基于Landsat数据的阿克苏市生态环境质量地带性分析

李清云，杨 光，杨勇强，王振锡

(新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】阿克苏市的生态环境质量对阿克苏地区的生态安全和资源利用有重要影响。2000年以来，自治区加快了新疆林业生态体系和产业体系建设步伐，陆续开展了森林分类经营、退耕还林、特色林果产业等重大林业工程，阿克苏市生态环境质量在一定程度上得到了提高和改善。保护和改善阿克苏市的生态环境质量关系南疆整体生态环境的平衡发展、南疆地区经济的可持续发展和全面建成小康社会目标的实现具有战略意义。【前人研究进展】我国生态环境质量评价起步虽早但始终停滞在探索阶段，各个方面都没有国外发展先进。国外Lee J T等[1]、Smith W等[2]、Espejel I等[3-4]在90年代初已经开展了许多生态环境影响评价工作；我国的叶亚平[5]、颜梅春[6]等在近年来才就生态环境质量方面进行大量的分析与评价。对新疆生态环境质量的研究工作也取得一定进展：周华荣[7]在2000年间对新疆当时的现状进行了生态环境质量的综合评价。2008年，王宏伟[8]等在伊犁河流域开展生态环境质量评价。【本研究切入点】而关于新疆阿克苏市的区域生态环境质量评价方面的研究很少，且阿克苏市区域生态环境质量评价及地带性分析对该区域森林生态系统资源的可持续发展及其制定生态环境保护措施和发展规划具有积极意义。【拟解决的关键问题】因此，对阿克苏市进行生态环境质量评价显得尤为必要。此次研究借助遥感技术手段，在获取研究区植被(Greenness)、湿度(Wetness)、干度(Dryness)和热度(Heat)4项指标的基础上，综合计算研究区遥感生态指数，对比分析阿克苏市辖 4乡2镇1市直属(依干其乡、拜什吐格曼乡、托普鲁克乡、库木巴什乡、喀勒塔勒镇、阿依库勒镇、阿克苏市直属)7处生态环境质量状况，揭示阿克苏市生态环境质量的地带性分布特点，以期为区域生态环境管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿克苏市位于新疆维吾尔自治区西南部，塔克拉玛干沙漠西北边缘、塔里木河上游；地理坐标为东经79°39′～82°01′，北纬39°30′～41°27′，海拔1105.3 m。市辖4乡2镇1个市属区域，包括依干其乡、拜什吐格曼乡、托普鲁克乡、库木巴什乡、喀勒塔勒镇、阿依库勒镇和市直属(图1)。阿克苏市属典型的大陆性暖温带干旱气候区，光热资源丰富，降水稀少，蒸发量大，气候干燥，无霜期205～219 d，全年日照时数为2855～2967 h，年均气温9.9～211.5 ℃，日平均气温≥0 ℃，年降水量为42.4～94.4 mm。阿克苏市干旱少雨，风大沙多，自然环境脆弱，环境承载能力较低。

阿克苏市因受所处的地理位置和气候因素的制约，全境土地资源自然条件较差。全市土地总面积约144.15万hm2，其中未利用土地就达103.58万hm2，占土地总面积的71.85 %。荒漠、戈壁、盐碱地及沙漠化的土地较多，土地总面积虽大，但总体质量偏差。阿克苏市具有典型的绿洲地貌和灌溉农业的特征，农业、林业、牧业等生产基础较好，在未利用土地中有大片可垦荒地，水资源相对丰富，开发潜力较大。阿克苏河和多浪河是阿克苏市境内两条主要的河流。市境内的天然河、湖泊、人工水渠以及蕴藏量可观的地下水库等组成密布的水网，滋养着广阔无垠的农田和郁郁葱葱的林地[9]。阿克苏市林地大部分属于荒漠此生林，农区人工林地以防护林体系为主，其次为经济林[10]。研究区不含阿拉尔市。

1.2 研究方法

1.2.1 数据 数据包括遥感数据和矢量数据。遥感数据采用美国Landsat系列卫星遥感数据，来源于美国地质调查局(USGS)http://glovis.usgs.gov/网站。分别为1992年Landsat5 TM、2000年Landsat7 ETM+和2016年Landsat8数据，每个时期数据景号依次为146031、146032、146033、147031和147032，共计15景数据。矢量数据为阿克苏市行政区划界限。

1.2.2 遥感图像预处理 遥感图像预处理是本实验中的生态环境质量指数提取的基础。遥感图像预处理包括辐射定标、大气校正、几何校正以及图像镶嵌与裁剪等[11]。

辐射定标，在ENVI中可使用通用定标工具得到符合大气校正所要求输入的辐射亮度文件；大气校正则用ENVI中的FLAASH模块进行校正；几何校正采取二次多项式模型，图像重采样方法为最近邻像元法，校正精度控制在0.5个像元以内；图像镶嵌，先将多幅图像分别进行直方图匹配，然后通过匀色、羽化、接边线等操作实现图像拼接，注意接边处的色调尽量保持一致并且没有明显的分界线[12]。最后，利用阿克苏市行政边界图裁剪出研究区影像。

图1 阿克苏市行政区划图Fig.1 Administrative division of Aksu

1.2.3 分量指标计算 本研究采用徐涵秋[13]提出区域生态环境质量的RSEI指数方法。在遥感图像处理软件中通过波段运算进行RSEI指数即植被、湿度、干度和热度4项指标计算，采用NDVI代表绿度，WET代表湿度，LST代表热度，NDSI代表干度。采用主成分分析法对以上4项指标进行图像变换，将各项指标的标准化、主成分变换得到的生态环境质量指数RSEI，以0.2 为间隔分为差(0～0.2)、较差(0.2～0.4)、一般(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)和优(0.8～1)5 个等级[14]。根据不同时期阿克苏市生态环境质量分级专题图，统计分析阿克苏市不同乡镇生态环境质量的地带性分布特点。

1.2.4 主成分分析与RSEI指数计算 绿度、湿度、干度、热度4项指标计算采用徐涵秋[13]的计算方法。通过主成分分析法、归一化处理等获取生态环境指数RSEI。生态环境指数RSEI计算公式如下：

RSEI0=1-PC[f(NDVI，Wet，NDSI，LST)]

(1)

RSEI0为初始生态环境指数，归一化处理采用公式(2)进行。

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(2)

2 结果与分析

2.1 生态环境质量指数提取

从表1可知，经过主成分分析及变换后各项指标主要信息都集中在第一主成分上，1992、2000和2016年的第一主成分特征值分别为0.018、0.180、0.099，它们的累计贡献率分别为89.3 %、95.6 %、83.9 %，这3期数据的第一主成分特征值累计贡献率均超过80 %，表明各个指标大部分特征信息已经集中在第一主成分上。因此，本实验以主成分变换后的第一主分量来代表绿度、湿度、干度和热度指标的信息，并以此构建生态环境质量指数。

表1 各指标主成分分析Table 1 Principal component analysis of each index

表2 阿克苏市各项指标特征向量统计Table 2 Statistics tables of indicators of Aksu

表3 阿克苏市各期数据遥感生态环境质量指数RSEITable 3 Data of each period of Aksu remote sensing eco-environmental quality index RSEI

由表2可看出，1992、2000和2016年3期数据的第一主成分主要都由绿度指标来反映，其中绿度指标越大，表明地表植被覆盖率越大。湿度与绿度一样，指标越大土壤湿度则越大，这两者都可说明该地区生态环境质量好。但从热度和干度的角度上来看，指标越大说明裸土面积越大，土地干化就越严重，生态环境质量则越差。绿度指标和湿度指标的值一般为正值，说明它们对生态环境质量起正面影响，这里湿度为负值，表明湿度起负面影响，反映出此地区比较干燥。热度指标和干度指标一般为负值，说明这2个指标对生态环境质量起负面影响。

通过标准化处理这3期数据的最小值均为0(表3)，最大值均为1；均值分别为0.688、0.608、0.718。从生态环境质量指数RSEI结果表明，1992-2000年间，阿克苏市的生态环境质量指数呈下降趋势；而2000-2016年间呈上升趋势。这是由于在2000年后自治区加快了新疆林业生态体系和产业体系建设步伐，陆续开展了森林分类经营、公益林建设、退耕还林、特色林果产业等重大林业工程，阿克苏市生态环境质量在一定程度上得到了提高和改善。

2.2 各个乡镇生态环境质量指数分布特征

阿克苏市下辖 4乡2镇，分别为依干其乡、拜什吐格曼乡、托普鲁克乡、库木巴什乡、喀勒塔勒镇、阿依库勒镇和阿克苏市辖区。通过对阿克苏市的乡镇进行生态环境质量指数RSEI分析，阿克苏市生态环境质量表现出明显的地带性分布。

表4 阿克苏市各期遥感数据乡镇RSEI指数分布统计表Table 4 Distribution of RSEI index of remote sensing data at each stage in Aksu

研究区各乡镇3个时期生态环境质量指数RSEI分布统计见表4，1992、2000和2016年阿克苏市各乡镇RSEI分布图见图2～4。从表4可知，2016年阿克苏市各乡镇生态环境质量按从好到差排序为托普鲁克乡、拜什吐格曼乡、喀勒塔勒镇、依干其乡、市直属、库木巴什乡和阿依库勒镇。托普鲁克乡在1992、2000、2016年3个时期RSEI指数分别为0.2873、0.2209、0.3107，排名始终位居第1位；而阿依库勒镇3个时期RSEI指数分别为0.1117、0.0574、0.1431，排名始终位居最后；阿克苏市市直属的RSEI 指数一直保持在第5名，分别为0.1832、0.0813、0.2437；喀勒塔勒镇1992年的RSEI指数为0.2368，排名第2，2000和2016年均为第3，分别为0.1048、0.2663，拜什吐格曼乡的RSEI指数情况与之相反。库木巴什乡和依干其乡1992和2000年的RSEI指数排名分别位于第4和6位，2016年前者排名下滑2位，后者上升2位。一般而言，RSEI指数越大表示生态环境质量越好；RSEI指数越小则表示生态环境质量越差。由此可见，1992-2016年间，研究区托普鲁克乡的生态环境质量状况相对较最好，阿依库勒镇的生态环境质量状况相对最差。总体来看，研究区中部偏北区域(托普鲁克乡、拜什吐格曼乡、喀勒塔勒镇)生态环境质量相对较好，而西北部(库木巴什乡和阿依库勒镇)与东部荒漠、沙漠区域生态环境质量相对较差。

图2 1992年阿克苏市各乡镇RSEI分布Fig.2 RSEI distribution by township in Aksu in 1992

图3 2000年阿克苏市各乡镇RSEI分布Fig.3 RSEI distribution by township in Aksu city in 2000

从图5可以看出，1992-2016年，阿克苏各乡镇生态环境质量RSEI指数存在一定的动态变化。依干其乡、拜什吐格曼乡、托普鲁克乡、库木巴什乡、喀勒塔勒镇、阿依库勒镇、阿克苏市辖区七个乡镇RSEI值均在1992-2000年间呈下降趋势，而在2000-2016年间呈上升趋势。总体而言，1992年至2016期间研究区各乡镇生态环境质量均表现为由差向好的趋势发展。由此说明在2000年之前，由于对生态环境保护力度不大，研究区总体生态环境质量相对较差，在1992-2000年期间呈恶化态势，而2000年后，响应国家林业局的号召，加快了区域林业生态体系和产业体系建设步伐，开展了森林分类经营、退耕还林、特色林果产业等一系列重大林业工程，阿克苏市的生态环境质量有了明显提高，这也充分体现了林业生态建设的效果的凸显。

图4 2016年阿克苏市各乡镇RSEI分布Fig.4 RSEI distribution by township in Aksu city in 2016

图5 阿克苏市各乡镇RSEI指数统计图Fig.5 RSEI index statistics for each township in Aksu

表5 阿克苏市各乡镇RSEI指数分级比例统计表Table 5 Statistics of RSEI index grades of townships in Aksu

2.3 各个乡镇生态环境质量指数分级特征

使用ENVI软件中Raster Color Slices工具将3期阿克苏市下辖7个乡镇的RSEI指数以0.2为间隔划分为差、较差、一般、良、优5个等级，并分别统计7个乡镇各个等级的像元数量占整个乡镇像元数量的百分比，统计结果见表5。

由表5可见，1992年阿克苏市各乡镇RSEI指数分级中处于“较差”等级占比重最大，除托普鲁克乡仅为0.53 %和喀勒塔勒镇为55.38 %以外，其余5个乡镇均在70 %以上，依干其乡甚至高达95.22 %；处于“良”和“优”等级所占比例较小，其中托普鲁克乡分别为37.9 %和4.8 %，剩下的6个乡镇均不超过0.50 %。2000年各乡镇RSEI指数分级处于“差”等级所占比重最大，除托普鲁克乡无“差”级别外，其余的乡镇均在70 %以上，阿依库勒镇、市直属、依干其乡都在90 %以上；其次为“较差”等级，范围是1.54 %～26.59 %，其中阿依库勒镇、市直属、依干其乡RSEI指数分级比例较低；在“一般”、 “良”和 “优”这3个等级中，只有托普鲁克乡处于“一般”、 “良”等级的百分比较高，分别为79.07 %和2.48 %，其余各个乡镇所占比例都低于0.30 %。直至2016年情况有所改善，“差”等级大幅度降低，拜什吐格曼乡、市直属、托普鲁克乡、依干其乡全部无此情况；RSEI指数比例较大的等级是“较差”，库木巴什乡为最高值，为95.21 %；其次是“一般”等级，除托普鲁克乡外，都有所增长；“良”和 “优”这两个等级也明显提高，其中托普鲁克乡和依干其乡的“良”等级有大幅度变化分别为60.1 %和54.7 %。

综上所述，托普鲁克乡是阿克苏市下辖的七个乡镇中生态环境质量最好的乡镇，因为在3个时期中它的RSEI指数等级“差”和 “较差”所占比重较小，“一般”、“良”和 “优”占的比重较多，而且从1992-2016年间，其生态环境质量指数分级比例呈现出逐渐上升的趋势。阿依库勒镇和市直属处于“差”和 “较差”等级比重较大，而其余3个等级所占比重较小，阿依库勒镇和市直属则为7个乡镇之中生态环境质量较差的乡镇。拜什吐格曼乡、喀勒塔勒镇、库木巴什乡紧随其后生态环境质量较为一般。依干其乡1992和2000年虽然“差”和 “较差”占得比重极大，但是2016年却有了很大改善，生态环境质量有所提高。根据以上分析结果，结合研究区“绿洲少、荒漠多”的地貌特点，说明研究区生态环境质量与其地带性分布有一定的相关性。绿洲区域生态环境质量RSEI指数较大，说明该地区生态环境质量相对较好。反之，荒漠、沙漠区域环境质量RSEI指数较小，说明该地区生态环境质量相对较差。

3 讨 论

本研究结果分析得出，阿克苏市及其各乡镇的生态环境质量呈现了由低变高的过程，这与孙东琪[15]对20世纪90年代至2000年中国生态环境质量变化态势结论接近。研究区后期生态环境质量的提高与新疆林业生态建设进程密不可分。2000年以来，为响应国家林业局的号召，新疆加快了区域林业生态体系和产业体系建设步伐，开展了森林分类经营、退耕还林、特色林果产业等一系列重大林业工程，阿克苏市的生态环境质量有了明显提高，这也充分体现了林业生态建设的效果的凸显。此外， 周华荣[7]和刘建军[16]在新疆生态环境现状综合评价研究中，认为阿克苏市生态环境分级处于第四级，生态环境质量状况较差，环境压力较大，本文研究结果与之一致。由此可看出，自治区大力开展林业工程对阿克苏市的生态环境改善起到重要作用。在阿克苏地区进行生态环境质量评价可据此为依据发现本地所存在的生态环境问题，从而增强该地生态环境保护与管理工作使阿克苏市生态环境质量在一定程度上得到提高，并改善阿克苏地区的生态安全和资源利用状况。

4 结 论

本文以阿克苏市生态环境质量为研究对象，以1992、2000和2016年3个时期Landsat系列遥感影像为基础，通过利用ENVI5.1进行数据预处理、主成分分析及变换，构建了RSEI指数，并对阿克苏市的生态环境质量进行了地带性分析，得到以下结论。

(1)研究区1992、2000、2016年3个时期的生态环境质量指数RSEI分别为0.688、0.608、0.718，表明阿克苏市生态环境质量总体较差，1992-2000年呈下降趋势，随林业生态工程建设力度加大，2000-2016年呈上升趋势。在1992-2016年期间研究区生态环境质量表现为正向发展趋势。

(2)阿克苏市各乡镇3个时期的生态环境质量指数RSEI分析表明，阿克苏市生态环境质量表现出明显的地带性分布，研究区中部偏北区域(托普鲁克乡、拜什吐格曼乡、喀勒塔勒镇)生态环境质量相对较好，而西北部(库木巴什乡和阿依库勒镇)与东部荒漠、沙漠区域生态环境质量相对较差。阿克苏市下辖的7个乡镇中，生态环境质量状况相对较好的是托普鲁克乡，生态环境质量状况较差的是阿依库勒镇。

(3)1992、2000和2016年3个时期，研究区7个乡镇生态环境质量也表现为先下降后上升趋势，其中托普鲁克乡、拜什吐格曼乡和依干其乡变化幅度较大，生态环境质量改善明显；阿依库勒镇、喀勒塔勒镇、市直属变化幅度较小，生态环境质量有所改善，而库木巴什乡变化幅度最小，环境质量改善不明显。阿克苏市各乡镇生态环境质量变化与其区域的地带性和人类生态建设项目的实施进程紧密相关。