王之明,母國(guó)宏

近 20年來(lái),衛(wèi)星遙感技術(shù)憑借著其能夠進(jìn)行大面積的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),時(shí)效性強(qiáng)、信息客觀真實(shí)、信息量大、數(shù)據(jù)綜合性與可比性好等特點(diǎn),在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。從土地植被變化、城市擴(kuò)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估、流域水環(huán)境安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)以及土壤侵蝕、生物棲息地等評(píng)價(jià),到海洋、海岸帶的生態(tài)環(huán)境變遷分析、海上溢油、赤潮與熱污染的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè),再到大氣環(huán)境遙感中的城市熱島效應(yīng)、重大自然環(huán)境災(zāi)害評(píng)估等,應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的各個(gè)方面。目前在軌運(yùn)行的和正在計(jì)劃發(fā)展的國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星傳感器為環(huán)境監(jiān)測(cè)所能提供數(shù)據(jù)的空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率越來(lái)越高,空間分辨率已從千米級(jí)發(fā)展到亞米級(jí);重復(fù)觀測(cè)頻率從月周期發(fā)展到幾小時(shí);光譜波段跨越了可見(jiàn)光、紅外到微波;光譜分辨率從多波段發(fā)展到超光譜。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,遙感技術(shù)現(xiàn)已成為自然資源調(diào)查、環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中不可缺少的地理空間信息獲取、更新與分析的手段和數(shù)據(jù)源[1、2、4、5]。遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)正走向?qū)崟r(shí)化和精確化,衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用也正在向定量化和業(yè)務(wù)化快速發(fā)展,目前基于遙感技術(shù)的貴州省的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)工作也走向常規(guī)化的軌道。

1 遙感影像解譯的技術(shù)流程及方法

1.1 數(shù)據(jù)源的選擇

生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)影像數(shù)據(jù)應(yīng)以中高分辨率,光譜對(duì)綠色植被比較敏感的影像為主。目前,我國(guó)可接收的可以利用的衛(wèi)星影像有 Landsat T M 5、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星、CBERS—2和 IRS—P6四種,四種衛(wèi)星影像

特征對(duì)比見(jiàn)表1。綜合考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、費(fèi)用、回訪周期和數(shù)據(jù)縱向比較等因素,我省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)以 Landsat T M 5影像為主,環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星影像為輔的數(shù)據(jù)源。

1.2 原始影像與控制影像準(zhǔn)備

表1 生態(tài)遙感衛(wèi)星影像特征對(duì)比表

若要對(duì) 2008～2009兩年間貴州省生態(tài)環(huán)境狀況及變化情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),那么需要貴州省 2008年和 2009年兩年的原始影像 (二級(jí)數(shù)據(jù))各 16景,由于貴州省按照 ROW號(hào)劃分處于40～43這個(gè)范圍內(nèi),所以時(shí)相要求在 5～10月,影像的云量要求是單景影像平均云量小于10%,受人為干擾影響大易發(fā)生生態(tài)變化的地區(qū)盡量無(wú)云層覆蓋;為了便于地物判別,波段組合采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色 432RGB波段合成;檢查控制影像地理坐標(biāo)和投影及參數(shù)是否與我們監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)投影一致 (標(biāo)準(zhǔn)投影:Albers Conical Equal Area,橢球體為 Krasovsky,中央經(jīng)線為東經(jīng)110°,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為北緯 25°和北緯 47°,投影起始緯度 12°,中央經(jīng)線偏差和起始點(diǎn)偏差為0)[3],如果不一致,利用 Erdas或 ArcGIS軟件的投影轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.3 原始影像的幾何糾正

在對(duì)影像進(jìn)行幾何糾正前需對(duì)原始影像進(jìn)行波段合成與分離,以得到我們用來(lái)解譯的 432RGB波段組合的影像,Landsat T M 5原始影像包括 7個(gè)波段,波段特征見(jiàn)表2。

波段合成后,可對(duì) 432RGB影像進(jìn)行幾何糾正,方法是利用 Erdas 9.2軟件 Geometric Correction命令實(shí)現(xiàn)。貴州省絕大部分地區(qū)屬于喀斯特地貌,影像的幾何糾正難度大,糾正模型我們選擇 Polynomial (多項(xiàng)式),大地控制點(diǎn)(GCP)每景影像 25～30個(gè) ,環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星 90～120個(gè),GCP要均勻分布;重采樣方法為 Bilinear Interpolation(雙線過(guò)濾法),polynomial order(多項(xiàng)式順序)為 3;地勢(shì)較平坦地區(qū)polynomial的 order可設(shè)為 2,Landsat T M影像的采樣像元格大小為 30 m×30 m,其他影像的與其分辨率保持一致,另外也可采用 Eardas 9.2中的 Auto-Sync模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)糾正。糾正后的影像的存儲(chǔ)格式為 img,要求糾正后影像景內(nèi)空間坐標(biāo)誤差 (與控制影像對(duì)比)x坐標(biāo)和 y坐標(biāo)均小于15 m,即小于 Landsat T M半個(gè)像元,景與景之間接邊小于30 m。

表2 Landsat T M5原始影像波段特征

1.4 土地利用類型的室內(nèi)解譯

1.4.1 解譯方法

影像的解譯采用ArcGisWorkStation Arc/Info,我們使用其中的ARC對(duì)影像進(jìn)行矢量化,步驟為首先在ARC環(huán)境下建立工作空間(cw d:空間名),然后將 emenu菜單 (通過(guò)編程制作的矢量化編輯菜單,包括刪線、加線、加結(jié)點(diǎn),移結(jié)點(diǎn)等功能)和糾正好的影像拷入所建立的空間內(nèi),在ARC下進(jìn)入建好的工作空間(cw d:空間名),輸入編輯命令 (ae)進(jìn)入編輯狀態(tài),輸入 disp 9999(打開(kāi)連接終端),輸入&ter 9999(滿屏顯示影像),輸入 &m emenu(調(diào)出編輯菜單)對(duì)影像進(jìn)行矢量化操作,即對(duì)各種地物類型進(jìn)行判別,然后對(duì)所判別地物用多邊形勾畫(huà)出來(lái)并添加上該地物的類型代碼,再建立好拓?fù)潢P(guān)系,這樣即形成了矢量化圖層[6-7]。土地分類采用全國(guó)二級(jí)分類系統(tǒng):一級(jí)分為 6類,主要根據(jù)土地的自然生態(tài)和利用屬性;二級(jí)分為 25類,主要根據(jù)土地經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)、利用方式和覆蓋特征;耕地根據(jù)地形特征進(jìn)行了三級(jí)劃分,即進(jìn)一步劃分為平原、丘陵、山區(qū)和坡度大于 25°的耕地,依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)貴州省主要土地類型及代碼見(jiàn)表3。

表3 貴州省生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)土地利用/覆蓋分類體系

1.4.2 解譯的要求

判讀提取目標(biāo)地物的最小單元時(shí),變化的面狀地類應(yīng)大于 4×4個(gè)像元(120 m ×120 m),屏幕解譯線劃描跡精度為兩個(gè)像元點(diǎn),并且保持圓潤(rùn)。解譯圖層最終為Arc Info coverage格式,多邊形全部為閉合曲線。沒(méi)有出頭的Dangle點(diǎn),建立拓?fù)潢P(guān)系時(shí)容限值設(shè)為 10,多邊形沒(méi)有多標(biāo)志點(diǎn)或無(wú)標(biāo)志點(diǎn)的現(xiàn)象,沒(méi)有鄰斑同碼、一斑多碼、異常碼等,具有多邊形拓?fù)潢P(guān)系。各圖斑判讀精度要求一級(jí)分類 > 90%,二級(jí)分類 >85%,三級(jí)分類 >80%。

1.5 野外核查

由于自然環(huán)境的復(fù)雜性、遙感成像過(guò)程帶來(lái)的同物異譜、異物同譜現(xiàn)象以及技術(shù)人員本身的專業(yè)背景的差異,難以保證遙感信息提取 100%的準(zhǔn)確性。因此,開(kāi)展相應(yīng)的遙感調(diào)查野外核查工作是十分必要的。

1.5.1 野外核查的目的

(1)根據(jù)各地區(qū)信息提取過(guò)程中遇到的問(wèn)題,選擇有代表性的路線來(lái)修正判讀過(guò)程中出現(xiàn)的誤判,檢驗(yàn)本次遙感判讀的正確率,并對(duì)判讀數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)修正。

(2)通過(guò)選擇有代表性的地物類型,建立遙感影像野外標(biāo)志數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)結(jié)合生態(tài)調(diào)查典型案例分析,收集能反映區(qū)域生態(tài)功能、生態(tài)問(wèn)題的野外相片、錄相資料,為生態(tài)環(huán)境分析、多媒體制作提供素材。

1.5.2 野外核查的內(nèi)容

(1)選擇典型地物進(jìn)行判讀正誤校驗(yàn)。

(2)地類邊界準(zhǔn)確性核查。

(3)生態(tài)調(diào)查野外錄相資料的收集。

2 生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和指數(shù)計(jì)算方法

在對(duì)室內(nèi)解譯的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后,利用ArcMap軟件將解譯后的矢量圖層中各類地物的面積數(shù)據(jù)提取出來(lái),為計(jì)算生態(tài)指數(shù)做準(zhǔn)備。

基于生態(tài)學(xué)原理和考慮到數(shù)據(jù)獲取的可行性、可靠性,選擇了生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)五項(xiàng)指數(shù)作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.1 生物豐度指數(shù)

生物豐度指數(shù)指通過(guò)單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異,間接地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生物豐度的豐貧程度。

生物豐度指數(shù) =Abio×(0.35×林地面積 + 0.21×草地面積 +0.28×水域濕地面積 +0.11×耕地面積 +0.04×建設(shè)用地面積 +0.01×未利用地面積)/區(qū)域面積

其中,Abio——生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)。

2.2 植被覆蓋指數(shù)

植被覆蓋指數(shù)指被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)林地、草地、農(nóng)田、建設(shè)用地和未利用地五種類型的面積占被評(píng)價(jià)區(qū)域面積的比重,用于反映被評(píng)價(jià)區(qū)域植被覆蓋的程度。

植被覆蓋指數(shù) =Aveg×(0.38×林地面積 + 0.34×草地面積 +0.19×耕地面積 +0.07×建設(shè)用地面積 +0.02×未利用地面積)/區(qū)域面積

其中,Aveg——植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)。

2.3 水網(wǎng)密度指數(shù)

水網(wǎng)密度指數(shù)指被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)河流總長(zhǎng)度、水域面積和水資源總量占被評(píng)價(jià)區(qū)域面積的比重,用于反映被評(píng)價(jià)區(qū)域水的豐富程度。

水網(wǎng)密度指數(shù) =(Ariv×河流長(zhǎng)度/區(qū)域面積 + Alak×湖庫(kù) (近海)面積 /區(qū)域面積 +Ares×水資源總量/區(qū)域面積)/3

其中,Ariv——河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù);Alak——湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù);Ares——水資源量的歸一化系數(shù)。

2.4 土地退化指數(shù)

土地退化指數(shù)指被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)風(fēng)蝕、水蝕、中度侵蝕、凍融侵蝕和工程侵蝕的面積占被評(píng)價(jià)區(qū)域面積的比重,用于反映被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土地退化程度。

土地退化指數(shù) =Aero×(0.05×輕度侵蝕面積 +0.25×中度侵蝕面積 +0.7×重度侵蝕面積)/區(qū)域面積

其中,Aero——土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù)。

2.5 環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)指被評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)受納污染物負(fù)荷,用于反映評(píng)價(jià)區(qū)域所承受的環(huán)境污染壓力。

環(huán)境質(zhì)量指數(shù) =0.4×(100-ASO2×SO2排放量/區(qū)域面積)+0.4×(100-ACOD×COD排放量/區(qū)域年均降雨量)+0.2×(100-Asol×固體廢物排放量/區(qū)域面積)

其中,ASO2——SO2的歸一化系數(shù);ACOD——COD的歸一化系數(shù);Asol——固體廢物的歸一化系數(shù)。

2.6 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(Ecological Index,EI)

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)反映被評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù) =0.25×生物豐度指數(shù) + 0.2×植被覆蓋指數(shù) +0.2×水網(wǎng)密度指數(shù) +0.2× (100-土地退化指數(shù))+0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

3 生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)及變化幅度分級(jí)

(1)根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù) EI可把生態(tài)環(huán)境分為五級(jí),即優(yōu)、良、一般、較差和差。

EI≥75生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu);55≤EI<75生態(tài)環(huán)境狀況為良;35≤EI<55生態(tài)環(huán)境狀況為一般; 20≤EI<35生態(tài)環(huán)境狀況為較差;EI<20生態(tài)環(huán)境狀況為差。

(2)生態(tài)環(huán)境狀況變化幅度△EI分為四級(jí),即無(wú)明顯變化、略有變化 (好或差)、明顯變化 (好或差)、顯著變化(好或差)。

|ΔEI|≤2生態(tài)環(huán)境狀況為無(wú)明顯變化;2< |ΔEI|≤5生態(tài)環(huán)境狀況為略有變化;5<|ΔEI|≤10生態(tài)環(huán)境狀況為明顯變化;|ΔEI|>10生態(tài)環(huán)境狀況為顯著變化。

4 小結(jié)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的目的是通過(guò)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià),了解其現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,分析其變化原因,查找制約生態(tài)環(huán)境建設(shè)的障礙,最終促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理,推動(dòng)人類與自然和諧發(fā)展。

貴州省的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)起始于 2006年,每年評(píng)價(jià)一次。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看全省省域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況指數(shù) EI值從 2006年至 2009年一直處于良級(jí),年間ΔEI值無(wú)明顯變化;在全省 88個(gè)區(qū) (縣、市)的縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)級(jí)為“良”的有 76個(gè)縣,評(píng)級(jí)為“一般”的有 12個(gè)縣,主要分布于貴州省西南部,所占全省面積分別為85.1%和 14.9%。通過(guò)對(duì)全省 88個(gè)區(qū) (縣、市)EI年際變化值 (ΔEI)與生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地退化、環(huán)境質(zhì)量 5個(gè)分指數(shù)變化值進(jìn)行逐步回歸統(tǒng)計(jì)分析表明,水網(wǎng)密度對(duì) EI變化的影響最大,其余依次為生物豐度指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)和土地退化指數(shù),而對(duì)水網(wǎng)密度指數(shù)影響最大的是水資源量。

綜上所述,通過(guò)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況指數(shù) EI的計(jì)算,可以較清晰地比較生態(tài)環(huán)境狀況的現(xiàn)狀和年間變化情況,把握生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的變化趨勢(shì),同時(shí)可以會(huì)同其他環(huán)保、國(guó)土、水利、農(nóng)業(yè)等相關(guān)部門對(duì)變化的具體原因做進(jìn)一步的研究,并提出可行的生態(tài)環(huán)境建設(shè)的措施和方案,為地方生態(tài)建設(shè)和環(huán)境管理服務(wù)。

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