基于遥感与GIS技术的生态环境动态监测研究——以汾河流域为例

□乔玉良

（太原理工大学，山西 太原 030024）

基于遥感与GIS技术的生态环境动态监测研究
——以汾河流域为例

□乔玉良

（太原理工大学，山西 太原 030024）

以汾河流域为实验区，首先利用GIS与地形分析方法将其分为21个小流域；然后基于1978年的Landsat MSS、1993年和2009年的Landsat TM遥感影像，通过归一化植被指数、归一化差异水体指数、阈值法、谱间关系法、监督分类与非监督分类相结合的方法对汾河流域信息进行提取，选择生物丰度指数、水网密度指数、植被覆盖度、土壤退化指数与环境质量指数对汾河流域进行生态环境质量评价，得到汾河流域1978年、1993年和2009年3个时期不同小流域的生态环境质量分布。对不同时期的生态质量进行动态监测，结果表明：汾河流域生态环境质量在任何时期均为一般或较差；从1978年到1993年生态环境质量降低，1993年到2009年流域生态环境质量开始改善。本研究对汾河流域生态环境保护和治理提供指导。

动态监测；生态环境；汾河流域；遥感影像；GIS技术

1.引言

流域是一个社会、经济、自然的复合生态系统，它是一个独立的地貌单元，具有生态的完整性。由于人类社会经济的发展，流域生态环境的负荷愈来愈重，流域生态环境的自我调节和恢复功能大幅下降，引起了日益严重的流域生态环境质量问题。

国外上世纪80年代初期正式开始生态环境质量评价，在上世纪90年代初由美国环保局所提出的环境监测与评价项目（EMAP）是这一时期比较有影响的研究。1998年Campbell K R[1]通过研究已有的环境模型及当前环境所面临的问题，对生态环境模型的建立及生态环境风险的评价方法做了分析与总结。此外，一些组织和人们将景观生态学和RS、GIS技术运用到生态环境的监测与评价之中，例如 1999年 Wynet Smith et al[2]利用遥感、GIS地图制图技术和数学统计分析方法对Batemi河谷的土地利用状况和生态环境状况进行了监测与评价研究。2009年 Bushra Waheed.al[3]，利用DPSEEA模型对环境的可持续发展评价进行了研究。我国的环境质量评价工作是于1978年逐步发展起来的，生态环境质量评价研究开始于80年代。毛文永[4]在《生态环境影响评价概论》中，选取了景观优势度指数、多样性指数、生态环境综合指数（植被覆盖率、土地生态适宜性、恢复能力赋值、抗退化能力赋值）对生态环境进行了评价。刘建军[5]选择小流域为评价单元，采用以压力-状态-响应（PSR）反映指标为概念框架，将流域生态系统的功能和结构结合起来，通过遥感和GIS技术获得生态环境变化信息，通过监测和评价小流域单元的健康状况，对巢湖流域的生态系统健康状况进行了评价。

汾河流域的生态环境质量日益引起社会各界的注意，但以往的研究缺少专门针对流域且从多角度进行的生态环境质量调查与评价，本文借助遥感与地理信息系统技术，以汾河流域为研究对象，将汾河流域分为不同的小流域，并对不同小流域的生态环境质量进行了动态监测，为各级部门进行生态环境治理提供依据。

2.研究区概况

汾河流域范围为东经110°28′02″－113°32′38″，北纬35°19′19″－39°04′00″，面积约3 9471 km2。汾河流域处于山西省中南部，海拔一般在1 500m以上，流域内包含山地、丘陵和盆地。汾河流域属大陆性半干旱季风气候，春冬两季常受蒙古高原干燥风的袭击，雨雪稀少，干旱而寒冷，夏季多雨而炎热。年平均气温自北向南相差较大，大致在6～13℃之间。年平均降水量也是北少南多，山区相对多，盆地相对少；大致在300～700mm之间，平均约500mm；降雨年内分配不均，6～9月降雨占全年的60%以上；年际变化也大，最大年降水量为最小年降水量的3.5倍。

汾河是中国黄河的第二大支流，作为山西母亲河的汾河流域，如今的水资源依然十分有限，流域内有农业、工业，煤炭资源丰富，近几年来，由于社会对能源的需求增大，导致煤炭的大量开采，使得流域内环境承载压力更大，生态环境面临的压力也更大[6]。

3.数据与方法

3.1数据源选择与影像处理

本次研究选择数据有1978年的Landsat MSS数据、1993年的 Landsat TM数据和2009年Landsat TM数据，遥感影像的时间均为9、10月份。汾河流域1∶10万地形图，ASTER GDEM（数字高程模型）、汾河流域地貌数据、野外考查数据、环境统计数据及一些与流域相关的统计资料。遥感影像与ASTER GDEM均来源于美国NASA数据共享网站。

根据项目精度要求，对遥感影像进行了辐射校正、几何校正与配准，几何校正的误差在0.5个像元之内；因为研究区包含多幅影像，影像间存在色差，在拼接前需要匀色，在此利用直方图匹配来实现影像间的匀色；之后进行研究区遥感影像的拼接；同时对遥感影像各个波段进行参数统计，为后面土地利用信息的提取进行参数准备。图1为本次研究的技术流程图。

3.2研究方法

3.2.1基础信息的提取

依据流域生态环境质量评价所需要的数据，在此首先进行研究区植被覆盖度[7-9]的计算，分别提取林、灌、草、水体、居民地、耕地等专题信息，具体方法如下：

图1 基本工作流程图Fig．1 Diagram of work flow

（1）植被指数法[9]和阈值法提取流域林、灌、草信息；

（2）归一化差异水体指数法、阈值法[10-13]及监督分类等方法分别初步获取流域内的水体、居民地、道路信息；获取一类地类信息后，制作掩模裁剪影像，提高下一类的分类精度，在此基础上，结合非遥感资料进行目视解译，最终获得研究区水体、居民地、道路信息；

（3）利用以上获得的林、灌、草、道路、河流、居民地、水体信息裁剪遥感影像，减少分类时的地类数，提高解译精度，利用监督分类与非监督分类相结合的方法，初步获得研究区耕地信息，以此为基础，结合非遥感资料，进行目视解译，获得研究区耕地信息；

（4）利用具有 30米分辨率的 ASTER GDEM数据，结合研究区的土地利用、植被覆盖数据，在ArcGIS的空间分析中生成研究区的土壤侵蚀图，表1是汾河流域土壤侵蚀强度分级表[14]。

3.2.2生态环境质量评价指标提取

生态环境质量评价指标主要有：生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数[15]，表2为评价指标因子与权重。

（1）生物丰度指数（Biological Abundance Index,BAI）

通过单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异，间接地反映被评价区域内生物多样性的丰贫程度。生物丰度指数中的因子从遥感影像上获取。

BAI,生物丰度指数；Abio,生物丰度指数的归一化系数；S林地,林地的面积；S草地,草地的面积；S水域湿地,水域湿地的面积；S耕地,耕地的面积；S建设用地,建设用地的面积；S未利用地,未利用地的面积；S区域,研究区域的面积；面积的单位为平方千米（km2）。

（2）植被覆盖指数（Vegetation Index,VI）

VI,植被覆盖指数；Aveg,为植被覆盖指数的归一化系数；S林地,林地的面积；S草地,草地的面积；S耕地,耕地的面积；S建设用地,建设用地的面积；S未利用地,未利用地的面积；S区域,研究区域的面积；面积的单位为平方千米（km2）。

植被覆盖指数分权重见表2，植被覆盖指数因子信息从遥感影像上获取。

表1 土壤侵蚀强度分级标准Tab．1 Classification standard of the soil erosion intensity

（3）水网密度指数（Water Network DensityIndex,WNDI）

WNDI,水网密度指数；Ariv,河流长度的归一化系数；Alak,湖库面积的归一化系数；Ares,水资源量的归一化系数；L河流,河流长度；S湖库（近海）,湖库（近海）的面积；M水资源量,水资源量；S区域,研究区域的面积；面积的单位为平方千米（km2），长度的单位为千米（km）；水资源量的单位为百万立方米（百万m3）。

水网密度指数中的河流长度和湖库面积从遥感影像上获取，水资源量从《汾河志》[6]和《中国环境统计年鉴》获取[16-17]。

（4）土地退化指数（Land Degradation Index,LDI）

土地退化指数分权重见表2。

LDI,土地退化指数；S轻度侵蚀,轻度侵蚀面积；S中度侵蚀,中度侵蚀面积；S重度侵蚀,重度侵蚀面积；Aero,土地退化指数的归一化系数；S区域,研究区域的面积；。

在计算汾河流域土壤侵蚀度时，将侵蚀强度分为6个级别：微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀，在此计算汾河流域土地退化指数时，土地退化指数中的轻度侵蚀即对应前面计算得到的微度侵蚀和轻度侵蚀，土地退化指数中的中度侵蚀对应前面计算得到的中度侵蚀，土地退化指数中的强度侵蚀对应前面计算得到的强度侵蚀、极强度侵蚀、剧烈侵蚀。

表2 评价指标因子与权重Tab．2 Factors and weights of evaluation indexes

（5）环境质量指数（Environment Quantity Index，EI）

ASO2,SO2的归一化系数；Asol,固体废物的归一化系数；ACOD,COD的归一化系数；MSO2,SO2的排放量；M固体废物,固体废物的排放量；MCOD,固体废物的排放量；R区域,区域年均降水量；排放量的单位为吨（t），降水量的单位为毫米（mm）。

环境质量指数的分权重见表2。环境质量指数中的因子量从《中国环境年鉴》[16-17]和《山西国土资源》获取。

3.2.3流域生态环境质量综合评价原则

生态环境质量指数（Ecological Quality Index,EQI）计算方法如下：

EQI,生态环境质量指数；BAI,生物丰度指数；VI,植被覆盖指数；WNDI,水网密度指数；LDI,土地退化指数；EI,环境质量指数。

根据生态环境质量指数，将生态环境质量分为五级，即优、良、一般、较差和差。具体分类见表3。

4.汾河流域生态环境质量的动态分析

利用DEM（数字高程模型）数据，在ArcGIS软件水文分析模块下，提取出汾河流域的小流域，设定一定比例，将汾河流域分为21个小流域，通过对汾河流域小流域1978年、1993年、2009年三期进行生态环境质量评价。1978年有20个小流域的生态环境质量为一般，1个小流域的生态环境质量为较差；1993年有14个小流域的生态环境质量为一般，但分值都不高，接近一般与较差的临界值，7个小流域的生态环境质量为较差；2009年有16个小流域生态环境质量为一般，说明流域生态环境质量有稍微的改善，有5个小流域的生态环境质量为较差。

从时序的角度来看，汾河小流域从1978年到1993年生态环境质量降低，其主要原因为工业发展迅速，滥砍滥发严重，水土流失严重，人类在发展的同时，没能协调好发展与生态环境的关系，导致生态环境质量降低；1993年到2009年，汾河小流域生态环境质量变化不大，主要是因为人类开始意识到生态环境的重要性，在进行社会发展的同时，开始注意生态环境的保护，及时对已破坏的生态环境进行治理与恢复，特别是近几

年效果显著，但对于已破坏的生态环境，其治理与恢复需要较长的时间、较大的人力与物资的投入，短期内是无法将生态环境质量提高到一个高的档次。表4为汾河小流域生态环境质量评价表。

表3 生态环境质量分级Tab．3 Eco－environmental quality classification

表4 小流域生态环境质量评价Tab.6 The eco-environmental quality evaluation in different small drainages

图2 汾河流域多时序生态环境质量等级图Fig．2 Classifying map of eco－environmental quality for Fen River Basin

5.结论

利用遥感与GIS技术，参考统计数据，依据《生态环境状况评价技术规范（试行）》，通过获取不同小流域对汾河流域进行生态环境质量的动态监测，使得对流域生态环境质量状况有不同程度的了解，对于流域生态环境保护和治理有指导意义

图3 小流域生态环境质量时序变化图Fig．3 The time sequential change map of eco－environmental quality in different small drainages

研究表明：通过对汾河流域1978年、1993年和2009年三个时期的生态环境质量进行动态监测，得知从1978年到2009年，汾河流域生态环境质量为一般和较差，不容乐观，从1978年到1993年生态环境质量降低，1993年到2009年生态环境质量开始改善，究其原委是因为人们开始注意到生态环境重要性，在社会发展与能源开采的时候，注重生态环境的保护，并对已破坏的生态环境进行治理，但治理非一朝一夕可得，而且恢复速度缓慢，主要原因是研究区蕴含大量的能源，能源开采与社会经济发展需要进一步协调。

【1】Campbell K R，Bartell S M．Ecological Models and ecological Risk Assessment[M]．Michigan：Ann Arbor Press，1998．

【2】Wynet Smith et al,Exploring methods for rapid assessment of woody vegetation in the Batemi Valley,North-central Tanzania[J].Biodiversity and Conservation 1999,8:447-470.

【3】Bushra Waheed,Faisal Khan and Brian Veitch.Linkage-Based Frameworks for Sustainability Assessment:Making a Case for Driving Force-Pressure-State-Exposure-Effect-Action (DPSEEA)Frameworks[J].Sustainability,2009,1,441-463.

【4】Mao Wenyong.Introduction of environmental impact assessment[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,2003:1-45.[毛文永.生态环境影响评价概论[M].北京:中国环境科学出版社,2003:1-45.]

【5】Liu Jianjun,Wang Wenjie,Li Chunlai.Study Evolution of Ecosystem Health[J].Re－search of Environmental Science,2002,15(1):41-44.[刘建军,王文杰,李春来.生态系统健康研究进展[J].环境科学研究,2002,15(1):41-44.]

【6】Shanxi Water Resources Department.Fen River Record[M].Shanxi:Shanxi People's Publishing House,2006:1-41.[山西省水利厅.汾河志[M].山西:山西人民出版社,2006:1-41.]

【7】Tian Qingjiu,Min Xiangjun.Advances in Study on Vegetation Indices[J]ANVANCE IN EARTH SCIENCE,1998,13(4):327-332.[田庆久,闵祥军.植被指数研究进展[J].地球科学进展,1998,13(4):327-332.]

【8】Baret F,Guyot G,Major D J.TSAVI:A vegetation index which minimizes soil brightness effects on LAI and APAR estimation.Proceedings of the 12th Canadian Symposium on Remote Sensing.Vancouver,Canada,1989.1355～1358.

【9】Gao Zhihai,Wei Huaidon,Ding Feng.Methods for Subtracting Vegetation Information Using Vegetation Index(VI)from TM Images[J],Journal of Arid Land Resources and Environment, 1998,12(3):98-104.[高志海,魏怀东,丁峰.TM影像VI提取植被信息技术研究[J],干旱区资源与环境,1998,12（3）:98-104.]

【10】Jiang Wei.Estimation and Studies of Dynamic Change about Fuzhou’s Vegetation Coverage[J],JOURNAL OF NEIJIANG NORMAL UNIVERSITY,2008,23(8):81-85.[蒋巍.福州地区植被覆盖遥感估算及变化分析[J],内江师范学院学报,2008,23(8):81-85.]

【11】Ding Feng.Study on information extraction of water body with a new water index(NWI) [J].Science of Surveying and Mapping.2009,34(4):155-157.[丁凤.基于新型水体指数(NWI)进行水体信息提取的实验研究[J].测绘科学.2009,34(4):155-157.]

【12】Xu Jinhong,Chen Shujuan.Extraction of Information About Water Body Based on TM Image[J].Research of Soil and Water Conservation.2008,15(6):161-163.[徐金鸿,陈淑娟.基于TM影像的水体信息提取[J].水土保持研究.2008,15(6):161-163.]

【13】Wang Peipei.Automatic Extraction and Classification of Water Body from ETM Image [J].Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition).2009,30(6):75-79.[王培培.基于ETM影像的水体信息自动提取与分类研究 [J].首都师范大学学报 (自然科学版).2009, 30(6):75-79.]

【14】SL190-2007,Stand for classification and gradation of soil erosion[S].Bei Jing:China Water Conservancy Press,2008.[SL190-2007,土壤侵蚀分类标准[S].北京:中国水利水电出版社,2008.]

【15】HJ/T192-2006,Technical Criterion for Eco-environmental Status Evaluation[S].Bei Jing:State Environmental Protection Administration,2006.[HJ/T192-2006,生态环境状况评价技术规范（试行）[S].北京:国家环保总局,2006.]【16】《China Environment Yearbook》Editorial Board.China Environment Yearbook[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,1994:276-300.[《中国环境年鉴》编委委员会.中国环境年鉴［M］.北京:中国环境科学出版社,1994:276-300.]

【17】《China Environment Yearbook》Editorial Board.China Environment Yearbook[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,2010:280-300.[《中国环境年鉴》编委委员会.中国环境年鉴［M］.北京:中国环境科学出版社,2010:280-300.]

乔玉良（1951年8月——），女，太原理工大学测绘科学与技术系教授，兼任山西农业大学博士生导师、北京师范大学珠海分校教授，主要从事地球信息科学、航测与遥感技术应用研究，获国家、省部委科技进步奖15项，多次受邀赴美国、德国、英国、日本、波兰、法国等国家和地区出席国际会议，山西省委联系的高级专家。

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2095-7319（2014）01-0043-10