基于遥感的生态环境质量评价

肖瑛

摘  要：本课题以长株潭为研究区域，以landsat8-OLI影像、GDEM地形数据为数据源，选取植被、土壤、地形三类要素作为生态环境评价指标，经过归一化处理，构建综合指数评价模型，以此评估长株潭地区生态环境。研究结果表明：长株潭总体自然生态环境状况良好，优等级别面积占全区面积的3.58%，良好级别的占52.85%，中等级别的占21.80%，差等级别的占21.77%;从地理空间分布上看，长株潭北部的城市核心区生态环境普遍较差，东北部和西南部的状况较北部好。

关键词：自然生态环境;环境评价;长株潭;综合指数法;遥感;OLI;GDEM

中图分类号：X820.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）33-0044-04

Abstract： This topic takes Changzhutan as the research subject， with landsat8-OLI images and GDEM terrain data as the data source， and selects three basic elements， i.e. vegetation， soil and topography， as the ecological environment evaluation. After normalization and exponential superposition， this paper integrated index evaluation method to finally obtain the results of the ecological environment evaluation of Changzhutan. The results show that the overall natural ecological environment of Changzhutan is in good condition： excellent level area accounts for 3.58% of the whole area， a good level accounts for 52.85%， medium levelaccounting for 21.80%， and the poor levelaccounts for 21.77 percent. From the point of view of geospatial distribution， in the northern part of the city， the ecological environment of the core area is generally poor. Keywords： natural ecological environment; environmental assessment; Changzhutan; composite index method; remote sensing; OLI; GDEM

引言

生态环境不仅是人类赖以生存的基础，更是社会可持续发展的必要保障，而生态环境的退化已成为了现在全球范圍内最严重的问题之一。近年来我国政府也在逐渐加强对生态环境的监测力度，常使用生态环境指数评估当地的环境质量，生态环境遥感本底值是反映区域生态环境质量现状、容量、环境恢复能力等方面的系列指数[1]。遥感与GIS二者的有机结合能为生态环境调控提供大范围方便加工、应用的动态时空变化信息。

1 研究区概况

长株潭城市群由长沙、株洲、湘潭所辖行政区域组成，位于湖南省中北部。区内地貌类型多样，盆、岭、岗、平等齐全，整体生长期长，水热充足，气候温和。

作为全国城市群建设的先行者，长株潭地区2007年至2018年内人口年均增长速度高于全省年均人口增速，人口分布呈现集中的趋势，研究长株潭地区的生态环境质量，对正确处理城市化进程中的人地关系及实现资源的可持续发展具有一定的现实意义。

2 数据与技术路线

本课题以长株潭为研究区域，利用landsat8-OLI数据、GDEM地形数据，选取植被覆盖度、土壤指数以及地形这3个生态因子，构建生态环境质量评价模型，对长株潭地区的生态环境质量进行合理评价，并提出改善长株潭地区生态环境质量的建议与措施（图1）。

2.1 数据源

在遥感监测及生态环境评价中，常用的遥感数据有TM、MODIS、SPOT、ETM、TIRS、OLI等遥感数据。本研究采用的遥感数据源为Landsat-8卫星搭载的OLI传感器获取遥感影像，共5景，空间分辨率为30m，选取2018年8月至10月六景影像，影像获取时间植被生长特点较为茂盛，影像质量良好且无云。数据源为美国USGS网站（http：//glovis.usgs.gov/）。

本研究中所采用的数字高程模型（DEM）数据是分辨率为30m的GDEM的数据，投影为UTM。由于长株潭地区经纬度范围分别为东经111°54′～114°15′、北纬26°03′～28°40′，下载9景DEM影像，数据源为地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）。

2.2 数据预处理

数据源为landsat8-OLI数据，目前Landsat8 OLI传感器还没有相应的穗帽变换模型，根据OLI和ETM+波段对照，OLI的Band2～7和ETM+的6个多光谱波段范围相近，因此，在没有出现最新OLI穗帽变换模型时，可以去除第一波段深蓝波段，将ETM+的穗帽变换模型应用于OLI。

3 研究方法

上世纪60年代以来，国内外对生态环境质量评价的研究随着3S技术的发展，由最初的单一要素、单一因子评价向多种因子、多要素的评价方向改变[2]。国内外都是基于遥感影像技术的基础上进行生态环境评价质量模型构建，选取的评价因子也大致相同。

目前应用较多的生态环境质量评价方法有模糊评价法[2]、灰色关联度法[3]和综合指数法[4]。应用最为广泛的是综合指数法，它是指将一组相同或不同指数值进行统计学处理，对不同计量单位、性质的指标值对其实施标准化，最后转化成一个综合指数，以准确地对研究对象进行评价[5]。本文所使用的生态环境质量评价方法是综合指数法。

3.1 植被覆盖度提取

植被覆盖度是根据前人研究的NDVI估算模型，见公式（1）。

其中，NDVI是归一化植被指数，为减少图像中不可避免的噪声影响，本研究选取直方图取两头“拐点处”的值为NDVImax和NDVImin，根据5%的累计百分比选择置信度区间，结果如图2所示。

3.2 土壤指数提取

土壤指数同样采用前人研究的模型裸土植被指数（GRABS），见公式（2）：

其中，V1和B1分别为缨帽变换的绿度指数和土壤亮度指数。结果如图3所示。

3.3 坡度提取

利用裁剪好的长株潭DEM数据在ENVI中使用/Terrain/Topographic Modeling工具得到坡度生成图4。

4 长株潭生态环境质量评价

4.1 生态因子归一化

评价因子生成后各指标的量纲不一致，采用统一顺序原则，对各指标的归一化衡量其对生态环境的贡献程度，从高到低分为10个等级，对环境贡献越大，编码值越大，反之编码值越小。

4.1.1 植被覆盖度归一化及结果分析

经过ENVI计算像元值、像元个数及累计百分比的统计结果，以5%的累计百分比，同时对比直方图，可以确定置信度区间：有效最大值和最小值对应的像元为NDVImin=0.1，NDVImax=0.35。根据植被对生态环境的贡献程度，依据植被覆盖度将像元分为10级，计算后结果如表1所示。

通过密度分割可以得到长株潭地区植被覆盖度状况如图5，从图中可以看出长株潭地区植被覆盖度南高北低，四周多中心少，总体程度中等，空间分布不均的规律。从表1中可知植被覆盖度低于10%的地区占长株潭地区总面积的13.23%，集中分布在沿湘江建立的长株潭城市群核心区。该区域城市化水平高、人口密集、生态系统稳定程度低。

4.1.2 土壤指数归一化及结果分析

土壤的组成与土壤侵蚀等现象息息相关，这里采用的是裸土植被指数作为土壤因子，同样将裸土植被指数值划分为10级，如果质量越好编码越大，见表2。

通过密度分割可得到长株潭土壤健康状况，从图6可以看出，长株潭土壤健康状况分布与植被覆盖度表现出较强相关性。从空间分布上来看，指数最低值仍存在于长株潭中心城市核心区。从结构上看，土壤等级4～7的地区占全区的89.34%，等级在8以上的地区不到5%，等级在3以下的地区不足7%，数值呈正态分布，总体保育良好。

4.1.3 地形因子结果分析

一般情况下，侵蚀量和坡度成正相关，将研究区划分10级坡度类型，按坡度越低越有利于土地资源利用的原则，较低的坡度区赋予较高分值，见表3。

通过密度分割可以得到长株潭坡度状况，从图7可以看出，受地形影响长株潭大部分地区坡度等级较低。整体上来看，坡度为0～8度的土地占全区面积的64.15%，坡度为8～33度的土地占全区面积的34.52%，坡度在33度以上的土地占全区面积的1.33%。

4.2 长株潭生态环境质量评价

本文最终的生态环境质量评价结果由“自然生态环境的综合指数（E）”的大小决定。

自然生态环境的综合指数能够反映被评价区域生态环境质量状况，按照公式（3）的计算方法就可以得到生态环境状况指数的值，各项指标及其权重如表4所示。

根据E值，将生态环境分为4级，即9-10为优等、6-9为良好、4-6为中等、1-4为差，再对其结果进行密度分割，得到最终结果如图8。

从统计结果表5看，长株潭自然生态环境质量良好，环境级别为良好的土地占全区面积的52.85%，优等占全区面积3.58%，中等占全区面积的21.80%，环境级别为差的土地仅占全区面积的21.77%。其中，自然生态环境为差的地区绝大部分为长株潭中部城市核心区以及南部和东北部的水域部分，这些地区往往属于人口密集的城市核心区，对土地覆被的改变巨大，为自然灾害的产生埋下了隐患。

5 结束语

本文利用landsat8-OLI数据、GDEM地形数据，选取植被、土壤、坡度三个生态因子，采用综合指数法建立长株潭地区的自然生态环境评价模型。按照本研究建立的生态环境评价体系，城区中的自然生态环境评价结果一般为 “差”，但一些绿化带以优等级别的环境状态交错分布在自然环境较差的城区中，改变了差等区域连片分布的状态。

在城市化进程中，需要特别注意土地资源的节约及合理利用，做好土地资源的规划及有效利用，加强对高层空间和地下空间以及城市边缘地区的开发会有助于提高城市生态环境，实现资源的可持续发展。比如在城区内进行绿道建设，积极响应湖南省的新一轮湖南大绿化，或在进行旧城改造的过程中，将一些土地作为绿地来建设，从而整体改善城市生态环境状况。

参考文献：

[1]李洪义，史舟，郭亚东，等.基于遥感与GIS技术的福建省生态环境质量评价[J].遥感技术与应用，2006，21（1）：49-54.

[2]徐燕，周华荣.初论我国生态环境質量评价研究进展[J].干旱区地理，2003，26（2）：166-172.

[3]毕晓丽，洪伟.生态环境综合评价方法的研究进展[J].农业系统科学与综合研究，2001，17（2）：122-126.

[4]厉彦玲，朱宝林，王亮.基于综合指数法的生态环境质量综合评价系统的设计与应用[J].测绘科学，2005，30（1）：89-91.

[5]牛安逸，马娇娇，陈志云.基于遥感技术及综合指数法的广州市自然生态环境评价[J].中国城市林业，2015，16（4）：40-45.