張明華，譚 悅

（1.廈門理工學(xué)院 空間信息科學(xué)與工程系361024福建 廈門；2.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 廣西 桂林541004）

生態(tài)環(huán)境是人類社會生存與發(fā)展的基礎(chǔ)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，已經(jīng)成為全世界的共識，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家十分注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與評價工作，已先后研制并發(fā)射了大量的環(huán)境遙感衛(wèi)星和傳感器，對大氣、水和生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測，20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價開展了大量的研究工作［1－4］。

目前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價主要是以統(tǒng)計(jì)和觀測資料為主要數(shù)據(jù)源，對非定量評價因子以專家評分方法進(jìn)行量化和確定其權(quán)值，以行政區(qū)域（市或縣）為評價單元進(jìn)行評價［5－7］，這種方法實(shí)質(zhì)上是一種半定量的評價方法，數(shù)據(jù)來源復(fù)雜、信息獲取時間不一致甚至相差久遠(yuǎn)，評價因子繁多龐雜，評價結(jié)果受主觀和人為因素影響大，導(dǎo)致評價結(jié)果的可信度不高甚至與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。近年來，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，有些學(xué)者開始直接利用遙感影像來提取生態(tài)環(huán)境因子來進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價［8－9］，提高了信息獲取、更新速度和評價的定量化程度，但僅局限于利用遙感影像提取個別生態(tài)環(huán)境信息，對遙感影像中生態(tài)環(huán)境信息的利用極不充分。本文以唐山地區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，在國土資源部《唐山市周邊地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測》項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，探討利用遙感技術(shù)挖掘遙感影像中的生態(tài)環(huán)境信息，直接從ETM＋影像中提取生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)因子，以像元為評價單元對唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，結(jié)合GIS支持下的空間統(tǒng)計(jì)分析，查明唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況和空間分布，為改變唐山市及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境差的不利狀況［10］，改善和提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供重要的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要包括唐山市及周邊豐潤、豐南、灤縣、灤南四縣所轄地帶。其地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)117°30′－119°17′，北緯39°06′－40°05′，唐山市地處環(huán)渤海灣中心地帶，北依燕山，南臨渤海，東與秦皇島市接壤，西與北京、天津毗鄰，地勢北高南低，北部為山地，發(fā)育暖溫帶森林灌叢植被，以天然次生和人工針、闊混交林為主，中部和南部分別為山前平原和濱海平原。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，其年平均氣溫11.3℃，年平均降雨量620－750mm，境內(nèi)主要有灤河、陡河、還鄉(xiāng)河、沙河等河流。唐山地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，主要有煤、鐵和非金屬等多種優(yōu)勢礦產(chǎn)。

2 研究方法

2.1 圖像預(yù)處理

研究區(qū)包含四景ETM＋衛(wèi)星影像（121／32、121／33、122／32、122／33），成像時間為2005－2006年8－10月，影像清晰，含云量均在5%以下，無條帶和噪聲干擾，質(zhì)量較好。先以1∶10萬地形圖在ENVI 4.2軟件下以二次多項(xiàng)式模型、雙線性內(nèi)插方法分別對四景ETM＋影像進(jìn)行幾何精校正，然后以121／32景影像為基準(zhǔn)，對其余三景影像進(jìn)行相對輻射校正，利用像元灰度值建立多時相遙感圖像各個波段之間的校正方程，采用偽不變特征法對遙感圖像進(jìn)行歸一化處理。用基于坐標(biāo)參考方法對四景影像進(jìn)行圖像鑲嵌，對研究區(qū)行政區(qū)劃矢量文件（.shp格式）進(jìn)行投影變換，再在ENVI 4.2下轉(zhuǎn)換為感興趣區(qū)（ROI），對研究區(qū)鑲嵌影像進(jìn)行裁剪，生成研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價遙感影像底圖。

2.2 土地覆蓋類型劃分

土地覆蓋類型是反映一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的重要表征參數(shù)。以TM7（R）、TM 4（G）、TM 1（B）波段組合與TM8全色波段進(jìn)行影像融合，通過對比度擴(kuò)展和均衡化處理，生成覆蓋研究全區(qū)的假彩色影像作為遙感解譯底圖。通過影像的光譜特征和空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合野外遙感地面調(diào)查，建立各種土地覆蓋類型的遙感解譯標(biāo)志，對唐山地區(qū)土地覆蓋類型進(jìn)行圖像識別與解譯分析，得出主要土地覆蓋類型為裸地、耕地、水體、鹽堿地、建筑用地、林地。

在對影像進(jìn)行波譜統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)地物類型及特征，選擇第TM1－5、TM7六個波段在ENVI 4.2下進(jìn)行土地覆蓋類型的樣本采集，然后用訓(xùn)練樣本進(jìn)行影像的監(jiān)督分類。由于研究區(qū)絕大部分地區(qū)為平原區(qū)，地勢變化小，圖像分類選用較為成熟的最大似然法，通過反復(fù)的樣本純化和分類試驗(yàn)，得出唐山地區(qū)不同土地覆蓋類型的分類影像圖，對比遙感解譯圖與野外調(diào)查資料，抽取一定數(shù)量像元進(jìn)行精度檢驗(yàn)，林地、水體分類精度達(dá)86%以上，其分類總精度達(dá)83%。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的關(guān)鍵問題包括3方面內(nèi)容：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系、評價因子權(quán)重值的確定、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型。

2.3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo) 目前，國內(nèi)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價還沒有統(tǒng)一的規(guī)范和方法，不同學(xué)者因研究的區(qū)域和地理背景不同，所采用的指標(biāo)體系有所差異［11－14］，參照國家環(huán)境保護(hù)總局頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）（HJ／T192－2006）》，一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價一般需涉及生物的豐度、植被情況、土地退化、水資源和污染承載5個方面因素，考慮到研究區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和遙感圖像特征，本文選擇生物豐度、植被覆蓋度、土地退化、水資源狀況4個方面的遙感指數(shù)作為評價指標(biāo)。

（1）生物豐度指數(shù)。生物多樣性是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，生物豐度決定著生態(tài)系統(tǒng)的面貌，是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最本質(zhì)的特征之一。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）（HJ／T192－2006）生物豐度信息間接用土地覆蓋類型來獲取，其計(jì)算模型為：

式中：Abio——生物豐度指數(shù)；a1——林地；a2——草地；a3——水域濕地；a4——耕地；a5——建設(shè)用地；a6——未利用地；A——區(qū)域總面積。

（2）植被覆蓋度。植被是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的基本成分，直接反應(yīng)一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況。由于紅光和紅外波段包含90%以上的植被信息，通常利用植物在近紅外與紅光兩個波段光譜值的差異值來估算植被覆蓋度，多采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）［15］求取。即：

式中：TM4、TM3分別代表TM 影像的第4波段圖像、第3波段圖像的亮度值。

（3）土壤亮度指數(shù)。土壤亮度指數(shù)是體現(xiàn)土壤裸化程度的一種定量指數(shù)，反映一個地區(qū)的土壤退化程度。土壤亮度指數(shù)可以從TM影像中用纓帽變換的亮度分量（TC1）或NDSI指數(shù)［16］來提取。其中：

式中：TM3、TM2分別代表TM 影像的第3波段圖像、第2波段圖像的亮度值。

唐山地區(qū)兩種亮度指數(shù)與土地覆蓋類型的關(guān)系如圖1。對比研究表明，TC1與NDSI呈二次函數(shù)關(guān)系（近似拋物線），但NDSI在非水體覆蓋區(qū)對不同地類的差異性反映更明顯，擬采用NDSI指數(shù)提取土壤亮度指數(shù)。

圖1 唐山地區(qū)土地覆蓋類型與土壤亮度指數(shù)關(guān)系圖

（4）土壤濕度指數(shù)。土壤濕度指數(shù)是反映土壤中水分含量和作物水分狀況的一個指標(biāo)，土壤濕度也是各類生態(tài)系統(tǒng)中的重要因素之一。土壤濕度指數(shù)可用纓帽變換的濕度分量（TC3）或 NDMI指數(shù)［17］求取。其中：

式中：TM2、TM5分別代表TM影像的第2波段圖像、第5波段圖像的亮度值。

唐山地區(qū)兩種濕度指數(shù)與土地覆蓋類型的關(guān)系如圖2。對比研究表明，兩種濕度指數(shù)TC3與NDMI呈非線性函數(shù)關(guān)系，但NDMI反映地物差異性好于TC3，擬采用NDSI指數(shù)提取土壤亮度指數(shù)。

圖2 唐山地區(qū)土地覆蓋類型與地壤濕度指數(shù)關(guān)系圖

2.3.2 評價因子權(quán)重值 對生態(tài)環(huán)境評價因子權(quán)重的確定方法較多，為減少評價中的主觀性，擬選擇主成份分析法來計(jì)算各評價因子的權(quán)重。

首先，對各評價指標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)法去除極像元后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（范圍 ［0，5］），并求解參評因子之間的相關(guān)系數(shù)：

式中：i、j——參評因子數(shù)（i、j＝1，2，3，4）；k——參評因子影像像元數(shù)；rij——第i個參評因子和第j個參評因子之間的相關(guān)系數(shù)；N——研究區(qū)像元總數(shù)；xik、xjk——第i、j個因子影像的第k個像元點(diǎn)的DN值；ˉxi、ˉxj——第i、j個因子影像像元的平均值。

其次，根據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算各評價指標(biāo)影像的相關(guān)系數(shù)矩陣，用雅可比法求出特征值λi，再求解主成分貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。其中：

貢獻(xiàn)率：

累積貢獻(xiàn)率：

式中：i——指標(biāo)影像數(shù)；N——主成分?jǐn)?shù)；zi、vi——第i個主成分貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率；λi、λk——第i、k個評價指標(biāo)影像的特征值。

然后，計(jì)算各個參評因子在各個主成分上的比重系數(shù)、公因子方差。其中：

式中：j——參 評 因 子 數(shù)；i——主 成 分 數(shù)；P（pcai，xj——第j個參評因子xj在第i主成分pcai上的比重系數(shù)；λi——第i主成分的特征值；eij——第i主成分的特征值的第j分量；m——所選取的主成分的數(shù)量。

公因子方差：

式中：j——參評因子數(shù)；i——主成分?jǐn)?shù)；Hj——第j個參評因子的公因子方差；P（pcai，xj）——第j個參評因子xj在第i主成分pcai上的比重系數(shù)；zi——第i個主成分貢獻(xiàn)率；m——所選取的主成分的數(shù)量。

最后，對各參評因子指數(shù)的公因子方差進(jìn)行歸一化處理，即得各參評因子的權(quán)重值w（表1）。

2.3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價 目前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法或模型主要有層次分析法、綜合指數(shù)法、模糊評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。為了全面綜合地反映研究區(qū)的自然生態(tài)現(xiàn)狀，根據(jù)各參評因子的權(quán)重，以影像像元為評價的基本單元，采用綜合指數(shù)法對所有參評因子影像進(jìn)行逐像元運(yùn)算和評價，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)（W）的計(jì)算模型為：

式中：N——參評因子總數(shù)；wi——第i個參評因子的權(quán)重系數(shù)；xi——第i個參評因子指數(shù)。

表1 評價因子指數(shù)在主成分中的系數(shù)及權(quán)重值

在ENVI 4.2平臺中根據(jù)評價指標(biāo)影像和權(quán)重值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)影像圖，影像各像元點(diǎn)的DN值即為所求的綜合指數(shù)（W），范圍為［0，5］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖所顯示的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的空間分布特征，并參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）（HJ／T192－2006）》，將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4級，分別對應(yīng)于優(yōu)、良、中等、差4種生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級。最后得出唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級圖如附圖13。

3 結(jié)果與分析

通過在ENVI 4.2中進(jìn)行影像分割和在Arc－Gis9.2中的拓?fù)浞治?、屬性統(tǒng)計(jì)，得出唐山地區(qū)不同等級的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的占地面積及不同土地覆蓋類型的占地面積如表2。

利用行政區(qū)劃矢量圖對唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)分級圖進(jìn)行裁剪，根據(jù)行政區(qū)劃進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，得出唐山地區(qū)各區(qū)縣不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級的分布面積如表3，各區(qū)縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值如表4。

3.1 唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征與分布

唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布不均一，Ⅰ級分布較局限、面積小，主要在豐潤區(qū)、灤縣的北部山地區(qū)域，占總面積的2.76%；Ⅱ級分布范圍較廣、面積較大，主要在豐潤區(qū)南部、豐南縣、灤南縣東部地區(qū)，約占總面積的32.11%；Ⅲ級在各區(qū)縣分布也較廣泛，主要集中在唐山市、豐南縣西南部，占總面積的26.57%；Ⅳ級主要分布在研究區(qū)的東部和北部、以灤縣、灤南縣、唐山市分布最多，占總面積的31.68%。

唐山地區(qū)所轄各區(qū)縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量存在較大差異。唐山市城市化程度較高，建筑用地面積比例較大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等，以Ⅲ級為主，占總面積的48.85%；豐潤區(qū)耕地分布較廣，北部有大量的林地，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)均值最高，以Ⅱ級最多，占總面積的44.4%，Ⅲ、Ⅳ級也占有一定量的比例；豐南縣耕地、林地均有較大面積的分布，濱海鹽堿地也分布較廣，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)均值排第2位，以Ⅱ級、Ⅲ級為主，分別占總面積的35.24%和29.16%；灤縣耕地分布廣，但裸地面積也較大，生態(tài)質(zhì)量質(zhì)量以Ⅳ級和Ⅱ級為主，分別占總面積的58.42%和25.25%；灤南縣鹽堿地分布較廣，耕地由于鹽堿化作用，使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以Ⅲ、Ⅳ級為主，分別占總面積的29.72%和42.58%。

表2 唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)面積 km2

表3 唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計(jì) km2

對比唐山地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)及礦山環(huán)境狀況［18］，唐山市、灤縣及周邊地帶由于過度的礦業(yè)開發(fā)和忽視后期的恢復(fù)治理，在唐山市東部及東南部灤縣等礦集區(qū)，由于煤礦、鐵礦及非金屬礦露天開采，使地表覆蓋層受到破壞或剝離，造成基巖裸露、植被損毀和耕地破壞，同時，大量的固體廢棄物（煤矸石、鐵礦剝離物、尾礦）占壓耕地，部分耕地、林地變?yōu)槁愕鼗蚪ㄖ玫?，使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。

表4 唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（w）均值

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與土地覆蓋類型的關(guān)系

唐山地區(qū)林地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為Ⅰ級和Ⅱ級，以Ⅱ級為主，分別占林地面積的85.6%和14.6%；耕地、建筑用地、鹽堿地和裸地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化較大，包含了Ⅱ級－Ⅳ級三個等級，其中，耕地屬于人工生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較好，主要以Ⅱ級為主，約占耕地面積77.43%，Ⅲ級、Ⅳ級分別占14.67%、7.9%；建筑用地是人類活動較為強(qiáng)烈的區(qū)域，以Ⅲ級為主，占建筑用地面積的81.67%，別外，Ⅳ級、Ⅱ級分別占11.5%和6.83%；鹽堿地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，主要為Ⅲ級和Ⅳ級，分別占鹽堿地面積的41.92%和54.82%，Ⅱ級占5.23%；裸地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差，Ⅳ級占總面積77.3%，Ⅲ級占19.2%，Ⅱ級僅占3.5%。

4 結(jié)論

唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量存在較大的差異，西部、北部和南部地區(qū)林地和耕地分布面積較廣，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，而中部地區(qū)城鎮(zhèn)建筑用地和礦產(chǎn)資源開發(fā)占地較多，東部裸地分布較廣，東南部受海水侵蝕鹽堿化程度較高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。因此，合理有序地進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)、重視和加強(qiáng)礦產(chǎn)開發(fā)后的恢復(fù)治理，控制城鎮(zhèn)建設(shè)用地的快速擴(kuò)張，減輕海水侵蝕和改良鹽堿地等是從宏觀上控制和改善唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效途徑。

唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與土地覆蓋類型有較密切的關(guān)系，研究表明：林地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好，全部為Ⅰ級和Ⅱ級，耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量次于林地，以Ⅱ級為主，建筑用地以Ⅲ級為主，鹽堿地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，主要為Ⅲ、Ⅳ級，裸地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差，大多數(shù)為Ⅳ級。總體上，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)出“林地＞耕地＞建筑用地＞鹽堿地＞裸地”的特點(diǎn)。

隨著城市擴(kuò)展和礦產(chǎn)資源開發(fā)快速增長，唐山市及周邊地區(qū)大量耕地被占用，過度的礦業(yè)開發(fā)和忽視后期的恢復(fù)治理，使大量地表覆土層被剝離，造成基巖裸露、植被損毀和耕地破壞，同時，大量的固體廢棄物（煤矸石、鐵礦剝離物、尾礦）占壓耕地，使唐山市、灤縣及灤南縣等礦集區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。加強(qiáng)礦產(chǎn)開發(fā)的監(jiān)管和整治、改善礦山生態(tài)環(huán)境是提高唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量急需解決的重要問題。

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