張　彬，楊聯(lián)安*，向　瑩，姜曉清，杜　挺，宋英強(qiáng)，楊煜岑，王　晶.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安707.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都60068

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基于RS和GIS的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價與時空變化分析——以湖北省秭歸縣為例

張彬1，楊聯(lián)安1*，向瑩1，姜曉清2，杜挺1，宋英強(qiáng)1，楊煜岑1，王晶1
1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127
2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610068

摘要:基于RS和GIS的信息技術(shù)是快速、有效地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要手段。利用秭歸縣2002年TM和2013 年OLI遙感影像及提取的土地利用數(shù)據(jù)，運用主成分分析法構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型，該模型耦合了生物豐度指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)、水體密度指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)和人類活動指數(shù)，繪制了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的等級分布圖，同時利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的差值檢測和生態(tài)等級的轉(zhuǎn)移矩陣，揭示了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化特征。結(jié)果表明：2002～2013年秭歸縣的生態(tài)環(huán)境總體質(zhì)量較好，且不斷改善，質(zhì)量等級優(yōu)的面積比重由2002年的59.24%上升到2013年的82.65%；27.26%的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，主要分布在河流外圍的農(nóng)耕地區(qū)，僅有6.09%的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差，主要分布在河流沿岸地和坡度變率大的土地利用過渡地帶；根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的轉(zhuǎn)移動態(tài)分析表明，生態(tài)等級轉(zhuǎn)向優(yōu)和良的面積，占總共轉(zhuǎn)移的92.98%，而轉(zhuǎn)向差和較差的僅占總共轉(zhuǎn)移的0.48%。

關(guān)鍵詞:生態(tài)環(huán)境；綜合評價；時空變化；RS；秭歸縣

快速、有效地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及時空演變，有助于客觀認(rèn)識區(qū)域生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀及其發(fā)展動態(tài)，為制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)[1，2]。遙感技術(shù)能夠有效地反映生態(tài)系統(tǒng)要素的空間結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特征[3]。隨著遙感和信息技術(shù)的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測系統(tǒng)在基于不同時空尺度的生態(tài)環(huán)境評估中得到廣泛的應(yīng)用?；赗S和GIS的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價起步于20世紀(jì)80年代，Smith W[4]和Meredith T等基于RS和GIS探索了對坦桑尼亞Batemi河谷快速進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及評價的方法；Basso F[5]等利用遙感數(shù)據(jù)和GIS對意大利南部的Agri流域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境敏感性評價；左偉等[6]基于TM影像實現(xiàn)了對土地覆被數(shù)據(jù)的提取，并利用GIS分析了其時空變化的驅(qū)動力和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；劉瑞[7]等建立了基于RS技術(shù)的縣級區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評價模型；徐涵秋[8，9]、羅春[10]等利用遙感指數(shù)對不同尺度區(qū)域進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及動態(tài)監(jiān)測。同時，政府部門在2006年發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》[11]，其中基于遙感技術(shù)的EI為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供了指導(dǎo)。綜上所述，學(xué)者們研究了從遙感數(shù)據(jù)及其輔助數(shù)據(jù)中提取生態(tài)評價因子，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評價。徐涵秋[8]提出了完全基于遙感影像的遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI），在一定程度實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測。劉瑞[7]等建立的區(qū)域生態(tài)環(huán)境模型，涵蓋了影響生態(tài)環(huán)境的主要因子，但對評價指標(biāo)的定權(quán)方式存在主觀性。以上研究為進(jìn)一步對生態(tài)環(huán)境快速、準(zhǔn)確、客觀的進(jìn)行評價奠定了基礎(chǔ)。

在前人研究的基礎(chǔ)之上，針對生態(tài)環(huán)境評價中的一些不足，選取位于生態(tài)敏感區(qū)的三峽大壩所在地—秭歸縣為研究對象，通過遙感數(shù)字圖像處理和GIS空間分析，利用2002年的TM和2013年的OLI兩期遙感影像提取5類生態(tài)評價因子，通過主成分變換集成評價因子，減少主觀性對評價精度的影響，建立遙感生態(tài)評價模型，定量、客觀地對秭歸縣的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價及變化監(jiān)測。

1　研究區(qū)域概況

秭歸縣位于三峽庫首地區(qū)，地處30°38′14″N～31°11′31″N和110°00′04″E～111°18′41″E，屬于長江西陵峽，介于大巴山、巫山余脈和鄂西八面山坳的會合地帶，總體地勢為西南高、東北低，海拔為51 m～2048 m。秭歸縣以山地丘陵為主，其面積約占總面積的80%，土地利用以林地為主。秭歸縣屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.9℃，年均降水量1000.06 mm。全縣國土面積2427 km2，2013年總?cè)丝?7.98萬，城鎮(zhèn)化率35.09%。從三峽大壩建成以后，其對三峽地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響受到人們的廣泛關(guān)注，秭歸縣在三峽大壩的影響范圍之內(nèi)，因此有必要對其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定量評價和變化分析。

2　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與方法

2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與預(yù)處理

以秭歸縣2002年的Landsat TM和2013年的OLI的遙感影像（圖1）及ASTER GDEM數(shù)據(jù)（圖2）作為實驗數(shù)據(jù)，其空間分辨率均為30 m，影像成像時間均為9月，遙感影像與ASTER GDEM數(shù)據(jù)均來源于中科院地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。利用ENVI5.1軟件分別提取TM和OLI影像的多光譜波段，從MTL文件中提取遙感影像的多光譜子集。對遙感影像預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、影像裁剪和影像解譯，利用ENVI軟件的Radiometric Calibration工具進(jìn)行輻射定標(biāo)，大氣校正采用FLAASH模型，影像解譯采用支持向量機(jī)（SVM）的監(jiān)督分類法[12]；利用GIS的柵格裁剪工具裁剪影像，同時，結(jié)合Google Earth中10m分辨率的SPOT5影像和中科院2000年3級分類標(biāo)準(zhǔn)的土地利用分類圖，通過目視解譯對分類結(jié)果修正，提取秭歸縣2002年和2013年一級分類土地利用數(shù)據(jù)，其土地利用類型分別為林地、草地、水體、耕地、居民建設(shè)用地和未利用地。

圖1　秭歸縣區(qū)位及2002 TM和2013 OLI遙感影像Fig.1　The location and remote sensing images in Zigui County

圖2　秭歸縣DEMFig.2　DEM in Zigui County

2.2研究方法

通過遙感影像及提取的土地利用數(shù)據(jù)，計算生態(tài)評價指數(shù)，并通過主成分變換集成各評價指數(shù)，創(chuàng)建生態(tài)環(huán)境綜合評價模型，分別計算2002年和2013年秭歸縣生態(tài)環(huán)境綜合得分值并對其分級，再用遙感和GIS軟件實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化檢測和生態(tài)級別的轉(zhuǎn)移矩陣分析，揭示秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化特征。

2.2.1構(gòu)建生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因子包括自然因子和人文因子，是二者之間進(jìn)行能量交換和物質(zhì)循環(huán)的動態(tài)平衡系統(tǒng)[13]。為實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量客觀、定量地綜合評價，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)需遵循科學(xué)性、區(qū)域性和數(shù)據(jù)的可獲取性。以國家《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》為基礎(chǔ)，參考李妮婭[14]、劉瑞[7]、王鵬[15]等研究成果，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境保護(hù)等實際情況，擬建5類生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)，分別是生物豐度指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)、水體密度指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)和人類活動指數(shù)。

2.2.1.1生物豐度指數(shù)生物豐度指數(shù)是指計算不同生態(tài)系統(tǒng)在單位面積內(nèi)的生物物種的數(shù)量差異，從而反映了該區(qū)域的生物豐貧程度，是衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指數(shù)之一[11]。根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》和參考王鵬[15]和孟巖[16]等人的研究成果，為不同的土地利用類型賦予不同的權(quán)重值，再加權(quán)求和得到生物豐度指數(shù)。

表1　生物豐度指數(shù)權(quán)重值Table 1 Weighted values of biological abundance index

圖3　2002和2013年秭歸縣生物豐度指數(shù)Fig.3　Index of biological abundance in Zigui County

2.2.1.2植被覆蓋度指數(shù)植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對凈化和保護(hù)生態(tài)環(huán)境有重要作用，植被覆蓋度表征植被在生態(tài)系統(tǒng)中所占比重[17]。植被覆蓋度指數(shù)是指植被冠層或葉面垂直投影在地面的面積與統(tǒng)計區(qū)域總面積的比值，是表示地表植被覆蓋情況的重要因子之一[18]。植被覆蓋度指數(shù)越大，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。歸一化植被指數(shù)（NDVI）與地表植被覆蓋度成正相關(guān)關(guān)系，因此采用NDVI和像元二分模型定量估算植被蓋度[18-20]（見圖4）。

式中，F(xiàn)c表示植被蓋度指數(shù)，NDVI為像元歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil表示無植被或裸地的歸一化指數(shù)，NDVIveg為植被完全覆蓋區(qū)的像元歸一化指數(shù)。

圖4　2002和2013年秭歸縣植被覆蓋度指數(shù)Fig.4　Index of vegetation cover in Zigui County

2.2.1.3水體密度指數(shù)在土地利用變化中，水域的變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的影響最大[21]。首先將研究區(qū)劃分成1 km的公里格網(wǎng)，通過計算單元網(wǎng)格內(nèi)的水體面積與單元網(wǎng)格面積的比值，把其比值賦予該網(wǎng)格內(nèi)的所有像元，得到該區(qū)域的水體密度指數(shù)（見圖5）。

式中，Sw表示單元格內(nèi)水體面積，Sg表示單元網(wǎng)格面積。

2.2.1.4土壤侵蝕指數(shù)土壤侵蝕強(qiáng)度與植被蓋度緊密相關(guān)，植被覆蓋度越高，土壤侵蝕強(qiáng)度遞減趨勢明顯[22]。同時，坡度是影響土壤侵蝕最主要的地形因子。由DEM提取坡度，再將坡度與植被覆蓋度結(jié)合以快速評價土壤侵蝕程度。此方法估算土壤侵蝕強(qiáng)度已經(jīng)有了一定的研究[23，24]和應(yīng)用[7]。土壤侵蝕程度具體分為6級（表1）。從表1可知，任意植被覆蓋度和坡度＜5°，土壤表面以微度侵蝕為主或無明顯侵蝕現(xiàn)象；坡度為5°～8°時和植被覆蓋度小于30%，土壤表面產(chǎn)生明顯的水土侵蝕現(xiàn)象；坡度位于8°～15°之間，土壤表面以中輕度侵蝕為主；坡度為15°～25°時，植被覆蓋度＜30%，土壤侵蝕強(qiáng)烈；坡度＞25°和植被覆蓋度＜45°，土壤表面產(chǎn)生極強(qiáng)和劇烈的侵蝕現(xiàn)象。為了對土壤侵蝕程度進(jìn)行定量化研究，將土壤侵蝕強(qiáng)度分別賦予不同的權(quán)值[7]，微度（0.005）、輕度（0.025）、中度（0.070）、強(qiáng)度（0.1）、極強(qiáng)（0.3）和劇烈（0.5），獲得秭歸縣土壤侵蝕指數(shù)（圖6）。

圖5　2002和2013年秭歸縣水體密度指數(shù)Fig.5　Index of water density in Zigui County

表1　土壤侵蝕程度分級表Table 1 The grades of soil erosion

圖6　2002和2013年秭歸縣土壤侵蝕指數(shù)Fig.6　Index of soil erosion in Zigui County

2.2.1.5人類活動指數(shù)人類活動創(chuàng)造了城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，不同生態(tài)系統(tǒng)的分布，是人類活動對自然界的反映[25]。人類活動對不同系統(tǒng)創(chuàng)造越成熟，自然生態(tài)環(huán)境狀況越差，而土地利用類型即為不同生態(tài)系統(tǒng)的反映[26]。人類活動指數(shù)是指人類干擾強(qiáng)度，人類活動對不同土地利用類型的干擾度不同，干擾度越大則生態(tài)環(huán)境越差，依據(jù)此原則對各種土地利用類型分別賦予的權(quán)值為居民建設(shè)用地30、耕地53、未利用地65、水體78、草地85和林地90[7]（圖7）。

圖7　2002和2013年人類活動指數(shù)Fig.7　Index of human activities in Zigui County

2.2.2構(gòu)建生態(tài)評價綜合指數(shù)構(gòu)建的生態(tài)指數(shù)分別在一定程度反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，如何科學(xué)地選取綜合評價方法對單一指標(biāo)進(jìn)行耦合，是對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵。由于通過指標(biāo)加權(quán)求和得到的結(jié)果，在很大程度受到人為因素的影響，同時不能反映多個因子對生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)因子。為了客觀地對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價，采用多元統(tǒng)計方法中的主成分分析，構(gòu)建生態(tài)評價綜合指數(shù)模型。主成分分析是把數(shù)據(jù)中多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的統(tǒng)計分析方法，通過正交線性函數(shù)在允許的精度范圍內(nèi)對多個指數(shù)進(jìn)行降維處理[27]，公式如下：

式（3）和（4）中：z1，z2，…，zm分別為原變量指標(biāo)的x1，x2，…，xp經(jīng)過主成分變換后的第一，第二，…，第m主成分。lij為各主成分特征值，可通過原來變量的相關(guān)系數(shù)矩陣的單位化特征向量構(gòu)成的正交矩陣計算得到。F為綜合指數(shù)，λ為相對應(yīng)的主成分貢獻(xiàn)率。此方法的優(yōu)點是通過每個指標(biāo)對主成分的貢獻(xiàn)率來確定該指標(biāo)的權(quán)重值，從而減少人為因素對研究結(jié)果造成的偏差。

3　結(jié)果分析

3.1生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價

3.1.1主成分的界定及其載荷首先，分別對2002年和2013年的5個評價指數(shù)進(jìn)行主成分分析，表2為研究區(qū)兩個年份的主成分分析結(jié)果。主成分的方差累計貢獻(xiàn)率越大，表示其信息的綜合集成能力越強(qiáng)，是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因子。

表2　兩期生態(tài)指數(shù)主成分分析Table 2 Principle component analysis of five indices

從表2可知，兩個年份的PC1的特征值貢獻(xiàn)率均大于60%，表明PC1集中了5類因子的大部分特征，兩個時間斷面的PC1和PC2能夠解釋方差總數(shù)的95%以上，因此界定為第一、二主成分，用于生態(tài)環(huán)境的綜合評價。PC1主要反映了植被覆蓋度和人類活動指數(shù)，PC2主要反映了植被覆蓋度指數(shù)，表明植被和人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響大，PC1和PC2中的植被蓋度指數(shù)的特征向量均為正值，表明對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境起正面作用，而水網(wǎng)密度的特征向量均為負(fù)值，表示其對生態(tài)環(huán)境有負(fù)面效應(yīng)，這與實際情況相符合。因此，由第一和第二主成分所對應(yīng)的特征向量，計算得到主成分載荷，用于計算主成分的綜合得分。

3.1.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價及分級生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)能夠反映生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣，其值越大反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。根據(jù)主成分的載荷和GIS軟件，分別計算秭歸縣2002年和2013年的生態(tài)環(huán)境綜合得分。為了便于兩個時間斷面的比較，統(tǒng)一利用線性函數(shù)拉伸到[0，100]，并參照規(guī)范把結(jié)果分為五個生態(tài)級別，分別為優(yōu)[75，100]、良[55，75）、一般[35，55）、較差[20，35）、差[0，20）。“優(yōu)”代表該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好，植被覆蓋度高，人類對自然環(huán)境的破壞程度低，適宜人類居??；“良”表示此地植被覆蓋度較高，生物多樣性豐富，適合人類生活；“一般”代表該地植被覆蓋中等，較適合人類生存，但會出現(xiàn)對人類生活產(chǎn)生制約性的因子；“較差”表示此地植被覆蓋較差，存在明顯限制人類生活的因素；“差”代表該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境條件惡劣，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，不適宜人類生存。根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合得分值，獲得2002年和2013年秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布圖（圖8）。

圖8　生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的等級分布圖Fig.8　The grade distribution map of eco-environmental quality

從圖8可知，秭歸縣在2002年和2013年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均較好，大部分地區(qū)的生態(tài)等級處于“優(yōu)”和“良”。同時結(jié)合各生態(tài)指數(shù)的空間分布情況，2002年秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域主要分布土地覆被為森林和一部分草地地區(qū)；質(zhì)量良的地區(qū)則主要分布在人類活動區(qū)域與森林的過渡地帶，受人類活動影響小；其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般的區(qū)域主要集中人類活動密集地，如縣城和零星小鎮(zhèn)，人類生活及其生產(chǎn)活動對地表覆被破壞程度大；其生態(tài)環(huán)境較差和差的地區(qū)主要分布在河流流經(jīng)的沿岸地區(qū)，因該地帶的坡度大，土壤侵蝕嚴(yán)重，植被生長條件差。2013年秭歸縣的大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)，植被覆蓋率的提高和土地利用格局的優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善；其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良、一般和較差的分布區(qū)域所占面積小，并且空間分布零散；其質(zhì)量差的分布區(qū)域的面積變大，因三峽蓄水后，流域面積擴(kuò)大，土壤侵蝕較嚴(yán)重，造成生態(tài)環(huán)境變差。

3.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化分析

3.2.1生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的總體概況根據(jù)圖8和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合得分值，相比2002年，2013年秭歸縣的生態(tài)環(huán)境的總體質(zhì)量得到提升。2002年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合得分的最大值648.351，最小值

1.598；2013年秭歸縣的綜合得分最高值918.855，最低值0.732，相比2002年總體提高41.72%，但局部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。從劃分的生態(tài)等級角度，統(tǒng)計結(jié)果表明（見表3）在2013年“差”等級的面積占總面積的百分比為3.06%，相比2002年增加了2.13%；“較差”等級所占比重為0.44%，較2002年比重下降0.31%；“一般”等級和“良”等級所占比重在2013都有所下降，分別為0.7%和24.53%；“優(yōu)”等級的面積比重為82.65%，相比于2002年增加了23.41%。因此，秭歸縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)等級總體為優(yōu)良，并逐漸向優(yōu)的方向發(fā)展。

表3　秭歸縣的生態(tài)級別面積和比例Table 3 The area and percentage of eco-environment in Zigui County

3.2.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化檢測利用RS和GIS相結(jié)合可以實現(xiàn)對同一地區(qū)在不同時間的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測，同時具有快速和可視化強(qiáng)的優(yōu)點。依據(jù)2個年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布圖，利用GIS軟件對秭歸縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行差值變化檢測。從圖9和表4分析可知，從2002年到2013年秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積為135.504 km2，僅占了總面積的6.09%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善的地區(qū)面積為606.76 km2，占了總面積的27.26%，表明其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到大幅度提升。從圖9可知，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的地區(qū)集中在河流沿岸，坡度大的土地利用過渡地帶及一些新增的居民建設(shè)用地。質(zhì)量變好的地區(qū)集中在河流外圍的農(nóng)耕地區(qū)，而質(zhì)量不變區(qū)域則集中在秭歸縣邊緣的植被覆蓋率高的地區(qū)和一些零碎地區(qū)。

3.2.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的轉(zhuǎn)移動態(tài)分析為了揭示秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化特征，利用GIS的空間分析工具，通過對2個年份的生態(tài)等級分布圖疊加并計算，而獲得秭歸縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移矩陣（表5）。從表5可知，生態(tài)環(huán)境等級差的地區(qū)主要向較差等級轉(zhuǎn)移，占該等級總共轉(zhuǎn)移的81.01%，表明該等級的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到一定程度地改善，而轉(zhuǎn)移到其它三等級的較少；生態(tài)等級較差的地區(qū)主要轉(zhuǎn)移到一般和良，分別占該等級總共轉(zhuǎn)移的56.41%和36.50%；等級一般的區(qū)域，主要轉(zhuǎn)移到良等級，占了該等級總共轉(zhuǎn)移的76.74%；生態(tài)等級為良的地區(qū)主要轉(zhuǎn)移為優(yōu)，占了該等級總共轉(zhuǎn)移的92.73%；等級為優(yōu)的區(qū)域主要轉(zhuǎn)移到良，占該等級總共轉(zhuǎn)移的90.21%。同時，生態(tài)等級轉(zhuǎn)向優(yōu)和良等級的面積，占總共轉(zhuǎn)移面積的92.98%，而轉(zhuǎn)向差和較差等級則只占總共轉(zhuǎn)移面積的0.48%。綜上所述，秭歸縣生態(tài)環(huán)境從2002年開始生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐年得到改善，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要向優(yōu)和良的等級發(fā)展，僅有局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境變差。

表5　2002～2013年秭歸縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移矩陣（km2）Table 5 Grade transfer matrix of eco-environmental quality in Zigui County from 2002 to 2013

4　討論

根據(jù)綜合評價和時空變異分析表明，從2002～2013年，秭歸縣的大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均屬于“優(yōu)”和“良”，并逐漸向優(yōu)的方向發(fā)展，但局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差。2002年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的區(qū)域分布在南部地區(qū)，質(zhì)量差的地區(qū)主要分布在河流沿岸，其研究結(jié)果與汪善勤[28]等人的成果具有一致性。2013年該縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于2002，前期與三峽大壩的修建、移民工程等對地表植被的破壞有關(guān)，后期政府大量開展植樹造林活動和實施生態(tài)環(huán)境保護(hù)項目等，恢復(fù)了當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w率，增加了生物多樣性，使生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，僅有河流沿岸的生態(tài)環(huán)境變差，與水網(wǎng)密度變化引起的一列環(huán)境問題有關(guān)。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與植被蓋度、水網(wǎng)密度、生物豐度、人類活動和土壤侵蝕5類因子息息相關(guān)，植被蓋度在PC1和PC2中的特征向量均為正值，表明對生態(tài)環(huán)境起正面效應(yīng)，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)在三峽水庫建成后大量植樹造林，恢復(fù)植被覆蓋率，強(qiáng)化其水土保持作用，同理，水網(wǎng)密度對生態(tài)環(huán)境起著負(fù)面效應(yīng)，應(yīng)加強(qiáng)對水流的引導(dǎo)，修建溝壑、水壩等水利工程，減少水土流失。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好區(qū)域集中在河流的外延區(qū)域，因當(dāng)?shù)馗纳屏斯喔葪l件，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，開發(fā)清潔能源和建設(shè)生態(tài)村鎮(zhèn)等，質(zhì)量變差區(qū)域集中在河流沿岸地區(qū)，其水庫的修建改變了當(dāng)?shù)氐乃臈l件和微地形，植被蓋度降低和城市人口增加等。秭歸縣生態(tài)環(huán)境總體向優(yōu)和良發(fā)展，過去10年當(dāng)?shù)卣纳鷳B(tài)修復(fù)措施改善了生態(tài)環(huán)境。研究結(jié)果為當(dāng)?shù)刂贫ōh(huán)境保護(hù)政策提供科學(xué)依據(jù)，但由于數(shù)據(jù)、技術(shù)和時間的限制，提取的生態(tài)評價因子及構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型仍存在一些不足。同時，也沒有對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的驅(qū)動力因子深入探討及對策研究，因此在未來的研究中，將加強(qiáng)這些方面的研究。

5　結(jié)論

利用2002年和2013年的遙感影像及其提取的土地利用數(shù)據(jù)，運用主成分變換集成評價指數(shù)，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型，對秭歸縣生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價，并利用差值檢測和生態(tài)等級轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)一步揭示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化特征。結(jié)果表明：（1）在RS和GIS技術(shù)的支持下，運用主成分變換集成生態(tài)評價指數(shù)，依據(jù)評價指數(shù)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，減少了主觀性因素對評價準(zhǔn)確度的影響。從主成分分析結(jié)果可知，PC1和PC2保持了原來95%以上的信息，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境主要受植被蓋度和人類活動指數(shù)的影響。（2）在2013年秭歸縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于“優(yōu)”的區(qū)域占總面積的82.65%，相比2002年增加了23.41%，表明秭歸縣的生態(tài)環(huán)境逐漸得到恢復(fù)，與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況的實際相吻合。但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級處于“差”的區(qū)域占總面積的比重也從0.93%上升到3.06%，表明局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差，河流沿岸的土壤侵蝕嚴(yán)重，應(yīng)做好水土保持工作。

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Integrated Evaluation of Eco-environmental Quality and Analysis on Temporal-spatial Variation Basedon RSand GIS - Taking Zigui County，Hubei Province of China as a case

ZHANG Bin1，YANG Lian-an1*，XIANG Ying1，JIANG Xiao-qing2，DU Ting1，SONG Ying-qiang1，YANG Yu-cen1，WANG Jing
1. College of Urban and Environmental Science/Northwest University, Xi’an 710127，China
2. School of Geography and Resources Science/Sichuan Normal University, Chengdu 610068，China

Abstract:Information technology based on RS and GIS is an important method to evaluate the regional eco-environment quickly and effectively. An integrated evaluation model of eco-environment quality was built with spatial principle components analysis，coupled with the Landsat TM in 2002 and OLI image in 2013 and the land use data extracted from them in Zigui County. Also，the model integrated the indexes of biological abundance，F(xiàn)VC，water density，soil erosion and human activities. A grade distribution map of eco-environment quality in study area was drawn. Meanwhile，the temporal-spatial characteristics of eco-environment quality variation were revealed by detection of eco-environmental quality changes and transition matrix of ecological grade. The results showed that the general eco-environment quality of Zigui County was relatively good and constantly improving from 2002 to 2013. The proportion of areas with excellent grade rose from 59.24%in 2002 to 82.65%in 2013. The improvement areas of eco-environmental quality accounted for 27.26%of the whole study area，which were located mainly in the farming area around the river. Eco-environmental quality had become worse only in 6.09%，and they were located chiefly in the river banks and land use transition strip with high slope variation rate. According to the dynamic analysis of eco-environmental quality，areas whose ecological grade turned to excellent and good accounted for 92.98%of the whole shifted areas；areas that turned to poor and worse accounted for only 0.48%.

Keywords:Eco-environment；comprehensive evaluation；temporal - spatial variation；RS；Zigui County

*通訊作者:Author for correspondence. E-mail:yanglianan@163.com

作者簡介:張彬（1991-），男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究3S技術(shù)在生態(tài)中的應(yīng)用. E-mail:westzbin@163.com

基金項目:教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃項目（10YJA910010）；陜西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項目（2011K02-11）；西安市科技計劃農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)項目（NC1402，NC150201）；西北大學(xué)研究生自主創(chuàng)新項目（YZZ14013）

收稿日期:2015-10-16修回日期: 2015-11-23

中圖法分類號:X826

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-2324（2016）01-0064-08