基于Landsat数据的东乌珠穆沁旗生态演变分析

宋梦龙，颜 涛，张海龙，张 鹏，付美丽

(内蒙古计算机应用研究院(有限责任公司)，内蒙古 呼和浩特 010010)

植被是自然生态系统的重要组成部分，在调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等方面发挥着重要作用。21世纪以来，由于受到日益频繁的人类活动和气候变化的影响，植被退化现象加剧，生态环境的恶化受到全球瞩目。防止土地荒漠化与植被退化是我国生态环境治理的重要内容。草原是植被系统的重要组成部分，在调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等方面发挥着重要作用。草原生态的破坏，造成的危害不仅存在于局部空间，对大区域的生态环境也会产生深远影响。

内蒙古锡林郭勒草原的东部，又称乌珠穆沁草原，是内蒙古自治区保存最完好的原生态草甸草原之一。自20世纪50年代以来，开荒种地、矿产开发等均对草原进行了不同规模的破坏，草原的生态环境面临着种种威胁。近几年，随着草原生态保护意识逐渐加强，生态恢复工程逐步开展，草原生态环境呈现好转趋势，但草原退化与破坏尚存，草原生态系统依旧脆弱，草原生态系统保护已经成为草地畜牧业可持续发展所面对的问题。研究该地区生态环境演变过程，对天然草原生态系统的治理、恢复具有重要的学术价值，为草原生态系统的治理和恢复提供科学依据。

随着遥感技术的发展，人们监测草原生态环境变化的方法逐渐增多，可通过草原植被指数、裸土指数、湿度指数、地表温度等角度进行研究。环保部(现生态环境部)发布的生态环境质量综合评价模型[1]融合生物丰度、植被覆盖、水网密度、土地退化和环境质量等多项指标，该模型所需数据种类繁多，涉及国土、气象、环保水利等多个部门，获取难度大，且部分数据不对外发布，因此该评价模型的可操作性不强。徐涵秋[2]提出的区域遥感生态指数RSEI，综合考虑植被覆盖、干湿度、地表温度等多方面因素对区域生态状况进行综合评价。遥感生态指数RSEI以湿度、绿度、热度和干度4个重要因子作为评价指标，通过主成分分析确定各指数对生态变化的影响及其贡献率，相比人为规定评价因子权重的方法更加客观。因此，本研究利用遥感生态指数RSEI对东乌珠穆沁旗的生态环境演变进行分析。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

东乌珠穆沁旗(简称东乌旗)位于内蒙古正北方，东邻兴安盟、通辽市和赤峰市，南接锡林浩特市，北与蒙古国接壤，国境线长527.6km，地处乌珠穆沁草原，是天然的草甸草原。全旗总土地面积4.73万km2，辖5个镇、4个苏木和1个国有林场。东乌旗属北温带大陆性气候，处于高海拔和中、高纬度带的内陆地区，自然条件较为恶劣。气候特征为冬季受蒙古高压控制寒冷风大，夏季水热同期。东乌旗北部是低山丘陵、南部是盆地，水系不发达。全旗已查明各类金属矿产40多种，朝不楞大型多金属矿位于旗内。旗内经济以畜牧业为主，同时发展资源、能源、特色旅游等产业。

1.2 数据来源

本研究选用Landsat5和Landsat8两类遥感影像为数据源，以近30年的3个时期，即：1989年、2011年、2018年为研究时段，各时段遥感数据见表1。各时段的遥感数据质量符合研究要求，拼合后均能完全覆盖研究区域，拼合后的3期遥感影像见图1。

表1 研究区数据资料

图1 东乌旗1989年、2011年、2018年3期遥感影像

2 研究方法

2.1 绿度指标(NDVI)

植被覆盖度是衡量一个区域生态质量的关键，归一化植被指数NDVI是应用最广的植被指数之一[3]，是利用植被对红光吸收谷和近红外波段高反射率的特征计算的，能够很好地反映植被覆盖情况。

(1)

其中：ρNIR、ρRed分别是Landsat5和Landsat8数据的红光、近红外波段的反射率。

2.2 湿度指标(Wet)

缨帽变换(TCT)是将光谱数据压缩成与具有最小信息损失的几个波段的重要工具，经缨帽变换转换后的前3个分量通常被定义为亮度、绿度、湿度。已经被广泛应用于生态环境监测之中。湿度指数采用缨帽变换的湿度分量，用来表达土壤和植被的水分信息。不同影像数据对应的变换公式不同。Landsat5数据和Landsat8数据的公式分别如下。

Landsat5：0.0315ρBlue+0.202ρGreen+0.3102ρRed+0.159ρNIR-0.6806ρSWIR1-0.6109ρSWIR2

(2)

Landsat8：0.1511ρBlue+0.1973ρGreen+0.3283ρRed+0.3407ρNIR-0.7117ρSWIR1-0.4559ρSWIR2

(3)

其中：ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分别为Landsat5和Landsat8数据蓝、绿、红、近红外、短波红外1、短波红外2的反射率。

2.3 热度指标(LST)

热度指标用地表温度代表，采用Landsat用户手册[4]提供的模型进行计算。

Lλ=gain×DN+bias

(4)

(5)

其中：Lλ为传感器处辐射值；DN为热红外波段灰度值；gain和bias为热红外波段增益值与偏置值，对应遥感影像头文件中的gain与bias，不同传感器对应的具体参数参照参考文献。在本研究中Landsat5数据使用6波段[5]，Landsat8数据使用10波段；K1和K2为定标参数，都可以从用户手册获得。

上述公式计算的温度T通过比辐射率纠正转换为地表温度LST。

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(6)

其中：λ为热红外波段的波长，本研究中Landsat5数据6波段波长11.4、Landsat8数据10波段波长10.9；ρ=1.438×10-2mk；ε为比辐射率。

2.4 干度指标(NDSI)

干度指标使用裸土指数SI，但是，在研究区域中，还有相当一部分的建筑用地，它同样造成地表的“干化”，因此，干度指标可由二者合称。

DNSI=(SI+IBI)/2

(7)

SI=〔(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)〕/〔(ρ5+ρ3)+(ρ4+ρ1)〕

(8)

(9)

其中：ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5分别为Landsat5和Landsat8数据的蓝、绿、红、近红外、短波红外1波段的反射率。

2.5 遥感生态指数构建

由于各个指数的量纲各不相同，需要对各个指数进行无量纲归一化处理，将值域区间规范到[0,1]之间，以方便各指数对生态变化的贡献率进行分析。

(10)

其中：Inor为归一化后的指标，Ii为各分项指标，Imax、Imin为该指标最大值与最小值。

多元统计方法中的主成分分析(PCA)是将多个变量通过正交线性转换来选取少数重要变量的多维数据压缩技术。在本研究中采用主成分分析进行指标压缩，获得有效成分的结果。这样做的优点是各个指标的权重不是人为确定，而是根据数据本身的性质和每个指标的贡献率来确定，从而可以避免因人的主观因素造成的结果偏差。

在研究中，将归一化后的4项指标组合为一套数据并对其进行主成分分析，确定各指标所占权重，详见表2。

表2 归一化指标主成分分析

从表2中可以看出，3期指标组合数据的第一主成分(PCA1)贡献率分别为99.30%、99.33%、96.99%，说明第一主成分包含了影像绝大部分特征信息；第二、三、四主成分的贡献率基本可忽略，由此确定第一主成分为4项指标的特征分量。由遥感生态指数RSEI=PCA[f(WET,NDVI,LST,NDSI)]归一化操作后得到范围在[0,1]之间的RSEI指数，其值越大则表明生态状况越好。

3 结论分析

3.1 整体分析

东乌珠穆沁旗1989年、2011年、2018年3个年度RSEI评价值分别为0.87609、0.86761、0.86015，整体来看东乌旗近30年生态质量呈现下降趋势，1989年～2011年，整体下降约1%，2011年～2018年，整体下降约0.86%。

图2 1989年、2011年、2018年东乌旗RSEI指数变化

3.2 分类统计

根据遥感生态指数RSEI的分级方法，以0.2为间隔由低到高分为差、较差、一般、良、优5个级别。从表3中可以看出，东乌珠穆沁草原生态质量整体处于良和优的分级中。优级别占比在逐年降低，良级别占比在逐年升高，并在2018年出现了0.4%的一般级别的生态质量。

表3 1989年、2011年、2018年东乌珠穆沁旗RSEI占比

从分级图(见图3)可以看出，东乌旗1989年生态质量较好，整个区域内基本都是优级别的纯绿色； 2011年生态质量有所下降，浅绿色的良级别增多；2018年东乌旗东北部出现成片的浅绿色的良级别，中部地区出现了零星分布的淡绿色一般级别的生态质量。可以推断生态指数的下降，更多是由于人类生产生活范围扩张及周边植被减少造成的。

图3 东乌珠穆沁旗遥感生态指数分级

3.3 变化检测

为了更清晰地分析研究区域的生态质量的变化情况，依据3期RSEI指数的数据，使用RSEI的分级标准，获得相邻两期数据间的RSEI转移矩阵(见表3、表4)。从表3可以看出，1989年良级别(4级)减少了28 006.47hm2，到2011年转移为优级别(5级)；1989年优级别(5级)减少了77 106.42hm2，到了2011年转移为良级别(4级)。整体来看，1989年～2011年优级别(5级)减少了49 100hm2，良级别(4级)增加了49 100hm2，没有向差、较差、一般3个级别转移。所以，生态质量在缓慢降低。从表4可以看出，2011年良级别(4级)减少了20 167.83hm2，到2011年转移为优级别(5级)20 161.44hm2、一般级别(3级)6.39hm2；2011年优级别(5级)减少了777 274.5hm2，到了2011年转移为良级别(4级)758 827.1hm2、一般级别(3级别)18 447.39hm2。整体来看，2011年～2018年优级别(5级)减少了757 113.06hm2，良级别(4级)增加了738 659.27hm2，出现了一般级别(3级)18 453.78hm2，没有向差、较差两个级别转移。所以，生态质量虽然变化较快，但是，生态状况仍然较好。

表4 东乌珠穆沁旗1989年～2011年遥感生态指数转移矩阵

表5 东乌珠穆沁旗2011年～2018年遥感生态指数转移矩阵

变化检测图(见图4)中，红色越红说明生态指数变化越差，颜色越绿说明生态指数变化越好。从图4可以看出，1989年～2011年全旗生态变化趋势整体呈现绿色，只有西南和东南少部分地区呈现红色，生态质量呈现缓慢下降趋势。2011年～2018年全旗生态变化趋势整体呈现红色和黄色，只有少数地区呈现绿色，生态质量呈现明显下降趋势。

图4 东乌珠穆沁旗3年度RSEI变化检测

4 结论

1989年～2011年，东乌珠穆沁旗生态质量呈缓慢下降趋势，全旗只有少部分地区生态质量变化程度较大，整体处于稳定状态。2011年～2018年，生态质量呈现明显下降趋势，全旗大部分地区生态质量均在下降，这与部分学者的研究结论基本一致[6,7]。引起这种变化的原因可能是近十几年城市建设及经济发展加快，造成植被退化及土地沙化；同时还存在由于降雨量减少造成水资源短缺这一重要因素。主成分分析结果表明，湿度和绿度对生态指数起抬升作用，热度和干度对生态指数起抑制作用。西乌旗湿度指标在逐年变少，干度指标在逐年增加。表明在改善生态环境方面，除抑制工矿建设面积扩张之外，还需继续施行植被恢复、加强水土保持、降低土地沙化等举措。