邵秋芳， 彭培好， 黃潔， 劉智， 孫小飛， 邵懷勇

(1.成都理工大學旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，成都　610059； 2.四川省地質調查院，成都　610081)

長江上游安寧河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性遙感監(jiān)測

邵秋芳1， 彭培好1， 黃潔2， 劉智2， 孫小飛1， 邵懷勇1

(1.成都理工大學旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，成都610059； 2.四川省地質調查院，成都610081)

摘要：為了解安寧河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性情況，以衛(wèi)星遙感圖像作為主要信息源，以人口密度、國內生產總值、土地利用、土壤類型、高程、坡度、氣溫、降水、植被指數作為評價指標，綜合運用地理信息系統(tǒng)技術和投影尋蹤算法，構建空間投影尋蹤模型，進而對安寧河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評價。以分析結果為依據，將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性劃分為5個等級，分別是重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、微度脆弱和潛在脆弱。研究結果表明，研究區(qū)生態(tài)脆弱性整體上屬中等脆弱等級。由于生態(tài)環(huán)境保護政策的實施和地區(qū)人民對于生態(tài)環(huán)境保護意識的提高，研究區(qū)2013年相對于1993年，生態(tài)環(huán)境總體有所改善。

關鍵詞：安寧河流域； 生態(tài)環(huán)境脆弱性； 投影尋蹤模型； 地理信息系統(tǒng)(GIS)； 遙感(RS)

0引言

安寧河流域地處青藏高原向四川盆地西緣山地過渡地帶，是長江上游重要生態(tài)屏障，在四川省生態(tài)安全建設中具有重要生態(tài)地位； 但由于流域海拔高、自然條件差、地質構造復雜、坡陡谷深，其生態(tài)環(huán)境先天脆弱，加之礦業(yè)、水電、林業(yè)及農牧業(yè)等資源長期不合理開發(fā)和利用導致其生態(tài)屏障功能不僅未能充分發(fā)揮，相反使其成為生態(tài)環(huán)境問題突出的區(qū)域。為此保護和建設該流域的生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

生態(tài)環(huán)境脆弱性評價對認識、保護和改造生態(tài)環(huán)境，促進人與自然的和諧發(fā)展至關重要[1-3]。目前國內外學者運用不同方法對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評價已取得了大量成果。主要評價方法有層次分析法、模糊評判法、主成分分析法、P-S-R模型、人工神經網絡模型等[4-8]。這些方法在區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價中取得了較好效果，得到了廣泛應用。但與此同時，這些方法在進行指標選取或指標權重的確定方面都還存在一定的主觀性，如人工神經網絡方法主要依據研究者已有的知識和經驗來選取模型參數，研究者個人的水平會影響到研究結果[9]； 層次分析法采用專家打分的方法來確定指標的權重，不夠客觀，專家的水平與知識對結果影響較大[10]。P-S-R模型中各項指標權重的確定具有很強的主觀性[11]。因此，有必要深入研究操作簡便、人為干擾盡量少的綜合評價方法，以克服上述評價方法的不足。

投影尋蹤模型是通過構建投影指標尋找投影的最優(yōu)方向向量，再通過最優(yōu)方向向量計算樣本投影特征值，從而根據得到的投影特征值對樣本進行綜合評價。該方法在評價的過程中不受評價人員的知識結構、工作經驗以及偏好的影響，可有效排除人為因素干擾?；谶b感技術適時更新脆弱性指標數據，在GIS技術支持下運用數學模型對生態(tài)脆弱性時空變化進行分析，從而實現(xiàn)對脆弱生態(tài)系統(tǒng)的實時監(jiān)測和動態(tài)評價已經逐漸成為當前區(qū)域生態(tài)脆弱性評價研究的重要方向[12]。但目前基于GIS技術的投影尋蹤模型對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價還非常少見。

為此，本研究在RS和GIS技術支持下，以地處我國西南山地農牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)核心地帶的安寧河流域作為研究區(qū)，基于多時相遙感數據，采用監(jiān)督分類結合目視解譯的方法獲取該區(qū)1993年、2013年的土地利用和植被覆蓋數據，運用空間投影尋蹤模型對其生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評價，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和建設提供技術支持和科學依據。

1方法

1.1研究區(qū)概況

以四川省西南部的安寧河流域為研究區(qū)，該區(qū)介于E102°06′51″～102°10′14″，N26°38′11″～29°02′24″之間。安寧河全長337km，流經西昌、冕寧、德昌及米易4縣市，流域面積約11 150km2。研究區(qū)地勢北高南低，西高東低，海拔900～4 750m； 地貌以剝蝕侵蝕構造高山和中山、冰川剝融高山與堆積河谷平原、山間斷陷盆地為主。區(qū)內氣候垂直帶譜現(xiàn)象明顯，按高程可劃分為高山寒溫帶(海拔4 000m以上，年平均溫度0℃以下)、溫帶山地(海拔2 500～4 000m，年平均溫度8 ℃以下，長年無夏多云)、北亞熱帶低山河谷區(qū)(海拔1 550～2 500m，年平均溫度9 ℃～15 ℃)和中亞熱帶峽谷區(qū)(海拔1 330～1 640m，年平均溫度17.4 ℃)。降水的季節(jié)性差異和地形差異明顯，夏秋多雨，冬春干旱，年平均降雨量1 133mm，每年5—10月為雨季，降雨量占全年90%以上，山地降水多于鄰近谷地。安寧河谷地是四川省僅次于成都平原的第二大河谷平原和第二大糧倉。

1.2數據來源與處理

本次研究所采用的數據包括空間數據和屬性數據?？臻g數據有： ①1993年和2013年TM圖像，來自國際科學數據服務平臺、中國科學院對地觀測中心； ②DEM數據，來自國際科學數據服務平臺； ③土壤類型數據，來源與中國土壤數據庫。屬性數據： ①研究區(qū)的人口和GDP數據，來自涼山州年鑒； ②降水和氣溫數據，來自中國氣象科學數據共享服務網。將收集的數據作進一步處理，步驟主要包括：

1)專題數據獲取。將TM圖像通過非監(jiān)督分類結合目視解譯方法解譯出土地利用類型，并進行野外驗證。驗證結果表明，研究區(qū)土地利用類型的解譯精度均在90%以上。

2)對每種類型按環(huán)境脆弱性影響程度分級。將河流、湖泊等水體分為第1 級，有林地分為第2 級，中覆蓋度草地、灌木林和疏林地分為第3 級，低覆蓋度草地、耕地分為第4 級，城鎮(zhèn)建設用地、農村聚落、冰川、礦區(qū)、裸巖和裸地分為第5 級[13]。

3)進行空間數據運算和屬性數據空間轉換。利用TM數據計算研究區(qū)2個時期的植被指數，基于DEM數據派生出研究區(qū)的高程和坡度數據； 將人口、GDP、氣溫和降水數據在ArcGIS軟件中進行空間數據插值，轉換為空間數據； 根據研究區(qū)土壤的土質貧瘠、保水性差、抗蝕能力低、容易退化等問題進行土壤質地分類，將研究區(qū)的棕色針葉林土、棕壤等分為1級，新積土、水稻土等分為2級，暗棕壤、紫色土、黑氈土等分為3級，黃棕壤、紅壤分為4級，石灰(巖)土、巖石、湖泊、水庫等分為5級[14]。

4)選擇坐標系和投影參數。為保證研究區(qū)不同數據具有良好的空間重合性，本研究使用等面積投影，1954北京坐標系，克拉索夫斯基橢球體； 具體投影參數為： 初始經度E110°，初始緯度0°，雙標準緯線W25°和W47°。

5)柵格數據生成?？紤]到GIS柵格數據具有較好的空間分析能力，本研究將所有專題數據轉為柵格數據，實現(xiàn)各種代數和邏輯運算，柵格大小為250m×250m。

1.3生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法

1.3.1評價指標

本文在參照已有研究基礎上[15-19]，遵循代表性、整體性、科學性和可操作性的原則，并綜合考慮安寧河流域生態(tài)環(huán)境存在的實際問題，選取高程、坡度、植被覆蓋、土地利用、土壤類型、氣溫、降水、GDP、和人口密度作為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標。

1.3.2評價模型

本研究主要采用投影尋蹤模型和GIS技術相結合的方法，構建空間投影尋蹤模型，進行研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價。其主要思路為： 在GIS軟件支持下，基于GIS的空間分析功能，利用投影尋蹤模型尋找所選評價指標的最優(yōu)投影方向向量，確定最后評價模型所需要的綜合指標。具體步驟如下：

1)數據標準化。高程、坡度、GDP、人口、土地利用、土壤類型等評價指與生態(tài)脆弱性成負相關，采用的歸一化公式為

(1)

降水、植被覆蓋、氣溫等評價指標與生態(tài)脆弱性成正相關，采用的歸一化公式為

(2)

式中： αxy為指標x的柵格數據y的標準化值； bxy為指標x的柵格數據y的真實值； bxmax為指標x的最大柵格數值； bxmin為指標x的最小柵格數值。

(3)

(4)

用評價指標序列的投影特征值方差來計算類間距離，即

(5)

(6)

(7)

(8)

式中: Yi是所選評價指標; Xi是它相應的權重，也就是所對應最優(yōu)方向向量的最大值。

結合每個特征指標及其對應權值，進行代數運算得到EVI。其值越小，表示其生態(tài)環(huán)境越脆弱。依據生態(tài)環(huán)境質量分級標準的指標值建立投影尋蹤模型，其中n=2，m=9。計算得最優(yōu)投影方向向量，由于所求最優(yōu)方向向量是一個連續(xù)的數據，因此所求權值應選取最優(yōu)方向向量的每個分向量的最大值。根據本文方法計算出的1993年和2013年每個特征值對應的權值如表1所示。

表1　特征指標的方向向量

最終計算2個時期生態(tài)環(huán)境脆弱性指數EVI的線性公式分別為

EVI1993=0.089 888Y1+0.118 322Y2+0.103 519Y3+0.112 624Y4+0.109 272Y5+0.149 850Y6+0.117 845Y7+0.117 845Y8+0.089 890Y9，

(9)

EVI2013=0.102 389Y1+0.100 097Y2+0.142 309Y3+0.101 759Y4+0.110 480Y5+0.134 228Y6+0.118 868Y7+0.100 236Y8+0.089 633Y9。

(10)

式中，Y1—Y9分別對應兩個時期的高程、坡度、土地利用數據、GDP，降水數據、植被覆蓋、氣溫數據、人口數據和土壤類型數據。

1.4生態(tài)環(huán)境脆弱性分級

根據上述模型得到的研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性結果值是連續(xù)的，應對其進行分類以劃分不同的生態(tài)環(huán)境脆弱性級別以達到對區(qū)域生態(tài)脆弱性的整體認識。因此，本研究應用自然斷點法[20]通過分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性結果的自然屬性來找出不同類的閾值。自然斷點法可以很好地“物以類聚”，類別之間的差異明顯，而類內部的差異很小。通過這一標準，將研究區(qū)內的生態(tài)環(huán)境脆弱性被分為5個等級[21-22]： 潛在脆弱、微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱和重度脆弱。每一級別都具有其典型特征，如表2所示。

表2　安寧河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性分級

1.5整體變化趨勢分析

為了對生態(tài)環(huán)境的變化趨勢進行定量分析，擬定一個代表整個區(qū)域脆弱性情況的綜合指數尤為必要。本研究采用生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數E表征生態(tài)環(huán)境的變化趨勢， 即

(11)

式中： i為評價等級; n為總的評價等級數; Ai為等級i在評級單元j中所占的面積; SAj為評價單元j的面積; Pi為等級i的分級值。根據脆弱性級別，給每一級別分別賦一個定量值： 潛在性脆弱賦值1，微度脆弱賦值2，輕度脆弱賦值3，中度脆弱賦值4，重度脆弱賦值5。生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數E的值越小，表示生態(tài)環(huán)境整體越好，反之則越脆弱。

2結果分析

2.1脆弱性等級分布

根據上述已建立的研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價方法，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分級評價結果如表3和圖1所示。

表3　研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性不同等級百分比

根據評價結果，對研究區(qū)1993年和2013年各種脆弱級別柵格數占柵格總數的比例進行分析，從總體上看，研究區(qū)微度脆弱所占的比例最大，輕度脆弱次之，再次是中度脆弱，潛在脆弱，重度性脆弱所占的比例最小。如研究區(qū)2013年比例最大的微度脆弱占到34.07%，輕度脆弱占到27.27%，中度脆弱占到18.96%，潛在脆弱占到14.81%，比例最小的重度脆弱占4.89%。研究區(qū)微度脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)所占的比例超過了60%，由此可以判斷安寧河流域的生態(tài)環(huán)境處于中等水平。

圖1　研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分布狀況

2.2脆弱性變化趨勢

由表3可知，相比1993年，安寧河流域2013年潛在性脆弱柵格數增加了0.66%； 微度脆弱的柵格數減少1.05%； 輕度脆弱的柵格數增加3.82%； 中度脆弱的柵格數減少1.34%； 重度脆弱的柵格數減少1.79%。研究時段內潛在脆弱、微度脆弱、中度脆弱的面積在增加，其余等級的面積都在減少。根據公式(8)，可計算出不同時期整個研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數值，安寧河流域在1993年和2013的值分別為2.70和2.65，20a間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體狀況變好。

3變化驅動力分析

對研究區(qū)生態(tài)脆弱性變化趨勢進行分析后，還可進一步分析其引起變化的驅動力。在研究時間內，高程、坡度、土壤類型、土壤侵蝕等因子變化很小，對生態(tài)環(huán)境脆弱性變化影響微乎其微； 氣溫、降水等因子對生態(tài)環(huán)境變化的影響也非常有限。對比1993年和2013年的生態(tài)環(huán)境脆弱情況分布圖，可以發(fā)現(xiàn)脆弱性分布變化趨勢和林地覆被的變化趨勢基本一致。由此可知，引起生態(tài)環(huán)境變化的主要因素是人類活動及社會經濟狀況變化的影響。在人為因素下，土地利用狀況發(fā)生變化，從而引起生態(tài)環(huán)境的變化。2013年安寧河流域的生態(tài)環(huán)境相對1993年的生態(tài)環(huán)境有所好轉，分析其原因主要是政府頒布了退耕還林還草及天然林防護政策，廣大群眾認真落實植樹造林措施，杜絕林地濫砍濫伐和過度放牧現(xiàn)象，林地和草地面積有所增加，生態(tài)環(huán)境得以重建并日漸變好。

但在此期間仍有部分地區(qū)有環(huán)境惡化的趨勢，分析其原因可能有：

1)水電資源的開發(fā)。截止2013年研究區(qū)有二灘、錦屏以及冕寧大橋3座大型水庫，水域面積約為36.02km2。水電基地的修建一方面使地下水位抬升，擴大了水庫的侵蝕范圍以及導致該地區(qū)氣候變化； 另一方面使當地大量耕地、林地被淹沒，破壞了當地的生態(tài)環(huán)境，其中耕地被淹沒約21.32km2，草地12.02km2，其他2.68km2。

2)采礦工業(yè)的發(fā)展。研究區(qū)礦產資源豐富，1993年礦山開發(fā)占地5.56km2，2013年為14.78km2。礦山開發(fā)對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在2個方面： ①對土地資源的損毀及景觀的破壞。如攀枝花、西昌太和鐵礦以及冕寧牛坪稀土礦等，礦山開發(fā)毀壞了大量的草地、林地、農田，截至2013年由于礦山開發(fā)使得草地、林地和耕地分別減少1.25km2，4.68km2和1.56km2； ②礦山地質災害及隱患的存在。遙感調查結果顯示，研究區(qū)礦山開采共引發(fā)礦山地質災害及隱患17處，其中滑坡1處、泥石流3處、災害隱患點13處。

4結論

本文利用空間投影尋蹤模型，對安寧河生態(tài)環(huán)境脆弱性進行了分析，得出以下結論:

1)1993—2013年間，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性面積變化從大到小依次為輕度脆弱、重度脆弱、微度脆弱、中度脆弱以及潛在脆弱。

2)研究區(qū)內2013年比1993年生態(tài)環(huán)境有所改善，主要是因為 “自然林保護”、“退耕還林”和限制牧民過度放牧等政策的推行，植樹造林等生態(tài)復建措施的落實。

3)本研究證明了GIS技術與投影尋蹤模型相結合具有良好的效果，人為干擾少，操作簡便。本研究較客觀地評價了安寧河流域的生態(tài)脆弱性，較全面地反映了安寧河流域生態(tài)脆弱性的地域差異及空間分布規(guī)律, 為今后環(huán)境保護和經濟建設提供依據。

4)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價體系涉及自然、經濟、社會和人文等諸多因素，但鑒于多種數據的獲取尚存在一定困難，本文所構建的評價指標體系具有一定的局限性，在今后工作中還需進一步完善。

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(責任編輯： 李瑜)

Monitoringeco-environmentalvulnerabilityinAnningRiverBasinintheupperreachesoftheYangtzeRiverusingremotesensingtechniques

SHAOQiufang1,PENGPeihao1,HUANGJie2,LIUZhi2,SUNXiaofei1,SHAOHuaiyong1

(1.College of Tourism and Urban-Rural Planning, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2. Sichuan Geologic Survey, Chengdu 610081, China)

Abstract:In this study, the authors used satellite remote sensing image as the primary source of information while collecting additional data, and selected some indicators as assessment indexes such as population density, gross domestic product (GDP), land use, soil type, elevation, slope, temperature, precipitation, and vegetation index. Eco-environment vulnerability of Anning River Basin was evaluated by using the space projection pursuit model built by GIS technology and the projection pursuit algorithm. According to analytical results, eco-environmental vulnerability degrees in the study area were divided into five grades, i.e., heavy, medium, light, slight and potential. Through analyzing the evaluation results of environmental vulnerability in 1993 and 2013, the ecological vulnerability of the study area was moderate vulnerability on the whole. Due to the enforcement of the national policy and the improvement of people’s awareness of environmental protection, the overall ecological environment was improved from 1993 to 2013 in the study area.

Keywords:Anning Basin; eco-environmental vulnerability; spatial projection pursuit model; geographic information system (GIS); remote sensing (RS)

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.27

收稿日期：2014-10-22；

修訂日期：2014-12-30

基金項目：中國地質調查局國土資源大調查項目“四川省重點礦集區(qū)礦山開發(fā)遙感調查與監(jiān)測”(編號： 1212011120019)、國家自然科學基金項目“區(qū)域礦產資源開發(fā)的生態(tài)地質環(huán)境安全過程分析和預警”(編號： 41302282)、教育部高等學校博士點基金項目“基于多時相遙感數據的礦業(yè)型城市生態(tài)安全評價與預警研究”(編號： 20115122120007)及四川省應用基礎項目“攀西礦區(qū)資源環(huán)境承載力時空過程分析和預警”(編號： 2015JY0145)共同資助。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0175-07

第一作者簡介：邵秋芳(1989-),女,碩士研究生,研究方向為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評估與空間建模。Email: 963243272@qq.com。

通信作者：彭培好(1963-)，男，教授，博士生導師，研究方向為生態(tài)效益監(jiān)測與計量評價、生態(tài)環(huán)境評價、生態(tài)環(huán)境與全球變化。Email: peihaop@163.com。

引用格式： 邵秋芳，彭培好，黃潔,等.長江上游安寧河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性遙感監(jiān)測[J].國土資源遙感,2016,28(2):175-181.(ShaoQF,PengPH,HuangJ,etal.Monitoringeco-environmentalvulnerabilityinAnningRiverBasinintheupperreachesoftheYangtzeRiverusingremotesensingtechniques[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):175-181.)