基于RSEI模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价

李永进，汤玉喜，黎 蕾，唐 洁

(湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

长江岸线作为整个长江经济带生态环境的重要组成部分和核心环节，是支撑长江经济带发展的重要资源和沿江重要国民经济设施建设的载体，在抵御洪水、蓄洪防旱、调节气候、美化环境、旅游休闲等方面有其他系统不可替代的作用[1-3]。长江岸线湖南段拥有优越的水运条件，岸线利用强度较高。2018年，习近平总书记在湖南省调研时强调，“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发”。近年来，由于气温变暖、水文条件的变化和长江岸线长期不合理的开发利用，使得该岸线部分区域产生了水生态污染、湿地资源破坏等问题。这些对长江岸线生态系统的结构和功能产生了较大影响[4]。因此，面对长江保护与修复的重大科技需求，合理评价长江岸线生态环境质量及其变化，对科学制定长江岸线资源空间功能区划和推进长江经济带高质量发展具有重要意义。

目前，国内外学者从不同角度对区域生态环境质量评估开展了大量研究，并提出了很多的评价方法[5-11]。2006年国家颁布的《 生态环境评价技术规程》对生物丰富度指数、环境指数、植被覆盖度指数等生态环境质量指数(Ecological Environment Index，EI)进行了规范，并得到了广泛应用。然而，EI存在计算权重的固定化、归一化系数的设定以及指标的可获取性等问题，对不同气候、立地条件区域生态环境质量的评价结果产生了一定的影响。为了能直观地评价区域生态环境质量，许多学者基于GIS和遥感(RS)技术，并借助数学方法对区域生态环境质量评估及监测开展了研究[12-23]，尤其是徐涵秋[24]集成了以绿度、湿度、热度、干度等4个自然因子为主的指标，提出了一种新型遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI)，实现了对区域生态环境质量状况的定量评价、时空性分析以及可视化显示，该评价方法得到了许多学者的认可[25-28]。本文拟利用RSEI对长江岸线湖南段的生态环境质量变化情况进行综合评价，探讨其30年来的生态环境质量变化特征及其影响因素，以期为湖南省长江岸线生态环境保护修复提供支撑。

1 研究区概况

长江岸线湖南段地处112°48′9.50″—113°34′30.41″E，29°44′11.96″—29°50′29.00″N，上起华容县五马口，下至临湘市铁山咀，全长163km。其气候属亚热带季风气候，年降水量1100～1300mm；夏季高温多雨，冬季温和湿润，四季分明。地貌类型多样，以平原、丘陵、沼泽为主。植被以芦苇(Phragmitesaustralis)、南荻(Triarrhenalutarioriparia)、川三蕊柳(Salixtriandroides)、水芹(Oenanthejavanica)、藜蒿(Artemisiaselengensis)、虉草(Phalarisarundinacea)、短尖苔草(Carexbrevicuspis)等为主[29]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基础数据选用1990、2000、2010年每年8月的Landsat 5 TM遥感影像和2020年9月的Landsat 8 OLI遥感影像，其空间分辨率均为 30 m。影像的时相基本相同，植被具有相近的生长状态，避免了因季节差异造成的影响。

2.2 研究方法

RSEI是基于遥感数据，采用主成分分析法并集成绿度、湿度、干度和热度等4个生态指标对生态环境质量进行定量、客观、可视化显示的评价方法[21-23，30]。

2.2.1 数据预处理

首先采用ENVI软件对4幅影像进行辐射校正、几何校正和配准，并使用Chander 等的模型和参数将原始影像的灰度值转换为传感器反射率，以减少不同时期影像因光照、大气和地形等不同所造成的差异；然后对影像进行配准，配准的均方根误差小于0.5个象元[31]。同时，采用MNDWI 水体指数掩膜掉水体信息的影响，最后利用长江岸线湖南段的矢量边界对影像进行裁剪[32]。

2.2.2 主成分指标的构建

(1)绿度指标。绿度指标是反映植物生长状况的最佳指标。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)与植被盖度、生物量及叶面积指数有密切关系，能够量化反映地表植被生长状况。其表达式[24]为：

NDVI=(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+ρRed)

(1)

式(1)中：ρNIR、ρRed分别为遥感影像近红外波段和红波段的反射率。

(2)湿度指标。湿度指标(Wet)选用缨帽变换得到的湿度分量来表示。Wet能较好地反映植被、地表水体、土壤中的湿度[25]。Landsat TM 和Landsat OLI的湿度表达式分别为：

WetTM=0.031 5ρ1+0.202 1ρ2+0.310 2ρ3+

0.159 4ρ4-0.680 6ρ5-0.610 9ρ7

(2)

WetOLI=0.151 1ρ2+0.197 2ρ3+0.328 3ρ4+

0.340 7ρ5-0.711 7ρ6-0.455 9ρ7

(3)

式(2)、(3)中：WetTM为Landsat 5遥感卫星的湿度分量；WetOLI为Landsat 8遥感卫星的湿度分量；ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、ρ7分别为 Landsat 5中第 1、2、3、4、5、7 波段和 Landsat 8中第 2、3、4、5、6、7 波段。

(3)干度指标。干度指标(NDBSI)由土壤指数(SI)和建筑指数(IBI)构成[24]，其表达式为：

NDBSI=(SI+IBI)/2

(4)

式(4)中SI、IBI的表达式分别为：

SI=(ρ5+ρ3)-(ρ1+ρ4)/ (ρ5+ρ3)+

(ρ1+ρ4)

(5)

(6)

(4)热度指标。选用地表温度来表示热度指标(LST)，通过 Landsat 遥感数据的热红外波段的辐射值和最新修订的定标参数得到[24]，其表达式为：

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(7)

式(7)中T的表达式为:

T=K2/ln(K1/L6+1)

(8)

式(8)中L6的表达式为:

L6=gain×DN+bias

(9)

式(7)、(8)、(9)中：T为传感器的温度值；λ为热红外波段的中心波长；ρ为1.438 × 10-2mK；ε为地表比辐射率；K1和K2均为定标参数；L6为热红外波段的辐射值；gain、DN和bias分别为热红外波段的增益值、像元灰度值和偏置值。

2.2.3 遥感生态指数构建

主成分分析是将多个变量通过线性变换集中到少数重要变量的多维压缩技术。RSEI 的构建采用主成分分析法，变换后的数据根据各主成分的贡献率自动确定，将4个生态指标的信息集中于前1～2个主成分中，从而使单一变量耦合4个生态指标。在进行主成分分析前，由于4个生态指标量纲不统一，需要对各指标进行正规化处理，将其指标值限制在0～1之间。其表达式为：

NIi=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(10)

式(10)中：NIi为第i种指标归一化结果；I为各个指标的像元值，Imin为该指标的最小像元值，Imax为该指标的最大像元值[23]。

为了避免研究区内大片水域影响主成分分析的荷载分布，采用水体指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)进行水体掩膜处理，然后将正规化及水体掩膜后的指标合成新图像，并对新图像进行主成分分析。为了便于指标的对比和分析，对PC1进行正负值转置、正规化处理得到RSEI，其表达式为：

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/

(RSEI0max-RSEI0min)

(11)

式(11)中RSEI0的表达式为：

RSEI0=1-PC1

(12)

式(11)、(12)中：RSEI为遥感生态指数，取值范围介于0～1之间，RSEI值越大代表生态质量越好，反之则越差；RSEI0max、RSEI0min分别为初始生态指数的最大值、最小值[21]；RSEI0为初始生态指数；PC1为第一主成分。

3 结果与分析

3.1 生态指数主成分分析

1990—2020年中的4个年度4个生态指标的主成分分析结果(表1)表明：4个年度4个生态指标的第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累积贡献率均超过了93.00%，1990、2000、2010、2020年的第一主成分的贡献率分别为64.69%、68.34%、80.23%、73.14%。4个年度4个生态指标中，第一主成分PC1的绿度指标(NDVI)和湿度指标(Wet)值均为正值，说明二者对生态环境质量起正向作用，且NDVI对 PC1 的影响大于Wet的；干度指标(NDBSI)和热度指标(LST)值均为负值，说明二者对生态环境质量起负向作用，且NDBSI对 PC1 的影响大于LST的。进一步对比4个生态指标对PC1的贡献率大小发现，NDVI是促进长江岸线湖南段生态质量变好的主要因素，NDBSI是导致其生态质量下降的主要因素。从各主成分贡献率来看，在PC2、PC3、PC4中，各项指标值忽正忽负、忽大忽小，规律不明显，难以确定影响生态环境质量的因素，而PC1明显集中了4个指标的大部分特征信息，因此，选用PC1来构建遥感生态指数。

3.2 遥感生态指数变化

从表2可以看出：1990—2020年，长江岸线湖南段的RSEI值呈现出先降低后增加的趋势，总体上增加了13.70%，其中1990—2000年从0.6848下降到0.6729，下降了1.74%；2000—2010年从0.6729下降至0.5912，下降了12.14%；2010—2020年从0.5912上升至0.7786，上升了31.70%；1990—2010年RSEI值的减少幅度小于2010—2020年的增加幅度。对比各年度4个生态指标对PC1的荷载值(见表1)可以看出，1990—2020年，绿度指标(NDVI)和湿度指标(Wet)的荷载值绝对值之和均大于干度指标(NDBSI)和热度指标(LST)的荷载值绝对值之和，表明1990—2020年长江岸线湖南段绿度和湿度对生态环境质量的正向作用大于温度升高、土壤干化和建设用地等对生态环境质量的负向作用，且该区整体生态环境质量得到了改善。

表1 1990—2020年4个生态指标的主成分分析Tab.1 Principal component analysis of four ecological indicators from 1990 to 2020年度生态指标第一主成分第二主成分第三主成分第四主成分绿度指标(NDVI)0.781 2-0.436 90.204 10.396 5湿度指标(Wet)0.443 9-0.382 60.440 90.679 81990干度指标(NDBSI)-0.436 8-0.317 80.837 80.079 2热度指标(LST)-0.043 50.749 50.249 10.611 8特征值0.063 70.028 40.005 80.000 6特征值贡献率/%64.6928.815.890.61绿度指标(NDVI)0.919 2-0.053 40.087 20.380 3湿度指标(Wet)0.264 0-0.608 40.386 00.641 22000干度指标(NDBSI)-0.140 8-0.423 90.891 40.076 4热度指标(LST)-0.256 00.668 80.220 80.662 1特征值0.054 10.020 70.003 90.000 5特征值贡献率/%68.3426.144.910.61绿度指标(NDVI)0.832 10.376 70.082 80.398 6湿度指标(Wet)0.022 7-0.692 00.0770.717 42010干度指标(NDBSI)-0.549 20.567 00.257 40.557 2热度指标(LST)-0.073 70.240 2-0.959 60.126 4特征值0.083 00.017 60.002 40.000 4特征值贡献率/%80.2317.062.360.35绿度指标(NDVI)0.911 80.203 90.063 20.350 6湿度指标(Wet)0.030 10.786 8-0.220 40.575 72020干度指标(NDBSI)-0.038 5-0.228 40.971 10.057 8热度指标(LST)-0.407 60.535 90.066 00.736 4特征值0.048 90.014 80.002 70.000 4特征值贡献率/%73.1422.124.100.65

表2 1990—2020年4个生态指标和遥感生态指数(RSEI值)统计表Tab.2 Statistics of four ecological indicators and RSEI from 1990 to 2020年度参数绿度指标(NDVI)湿度指标(Wet)干度指标(NDBSI)热度指标(LST)遥感生态指数(RSEI)最大值0.817 2963.067 40.194 537.716 50.999 31990最小值-0.348 5-2 898.341 2-0.611 424.216 90.002 7平均值0.515 0-962.621 2-0.153 027.266 60.684 8标准差0.204 5426.154 80.100 31.894 40.203 4最大值0.825 71 021.777 00.170 034.724 20.999 42000最小值-0.391 8-3 342.517 2-0.590 119.800 20.001 2平均值0.501 5-760.506 6-0.188 722.959 60.672 9标准差0.201 6397.342 80.083 01.289 30.196 2最大值0.889 7732.235 00.163 036.168 00.999 92010最小值-0.415 4-2 581.135 8-0.472 919.872 00.005 3平均值0.431 272.385 4-0.178 027.784 40.591 2标准差0.242 8276.753 70.097 41.057 80.193 4最大值0.859 31 005.686 20.227 030.936 60.999 92020最小值-0.497 2-3 315.091 3-0.528 615.283 40.016 1平均值0.506 8-775.773 0-0.183 024.087 40.778 6标准差0.162 2350.729 80.062 00.934 90.157 8

3.3 生态环境质量等级特征

为可视化、定量化分析RSEI，将RSEI值以0.2为间隔将生态环境质量划分为优、良、一般、较差和差等5个等级[32-33]，并对各等级的区域面积及其占比进行统计，结果见表3。结合实地调查结果，优等级生态环境区域主要为沼泽地和草地，良好等级生态环境区域主要为芦苇地，一般等级生态环境区域主要为林地，较差等级生态环境区域主要为近岸裸地，差等级生态环境区域主要为公路、建设用地。

对4个年度5个生态环境质量等级的区域面积进行统计和检测，在计算RSEI值时对水体进行掩膜处理。表3结果显示，由于水体面积没有计算在内，以致于各年度各等级的区域面积有所不同。由表3可以看出：长江岸线湖南段1990、2000、2010年的生态环境质量等级均以一般等级的区域面积占比最大，分别为26.62%、28.19%和35.31%；其次为良好等级的，其区域面积占比分别为24.17%、24.67%和17.72%；优等级的区域面积占比一直呈下降趋势，分别为21.16%、15.65%和11.46%；较差等级、差等级的区域面积占比均呈增加趋势，较差等级的区域面积占比分别为18.61%、20.90%、21.76%，差等级的区域面积占比分别为9.44%、10.59%和13.75%。2020年长江岸线湖南段生态环境质量等级以良好等级的区域面积最大，达33.48%；一般等级区域面积次之，为25.15%；差等级的区域面积最小，仅为8.08%。从4个年度的生态环境质量优等级和良好等级的区域面积占比的变化来看，1990、2000、2010、2020年的良好以上等级的区域面积占比分别为45.33%、40.32%、29.18%和51.13%，1990—2020年良好以上等级的区域面积占比总体上呈上升趋势，说明1990—2020年长江岸线湖南段的生态环境质量得到了明显改善。

3.4 生态环境质量变化

对1990年和2020年的生态环境质量等级变化进行检测和统计，结果见表4。从实地核查结果来看，生态环境质量变差的区域主要集中在大堤岸线周边的建设用地、工业用地等人类活动较为密集的区域，变好的区域主要集中于长江堤岸垸外的中高程滩地，大部分区域生态环境质量保持不变。从表4中可知：1990—2020年生态环境质量变化面积从大到小依次为变好、不变、变差，其中，变好的区域面积为71.6571km2，面积占比为46.27%；不变的区域面积为41.8680km2，面积占比为27.04%；变差的区域面积为41.3253km2，面积占比为26.69%。生态环境质量等级变化以上升1、2个等级和下降1个等级的为主，上升1、2个等级的区域面积之和比下降1个等级的区域面积增加了31.4055km2，面积占比增加了20.28%。表明1990—2020年，长江岸线湖南段的生态环境质量变化是一个渐变的过程，虽然在一定时期出现了生态退化现象，但随着生态保护政策的实施，生态环境质量逐渐得到了改善。

表3 1990—2020年长江岸线湖南段生态环境质量各等级区域的面积及其占比Tab.3Area and proportion of RSEI in each level of Yan-gtze River shoreline in Hunan Province from 1990 to 2020年度生态环境质量等级(RSEI值)区域面积/km2区域面积占比/%优(0.8,1〕85.252521.16良好(0.6,0.8〕97.405724.171990一般(0.4,0.6〕107.267026.62较差(0.2,0.4〕75.004918.61差〔0,0.2〕38.04359.44合计402.9736100优(0.8,1〕61.485315.65良好(0.6,0.8〕96.881724.672000一般(0.4,0.6〕110.738928.19较差(0.2,0.4〕82.093020.90差〔0,0.2〕41.585010.59合计392.7839100优(0.8,1〕44.446711.46良好(0.6,0.8〕68.746317.722010一般(0.4,0.6〕136.966235.31较差(0.2,0.4〕84.424321.76差〔0,0.2〕53.324213.75合计387.9077100优(0.8,1〕73.200517.65良好(0.6,0.8〕138.859933.482020一般(0.4,0.6〕104.309925.15较差(0.2,0.4〕64.839615.64差〔0,0.2〕33.49068.08合计414.7005100

表4 1990—2020年长江岸线湖南段生态环境质量等级变化面积及其占比Tab.4The area and proportion change of each RSEI level of Yangtze River shoreline in Hunan Province from 1990 to 2020生态环境质量变化类别生态环境质量级差类面积/km2级面积/km2变化面积占比/%-40.000 00.00变差-31.961 141.325 31.27-210.963 87.08-128.400 418.34不变041.868 041.868 027.04135.573 422.97变好224.232 571.657 115.65310.067 46.5041.783 81.15

4 结论与讨论

(1)1990、2000、2010、2020年长江岸线湖南段的遥感生态指数(RSEI)平均值分别为0.6848、0.6729、0.5912、0.7786，1990—2000年和2000—2010年的RSEI值一直降低，但其降低幅度小于2010—2020年的增加幅度，表明近10年来随着生态保护政策的实施，长江岸线湖南段的生态环境质量得到了明显改善，这与研究区气候变化密切相关。已有研究[34]表明，30年来洞庭湖区平均气温上升速率为0.02 ℃·a-1，降水量下降速率为13.739 mm·a-1，气温的升高和降水量的下降对植被生长有一定的影响，尤其是2003年三峡蓄水前后年均流量降低了1263.84 m3·s-1[35]，这直接促进了岸线杨树、芦苇产业的发展，一定程度上加剧了湿地景观破碎化和湿地生境质量的退化，这与Fang[36]、Nemani[37]和 Liu[38]等研究得出的气温与降水等水热气候条件对植被覆盖空间格局驱动因素影响的结果相一致。

(2)从4个生态指标来看，绿度指标(NDVI)和湿度指标(Wet)对研究区生态环境质量起正向作用，干度指标(NDBSI)和热度指标(LST)起负向作用，且绿度和湿度对生态环境质量的正向作用大于温度升高、土壤干化和建设用地等对生态环境质量的负向作用。这表明江河岸线是生态风险较大的区域，具有较高的生物多样性和生态脆弱性，岸线周边村镇的城市化、工业建设用地增加以及围垦、养殖等人类活动对岸线交错带生态环境质量产生了重要影响[39]。

(3)1990—2020年长江岸线湖南段生态环境质量状况得到了明显改善，其中优和良好等级的区域面积变化呈现先降低后增加的变化趋势，其1990、2000、2010、2020年的区域面积占比之和分别为45.33%、40.32%、29.18%和51.13%，2020年的优和良好等级的区域面积占比之和比1990年的增加了5.80%；生态环境质量变好的区域面积最大，不变的区域面积次之，变差的区域面积最小，其面积占比分别为46.27%、27.04%和26.69%；生态环境质量等级上升1、2个等级的区域面积之和比下降1个等级的区域面积增加了31.405 5 km2，面积占比增加了20.28%。这主要是由于2003 年水利枢纽工程运行、1980—2010 年大规模人工植芦和造林、岸线周边村镇的城市化、工业建设用地的增加以及围垦、养殖等人类活动对岸线生态环境质量造成了严重威胁[40]，2016年以来，随着《长江经济带生态环境保护规划》《长江保护修复攻坚战行动计划》以及《湖南省贯彻落实〈长江保护修复攻坚战行动计划〉实施方案》等一系列重大举措的相继实施，人类活动对岸线湿地生态系统和生物多样性的干扰程度大幅减少，使岸线生态环境质量得到了明显改善，为促进长江岸线经济可持续发展奠定了基础。