基于RSEI的玛纳斯河流域自然生态环境变化评价

彭丽媛，张军民*，梁二敏，胡蒙蒙

（石河子大学理学院，新疆 石河子832003）

基于RSEI的玛纳斯河流域自然生态环境变化评价

彭丽媛，张军民*，梁二敏，胡蒙蒙

（石河子大学理学院，新疆 石河子832003）

生态环境是人类生存发展的物质基础，生态环境质量深刻影响着全球变化及区域可持续发展。为了分析玛纳斯河流域的生态环境质量现状及变化特征，本文以1993、2006和2016年的Landset TM/ETM影像为数据源，借助RSEI指数，对玛纳斯河流域的生态环境质量进行监测和动态评价。结果表明：（1）绿度、湿度、热度和干度是生态系统的重要组成部分，在此基础上建立的RSEI指数可较好的反映玛纳斯河流域生态环境质量状况及其时空分异；（2）1993、2006和2016年RSEI指数均值分别为0.31、0.38和0.45，对RSEI指数进行分级处理后，发现流域生态环境质量“差”等级居于主导地位，“优”等级等级急剧增加，流域内生态环境质量向好的方向发展；（3）流域山地-绿洲-荒漠生态系统（MODS）内部生态环境较为稳定，流域内生态环境质量变好的区域远大于变差的区域，生态质量变差的区域主要集中于南部山区林地、水域、城市周边和部分耕地，生态质量变好的区域主要分布在绿洲内部及边缘。

生态环境；RSEI指数；时空变化；玛纳斯河流域

20世纪90年代以来，随着遥感和地理信息技术的迅速发展和广泛应用，生态环境质量监测与评价取得了大量成果，评价理论、方法及技术手段不断丰富和完善，尤其是遥感识别技术和GIS分析技术为快速、准确、适时地开展多尺度生态环境动态监测和评价提供了有效手段[1-3]。学者们已用多种遥感指数对不同流域及各种类型的生态环境开展了质量监测及安全评价[4-6]。这类研究进展主要体现在评价方法及模型的构建和评价指标体系及指标权重的选择上，对包括全国、省级及县域、流域或工程项目等不同尺度的环境问题开展监测评价，流域范围或脆弱生态区域的中小尺度研究受到更多重视。为此，国家环境保护部还以行业标准的形式颁发了《生态环境状况评价技术规范》[7]，并设计了生态环境状况评价指数，以规范和指导生态环境动态评价工作。但其指标选择及权利分配的主观随意性，指标内涵及赋值的定量化及评价方法、模型的有效性、可靠性等均始终影响着评价质量和效果，特别是如何使评价数值可视化并具有空间解释能力，为决策管理提供与空间坐标和位置关系密切的评价成果，已成为生态环境动态评价效能的突出问题。

因此，本文以典型干旱区内陆河－新疆玛纳斯河流域为靶区，根据内陆河流域景观类型及格局特征选取评价指标，借助RSEI建立评价模型，用主成分分析法对各个指标赋予客观权重，动态评价流域生态环境质量时空变化特和规律，以期为玛纳斯河流域生态环境保护与治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于 43°27'N-45°21'N，85°01'E—86°35'E，地处新疆天山北坡中段、准噶尔盆地南缘，行政区域包括石河子市、沙湾县、玛纳斯县,以及新疆兵团第八师和第六师的农牧团场。流域面积约2.665万km2，由塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河及巴音沟河冲积而成，地势上南高北低，南部为山脊，中部为绿洲平原，北部为荒漠，形成干旱区典型的山地—绿洲—荒漠生态系统（MODS）[8-9]。流域属于典型的大陆性气候，冬季严寒，夏季酷热，气温日（年）差较大，空间降水差异明显，主要集中在山地，山区成为河川径流的形成区，流域绿洲区域的地表水和地下水也基本完全依赖于山区河流出山口的径流量补给。20世纪50年代后，该流域进行大规模的水土开发，引起了流域内生态环境发生较大变化。

1.1.2 数据来源

应用的基础数据主要包括：Landset 5号和Landset 8号卫星获取的遥感影像，为方便后期的研究，特意选取成像时间相近的月份，三期影像成像时间分别为 1993年8月、2006年 7月和 2016年 8月，三期数据均可以从美国地质调查局网站（United States Geological，Survey USGS）和中国地理数据云上获取。并应用ENVI软件对Landsat TM/ETM影像数据进行预处理：辐射定标、几何校正、镶嵌裁剪、Flaash大气校正等。

1.2 方法

1.2.1 研究的方法

本研究采用遥感生态指数法(RSEI)[10-11]，可快速监测和评价区域生态环境质量。该指数修正了国家环保部颁布的EI指数中的空间属性表达方式，用更具有生态功能和位置关联的综合指标定量分析生态环境质量，使指数分析结果即可通过可视化表达连续时序变化，也可通过ArcGIS得到多尺度空间分布图。根据干旱内陆河流域生态环境组成、结构及类型特征，本研究选择绿度、湿度、热度、干度4个指标来综合反映流域的生态环境。在评价生态环境状况的诸多指标中，绿度、湿度、热度、干度与人们的日常生活关系最为密切，同时也是人类直观感觉判别生态条件优劣的重要因素，更便于指标数值的获取、计算、建模及结果分析。结合研究区现状本文采用归一化植被指数、湿度指数、裸土指数、建筑指数和地表温度分别代表绿度、湿度、干度和热度数值。

具体过程如下：首先分别采用相应的公式计算RSEI的4个指标并进行归一化处理；然后对4个指标进行主成分分析，以确定每个指标的权重；最后对RSEI指数进行分级和叠加分析。RSEI不适宜水域面积较大的地区，而本研究区水域面积约占2.13%，因此不需要对水体进行独立提取及掩膜，更有利于RSEI计算及模拟。

1.2.2 RSEI指数的计算

（1）绿度指标：归一化植被指数（NDVI）广泛应用在分析作物成长状况、植被覆盖度以及空间分布等方面，因此本研究选取该方法计算绿度指标。NDVI计算公式[12]：

式（1）中，ρ4与ρ3分别代表近红外波段与可见光红波段的反射率，分别对应Landset4-5影像的中的第4和第3波段。

（2）湿度指标：遥感缨帽变换所获得的亮度、绿度、湿度分量已被广泛地应用在生态环境监测中。因此本研究的湿度指标以湿度分量来代表[13]，计算公式：

式（2）中，ρi(i=1,...,5,7)为 TM 各波段的反射率。

（3）干度指标：干度指数用来研究干旱区土地荒漠化、土地退化的现状，通过计算裸土指数SI[14]和建筑指数IBI[15]，合成得到干度指标，其公式为：

其中：

（4）热度指标：热度指标用地表温度来表示，本研究采用单窗算法来反演地表温度。该方法利用Landsat TM影像的热红外波段进行地表温度估算[16-17]，整个过程不需要进行大气校正处理，算法简便、容易实现，地表温度反演结果较为准确[18-19]。单窗算法的计算公式：

式（5）中：Ts为地表温度；Ta为表示大气温度；T6为热红外波段的亮度温度；a和b是常数，a=-67.355，b=0.459；C=ετ，D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]，ε 为 地 表比辐射率，τ为大气透射率（表1）；对 Landsat TM影像，T6可用下列公式求算：

式（6）中，DN6为 Landsat TM数据第 6波段DN值，0≤DN6≤255。

表1 大气透射率计算Tab.1 Calculation of atmospheric transmittance

此外,在标准大气状态下，大气平均作用温度（Ta）与地面附近(一般为 2 m 处)气温（T0）存在明显的线性关系（Ta与T0的单位为 K），通过表2可计算出Ta。

表2 大气平均作用温度计算Tab.2 Calculation of atmospheric average temperature

1.2.3 主成分分析

主成分分析（PCA）是多元统计方法中分析、简化数据处理技术。数学意义是将多个变量通过正交线性变换，保留低阶主成分，选出少量重要变量，保持数据集中对方差贡献最大的特征[20]。本研究采用主成分分析方法用于对各指标进行集成，可较大程度保证指标是根据数据本身特点和性质集成，从而在一定程度上避免了人为赋予权重的主观性和随意性。在进行主成分分析之前，先对各个指标进行归一化处理，使其数值为0-1，转化成无量纲，然后再计算PCA（表3），各指标归一化公式为：

式（7）中：NIi为正规化后的某一指标值；Indicatori为该指标在象元i的值；Indicatormax为该指标的最大值；Indicatormin为该指标的最小值。

正规化后的4个指标采用ER Mapper软件来计算主成分。为使PC1大的数值代表好的生态条件，可进一步用1减去计算出的PC1获得初始的生态指数RSEI0：

为了便于指标的对比，同样对RSEI0进行正规化处理。

式（9）中：RSEI为遥感生态指数，其值为 0-1，RSEI值越高，表示生态质量越好。

2 结果与分析

2.1 玛纳斯河流域生态环境质量定量分析结果

玛纳斯河流域生态环境RSEI指数4个指标见表3。

表3 指标主成分分析结果Tab.3 Principal component analysis of four factors

表3反映了研究区RSEI指数4个指标的主成分特征：（1）1993、2006 和 2016 年的 PC1 特征值贡献度均在85%以上，这说明 PC1已经集中了4个指标的大部分特征；（2）在 PC1中，代表绿度指数的NDVI与代表湿度指数的WET为正值，这表明它们共同对生态环境质量起正面的贡献；而代表热度和干度的LST、NDSI在PC1中呈负值，说明它们协同对生态起负面的影响。（3）3期影像各个指标的数值相对稳定，3年间数值变化不大，且各指标贡献率大小相当，代表热度的LST略低于其他3个指标。

图1 玛纳斯河流域遥感影像(上)(RGB:432)和RSEI遥感生态指数影像(下)Fig.1 Images of the Manasi River(Above)(RGB:432)and the RSEI images(Below)

2.2 玛纳斯河流域生态环境质量变化动态分析

为更好分析生态环境质量指数评价结果，将主成分变换得到的生态环境质量指数（介于0-1）平分成5级，从第1级到第5级，分别代表差、较差、一般、良和优。表4为各期数据遥感生态环境质量结果分级统计表，统计结果如下：（1）整体上，1993、2006和2016年玛纳斯河流域的生态环境质量差等级居于主导地位，所占面积比重分别为40.63%、42.89%和37.82%；（2）3个年份，1993年等级占比从大到小依次为差、较差、一般、良、差；2006年等级占比从大到小依次为差、较差、优、良、一般；2016年等级占比从大到小依次为差、优、较差、良、一般。由此可知，差等级面积变化较小所占比重稳居第1位，优等级由第5位上升到了第2位，一般等级由第3位下降到了第5位；（3）从年际变化上看，1993-2016年面积变化呈现“一增四减”的现象，优等级面积增加，其他等级面积均减少，其中较差等级面积减少量最大。优等级面积净增约2700 km2，占比从1.61%上升至25.83%；较差等级面积减少1750.1 km2，占比也从32.59%下降至 16.88%，下降约 15个百分点；其他地类相对面积变化较小。

表4 各期数据遥感生态环境质量分级统计表Tab.4 Statistics of grading of the eco-environment quality

2.3 玛纳斯河流域生态质量时空差异分析

根据年国家环保部颁布的《生态环境状况评价技术规范》生态环境状况变化幅度分级表信息，将生态环境状况变化幅度分为4级，即无明显变化、略有变化（好或差）、明显变化（好或差）、显著变化（好或差）。为了更直观的了解玛纳斯河流域近20年来生态质量的时空变化状况，利用红绿法对流域的生态质量进行叠加差值分析，用绿色来表示生态变好的区域，用红色表示生态变差的区域，生态质量无明显变化的地区则用红色和绿色的混色黄色来表示（图2）。统计结果（表5）表明：从三类面积大小及占比上看，由大到小为：不变、变好、变差。1993-2006年，玛河流域生态质量不变或者变化较小的面积为8493.74 km2，占总面积的76.22%；生态环境改善的区域面积为2304.54 km2，约占总面积的20.68%；生态环境恶化的区域约345.93 km2，占总面积的3.10%；生态环境质量变好的区域面积明显大于变差的区域面积。2006-2016年，不变、变好和变差的区域面积分别为：9139.22、1593.47和411.52 km2，面积比重分别为：82.01%、14.30%和3.69%。总体上来说，玛河流域生态环境质量“不变”的区域仍居于主导地位，生态质量改善的区域明显高于生态环境恶化区域，总体上趋向于“变好”的方向发展。

表5 生态环境质量变化幅度分级表Tab.5 The range grading of variation ofRSEI

图2 玛纳斯河流域生态环境变化检测图Fig.2 RSEI image change of the Manasi River Basin

3 讨论

（1）绿度、湿度、热度和干度是生态系统的重要组成部分，在此基础上建立的RSEI指数可较好的反映玛纳斯河流域生态环境质量状况。该方法以自然因素指标为主，计算简便，没有任何人为的权重、阈值的设定，除了能客观、快速的监测与评价区域生态质量，还可以对区域生态质量状况进行可视化，显示生态环境质量状况的空间分布特征。

（2）本研究通过采用主成分分析法，在一定程度上避免计算中各指标权重因人而异、因方法而异带来的结果偏差。统计得出第一主成分（PC1）特征值累计均高于85%，因此以PC1的信息来代表绿度指标、湿度指标、干度指标和热度指标，具有可行性。

（3）玛河流域生态环境质量较好的区域主要集中于植被覆盖度高的中部绿洲区和南部山区，生态环境较差的区域主要位于植被覆盖度较低的北部荒漠区与山间过渡带，总体上，生态质量由北向南呈现出：差—好—差—好的状态。这表明生态环境质量指数的变化与植被覆盖度、土地利用类型也存在较强的联系。林地、耕地植被覆盖度高生态质量高，未利用地、荒漠、建设用地植被覆盖度较低，生态环境质量较低，其中，水域与部分积雪区域除外。

（4）受干旱区MODS系统影响，流域生态环境质量等级较低，生态环境脆弱。20多年来，流域生态环境仍处于较低水平，但生态环境质量得到明显改善，生态环境改善区面积明显多于生态环境恶化区，生态环境质量向好的方向发展。

流域内生态环境质量变差的区域主要集中于南部山区林地、水域、城市周边和部分耕地，生态质量改善的区域主要分布于绿洲内部区域，两者均与人类活动密切相关，因此，合理开发与利用绿洲资源，可促进生态与经济协调发展。

4 结论

（1）通过对玛纳斯河流域三期遥感影像数据的处理分析，1993、2006和 2016年RSEI值分别为0.31、0.38 和 0.45，RSEI取值为 0-1，RSEI值越大表示生态环境越好，本研究结果显示，20多年来流域的生态环境不断得到改善。通过对RSEI结果进行分级处理，可知：受干旱区MODS系统的影响，1993-2016年玛河流域差等级一直居于主导地位；其次，人类大面积的垦荒使大量差、较差等级转换成了优等级，面积呈“一增四减”的现象，优等级面积增加，其他等级面积均减少，较差等级面积减少量最大。这说明20多年来，受自然和人类活动的影响，玛河流域生态环境质量整体上较为脆弱，但总体上向好的方向发展。

（2）对3期影像进行空间差值分析，生态质量无变化或者变化不明显的区域占总面积的76.22%和82.01%，主要分布于绿洲、山地、荒漠与山间过渡带的内部，生态系统较为稳定生态环境变化较小。生态质量恶化区域集中分布在南部山区林地、河道和城市周边，20世纪50年代以来受人类大规模开垦活动的影响，南部山区林地呈边缘退化，致使生态环境质量下降明显；城市用水与灌溉用水量的增加致使河流下游湖面萎缩，部分河流下游断流，水域面积减少，部分河道干涸生态环境质量下降；随着城市不断扩建，大量耕地、林地被改造成了建设用地，生态环境质量的恶化与人类不合理的开发利用资源有着密切联系。生态质量改善的区域主要分布于绿洲内部，人类大规模的开垦改变了流域内的土地利用状况，大量未利用地和裸地被开垦为农用地，改善了局部区域的生态环境状况。这表明，在自然因素较为稳定的情况下，人类活动对区域生态生态环境有着重要影响。

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Evaluation of natural ecological environment change in Manasi River Basin based on RSEI

Peng Liyuan,Zhang Junmin*,Liang Ermin,Hu Mengmeng
(School of Science,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Ecological environment is the material basis of human survival and development,and the quality of ecological environment has a profound impact on global change and regional sustainable development.To analyze of the ecological environment quality and change analysis in Manasi River Basin,here we monitored and evaluated the ecological environment quality by using the RSEI index based on the Landset TM/ETM images of 1993,2006 and 2016 as the data source.The results show that:(1)the greenness index,wet index,heat index and dryness index were the important parts of the ecological system;the RSEI index established on this basis can reflect the ecological environment quality and the characteristics of temporal and spatial land-use change.(2)the RSEI index in 1993,2006 and 2016 were 0.31,0.38 and 0.45,respectively;grading of the RSEI index found that the “poor” level of the eco-environmental quality was in the dominant position,and the “excellent” rating increased dramatically The quality of the ecological environment is getting better;(3)the ecological environment of the Mountain-Oasis-Desert ecosystem(MODS)was relatively stable,and the area of the ecological environment quality improvement was much larger than that in the deteriorated area.The deteriorated area was mainly concentrated in the southern mountain forest land,water area and some cultivated land.The areas with better ecological quality are mainly distributed in the inner and edge of oasis.

ecological environment;RSEI;temporal and spatial variation;Manasi River Basin

X171.1；X826

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.04.019

1007-7383(2017)04-0506-07

2016-12-08

国家自然科学基金项目（41361025）

彭丽媛(1992-)，女，硕士研究生，专业方向为绿洲景观生态安全，e-mail:377236021@qq.com。

*通信作者：张军民(1964-)，男，教授，博士生导师，从事绿洲景观变化及生态安全方面研究，e-mail:zjm_tea@shzu.com。