況潤(rùn)元，羅 衛(wèi)，張 萌，萬(wàn)文韜，楊惠晨，李大千

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000）

基于遙感的贛江源地區(qū)地表生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

況潤(rùn)元，羅 衛(wèi)，張 萌，萬(wàn)文韜，楊惠晨，李大千

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000）

鑒于傳統(tǒng)人工調(diào)查生態(tài)環(huán)境時(shí)人力、物力投入較大，且不利于宏觀大范圍的觀測(cè).文中利用選取贛江源地區(qū)的石城縣為研究區(qū)，以Landsat衛(wèi)星的TM影像為數(shù)據(jù)源，利用遙感技術(shù)提取關(guān)鍵的生態(tài)因子，并將植被覆蓋度、土壤指數(shù)、坡度等信息進(jìn)行歸一化，建立生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型.運(yùn)用該模型對(duì)贛江源地區(qū)近20年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).結(jié)果表明：贛江源地區(qū)的總體自然生態(tài)環(huán)境良好，其東北部和東南部及西部的自然生態(tài)環(huán)境好于中部地區(qū)，生態(tài)環(huán)境整體不斷改善.采用遙感方法進(jìn)行贛江源生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)是可行的.

遙感；贛江源地區(qū)；生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)；生態(tài)因子

0 引言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)就是根據(jù)特定的目的，通過(guò)選取具有代表性、可比性、可操作性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度進(jìn)行定性或定量的分析和判別.基于環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或者實(shí)地考察的數(shù)據(jù)的環(huán)境評(píng)價(jià)，其人力、物力投入較大，而不利

于宏觀大范圍的觀測(cè).隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，為自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供了新的技術(shù)手段.諸多學(xué)者利用不同的方法和模型對(duì)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)進(jìn)行了深入的研究.江振藍(lán)等[1]利用遙感數(shù)據(jù)提取福州市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)因子，并通過(guò)線(xiàn)性回歸方法確定各因子的權(quán)重，建立生態(tài)環(huán)境遙感評(píng)價(jià)模型；王欽[2]、羅彩蓮[3]采用景觀生態(tài)學(xué)方法分別對(duì)閩江水口庫(kù)區(qū)和高速公路的自然生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià).朱遠(yuǎn)輝等[4]利用新豐江流域的3個(gè)時(shí)期（1988、1998和2011年）的遙感和DEM等數(shù)據(jù)，建立新豐江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系.況潤(rùn)元等[5]采用最優(yōu)尺度對(duì)高分辨率影像進(jìn)行分割，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)贛州礦山的監(jiān)測(cè)，有利于進(jìn)一步評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境.Karthikeyan[6]提出了應(yīng)用一個(gè)總環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（TEQI）來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境總體質(zhì)量.但是這些研究還不夠深入，因此利用遙感信息提取多種自然環(huán)境因子，并利用GIS技術(shù)建立自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，把該模型應(yīng)用于贛江源地區(qū)進(jìn)行自然生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).

基于贛江源地區(qū)的TM影像數(shù)據(jù)，以贛江源地區(qū)的石城縣為研究區(qū)，利用從遙感影像中提取出來(lái)的植被覆蓋指數(shù)、土壤指數(shù)和地形因子等進(jìn)行自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，為以后有效監(jiān)測(cè)贛江源地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)，進(jìn)而合理保護(hù)好贛江的源頭.

圖1 贛江源地區(qū)示意圖

1 研究區(qū)概況

贛江源地區(qū)的石城縣位于贛州市東北部（圖1），江西省東南部，是贛江的發(fā)源地，也是贛州乃至江西的主要水源地，關(guān)系著贛南地區(qū)和江西的生態(tài)環(huán)境.介于北緯25°57′47"～26°36′13"、東經(jīng)116°05′ 46"～116°38′03"，總面積1581.546 km2，總?cè)丝?0.2萬(wàn)人.境內(nèi)山多田少，受亞熱帶季風(fēng)氣候控制，溫和濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛，適合農(nóng)作物與森林生長(zhǎng).石城的生態(tài)環(huán)境較好，森林覆蓋率達(dá)66.8%，大小河溪140條，水質(zhì)純凈無(wú)污染.溫和的氣候，豐富的雨量，為石城發(fā)展高效、特色農(nóng)業(yè)提供了良

好的條件，石城縣是“中國(guó)煙葉之鄉(xiāng)”和“中國(guó)白蓮之鄉(xiāng)”.

2 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

Landsat-5對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星于1984年3月1日發(fā)射成功，其搭載的專(zhuān)題繪圖儀TM影像（Thematic Mapper）分為7個(gè)波段，分別是藍(lán)波段(0.45～0.52 μm)、綠波段(0.52～0.60 μm)、紅波段(0.63～0.69 μm)、近紅外波段(0.76～0.90 μm)、兩個(gè)短波紅外波段（1.55～1.75 μm）和（2.08～2.35 μm）及長(zhǎng)波紅外（10.40～12.5 μm），除了第6波段（長(zhǎng)波紅外波段）的空間分辨率為120 m，其余6個(gè)波段都為30 m. TM影像有較高空間分辨率，數(shù)據(jù)量大，信息豐富，獲取便捷等特點(diǎn)，在土地利用、農(nóng)作物病蟲(chóng)害、城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)及反演水質(zhì)參數(shù)等很多方面都得到了廣泛的應(yīng)用[7-10].

研究選取1989年2月13日、2002年1月8日和2009年1月11日三景TM影像數(shù)據(jù)及石城縣的DEM數(shù)據(jù)和矢量行政區(qū)劃圖（校正后）等輔助信息.

數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先對(duì)TM影像輻射定標(biāo)，然后利用ENVI遙感處理軟件的FLAASH大氣校正模型對(duì)影像進(jìn)行大氣校正，將圖像的像元值轉(zhuǎn)化為反射率.最后采用人機(jī)交互式的方法在石城縣矢量行政區(qū)劃圖上選取多個(gè)GCP(地面控制點(diǎn))，按照均勻分布及一些地物特征明顯的地方進(jìn)行選取，利用二次多項(xiàng)式和最鄰近內(nèi)插法對(duì)TM影像進(jìn)行幾何精度糾正，并保證誤差在0.5個(gè)像元內(nèi).

2.2 生態(tài)環(huán)境因子提取

運(yùn)用NDVI、波段運(yùn)算、纓帽變換等多種手段對(duì)研究區(qū)的TM影像進(jìn)行處理，獲取了反映生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵因子：植被、土壤、坡度及綜合信息4項(xiàng)指數(shù).

2.2.1 植被覆蓋度

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是使用最廣泛、簡(jiǎn)單靈活的一種植被指數(shù)，其計(jì)算公式為：

式（1）中，近紅外波段NIR對(duì)應(yīng)TM影像中第4波段，紅波段R對(duì)應(yīng)TM影像中的第3波段.

由于歸一化植被指數(shù)(NDVI)是地物光譜信息推算而得到的定量值，其反映了地表植被狀況，所以一個(gè)像元的NDVI值是由兩部分組成：無(wú)植被覆蓋(裸土)部分所貢獻(xiàn)的信息和地表綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息.因此直接依據(jù)NDVI的大小來(lái)估算植被覆蓋度，其結(jié)果是不夠理想的.因此利用估算植被覆蓋度模型[11]：

式（2）中，NDVI是歸一化植被指數(shù)，NDVImin表示贛江源地區(qū)最小的NDVI值，NDVImax表示贛江源地區(qū)最大的NDVI值，由于TM影像中不可避免的存在著噪聲，因此該區(qū)域內(nèi)最小NDVI值和最大的NDVI值并不一定是NDVImin和NDVImax，依據(jù)以往諸多學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，選擇以5%的累積百分比為置信度區(qū)間，讀取對(duì)應(yīng)的像元值，從而確定有效的NDVI最大和最小值分別0.53和0.106.利用式（3）計(jì)算贛江源地區(qū)的植被覆蓋度F.

式（3）的意思是小于NDVImin的像元賦值為0，大于NDVImax的像元賦值為1，也就是說(shuō)NDVI最大部分可能是又有植被覆蓋度太大，造成NDVI失靈，就認(rèn)為這部分區(qū)域的植被覆蓋度是1；在兩者之間的，運(yùn)用NDVI估算模型計(jì)算.

2.2.2 土壤指數(shù)

土壤指數(shù)采用常用的裸土植被指數(shù)（GRABS）：

式（4）中，VI代表穗帽變換的綠度指數(shù)，BI表示穗帽變換的土壤亮度指數(shù).綠度指數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)植被的行為，土壤亮度指數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)裸土的行為，故由BI和VI線(xiàn)性組合形成的裸土植被指數(shù)能很好地反映土壤的裸露情況[12].

2.2.3 坡度影像數(shù)據(jù)的生成

贛江源地區(qū)的石城具有“八山半水一分田，半分道路和莊園”的特征，是個(gè)典型的東南丘陵低山地區(qū)，其中山地面積約占總面積的89%，坡度對(duì)土壤侵蝕和植被長(zhǎng)勢(shì)有著較大的影響，所以該研究的坡度因子是自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中必不可少的關(guān)鍵因子.高翔等[13]利用GIS技術(shù)對(duì)不同坡度等級(jí)的土壤侵蝕特征進(jìn)行了分析，研究表明在理想狀態(tài)中一般坡度等級(jí)越高，土壤侵蝕越明顯；但在坡度等級(jí)較低的地帶由于存在較多的人為活動(dòng)，土地開(kāi)發(fā)利用程度較高，從而對(duì)植被和土壤的破壞較大，會(huì)造成反?，F(xiàn)象.研究中利用USGS提供的GLS2000產(chǎn)品的DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ENVI軟件的Topographic Modeling的功能下Slope提取出研究區(qū)的坡度.

2.3 生態(tài)因子歸一化

各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)因子生成之后，由于量綱不一致，因此可比性不強(qiáng)，從而直接運(yùn)用各指標(biāo)項(xiàng)去進(jìn)行贛江源地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)是較為困難的.依據(jù)各環(huán)境評(píng)價(jià)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度來(lái)決定各評(píng)價(jià)因子的量化分值，采用統(tǒng)一順序原則，即按照各評(píng)價(jià)因子對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的正向影響的大小，從低到高劃分為若干等級(jí)，根據(jù)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)越大，等級(jí)越高，反之則等級(jí)越低.各個(gè)參評(píng)因子數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化后是一組反映其屬性特征的數(shù)值，其值介于1~10之間（表1）.

表1 生態(tài)因子歸一化

2.4 建立生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型

研究選擇的評(píng)價(jià)模型是綜合指數(shù)法：

式（5）中，E表示生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，Sv代表植被覆蓋度，Ss表示土壤指數(shù)，St代表坡度.因?yàn)樵u(píng)價(jià)模型中各生態(tài)環(huán)境因子對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)不同，所以應(yīng)賦予不同的評(píng)價(jià)權(quán)重.因此評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性取決于權(quán)重系數(shù)大小分配是否合理.由于在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中，植被覆蓋度的貢獻(xiàn)最大，土壤指數(shù)貢獻(xiàn)其次，坡度貢獻(xiàn)較小，因此采用專(zhuān)家打分法確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重：W1=0.7，W2=0.2，W3=0.1.

根據(jù)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，將其劃分為差、中、良和優(yōu)四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，贛江源地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

表2 贛江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境等級(jí)劃分

3 近20年的生態(tài)環(huán)境變化

利用建立好的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，應(yīng)用到贛江源地區(qū)預(yù)處理好的遙感影像中，從而得到贛江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)圖（圖2）.如圖2所示，贛江源地區(qū)整體上東北和東南部及西部明顯好于中部河谷地區(qū)，近20年來(lái)，評(píng)價(jià)等級(jí)是優(yōu)良的占大多數(shù)，說(shuō)明該地區(qū)大部分區(qū)域的自然生態(tài)處于良好；綜合評(píng)價(jià)是優(yōu)的區(qū)域大部分集中森林腹地及河谷狹小平原且耕地作物長(zhǎng)勢(shì)較好；綜合評(píng)價(jià)處于差的區(qū)域中水域部分占了一部分，其余主要集中在居民地、交通用地區(qū)域.贛江源地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境不變的區(qū)域主要的森林腹地；而人類(lèi)活動(dòng)頻繁的地域，生態(tài)環(huán)境改變較大，可以清楚的觀察到石城縣縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)建設(shè)地帶和交通設(shè)施建設(shè)地帶（泉南高速和濟(jì)廣高速過(guò)境路段等）生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；變好的區(qū)域主要分布在低山丘陵區(qū)，植被覆蓋度越來(lái)越好，且變化的區(qū)域范圍也較廣，是變化的主要趨勢(shì).因此贛江源地區(qū)大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是向好的方向發(fā)展.

利用ARC/INFO的統(tǒng)計(jì)功能分別計(jì)算出1989年、2002年和2009年三年的各生態(tài)級(jí)別的面積，

進(jìn)而得出其變化.從變化趨勢(shì)來(lái)看（表3），生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)差的區(qū)域面積由1989年的149.0237 km2降為2002年的50.1273 km2，然后上升了一點(diǎn)點(diǎn)到2009年的54.5454 km2；評(píng)價(jià)等級(jí)中的區(qū)域面積由1989年的311.9714 km2一直減少至2009年的180.9837 km2；生態(tài)環(huán)境處于良的區(qū)域面積由1989年所占總面積25.1%一直降至2009年的20%；生態(tài)環(huán)境處于優(yōu)的區(qū)域面積由1989年的725.1579 km2一直增加至2009年的1029.491 km2，其中2002年比1989年增長(zhǎng)了16.4%.

圖2 贛江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)變化圖

總體來(lái)說(shuō)，贛江源地區(qū)的生態(tài)環(huán)境整體上不斷改善，自然環(huán)境越來(lái)越好，其主要原因如下：首先建

立了國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，通過(guò)合理規(guī)劃，把科學(xué)研究、教育、生產(chǎn)和旅游等活動(dòng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使它的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益都得到充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.其次贛江中下游地區(qū)對(duì)石城縣進(jìn)行了生態(tài)補(bǔ)償，有助于當(dāng)?shù)鼐用窀淖兇址诺慕?jīng)濟(jì)發(fā)展方式，參與保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境.隨著該地區(qū)人民生活水平的提高，轉(zhuǎn)變了以往靠柴火來(lái)生活，從而減少砍伐植被活動(dòng)，有利于當(dāng)?shù)刂脖坏幕謴?fù).最后當(dāng)?shù)卣Y(jié)合實(shí)際情況大力發(fā)展有機(jī)特色農(nóng)業(yè)（種植煙草和白蓮），有利于保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境.然而局部地區(qū)由于受自然環(huán)境條件的制約并未改善，有些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化：隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)建設(shè)使耕地、林地及草地演變成為建設(shè)用地或者裸地等，生態(tài)環(huán)境受到破壞.

表3 贛江源地區(qū)的生態(tài)級(jí)別面積和比例

4 結(jié)論

以往實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常由于觀測(cè)站點(diǎn)離散分布，從而很難獲得大范圍區(qū)域內(nèi)全面的數(shù)據(jù).利用遙感技術(shù)提取生態(tài)因子，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行多因素綜合定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)贛江源地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

從自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，贛江源地區(qū)東北和東南部及西部明顯好于中部河谷地區(qū)，近20年呈現(xiàn)出整體不斷改善的趨勢(shì)，這些都能與實(shí)際情況基本相吻合，說(shuō)明利用遙感技術(shù)對(duì)贛江源地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)是可行的.

實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是生態(tài)環(huán)境研究中需解決的問(wèn)題.利用遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)間序列的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)圖，從而可以獲得生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化資料.但還需和一些遙感難以獲取的地面數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能更有效地實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)預(yù)測(cè).

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Assessment of the ecological environment in Ganjiang source region based on remote sensing

KUANG Runyuan,LUO Wei,ZHANG Meng，WAN Wentao,YANG Huichen,LI Daqian
（School of Architectural and surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

Given that the traditional artificial ecological investigation needs larger human power and material resources,and is not conducive to a wide range of macro-observation,the article selects Shicheng county in Ganjiang source region as research area,with data source of TM image from Landsat satellite,using remote sensing technology to extract the key ecological factors,normalizing the vegetation coverage,soil index,slope information to build an assessment of the ecological environment model.Using the model for dynamic monitoring of the ecological environment quality in Ganjiang source region in the nearly 20 years,the result shows that the overall natural ecological environment in Ganjiang source region is fine,the natural ecological environment in the northeast,southeast and the west are better than that of the central region,and the overall ecological environment is improving.In the whole,using remote sensing method for ecological environment comprehensive evaluation of Ganjiang source region is feasible.

remote sensing；Ganjiang source region；assessment of the ecological environment；ecological factor

P208；X87

A

2014-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101322）；江西省科技廳資助項(xiàng)目（20114BAB213022）；江西省教育廳科技資助項(xiàng)目（GJJ13424）

況潤(rùn)元（1976-），男，博士，副教授，主要從事遙感機(jī)理與應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究，E-mail：rykuang@163.com.

2095-3046(2014)05-0034-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.007