近30年黄河三角洲生态环境遥感评价
2018-03-29侯学会李新华隋学艳梁守真王猛
侯学会 李新华 隋学艳 梁守真 王猛
摘要：受自然和人为因素的影响，黄河三角洲生态环境日益脆弱，制约了该地区的可持续发展。以四期Landsat数据为数据源，计算综合研究区绿度、湿度和干度三种信息的遥感生态指数，并基于主成分分析法确定三因子的权重，对黄河三角洲1987—2016年间的生态环境时空格局开展定性和定量评价。研究发现，黄河三角洲生态环境在空间上存在显著差异，从内陆向沿海，生态环境逐渐变差，且生态环境质量一般的区域占研究区陆地面积的47.20%～58.99%。近30年，研究区生态环境质量整体呈下降趋势，但又有波动，以1995年前后生态环境质量相对较好。本研究结论与已有成果比较一致，可以为黄河三角洲生态环境保护和资源开发提供一定的参考依据。
关键词：遥感生态指数；Landsat 数据；黄河三角洲；生态环境
中图分类号：S127文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）02-0007-06
Abstract Affected by natural and human factors， the ecological environment of the Yellow River Delta is increasingly fragile， which restricts the sustainable development of this region. Based on four phrases Landsat data as the remote sensing data sources，we calculated a remote sensing ecological index （RSEI） combining three indicators from remote-sensing components as greenness， wet and dryness， and determined their weights based on principal component analysis.Then the spatial and temporal pattern of ecological environment in the Yellow River Delta from 1987 to 2016 was evaluated according to the RSEI. It was found that the ecological environment of the Yellow River Delta had significant differences in spatial pattern， which showed gradually deteriorating from inland to coastal areas， and the ratio of the “general” degree occupied 47.20%～58.99% of the total research area. In the past 30 years， the eco-environmental quality of the research area declined as a whole but fluctuated during different periods.The ecological environment quality was relatively the best in 1995. The conclusion of this paper was consistent with the existing results， and it could provide some references for the ecological protection and resource development of the Yellow River Delta.
Keywords Remote sensing ecological index；Landsat data；The Yellow River Delta； Ecological environment
黃河三角洲是我国暖温带保存最完整、最广阔和最年轻的滨海湿地生态系统，也是我国东部沿海综合资源最丰富的地区之一。另外，黄河三角洲地处山东省蓝黄色经济带的核心地段，水库建设、油田开发、养殖业等人类活动不断加剧。虽然有国家制定的各项保护政策，但受全球气候变化和社会经济发展等因素的影响，该地区生态系统受到了不同程度的干扰和破坏，生态环境愈加脆弱，对该地区进行生态环境评价研究，可为黄河三角洲生态环境的可持续发展提供重要依据。
传统生态环境调查方法需耗费大量的人力、物力，且调查周期较长，监测范围有限。遥感技术以其宏观、快速和实时的优点，在生态环境领域得到广泛应用，已成为区域生态环境评价的重要手段之一[1-5]，如已基于遥感数据开展了对滨海湿地[1，2]、森林[6]、草地[7，8]、城市[9]等生态系统的生态环境评价。在对比国家环境保护部的《生态环境状况评价技术规范》[10，11]基础上，徐涵秋构建了遥感生态指数（remote sensing ecological index，RSEI）[12]。与已有生态环境评价方法相比，RSEI不受人为因素的影响，组成指标完全通过遥感数据计算获得，能比较客观地评价区域生态环境质量，且与我国环境评价标准因子——生态环境状况指数（ecological index，EI）具有较好的一致性。
针对黄河三角洲的生态环境，许多学者也开展了相关研究，如基于遥感和统计数据，利用层次分析法对黄河三角洲生态环境质量进行总体分析[13]，基于遥感数据对黄河三角洲景观格局进行探讨等[14-17]。但已有研究在进行生态环境时间序列对比分析时，都只是对研究区各年的生态环境状况分别进行归一化，忽略了不同年份间生态环境整体状况的差异，导致归一化后的年际生态环境指数可比性差。因此，本文在前人研究的基础上，以四期Landsat数据为遥感数据源，以现代黄河三角洲为主要研究区，以遥感指标在时间范围内的整体性与统一性为参考依据，对黄河三角洲近30年的生态环境时空格局进行分析评价，以期为黄河三角洲生态环境保护与开发提供科学依据。
1 研究区概况与数据源
1.1 研究区概况
本文以现代黄河三角洲为主要研究区，其范围是以垦利县鱼洼为顶点，北起挑河口，南至宋春荣沟，主要位于东营市辖区内，包括河口区东部、垦利北部和利津东部（图1）。现代黄河三角洲属暖温带大陆性季风气候，年均温12.1℃，年均降水量551.6 mm，其中70%的降水集中在夏季，是我国暖温带保存最完整、最广阔和最年轻的滨海湿地，地处山东省蓝黄经济带的核心。研究区土壤类型主要为隐域性潮土和盐土，植被以盐生植被为主，植物种群组成简单，主要以芦苇（Phragmites australis）、柽柳（Tamarix chinensis）和碱蓬（Suaeda salsa） 为主。生态系统比较脆弱。
1.2 遥感数据
数据源为1987—2016年间覆盖研究区的四景Landsat 影像，行列号为121/34，为尽量消除卫星影像获取时间差异带来的结果不确定性，充分体现研究区植被信息，使用的遥感数据成像时间为8、9月份，具体成像时间及传感器分别为1987-08-11 Landsat 5、1995-09-18 Landsat 5、2008-09-05 Landsat 5、2016-08-26 Landsat 8。
提取生态环境指标前需要对不同传感器获取的数据进行辐射校正、大气校正和几何校正等预处理，以获得真实的地物光谱信息。本研究在ENVI 5.1下对Landsat 影像进行预处理，主要步骤为：①利用Landsat 5/8 影像定标文件对影像进行辐射定标，将原始DN（digital number）值转换为辐亮度；②利用FLAASH模型对辐亮度进行大气校正，得到真实地表反射率数据；③利用一景精校正后的Landsat 7（121/34）影像，对4景Landsat数据进行几何校正，将误差控制在0.5个像元内。
2 研究方法
2.1 遥感生态指数构建
借鉴徐涵秋提出的遥感生态指数（remote sensing ecological index，RSEI），考虑Landsat 5和Landsat 8两个传感器波谱差异，仅以自然生态环境的3个重要指标作为拟建生态指数的评价指标，即绿度、干度和湿度，其中以归一化植被指数NDVI作为绿度表征，干度指数NDSI表征干度，缨帽变换后的湿度分量wet作为湿度的表征，不考虑温度对生态环境的影响。
2.2 生态指标构建
（1）归一化植被指数NDVI：
（2）干度指数NDSI以裸土指数SI和建筑指数IBI二者耦合而成，即：
公式（2）～（5）中的ρi （i= 1，2，…，5）分别为Landsat第1波段（蓝波段）、第2波段（绿波段）、第3波段（红波段）、第4波段（近红外）、第5波段（短波红外）的反射率。
（3）湿度指数wet：在ENVI软件中对预处理后的tm卫星数据进行缨帽变换，取缨帽变换后的湿度分量作为本研究使用的湿度指数。
2.3 生态指标归一化
由于据公式计算出的NDVI、NDSI、wet量纲不同，在后续分析之前，需先进行归一化处理，将不同量纲的数据规范到[0，1]区间，转化为无量纲指标。归一化公式为：
其中，NIi為正规化后的某一指标值；Indicatori为该指标在像元i的值；Indicatormax为该指标的最大值；Indicatormin为该指标的最小值。为使不同年份具有统一性和可比性，本研究中Indicatormax和Indicatormin分别取该指标在整个研究时段内的最大值和最小值。
2.4 各生态指标因子权重的确定
RSEI表征的是NDVI、NDSI和wet三个因子的综合信息，各因子在RSEI中的贡献和地位通过其权重表示，为消除人为因素在各因子权重确定时的影响，本文基于主成分分析法（principal component analysis，PCA）进行多指标集成，自动客观地确定各因子的贡献度。结果如表1所示。在四个不同年份，3个指标的第一主成分（PC1）的累积贡献率均超过了75%，说明第一主成分最大限度地集合了各指标的特征，能够用来创建综合评价参数。而且，在PC1中，绿度指数NDVI和湿度指数wet的权重均为正值，说明这两个因子对生态环境起正面作用，而干度指数NDSI的贡献值为负，说明其对生态环境起负面作用，这与实际情况相符。
3 结果与分析
3.1 RSEI空间格局
根据表1主成分分析结果，我们分别建立了不同年份的RSEI综合指标集。为了更好地对遥感生态指标进行评价，我们依据公式（6）对RSEI同样做归一化，其中RSEImax和RSEImin分别指当年RSEI的最大值和最小值。结果如图2所示。
可以看出，受黄河来水来沙、海水冲刷及人类活动的影响，研究区陆地面积和水域面积一直处在变化状态，据统计，四个时期研究区陆地面积分别为20.16、21.49、22.53、20.43 hm2。从内陆向沿海，生态环境指标逐渐降低，特别是海岸带附近，RSEI都在0.4以下，生态环境质量较差。相对其他区域，河流沿岸生态环境质量相对较好，一般在0.5以上。以0
3.2 RSEI时间变化特征
为更好地展现研究区生态环境时间变化特征，我们按照3.1中的“差、一般和良”三个等级划分标准对四期非水体区域的RSEI重新赋值为1、2、3，然后进行两两相减，根据相减的数值大小，将生态环境变化结果分为5个等级，如图3所示。
与1987年相比，2016年研究区生态环境质量下降程度较小，仅有2.83%的区域呈现显著变差趋势，32.72%的区域略微变差，生态环境向良性改变的区域占到14.98%，生态环境质量未发生改变的区域占到49.48%。分时间段来看，1987—1995年，研究区生态环境整体呈现改良趋势，且改良面积占到研究区面积的57.92%，生态环境变差的区域仅为7.64%；1995—2008年，生态环境发生改变的区域为56.29%，其中，46.12%的区域生态环境质量略微变差；2008—2016年，除生态保护区外，研究区生态环境质量主要呈下降趋势，下降面积占研究区陆地面积的45.69%，其中2.23%的区域呈现显著变差的趋势，43.46%的区域呈略微变差趋势，未发生改变的区域所占比例为52.07%。
4 结论
本研究完全基于遥感数据构建生态环境评价指标，以开展现代黄河三角洲近30年生态环境评价。结果发现，受自然和人为因素的共同影响：
（1）黄河三角洲生态环境在空间上存在显著差异，从内陆向沿海，生态环境逐渐变差，且大部分区域的生态环境质量一般，这与东营市农业地质背景分区结果（数据来源于东营市农业地质背景调查）比较一致。
（2）从时间变化上来看，受耕地、建设用地、陆地水域、盐碱地、盐田、养殖水面等人工用地面积不断增加而草地和滩涂等自然植被面积减少的影响[18，19]，1987—2016年，研究区生态环境质量整体呈下降趋势，生态环境质量变好的区域主要集中在被划为生态林区和草场封育畜牧养殖区的河流沿岸及被划为自然生态保护区的黄河入海口区域。
（3）四个时间段内，研究区生态环境质量呈现“变好—一般变差—变差”的波动趋势，其中以1995年前后生态环境质量相对较好，这与章蛰[18]、蔡冬梅[20]等采用生态系统服务评价模型得到的研究结果一致。
黄河三角洲湿地是世界上比较特殊的湿地之一，其生态系统倍受国际关注。近几十年，受自然和人为因素的共同影响，该地区生态环境日益脆弱。本文基于遥感数据开展的黄河三角洲生态环境评价，结论与已有研究结果比较一致，可以为黄河三角洲生态环境保护和资源开发提供一定的参考依据。
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