基于遥感影像的徐州市自然生态环境评价

林炜铠，田杰，孔薇丝，李思蓓，童树瑜

（江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221116）

城市的建设和发展在实现现代社会经济繁荣的同时也改变了原生的自然环境导致了一系列环境问题和矛盾。这类矛盾是社会发展所要面临的人口、资源和环境中重要的内容。因此想要解决这类矛盾就需要科学合理的对城市建设用地进行规划，而合理的规划建立在充分了解城市资源、环境现状以及城市动态变化信息，这样才能充分发挥城市功能，实现科学管理城市用地。

随着遥感技术的发展，其在城市地区应用成果和理论研究的不断深入，城市遥感凭借其可视范围广、不受地形影响、收集到的图像清晰真实、重复率低、耗费时间短收集资料快等优势为解决城市环境问题实现生态可持续开辟了一条新的道路。

本文以徐州市区为目标，利用现有的Landsat8遥感数据，通过ENVI5.3软件对遥感影像进行分析并获取植被覆盖度和土壤指数，以这两个生态因子的基础上，通过归一化处理建立综合指数模型，以此对徐州市区范围内的自然生态环境进行定性、定量的分析和评价。

1 城市遥感研究现状

利用各种遥感影像数据处理分析得到各种需要的数据指标，并借助这些数据指标建立自然生态环境评价系统，以此可以较为显著地对某个研究区域的自然生态环境进行定性、定量的判断评价。对于自然生态环境评价系统的研究，不断有学者提出了类比分析法、生态图法等一系列评价方法：李如忠采用路人生态环境综合指数，建立巢湖流域生态环境质量评价指标体系，对巢湖流域进行了生态环境质量综合评价[1]；祖彭蕾等利用ETM+融合影像，提取相关生态因子，构建自然生态环境评价模型[2]；王思梦等利用5年MODIS遥感数据，结合地形数据提取植被覆盖度、土壤指数和坡度等关键生态因子并基于归一化的生态因子，利用遥感与GIS技术对大区域自然生态环境质量进行检测与评价[3]。

2 研究区概况

徐州，简称“徐”，古称彭城，是江苏省地级市，徐州位于华北平原的东南部，介于东经116°22′～118°40′、北纬33°43′～34°58′之间，是淮海经济区中心城市。徐州地处华北平原东南部、江苏省西北部，平原面积约占全市面积的90%，总地势呈西北向东南降低，海拔在30～50m之间，京杭大运河穿境而过，境内河流较多，陇海铁路、京沪铁路两大干线在此交汇，素有“五省通衢”之称。本次研究以徐州市市区（铜山区、泉山区、云龙区和鼓楼区）为研究对象，范围如图表 1所示。

3 数据处理与研究方法

3.1 数据来源与处理

遥感影像使用的是由地理空间数据云提供的Landsat8 OLI_TRIS卫星30分辨率的徐州市地区分幅遥感影像，其拍摄时间为2018年4月17号。利用ENVI5.3进行图像辐射定标、大气校正以及掩膜处理等预处理，然后根据徐州市市区（铜山区、泉山区、云龙区和鼓楼区）行政边界图，裁剪出徐州市区遥感影像。

3.2 研究方法

综合指数法是先综合后对比平均的方法，其最大优点在于可以反映复杂现象总体的变动方向和程度，但它也存在缺陷，综合指数法要求原始资料完整齐全且需要保持资料的现势性和实用性。传统的生态评价主要包括图形叠加法、生态机理分析、类比法和列表清单法等，但传统方法仍存在问题：调查内容多、时间长、人员配置多、调查进展缓慢。而基于遥感影像的综合指数法即拥有遥感技术监测信息实时性和动态变化变化现势性的优点也有综合指数法反映复杂现象总体的变动方向和程度的科学性，因此被广泛应用于自然生态环境评价。生态环境状况评价可以利用利用一个综合指数（生态环境状况指数EI）[4]，而这个综合指数体系包括：环境限制指数、生态功能区生态功能状况指数、环境质量指数、植被覆盖度和生态建设指数等多个环境相关指标。

由于遥感技术尚存在局限性，许多指标无法获取数据，因而选取了植被、土壤和地形作为指标进行评价，效率较高，且有科学依据[2]。本文利用地理空间数据云下载的Landsat8遥感数据，通过ENVI软件进行处理分析获得植被覆盖度和土壤指数，建立自然生态综合评价模型对徐州市区范围的生态环境进行定性评价，并使用ArcGIS软件对获得的自然生态环境指数灰度图进行分级色彩处理并制作专题地图。

3.2.1 植被覆盖度

想要获得植被覆盖度首先需要提取植被指数，然后依据植被指数计算植被覆盖指数，本次选取的植被指数为归一化植被指数（NDVI），其数学模型是[5]：

式中NIR表示近红外波段，R表示红光波段。NDVI也称为生物量指标变化，是反应植被生长状态、植被覆盖度和消除辐射误差的重要参数。

植被覆盖度指数的模型[6]为：

式中，NDVI为归一化植被指数，NDVImin表示研究范围内最小的NDVI值，NDVImax表示研究范围内最大的NDVI值。因为图像存在噪声，且由于研究区域内存在湖泊区域NDVI负值较多，这里的NDVImin和NDVImax根据直方图分别取两头“拐点处”的值分别为39.26%和92.53%的累计百分比选择的置信区间来计算。

3.2.2 土壤指数

土壤指数计算采用了王军战等得裸土植被指数模型（GRABS）[6]：

式中，GVI为K-T变换后的绿度指数，BI为K-T变换后的土壤亮度指数。采用表1K-T变换系数[7]来计算土壤亮度和GVI（植被绿度指数），结果见表3。

3.2.3 生态因子归一化处理

归一化方法处理可以将有量纲表达式变为无量纲表达式，可以解决各评价因子量纲不同不能直接比较的问题。采用密度分割的原则，按照各个指标对生态环境所造成的正向影响程度的大小，将它们分为10级。本文利用处理后的Landsat8遥感影像获取研究区域的植被覆盖度和土壤指数，并对其归一化处理，根据得到的结果选择置信区间区分出异常值，将异常值设定为1级后，再利用密度分割法对置信区间进行从高到低的9个等级分类。生态因子指数归一化处理后采用加权平均的运算，建立自然生态环境综合指数模型，以此模型来计算自然生态环境指数，对徐州市区的自然生态环境进行定性和定量的评价。评价模型如下[8]：

式中，E为自然生态环境综合指数，W为不同生态因子的权重，FC为植被覆盖度，GRABS为土壤指数，S为坡度。式中三个生态因子的权重根据参考文献[8]中参考为W1=0.7W2=0.2W3=0.1。由于DEM文件缺失无法进行坡度因子分析，评价公式变化为：

式中W1=0.75W2=0.25。

表1 Landset8 OLI K-T变换系数

4 结果分析

4.1 植被覆盖度分析

通过置信区间的提取，置信区间内的NDVI（归一化植被指数）为0～1，通过评价植被对环境的正向贡献程度，对研究区域进行密度分割，将研究区域植被覆盖度由低到高分为1～10等级，处理后得出结果（表2）。将得到的单波段灰度图加载到ArcGIS软件中，进行分级彩色显示设置，得到徐州市植被覆盖度状况图（图2）。

结合实地信息并通过观察获得的结果图，我们发现：研究区域中心为居民建筑密集的城市区域，外围是居民建筑分布较少、生态公园较多的郊区，所以徐州市区植被覆盖有明显的从中心向四周升高的趋势。植被覆盖度较高的区域主要集中在南部云龙湖风景区附近；西北部九里湖湿地公园；东部金龙湖景区；东南部新城区大龙湖景区。这也侧面说明了植被覆盖度与城市居民建筑分布和地形因素有着极强的相关性。植被覆盖度在0.6以上的区域占到59.709%。中部城市居民地区域植被覆盖度普遍偏低，但由于徐州市在发展阶段注重民生、经济和生态“三位一体”发展，其中植被覆盖率在4级以下占比仅有4.953%。而市区周围的森林公园、景区等，都是徐州市重要的生态安全走廊。由于云龙湖风景区存在大片湖泊呈现低覆盖度的特征，文中将不做进一步的分析讨论。

表2 植被覆盖度归一化指数

4.2 土壤指数分析

根据公式（3）的计算结果，将所得到的单波段灰度图像利用密度分割方法，由低到高赋予1～10级，计算后得出结果（表3），并输出得到太原市土壤指数状况（图3）。

通过比较图2和图3发现，徐州市区土壤健康状况分布植被覆盖度与其植被覆盖度分布大致相同，由于城市绿被有保育土壤的作用，土壤指数较高的区域出现在植被覆盖度同样较高的云龙山公园附近，最低值则位于研究区中部植被覆盖度较低的泉山区。从结构分布特征上，等级4～9占全市面积的30%以上，由于研究区域范围较小且为市区土壤指数异常较多，3级以下的区域占据大多数。总体土壤情况较差，主要是因为城市化的发展出现了“楼房热”等盲目开发土地的情况，可以看出研究区中部为居民聚集点，土壤指数基本都在3级以下，这也是城市化发展不可避免的问题。

表3 土壤归一化指数

图3 徐州市区土壤情况

4.3 徐州市自然生态环境评价

通过公式（5）进行计算，得到的单波段灰度图像在ArcMap软件中进行分级色彩显示，具体的评价等级与指数说明[9]如下（表4）：

表4 评价等级与指数说明

将研究区域的自然生态环境综合指数有高到低分别评定为优、良、中、差4个等级，计算得出结果（表5），并输出徐州市区自然生态环境综合指数状况（图4）。

从中图4可以看出，徐州市区自然生态环境状况总体较好。其中环境级别为差的区域面积占总面积17.68%，环境级别为中的占40.05%，环境级别为良的区域面积最多占40.44%，而环境级别为优的区域最少，仅占1.82%。其中自然生态环境评价指数较低的区域绝大部分为人类活动频繁、人口密集的区域，包括研究区域中部鼓楼区、泉山区。图中出现云龙湖生态环境指数为差，是由于在植被覆盖度分析时未将其列入考虑范围，所以出现指数异常的情况。良等级的地区最多，生态公园附近区域。另外经过仔细辨别，仍然可以发现许多优等级的地块出现在大龙湖景区和九里湖湿地公园，说明湿地公园是城市化发展中保护生态环境的有效措施。

表5 自然生态环境综合指数

图4 徐州市自然生态环境综合状况

5 结语

（1）从评价结果上来看，徐州市自然生态环境的现状还算尚可，但是由于城市化建设进程的不断快进，城市向外扩张加速，城镇中土地利用类型逐渐由多用途转向建设用地，在一定程度上使得生态自然不断衰退，导致自然生态环境质量较前两年有下降趋势[10]。

（2）尽管徐州市整体生态环境稍有下降，但是仔细对比评价分析结果，可以发现大部分区域的自然生态环境质量保持大体不变，没有较大波动。位于云龙湖附近的老城区生态环境质量相对提升，主要原因是徐州近年来实施产业结构升级，增加了老城区附近的绿化比重，加强污染处理整治，在极大程度上缓解了徐州的生态环境压力。但是由于徐州市旅游业的发展，导致景区周围建设用地不断增加，不断侵占植被用地，使得周围生态环境质量状况呈下降趋势。

（3）本文利用地理数据云网站下载到的Landsat8 OLI遥感影像，对遥感影像进行处理后提取归一化植被指数（NDVI）和土壤指数，对提取的指标进行归一化处理后进行加权求和得到自然生态环境评价模型[11]，定量、客观对徐州市的生态环境进行了分析，一定程度上揭示了徐州市自然生态环境的总体状况及空间差异，具有一定的现实参考意义，但需要注意这些指标仍具有不足性，得出的结果与实际徐州市生态自然环境有一定差距，在后续的研究中，我们将继续丰富研究手段及方法，进一步丰富评价因子，并与城市规划结合，得出更加详尽的自然生态环境质量评价结果。

综上，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，应当合理推进城市绿化发展，注意加强对高层空间和地下空间以及城市边缘地区的开发，维护人与自然的和谐统一，有助于提高城市生态环境质量。