基于遥感生态指数的衡水市生态环境质量评价*

2023-03-08刘馨江亚军李月英

区域治理 2023年7期

刘馨，江亚军，李月英

1.饶阳国家气候观象台；2.深州市气象局；3.衡水市气象局/饶阳国家气候观象台

衡水市属于首都经济圈的京南区，是首都和雄安新区的南大门。2022年衡水市政府工作报告指出：十四五时期，是衡水市加快建美丽衡水的关键阶段[1]。实践证明，人类活动和城市扩张会对区域生态质量产生较大影响，应用遥感影像评价分析生态质量能直观展示区域内生态质量等级分布和动态变化情况，对生态文明建设具有重要参考意义。

目前，遥感技术已广泛应用于生态研究中，其中徐涵秋提出遥感生态指数（RSEI）评价法[2-3]已得到广泛应用。RSEI各指标均可通过遥感影像反演得到，适用于对研究区的生态环境质量进行客观评价与分析。本研究选取2000～2021年间四期遥感影像构建RSEI指数，分析衡水市生态环境质量等级分布和变化情况，为当地可持续发展和生态文明建设提供参考意见。

一、研究区概况及数据源

衡水市位于黑龙港流域，地处于河北省东南部，地形平原，总面积8836km2，属大陆性季风气候，四季分明。全市以农业产业为主，农业用地占土地总面积的78.65%。

选用Landsat系列遥感影像，时间分别为2000.8.28、2007.9.9、2014.9.4、2021.9.7，所选影像时间相近，具有较高的代表性和可比较性。

二、分析方法

RSEI以绿度（NDVI）、湿度(Wet)、干度(NDSI)、热度（LST）4个指标作为评价指标,通过主成分分析法（PCA）将第一主成分归一化处理生成RSEI指数。各指标计算方法如下：

（1）绿度：以归一化植被指数（NDVI）表示,表达式为：

（2）湿度：以缨帽变换中的湿度分量表示。本研究应用到ETM和OLI两种影像，分别为：

（3）干度：以建筑指数(IBI)和裸土指数(SI)均值表示：

（4）热度：本文应用大气校正法反演的地表温度作为热度指标[4]，具体公式为：

式中：LST为地表温度（℃）；T为黑体辐射亮度；Lλ为热红外辐射亮度值；ε为地表比辐射率；τ为大气透过率；L↑和L↓分别为大气上行和下行辐射亮度；K1和K2为定标参数常量。

（5）RSEI指数构建

通过NDWI指数[5]将大型水体去除，对四个指数归一化处理后进行主成分分析，得到第一主成分PC1，对PC1进行归一化处理即可得到遥感生态指数，取值范围为［0,1］,结果越接近“1”表示生态环境质量越好，接近“0”为差。

三、结果与分析

（一）主成分分析结果

各年度指标特征值见（表1），结果显示，第一主成分（PC1）的贡献率都大于85%，表明第一主成分已经集中了4个分量的绝大部分特征。四个年份中的NDVI和NDSI特征值贡献率高于WET和LST，表明植被和城市建设对生态质量影响最大。

表1 主成分分析结果

从表2看出，2000～2014年间RSEI指数变化不大，2021年提升至0.75，增幅7%，表明近几年衡水市生态环境质量有了明显改善。单一指标中NDVI在2007年下降15%，随后升高；WET呈升高趋势；NDSI和LST在2014～2021年间有较大幅度下降；说明近几年虽然城镇化进程加快，但同时加强城区绿化率提升，总体上抵消了城市建设和气候变暖带来的不利影响，使区域内生态环境质量水平不断提高。

表2 各年度各指标归一化均值统计

表4 2000～2021衡水市RSEI等级变化情况（单位：km2）

（二）RSEI空间变化和时间变化

为研究生态质量的分布情况，将RSEI指数以0.2为间隔等分为差、较差、中等、良、优5个等级（图1），并对各等级面积进行统计(表3)。从空间分布来看，全市生态等级以良至优区域为主，各年度优良等级之和占比均在70%以上，这是由于衡水地处平原，区域内以耕地为主，植被覆盖度较高；差和较差区域主要为城市区域。

图1 2000～2021衡水市RSEI等级分布图

表3 2000～2021年衡水市RSEI等级面积及占比

2007年因夏季降水偏少导致当年植被生长状况较差，等级优区域比例降低；四个时相分RSEI布图中，建筑用地面积逐年增加，表明城镇化进程加快，城镇区域向外扩张，但近几年同时加强城区绿化和裸地植被修复工作，使等级差和较差区域比例反倒减少。

为研究各年度间生态环境质量变化程度，对各年度RSEI指数进行差值计算，根据结果分为变差、无变化、变好3个类别，面积变化情况见图2和表3。从图2可以看出2000～2007年因夏季降水偏少生态变差区域较多，2007～2014年和2014～2021年随着植树造林力度加强生态逐渐变好。整体来看2000～2021年生态变差区域主要为城市周边新开发区域，主要因建成时间短，绿化力度不足导致；饶阳、阜城南部因发展设施农业，温室大棚较多，也使当地生态质量变差；部分城区中心生态质量变好，表明随着城区绿化力度加强，城市生态环境质量有了极大改善。