占总面积25.1%一直降至2009年的20%；生态环境处于优的区域面积由1989年的725.1579 km2一直增加至2009年的1029.491 km2，其中2002年比1989年增长了16.4%.

图2 赣江源地区生态环境评价变化图

总体来说，赣江源地区的生态环境整体上不断改善，自然环境越来越好，其主要原因如下：首先建

立了国家级自然保护区，通过合理规划，把科学研究、教育、生产和旅游等活动有机地结合起来，使它的生态、社会和经济效益都得到充分发挥，实现可持续发展.其次赣江中下游地区对石城县进行了生态补偿，有助于当地居民改变粗放的经济发展方式，参与保护自然生态环境.随着该地区人民生活水平的提高，转变了以往靠柴火来生活，从而减少砍伐植被活动，有利于当地植被的恢复.最后当地政府结合实际情况大力发展有机特色农业（种植烟草和白莲），有利于保护当地自然生态环境.然而局部地区由于受自然环境条件的制约并未改善，有些地区的生态环境出现恶化：随着人口的增长和经济的发展，县城及乡镇的城镇建设使耕地、林地及草地演变成为建设用地或者裸地等，生态环境受到破坏.

表3 赣江源地区的生态级别面积和比例

4 结论

以往实测数据经常由于观测站点离散分布，从而很难获得大范围区域内全面的数据.利用遥感技术提取生态因子，运用数学方法和地理信息系统软件进行多因素综合定量评价，进而对赣江源地区的自然生态环境进行综合评价.

从自然生态环境评价结果来看，赣江源地区东北和东南部及西部明显好于中部河谷地区，近20年呈现出整体不断改善的趋势，这些都能与实际情况基本相吻合，说明利用遥感技术对赣江源地区进行生态环境综合评价是可行的.

实现区域生态环境的动态监测是生态环境研究中需解决的问题.利用遥感技术可以实现一个时间序列的生态环境评价图，从而可以获得生态环境动态变化资料.但还需和一些遥感难以获取的地面数据相结合，才能更有效地实现生态环境的动态监测和趋势预测.

[1]江振蓝，沙晋明，杨武年.基于GIS的福州市生态环境遥感综合评价模型[J].国土资源遥感，2004（3）：46-48.

[2]王钦.高速公路生态环境的遥感信息提取与评价[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[3]罗彩莲.利用卫星遥感图像进行闽江水口库区的动态变化监测及环境评价[D].福州：福州大学，2005.

[4]朱远辉，刘凯，艾彬，等.新丰江流域生态环境质量遥感评价[J].热带地理，2013,33（2）：133-140.

[5]况润元，袁秀华，罗卫，等.基于CBERS-02B高分辨率遥感影像分割的最优尺度选取[J].江西理工大学学报，2013,34（5）：29-33.

[6]Karthikeyan J.Total environment quality index as a tool for assessment of work environment a case study of industrial units[C]// Li Shengcai.Progress in Environmental Science and Technology. Beijing：Science Press,2007.

[7]王丽娟，冯仲科，房媛，等.TM影像在长春市土地利用分类研究中的应用[J].河北农业科学，2010，14（1）：133-136.

[8]张竞成，李建元，杨贵军，等.基于光谱知识库的TM影像冬小麦条锈病监测研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30（6）：1579-1585.

[9]盛辉，万红，崔建勇，等.基于TM影像的城市热岛效应监测与预测分析[J].遥感技术与应用，2010，25（1）：8-14.

[10]邬明权，韩松，赵永清，等.应用Landsat TM影像估算渤海叶绿素a和总悬浮物浓度[J].遥感信息，2012，27（4）：91-95.

[11]李苗苗，吴炳方，颜长珍，等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算[J].资源科学，2004，26（4）：153-159.

[12]张源，张文博.京港澳高速长潭段路域生态环境质量遥感评价[J].黑龙江科技信息，2013(9)：16.

[13]高翔，蔡雄飞，王济，等.喀斯特地貌不同坡度下土壤侵蚀经验模型研究[J].贵州农业科学，2013，41（7）：111-115.

Assessment of the ecological environment in Ganjiang source region based on remote sensing

KUANG Runyuan,LUO Wei,ZHANG Meng，WAN Wentao,YANG Huichen,LI Daqian
（School of Architectural and surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

Given that the traditional artificial ecological investigation needs larger human power and material resources,and is not conducive to a wide range of macro-observation,the article selects Shicheng county in Ganjiang source region as research area,with data source of TM image from Landsat satellite,using remote sensing technology to extract the key ecological factors,normalizing the vegetation coverage,soil index,slope information to build an assessment of the ecological environment model.Using the model for dynamic monitoring of the ecological environment quality in Ganjiang source region in the nearly 20 years,the result shows that the overall natural ecological environment in Ganjiang source region is fine,the natural ecological environment in the northeast,southeast and the west are better than that of the central region,and the overall ecological environment is improving.In the whole,using remote sensing method for ecological environment comprehensive evaluation of Ganjiang source region is feasible.

remote sensing；Ganjiang source region；assessment of the ecological environment；ecological factor

P208；X87

A

2014-02-25

国家自然科学基金资助项目（41101322）；江西省科技厅资助项目（20114BAB213022）；江西省教育厅科技资助项目（GJJ13424）

况润元（1976-），男，博士，副教授，主要从事遥感机理与应用、地理信息系统应用等方面的研究，E-mail：rykuang@163.com.

2095-3046(2014)05-0034-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.007