基于影像数据的南靖生态环境变化研究

陈航宇，陈 慧

(1.福建省197地质大队，福建 泉州 362011;2.安远县自然资源局，江西 安远 342100)

1 引言

南靖县是“土楼”保留最为完整的县之一，拥有独特的建筑结构，吸引着全球各地游客前来参观，促进了南靖县旅游业的大力发展，也带动全县的经济增长。但城市快速发展的同时也带来了一系列的问题，如城市生态环境破坏、城市污染等。

近年来，遥感技术以其大范围快速、重复对地观测优势，基于遥感的在生态监测掀起一波浪潮，大量指标应用于生态环境变化，驱动机制研究中等[1～4]。徐涵秋提出的新型遥感生态指数(remote sensing based ecological index，RSEI)[5]具有独立依靠遥感技术对区域生态环境状况进行快速、定量、客观的评价，且能够可视化地表达评价结果，并可以基于地理信息系统或遥感影像处理软件平台进行时空变化分析、建模与预测。近年来，该指数得到了广泛应用。

本文基于遥感生态指数RSEI，开展了对南靖县的生态环境变化情况及环境变化的演变趋势规律分析，研究成果能为当地专家实地考察提供参考依据，也能为南靖县的生态环境的保护和治理提供基础依据。

2 数据与方法

2.1 影像数据

本文所研究的遥感影像图由“地理空间数据云”网站下载的Landsat数据，选取2002年、2009年和2014年3个时期的遥感影像图。在资源上选取遥感影像数据时应选择云层较少的，以便于提高数据分析的精度；遥感影像图应选取植被覆盖率较高的季节。具体如表1所示。

表1 遥感影像数据

2.2 遥感生态指数计算

遥感生态指数(Remote Sensing based Ecological Index)是由徐涵秋提出的，即RSEI指数[5,10]。RSEI指数以绿度、湿度、热度、干度等4个指标全面反映了一个地区的生态环境，将4个指标合成为一个主成分分析，既弥补了一个因素分析的缺陷，又能够合理的将4个指标进行合成。RSEI生态指数与2006年国家环境保护部推出的生态环境状况指数(EI) 相比[9]，既可以对区域生态质量进行适当评估，而且评估结果是可视化的，还支持时间和空间变化的生态质量分析、建模和预测，能够完善现在的技术在这个方面的缺陷[6～8]。

RSEI能直观反映生态条件优劣的湿度(Wet)、绿度(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、热度(Land Surface Temperature，LST)、干度(Normalized Difference Soil Index，NDSI)等4个分量通过主成分变换后的第一主成分(PC1)生成[9,10]。

2.2.1 湿度指标(Wet)

湿度指标一般采用缨帽变换，因湿度分量与地表物理参量有一定的相关，所以普遍应用于生态环境监测中。由于其中的湿度分量与植被和土壤的湿度紧密相关，因此本文的湿度指标用湿度分量Wet来表示[11～13]。计算式如公式(1)：

Wet=C1ρB+C2ρG+C3ρR+C4ρNIR+C5ρSWIR1+C6ρSWIR2

(1)

式(1)中，TM第1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率分别由ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2来表示。Ci见文献[14～16]。

2.2.2 绿度指标(NDVI)

归一化差值植被指数(NDVI) 是普遍采用的植被指数，它与植物生物量、叶面积指数以及植被覆盖度都有密切的关系[17，18]。因此，选用NDVI 来代表绿度指标。计算式如公式(2)：

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(2)

式(2)中，各传感器的近红外及红色波段反射率分别由ρNIR，ρR来表示。

2.2.3 热度指标(LST)

热度指标由地表温度来代表。计算式如公式(3)、(4)：

T=K2ln(K1/L+1)

(3)

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(4)

式(3)、(4)中，定标参数是K1和K2，取值参考[19]；比辐射率是ε，取值参考[20]；反演温度的热红外波段的中心波长是λ；ρ=1.438×10-2mK。

2.2.4 干度指标(NDSI)

代表干度指标选用的是IBI建筑指数，因生态环境中还存在一些裸土，一样给地表造成“干化”，所以将二者合成作为干度指标 (NDSI)，即由建筑指数IBI和土壤指数SI[21]合成。计算式如公式(5)：

NDSI=(SI+IBI)/2

(5)

其中：

SI= [(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3) +(ρ4+ρ1)]

(6)

IBI= {2ρ5/(ρ5+ρ4)-[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2ρ5/(ρ5+ρ4) +[(ρ4/(ρ4+ρ3) +ρ2/(ρ2+ρ5)]}

(7)

式(5)～式(7)中，裸土指数和建筑指数由SI及IBI来表示。

为了更精确地表示各分量值对RSEI的影响力大小，需将获得的4个分量进行归一化，再利用ENVI5.1中的的PCA模块计算得出PC1。计算式如公式(8)：

NPi=(Pi-Pmin)/(Pmax-Pmin)

(8)

式(8)中，归一化后的某一分量值表示为NPi，该值介于[0,1]之间；该分量在象元i的值表示为Pi；最大值、最小值分别为Pmax、Pmin。

需要进行1减去计算所得的PC1得到初始生态指数RSEI0，这样可以更加直观的表示生态环境质量越好，PC1的值就越大。计算式如公式(9)：

RESI0=1-PCI

(9)

为了方便利用生态指数对比研究区各期生态变化状况，对RSEI0归一化处理。计算式如公式(10)：

RESI=(RESI0-RESI0_min)/(RESI0_max-RESI0_min)

(10)

RSEI就是研究分析所需的遥感生态指数，大小在[0,1]之间，且生态环境质量优劣与其成正相关，生态越好，RSEI值越接近1；生态越差，RSEI值越接近0。

3 结果与讨论

3.1 生态质量变化时空分析

对生态质量的4个分量均值及综合指数RSEI的值进行统计分析，如表2所示，南靖县RSEI均值从2002年0.554下降到2009年0.425，下降了23.29%。2009年后，全县RSEI分量均值稳健上升，上升幅度较大，由2009年的0.425上升至2014年的0.578，上升36.00%。在2002～2014年期间，全县的RSEI分量均值由0.554上升到0.578，上升4.33%，年均増长率为0.33%。到2014年全县整体回到2002年的水平。

表2 3期影像4个分量均值及RSEI的均值统计

为了对RESI生态指数进行定性分析，将3个时期的结果以0.2为一个间隔区间划分为5个等级，值由大到小分别对应优、良、中、较差、差等级，并统计出2002年、2009年、2014年5个等级所占的面积及比例(表3)。

表3 生态等级和面积比例变化

2002年南靖县生态状况为优、良区域占总区域面积的49.64%，生态状况为差、较差区域占总区域面积的30.35%；2009年南靖县生态状况为优、良区域占总区域面积的26.58%，生态状况为差、较差区域占总区域面积的53.22%；2014年南靖县生态状况为优、良区域占总区域面积的57.46%,生态状况为差、较差区域占总区域面积的23.69%。对比发现，南靖县的生态状况优、良比例从2002年的49.62%下降到2009年的26.58%，直到2014年恢复到57.46%；同时，生态状况差、较差比例从2002年的30.35%上升到2009年的53.22%，直到2014年下降至23.69%。这表明南靖县生态状况先是极度下降，然后再逐步提升，随着人们环境保护意识的提高，提倡退耕还林，以及以发展与环境相协调的科学发展观，生态状况逐渐恢复到2002年的状态。

3.2 生态环境变化情况分析

遥感变化检测是通过监测两个时期的遥感影像随时间变化而引起地表特征变化的一个过程。基于以上5个等级的划分，对南靖县的生态环境变化情况进行变化监测，统计数据表4所示。

从表4中的统计数据分析得出：在2002～2009年间，南靖县生态环境变好的区域面积约943.592 km2，占总面积的48.42%，生态环境变差区域面积约897.409 km2，占总面积的46.05%，态环境条件状况变好和变差的面积大致相同，这表明在环境整治的同时，生态环境也同样遭受严重破坏。

表4 变化检测统计

在2009～20014年间，南靖县生态环境变好的区域面积约1363.961 km2，占研究区总面积的69.99%，南靖县生态环境变差的区域面积约431.100 km2，占总面积的22.12%，生态环境变好的面积远超于生态环境条件状况变差，高出47.87%，这表明南靖县在2009～2014年间，区域生态环境整治、改造效果明显，生态环境质量呈现上升趋势。

在2002～2014年间，南靖县生态环境变好的区域面积约1367.578 km2，占总面积的70.17%，南靖县生态环境变差的区域面积约476.613 km2，占总面积的24.46%，这表明南靖县在2009～2014年间，生态环境质量呈现上升趋势，对南靖县来说近几年的生态环境治理效果明显，主要改善了城镇生态环境。

4 结论

本文主要针对南靖县城市生态变化研究，利用遥感变化检测及RSEI对南靖县2002年、2009年和2014年的遥感图像进行相关分析与评价，可以得出以下结论：

(1)2002～2014年间，南靖县的生态环境质量整体呈现不变趋势。RSEI均值由2002年的0.554下降到2009年的0.425，到2014年上升至0.578，先减少后恢复到2002年的水平。南靖县内生态环境质量为优、良的区域面积占总面积的比例由2002年的49.64%下降到2009年的26.58%，到2014年上升到57.46%，呈现先下降后恢复的趋势，整体增长了7.82%。

(2)遥感变化监测显示，2002～2009年间，南靖县约48.42%的区域生态质量状况变好， 46.05%的区域生态质量状况变差；2009～2014年间，约69.99%的区域生态质量状况变好，约22.12%的区域生态质量状况变差；2002～2014年间，约70.17%的区域生态质量状况变好，约24.46%的区域生态质量状况变差。对南靖县整体生态环境质量分析显示，其生态环境整治、管理逐渐得以改善。不过生态环境的改善不可能是一朝一夕就能完成的工程，区域生态环境治理与维护还需坚持。