基于遥感生态指数的生态环境质量变化分析——以抚州市东乡区为例

黄振兴， 李满根， 封志兵， 陈念楠， 刘 颖

(东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013)

城市化进程在给人类社会带来繁荣和进步的同时也带来了一系列的生态环境问题，例如土地荒漠化、城市热岛效应、水土流失等(方灿莹等，2017；张寒等，2020)。生态环境的变化，对人们生产生活有极大的影响。近年来，国内很多学者对区域生态环境变化进行了研究(高鹏文等，2020；程朋根等，2015；赵恒谦等，2019；方正等，2020)。目前，在生态研究方面运用最广泛的是国家环境保护部2015年修订的生态环境状况指数(EI)，但其评价结果只是单一的数值，无法体现出生态环境状况的时空分异特征，且数据不易获取(徐涵秋，2013a)。遥感技术的快速发展，为实时、精确地评价和监测区域生态环境质量提供了可能(唐尧等，2016)。徐涵秋(2013b)提出了一种基于主成分分析法且能耦合多种单一指标的综合指标评价法——遥感生态指数(RSEI)，既能够综合反映生态系统的整体特征，又实现了对不同生态系统客观、综合的评价。东乡区作为抚州市整体发展的重要部分之一，其生态环境质量的好坏与时空变化情况对抚州市生态文明建设研究有着重要的参考意义。据此，笔者以近18年来抚州市东乡区遥感影像为基础，反演绿度、湿度、干度和热度4个指标，结合主成分分析方法构建遥感生态指数(RSEI),定量分析抚州市东乡区生态环境质量时空变化，为抚州市东乡区生态环境进一步改善提出合理性建议。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

东乡区位于江西省抚州市东北部，为鄱阳湖平原与赣东丘陵的过渡地区，东部邻近余江县，南部依托抚州市中心——临川区，西部与南昌市进贤县接壤，北部连接上饶市余干县(官炎俊等，2018)。该区属于亚热带季风气候，夏季多雨炎热，冬季干燥寒冷。2017年，东乡县撤县设区，下辖1个街道、9个镇、4个乡，总面积约为1 201 km2。近年来，东乡区在抚州市带动下经济迅速发展，GDP稳居抚州市第二，其生态环境变化显著。

1.2 数据源及预处理

本研究采用地理空间数据云下载的Landsat系列影像(2001年6月、2008年5月、2014年5月、2018年4月)，其中2001年和2005年的影像为Landsat5 TM影像，2014年和2018年的影像为Landsat8 OLI/TIRS影像，研究区域云量均在1%以下。为准确、有效地把数据运用到本次研究中，对Landsat TM(30 m分辨率)和Landsat OLI(30 m分辨率)数据进行预处理，利用ENVI5.3对影像进行辐射定标、大气校正和矢量裁剪处理。

图1 抚州市东乡区示意图Fig.1 Sketch map of Dongxiang district, Fuzhou city

2 研究方法

遥感生态指数依据与人类生活环境密切相关的4个重要指标因子——湿度、干度、热度、绿度来客观、定量地评价生态环境质量。4个指标都能通过对遥感影像的反演得到，数据容易获取，与生态环境状况指数(EI)相比有更大的优势(王瑶等，2008；程晋南等，2008；孟岩等，2009)。笔者使用ENVI5.3软件对遥感影像进行波段运算，得到4个指标。绿度通过归一化植被指数表示(Anyamba et al.,2014)，干度采用地表建筑指数和地表裸土指数平均合成的指数表示(徐涵秋等，2017)，湿度指标用WET分量数值表示(Crist,1985;Baig et al.，2014)，热度指标用单窗算法反演出的地表温度表示(覃志豪等，2001)。具体计算公式如下：

NNDVI=(ρNir-ρRed)/(ρNir+ρRed)

NWET=aρBlue+bρGreen+cρRed+dρNir-eρSwir1-fρSwir2

NNDSI=(S+I)/2

S=[(ρSwir1+ρRed)]-(ρNir+ρBlue)]/[(ρSwir1+ρRed)+(ρNir+ρBlue)]

式中,NNDVI为绿度指标、NWET为湿度指标、NNDSI为干度指标、S为裸土指数、I为地表建筑指数。ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNir、ρSwir1、ρSwir2分别代表蓝、绿、红、近红外和中红外1、中红外2的光谱反射率。对于TM影像，a=0.031 5、b=0.202 1、c=0.310 2、d=0.159 4、e=-0.680 6、f=-0.610 9；对于OLI影像，a=0.151 1、b=0.197 3、c=0.328 3、d=0.340 7、e=-0.711 7、f=-0.455 9。

L=Ggain×Gdn+Gbias

Tb=K2/ln(K1/L+1)

NLST=Tb/{1+[(λTb)/ρ]lnε}-273.15

式中,NLST为热度指标，L为辐射亮度值，Gdn为像元灰度值，Ggain和Gbias分别为波段的增益值和偏置值，Tb为卫星传感器处的亮温，K1、K2为定标参数，λ为热红外波段的中心波长，ρ=1.438×10-2，ε为地表辐射率。

由于量纲不一致，上述计算的4个指标只能反映出不同情况下研究区的生态环境质量情况，为避免权重失衡的影响，在构建遥感生态指数时需提前对4个指标进行归一化处理(Anyamba et al.，2014)。由于研究区存在水域，为了避免水域对主成分载荷的影响，需要对绿度、干度、湿度和热度等指标运用MNDWI水体指数对水体信息进行掩膜(徐涵秋，2008)。融合成新的影像再进行主成分变换，其计算公式为：

NRSEI0=1-{P1[f(NNDVI,NWET,NLST,NNDSI)]}

式中，NRSEI0为归一化前的遥感生态指数值，P1为第一主成分值。

最后对NRSEI0进行归一化处理，得到遥感生态指数(RSEI)，其计算公式为：

NRSEI=(P1-P1min)/(P1max-P1min)

式中,NRSEI为归一化后的遥感生态指数值，P1max为第一主成分中的最大值;P1min为第一主成分中的最小值。归一化后的遥感生态指数范围为[0,1],RESI的值越大，说明东乡区的生态环境质量越好，反之，说明东乡区生态环境质量越差。

3 结果与分析

3.1 主成分分析结果

采用累计贡献率大于0.85的主成分为RSEI指数(郑振灿等，2019)，故本研究选取第一、第二主成分的累计贡献率构建RSEI。从表1可以看出，2001—2018年抚州市东乡区4个指标中的第一主成分(PC1) 和第二主成分(PC2)的累计贡献率分别为86.61%、90.41%、90.78%和95.22%,均大于85%，表明它们已集中了绿度、湿度、干度、热度等4个指标的大部分特征。绿度和湿度在PC1中表现为正值，说明对研究区生态环境起促进作用；热度和干度在PC1中表现为负值，说明对研究区生态环境起抑制作用。

表1 2001—2008年各指标主成分分析

由表2可知，研究区NDVI均值较高，都在0.75以上，在2001年甚至达到了0.853 7，说明抚州市东乡区绿化环境较好，植被覆盖率水平较高。2001、2008、2014和2018遥感生态指数的均值分别为0.716 8、0.652 5、0.682 5和0.641 3，总体呈下降的趋势。通过比较研究区2001—2018年LST、NDSI与WET、NDVI的PC1载荷可以发现，前者绝对值之和是大于后者的，表明LST和NDSI对东乡区生态环境质量的消极作用大于WET和NDVI对东乡区生态环境质量的积极作用；NDVI对生态环境所起到的促进作用大于WET的促进作用。同理，2001—2018年，NDSI载荷值的绝对值越来越大，在2008年超过了LST指标载荷值的绝对值，说明NDSI对研究区生态环境所起到的抑制作用越来越大，这与研究区城镇化的发展(城市扩张)有关。

表2 2001—2018年遥感生态指数指标统计

3.2 东乡区生态环境质量时空分布差异分析

将遥感生态指数分为5个级别，以0.2为一个区间，每个区间分别代表研究区生态环境质量“差[0,0.2)、较差[0.2,0.4)、中等[0.4,0.6)、良好[0.6,0.8)和优[0.8,1)”，生成遥感生态指数等级图(图2)并统计各级面积及占比(表3)，白色区域为水体掩膜地区。由表3可见，东乡区生态等级为良好和优秀的面积占总面积比例之和大于55%，2001年甚至达到90%以上。2001—2018年，研究区优秀等级面积总体呈大幅下降趋势，特别是在2008年，研究区优秀等级面积仅占总面积的10%，尽管2008年以后有所上升，但未恢复至原有水平；良好等级面积表现为先上升后下降的态势，这与优秀等级面积下降有关;根据其他的生态等级所占面积比例情况分析发现，东乡区处于中等等级的面积比例呈上升的趋势，从2001年的7.86% 上升至2018年的38.77%；抚州市东乡区处于较差和差等级的面积所占比例较少，均处于10%以下，两者所占比例最高为2008年的9.25%，最低为2001年的1.34%，且总体呈现先上升后下降的趋势。综上所述，东乡区总体的生态环境状况较好，遥感生态指数处于中等及以上的区域所占面积较多。尽管2001—2018年，生态环境质量整体呈下降趋势，但以孝岗镇为中心的人口聚集区，自2008年以后生态环境质量已经得到一定的改善，人们生态环保意识有所提高，这与抚州市争创生态文明城市采取的相应政策有关。

表3 生态环境质量等级面积及比例

图2 遥感生态指数等级分布图Fig.2 Spatial distribution of remote sensing ecological index

图3 东乡区生态质量变化图Fig.3 Change of ecological quality in Dongxiang District

由图 2可见，生态状况变化明显的地区主要分布于人口活动稠密的城区、耕地以及植被覆盖较低的区域，说明人们生产生活、城市扩张以及当地植被覆盖状况对生态环境质量的变化有显著影响，研究区东南部丘陵、林场和北部地区的丘陵总体生态质量明显高于其他研究区域。由图3可见，2001—2008 年间东乡区生态质量下降的区域较多，且分布于整个研究区，特别集中在东乡区孝岗镇为中心的北部和西部地区，这主要与地区发展、人类的社会经济活动密切相关，受人类活动的影响较大；2008—2014年间，研究区生态环境质量整体改善，且改善力度较大，范围较广。2014—2018年间，研究区生态环境质量的主要趋势维持在无明显变化和有所改善的级别，同时出现了生态质量变差的地区，主要集中在研究区的东北部、西南部以及东南角地区，这与城市扩张、产业转移以及人为活动密切相关。总体来说，2001—2018年间，东乡区生态环境质量，主要呈现下降的趋势，下降明显的地区主要集中在以城区为中心的西南部地区，表明城镇的扩张对区域生态环境质量变化具有显著的影响。

为了更清晰地分析抚州市东乡区生态环境的变化状况，以遥感生态指数分级图为基础，对2001、2008、2014、2018年的遥感生态指数进行差值计算，将得到的结果按区间分为“急剧变差(-1，-0.4]、明显变差(-0.4，-0.2]、略微变差(-0.2，-0.05]、无明显变化(-0.05，0.05]、略微变好(0.05，0.2]、明显变好(0.2，0.4]和急剧变好(0.4，1]”等7个等级，并统计各变化级别的面积及所占研究区总面积的比例，统计结果见表4(王勇等，2019)。

由表4可知，2001—2008年东乡生态环境质量变好、不变和变差的区域面积分别为41.13 km2，231.38 km2，929.12 km2，面积比分别为3.42%、19.26%和77.32%，变差面积远大于变好面积，这与当时注重经济发展，居民环保意识薄弱有关。2008—2014年东乡区全力推进“治水、净空、复绿”工程措施，生态环境质量极大改善，生态环境质量改善的区域面积为766.26 km2，占总面积的63.77%，主要表现为略微变好，生态环境质量变差的区域面积为163.20 km2，仅占总面积的13.58%，主要表现为略微变差，生态环境质量相对不变的区域面积为272.17 km2，占总面积的22.65%。2014—2018年东乡区生态环境质量变好面积为126.95 km2，占总面积比的10.57%，生态环境质量相对不变的面积为520.00 km2，占总面积的43.27%，生态环境质量变差的区域面积为554.68 km2，占总面积的46.16%。2001—2018年东乡区生态环境质量变好面积为183.26 km2，主要表现为略微变好，生态环境质量相对不变的面积为330.26 km2，生态环境质量变差的区域面积为688.11 km2，主要表现为略微变差。总体来说，抚州市东乡区18年间生态环境质量变好的区域面积在逐渐增加。

表4 生态质量变化等级及面积变化统计

4 结论

通过Landsat影像计算了研究区地表绿度指数、地表湿度指数、地表干度指数和地表热度指数，运用主成分分析法构建遥感生态环境质量评价指数，定量评价了抚州市东乡区中心城区以及周边乡镇2001、2008、2014和2018年的生态环境质量。从 RSEI 的时空变化中分析了抚州市东乡区18年来经济发展过程中生态环境质量的动态变化。

(1)研究区域内，城区的生态环境质量明显差于周边乡镇及林区，以城市化程度最高的孝岗镇最为明显。研究表明，2001—2008年生态环境质量下降明显(RSEI从0.716 8下降到0.652 5)，2008—2014年生态环境质量有所改善(RSEI从 0.652 5上升到0.682 5)；而 2018年研究区的 RSEI 为0.641 3。就整体而言研究区生态环境质量下降且趋势逐渐变慢。

(2)在空间格局的变化上，2001—2018年间，生态环境质量等级主要以良好、优秀为主，生态环境质量较好的区域主要分布于东南部植被覆盖稠密的林地、林场以及西北部的人类活动较少的丘陵地带。但依据抚州市东乡区2001—2018年的遥感生态指数分析，遥感生态指数由 2001年的0.716 8下降至2018年的0.641 3，下降幅度达10.53%，表明研究区的生态环境质量在变差，生态环境质量退化的区域主要分布于中部人类活动频繁的城区、城市扩张地带以及西南部的城区扩张区域。其中，生态环境质量变差的面积为688.11 km2，占东乡区总面积的57.27%。

(3)在体现东乡区生态环境质量的4个指标中，热度和干度对生态环境的抑制作用明显大于绿度和湿度对生态环境的促进作用，其中，绿度指标对研究区生态环境质量所起的促进作用较大，干度指标对生态质量变化的抑制作用较大，表明城市扩张会导致区域生态环境质量显著降低，植被覆盖度的增加对研究区生态质量提升有较好的作用。因此，若想改善研究区域的生态质量，城市化进程中应减少裸地面积，增加区域植被覆盖度，进一步合理开发利用区域的土地资源，加强土壤水土保持能力，使区域向生态化、可持续化发展。