基于遥感生态指数的滨海湿地生态质量变化评价——以辽东湾北部区为例

柯丽娜，徐佳慧*，王楠，侯俊轩，韩旭, ，阴曙升,

1.辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学海洋可持续发展研究院，辽宁 大连 116029

滨海湿地是海陆交错地带，具有丰富的生物多样性，是许多珍稀动物的栖息和繁殖地，同时在控制海洋污染、调节气候、平衡碳收支等方面起着十分重要的作用（Altieri et al.，2012；Alvarado-Aguilar et al.，2012）。近几十年以来，在人类活动和气候变化的共同影响下，滨海湿地的生态质量面临着严峻的问题（周昊昊等，2019）。因此对滨海湿地生态质量及其变化驱动因素进行研究具有十分重要的意义。

近年来，国内外学者对于滨海湿地生态质量评价、时空分异及其影响机制等方面的研究都取得了显著成果（Wang et al.，2021；金宇等，2017），在全球范围内对典型滨海湿地的生态质量进行了探讨（Thakur et al.，2017；Zhang et al.，2021）。当前主要以生境质量评价、生态指数法、生态价值评估法等方法来评估滨海湿地生态环境质量。如张华兵等（2020）基于InVEST模型对江苏盐城国家级珍禽自然保护区核心区开展生境质量评估，模拟了区域生境质量时空变化；吴建芳等（2022）运用熵权法与综合评价法，结合灰色预测模型，建立了基于 PSR模型的长乐闽江河口国家湿地公园生态系统健康评价指标体系，并预测闽江口国家湿地公园2022、2024年的健康状况，为湿地公园的保护与管理提供了支持；李楠（2020）结合遥感和生态系统价值评估法对杭州湾滨海湿地信息监测及生态质量评估；Montocchio et al.（2021）利用3个生态指标水质指数（WQI）、湿地大型植物指数（WMI）和湿地鱼类指数（WFI），以评估近20年来人类活动对格鲁吉亚湾（休伦湖）东部和北部沿海沼泽生态系统健康的影响。以上研究分别从不同角度对特定区域的滨海湿地生态质量展开了评价，但都具有其局限性，缺少遥感生态指数的相关研究。遥感可对地进行长时间同步观测，相对于传统地面观测节省大量人力物力，对滨海湿地进行长时间序列的生态质量变化监测提供了便利。以往学者利用单一的生态指标对区域生态环境进行评估，如利用归一化植被指数对区域植被覆盖情况进行探讨，反演地表温度来反映区域热环境。国家环境环保总局提出传统生态指数EI（Ecological Environment Index），选取生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数环境质量指数、但是局限于各系数其权重的设置合理性以及可操作性。因此徐涵秋（2013）提出了遥感生态指数模型（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），该模型基于遥感技术耦合了与人类生存息息相关的绿度、干度、湿度、热度4种生态因子，该模型能够快速监测和评价区域生态质量，并在不同区域得到了验证和应用（农兰萍等，2020；李婷婷等，2021）。

辽东湾北部区域是渤海湾北部滨海湿地的主要分布区，特有的红海滩以及芦苇沼地，同时是丹顶鹤繁殖的最南线，以及世界珍稀鸟类黑嘴鸥（Larussaundersi）的重要栖息繁衍地，具有重要的生态功能，这些特点使其在维持区域生态平衡起着重要的作用。近年来，已有诸多学者对辽东湾北部区滨海湿地开展研究，目前主要集中在辽东湾滨海湿地景观格局及其动态变化（闫晓露等，2019），生态系统服务价值评价（韩增林等，2020）等相关方面。然而，尚未利用遥感生态指数对辽东湾北部区滨海湿地生态质量变化展开探究，从而很难定性的描述辽东湾北部区滨海湿地生态质量变化。为了准确获取辽东湾北部区生态环境质量变化，本研究拟利用1995、2002、2009、2018、2021年 Landsat遥感数据，利用遥感生态指数（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），耦合绿度（NDVI）、湿度（Wet）、干度（NDBSI）、热度（LST）4种生态因子，利用熵权法计算权重并定量反映辽东湾北部区滨海湿地生态质量变化，对滨海湿地的生态保护具有重要意义，以期对区域环境监测提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

辽东湾北部区地处121°14′—122°9′E 和40°32′—41°12′N 之间（图 1）。研究区土地利用/覆被类型划分为自然滨海湿地、人工滨海湿地及非湿地，其中自然滨海湿地包括水域、滩涂、草地（芦苇），人工滨海湿地包括水田和水产养殖，非湿地包括旱地、裸地及建设用地。研究区行政地跨锦州市、盘锦市沿海多县，总面积约为1612.32 km2，属于暖温带大陆性半湿润季风气候，四季分明、雨热同期，河流分布密集，其北部地区是辽宁省小凌河、大凌河、双台子河、大辽河四大入海河流的河口海岸地带，也是辽河三角洲的中心区域，占据重要的地理位置。辽东湾北部区是渤海湾滨海湿地的主要分布区，同时也是许多珍稀动物栖息地，具有典型的生态价值，成为滨海湿地研究的重要区域。

图1 研究区位置Figure 1 Location of study area

1.2 数据来源与处理

本文为准确探究区域生态环境质量变化，选取近 30年来研究区数据质量较好且时间间隔合适的年份，采用 1995、2002、2009、2018、2021 年 Landsat遥感影像作为数据源（表 1），本文数据来源于美国地质勘探局网站（United Stated Geological Survey，USGS；http://glovis.usgs.gov/），为准确反映植被信息，同时考虑精度和云量要求，故选取7、8、9月质量较好的遥感影像。利用ENVI5.3软件对原始影像进行预处理过程如下，（1）对原始影像进行辐射校正，将图像亮度灰度值转换为辐射亮度或辐射反射率，以降低辐射误差。（2）为了消除大气影响，使用FLASSH大气校正工具对其进行大气校正。（3）利用 MNDWI水体指数掩膜掉水体信息（徐涵秋，2005），最终图像拼接、裁剪得到辽东湾北部研究区影像。

表1 遥感影像信息Table 1 Image information of remote sensing

1.3 研究方法

1.3.1 遥感生态指数

遥感生态指数（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI）是指利用绿度（NDVI）、湿度（WET）、干度（NDBSI）、热度（LST）4个指标建立遥感综合生态指数评价生态系统的方法，其中指标值分别用VNDVI、VWET、VNDBSI、VLST表示。本研究利用熵权法将绿度、湿度、热度、干度4个指标设置权重，并加权求和构建遥感生态指数，以评价辽东湾北部区生态质量。

1.3.1.1 绿度指标

绿度指标由植被指数代表，用于定量的反映植被生长状况、植被覆盖度及生物量等信息（刘海等，2021），公式为：

式中：

N——Landsat数据的近红外波段；

R——红色波段。

1.3.1.2 湿度指标

湿度指标由湿度分量代表，通过缨帽变换得到3个分量，分别为亮度、绿度和湿度，其中湿度分量反映了植被、水体、土壤中的湿度，是生态研究中体现生境变化的重要指标。不同卫星传感器其表达式不同（Baig et al.，2014），本文选用公式为：

式中：

B1、B2、B3、B4、B5、B7——TM 数据的第1、2、3、4、5、7波段反射率和OLI数据的2、3、4、5、6、7波段反射率；

VWET(TM)——Landsat TM数据的湿度分量；

VWET(OLI)——Landsat 8数据计算出的湿度分量

1.3.1.3 热度指标

热度指标由地表温度代表，通过Landsat遥感数据热红外波段的辐射值和最新修订的定标参数（Nichol，2005），得到表达式为：

式中：

T——传感器处温度；

λ——热红外波段的中心波长（11.5 μm）；

ρ=1.438×10-2mK；

ε——地物的比辐射率；

K1、K2——定标参数，其数值可通过影像源数据获取；

Ltir——热红外波段的辐射值。

1.3.1.4 干度指标

干度指标由建筑指数和土壤指数代表，由于研究区中相当一部分滩涂裸地会造成地表干化，因此选用两个指数的平均值（徐涵秋，2008），表达式为：

式中：

Ib——建筑指数；

Is——土壤指数；

B1、B2、B3、B4、B5——TM 数据的第1、2、3、4、5波段反射率和OLI数据的2、3、4、5、6波段反射率。

1.3.1.5 指标归一化

为统一各指标的单位和范围，消除时相差异，增强指标的可比性，对各指标进行归一化。

式中：

xi——图像的像元值；

xmax——图像的最大像元值；

xmin——图像的最小像元值。

式（9）为正向指标归一化公式，式（10）为逆向向指标归一化公式。为了消除异常像元的影响，用直方图统计像元值，取2%处的值作为最小值，98%处的值作为最大值。依据前人的研究（王丽春等，2019）得知4个指标中，绿度和湿度是正向指标，热度和干度是逆向指标。

1.3.1.6 构建遥感生态指数

（1）计算权重以NDVI、WET、NDBSI和LST的均值作为结果来计算权重。具体步骤如下：

第一步，定义熵。有4个指标，每个指标有5个评价对象，则第i个指标的熵为：

其中：

Hi——熵，k=1/ln5，，当Yi=0时，YilnYi=0。

第二步，计算权重。计算出第i个指标的熵，则第i个指标的权重为：

式中：

Wi——第i个指标的权重，Wi在0—1之间且。

（2）指数和法计算RSEI

式中：

w1、w2、w3、w4——分别为 WET、NDVI、LST、NDBSI的权重；

VRSEI——最终构建的遥感生态指数值，其值介于[0, 1]之间，越接近1，表示生态环境质量越好。

2 结果与分析

2.1 辽东湾北部区生态质量时空变化分析

依据表2中各指标均值，采用熵权法计算各指标权重，得到NDVI、WET、NDBSI、LST指标权重分别为0.234、0.257、0.257、0.251，其中表明对生态环境质量起正向作用的指标中，WET的影响大于 NDVI。在对生态环境起负向作用的指标中，NDBSI的影响大于LST。

表2 各年份指标及遥感生态指数（RSEI）均值Table 2 4 indicators of each year and the statistical value of remote sensing ecological index RSEI

通过加权求和各指标计算得到RSEI图（图2）。辽东湾北部区 1995、2002、2009、2018、2021年RSEI均值分别为 0.407、0.593、0.510、0.592、0.556，总体上，1995—2021年辽东湾北部区生态质量呈波动上升趋势。RSEI均值由1995年的0.407上升到2002年的0.593，再下降到2009年的0.510，再上升到2018年的0.592，最后下降到2021年的0.556。1995—2002年间上升了45.70%，2002—2009年间下降了14.00%，2009—2018年间上升了16.08%，2018—2021年间下降了6.08%。总体而言，1995—2021年辽东湾北部区 RSEI的均值由 1995年的0.407上升到2021年的0.556，26年间RSEI上升了36.61%。

图2 辽东湾北部区1995—2021年遥感生态指数（RSEI）图Figure 2 Remote sensing ecological Index (RSEI) map of northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

为了便于细化研究，将归一化后的RSEI进一步分为5个等级：差（0—0.2），较差（0.2—0.4），中等（0.4—0.6），良（0.6—0.8），优（0.8—1.0）。制图得到辽东湾北部区 1995—2021年生态指数分级图（图 3），分别计算各年份各生态等级的面积及比例（表3）。

图3 辽东湾北部区1995—2021年生态等级分级图Figure 3 Ecological grading map of northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

表3 各年份生态等级所占面积和比例Table 3 Area and proportion of ecological grade in each year

从表3可知，1995年辽东湾北部区生态质量以中等为主，面积为837.01 km2，达到了51.93%，其次为较差，面积为688.31 km2（42.71%）。2002年辽东湾北部区生态质量以良等级为主，面积为848.21 km2，达到了 52.61%；中等等级面积减至606.64 km2，所占比例减至32.89%；差及较差面积分别占1.33 km2（0.08%）、3.87 km2（0.25%）。生态质量整体上升，生态环境质量为中等的区域面积明显减少，生态质量为良和优的面积有所增加。2009年辽东湾北部区生态等级为中等面积为1055.04 km2（65.43%），良的面积为 301.72km2（18.71%），优的面积为0.28 km2，仅占比0.02%。2018年生态质量以良为主，面积达到 914.65 km2（58.66%），居各时期首位。2021年以中等为主面积为793.25 km2，达到了49.20%。综合而言，1995、2009、2021年生态质量相似，研究区生态等级以中等为主；2002年和2018年生态质量相似，均以良为主；差和较差等级面积及所占比例呈逐年减小趋势。总体上，辽东湾北部区生态环境质量有所改善。

在空间上（图3），1995年生态等级以较差和中等为主，其中兴隆台区生态质量以较差为主，大洼区以中等为主。2009年研究区整体生态质量以中等为主。2002、2018、2021年研究区生态等级呈现北部及两翼低、中间高分布的空间格局，生态等级优和良出现在研究区中部，这一区域为双台子河口国家自然保护区，此区域生态质量较好。与此相反，生态等级差和较差集中出现在研究区北部的城镇分布区及两侧的沿海地区，北部的城镇分布区主要分布在盘山县的石新镇东部、东郭镇北部及大洼区的新兴镇北部，两侧的沿海地区，主要分布在建业镇南部滨海地区、四八千镇南部滨海地区及辽东湾新区的南部滨海地区。1995—2021研究区生态等级的空间格局变化说明人类活动对滨海湿地生态质量有着很大的影响，同时这些区域生态质量容易受到气候变化及政策变更的影响。究其原因，自上个世纪 90年代设立辽河口国家级自然保护区以来，生态得到了一定程度的保护，但辽东湾北部区自2002年以来，大量自然滨海湿地转化为人工湿地和非湿地（闫晓露等，2019），一定程度上加剧了该区域生态质量退化，至 2009年研究区生态等级以中等为主。近年来，由于《辽宁省海洋环境保护办法》及《辽宁省湿地保护条例》等相关政策、措施相继出台，生态质量有所恢复。

2.2 辽东湾北部区生态质量时空差异分析

为了分析 26年来研究区生态质量时空差异变化，在基于 RSEI指数的基础上，对辽东湾北部区1995—2021年RSEI指数进行差值变化检测，并根据极差将变化幅度分为明显变差、略微变差、无明显变化、略微变好、明显变好5类，得到图4和表4。

表4 辽东湾北部区1995—2021年RSEI检测Table 4 RSEI detection in the northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

图4 1995—2021年辽东湾北部区生态环境质量变化空间分布图Figure 4 Spatial distribution of eco-environmental quality changes in the northern Liaodong Bay from 1995 to 2021

辽东湾北部区生态环境质量变化主要呈现为“变好”，其面积为1418.76 km2（88.03%），其中“略微变好”面积占比最大，为1403.53 km2，达到了87.08%，说明辽东湾北部区设立国家级自然保护区，生态得到了较好的恢复，“明显变好”面积为15.23 km2，占比0.95%，其原因是滨海湿地植被的增长，土地利用类型由滩涂和水域转换为芦苇（Phragmitescommunis）和翅碱蓬（Suaedaglauca），使生态质量有所好转。生态质量“变差”区域在研究区分布较少，其面积为192.85 km2（11.97%），其中“略微变差”面积为192.17 km2，占比11.93%，主要分布在研究区近海围垦区以及研究区北部的城镇分布区。近海围垦区这一区域在研究期间，土地利用类型变化主要为滩涂和水域转化为建筑用地和养殖塘以及水稻田，翅碱蓬转化为芦苇和建筑用地和养殖塘，其中滩涂面积的下降主要是由于盘锦港的建设，因此人类活动及其带来的土地利用变化是这一区域生态质量下降的主要原因（彭剑伟，2021）。

3 结论

本文基于1995—2021年辽宁湾北部区Landsat遥感数据，利用熵权法，借助遥感生态指数（Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI），定量研究了 26年来辽东湾北部区生态质量变化情况。主要结论如下：

（1）1995—2021年间，辽东湾北部区生态质量呈现波动上升的趋势，1995、2002、2009、2018和2021年RSEI均值分别为0.407、0.593、0.510、0.592、0.556，26年间RSEI总体上升了36.61%。生态优良区域主要集中在双台子河河口两岸，生态差和较差区域主要出现在滨海地区。

（2）通过对生态指数进行差值分析，1995—2021年研究区生态环境呈现改善现象，生态质量主要以“变好”为主；26年间辽宁湾北部区略微变好的面积为1403.53 km2，达到了87.08%；“变差”的面积仅为192.85 km2（11.97%）。

4 讨论

本文基于Landsat遥感数据，借助于遥感生态指数，耦合了绿度、湿度、干度、热度4个环境指标，对 26年间辽东湾北部区生态环境进行定量化的时空变化研究，评估结果在一定程度上可呈现辽东湾北部区近 23年生态质量状况及其变化。但同时本文还有很多不足：本文仅在 1995—2021年间选取了5个年份进行研究，未能逐年对辽东湾北部区生态质量变化展开深入分析，对研究区生态环境质量发生突变的关键年份的把握不够精准。另一方面，生态质量与辽东湾北部区的气候条件及社会经济因素有一定相关性，本研究未能对其相关方面进行分析。未来可考虑借助于遥感云计算平台，对辽东湾北部区生态环境开展长时间序列深入分析，并对研究区自然地理条件及社会经济驱动因素进行分析，从而为研究区生态环境监测提供参考。