陳愛京 肖繼東 張旭

摘要 以2007—2015年4—9月EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源，并結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)，對天山北坡經(jīng)濟帶各縣（市）的濕潤指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)以及農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)進行了研究，并通過農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)分析該地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量狀況。結(jié)果表明：2007—2015年天山北坡經(jīng)濟帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價綜合指數(shù)分別在32.18～37.72之間，近9年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量狀況沒有發(fā)生明顯的變化，但總體趨勢是逐漸增加的，說明生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，本研究可為有關(guān)部門開展生態(tài)建設(shè)規(guī)劃和環(huán)境保護提供科學(xué)決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞 EOS/MODIS；天山北坡經(jīng)濟帶；農(nóng)田；生態(tài)質(zhì)量；氣象評價

中圖分類號 X826 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）09-0210-03

Abstract Using the satellite data of EOS/MODIS during 2007 to 2015（April to September）as the basic data sources，and combined with meteorological observation data，by using 3S technology，farmland economic belt in north slope of Tianshan Mountains were studied，selecting the four indexes such as moisture index，vegetation cover index，water coverage index and disaster index.The ecological quality of farmland in the area was analyzed through comprehensive index. The results showed that：During 2007 to 2015，economic belt in north slope of Tianshan Mountains counties（cities）of the ecological quality of farmland comprehensive evaluation index between 32.18 and 37.72，nearly nine years of farmland ecological quality of no obvious change，but the overall trend increased，indicating that the ecological environment is improved. This study may be relevant departments to carry out ecological construction and environmental protection plan to provide a scientific basis for decision making.

Key words EOS/MODIS；economic belt in north slope of Tianshan Mountains；farmland；ecological quality；meteorology evaluation

生態(tài)環(huán)境是以人類為中心的自然要素和社會要素相互聯(lián)系、相互制約而構(gòu)成的綜合體，是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和空間條件[1-4]。氣象因子作為生態(tài)系統(tǒng)的重要自然屬性，很大程度上影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境背景和生態(tài)環(huán)境適宜度[5-8]。

遙感技術(shù)具有宏觀、多譜段、多時相等優(yōu)點。近幾年，遙感技術(shù)開始應(yīng)用于生態(tài)質(zhì)量氣象評價的研究中，但以MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的生態(tài)質(zhì)量氣象評價的研究較少[9-12]。本文以2007—2015年4—9月的MODIS數(shù)據(jù)為主要的遙感數(shù)據(jù)源，依據(jù)《生態(tài)氣象觀測規(guī)范（施行）》和《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》，選取濕潤指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)以及農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)4個指標進行提取研究，結(jié)合氣象資料開展了天山北坡經(jīng)濟帶的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量氣象評價研究。天山北坡經(jīng)濟帶區(qū)位條件優(yōu)越，是我國西北地區(qū)最重要的糧食基地。因此，客觀、準確地評價天山北坡經(jīng)濟帶的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境狀況有重要的意義[13]。

1 研究區(qū)概況及資料來源

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟帶是形成于沖積扇的條帶狀綠洲城鎮(zhèn)帶，其東西長約300 km，南北寬約260 km，區(qū)域總面積8.8萬km2，地貌上屬于河流形成的沖積扇或淤積平原，地形由東南向西北略傾斜，南高北低，海拔高度在450～1 200 m之間，有大量的泉水在扇緣帶溢出，也是現(xiàn)代主要的綠洲區(qū)。年平均氣溫7.4～9.1 ℃，最低氣溫-37.2～-33.6 ℃，最高氣溫32.4～38.2 ℃，年無霜期150～179 d[14]。

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

影像數(shù)據(jù)來源于新疆地區(qū)2007—2015年4—9月的EOS/MODIS 1B數(shù)據(jù)，由于EOS/MODIS 1B數(shù)據(jù)存在幾何上的畸變[15]，所以通過EOS/MODIS用戶軟件EOSSHOP，對MODIS數(shù)據(jù)進行幾何糾正，生成等經(jīng)緯度投影的局地文件LD2（Local Data Version2）。氣象數(shù)據(jù)來源于同期氣象觀測站的平均氣溫、降水、氣壓等氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

在生態(tài)環(huán)境的遙感監(jiān)測評價中，許多觀測項目用作生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標來進行單因子或多因子綜合的評價，但并無統(tǒng)一的評價方法。在此，農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量氣象評價是運用3S技術(shù)方法進行評價。按照中國氣象局制定的《生態(tài)氣象觀測規(guī)范（施行）》和《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）》中提出的評價指標體系[16-17]，計算天山北坡經(jīng)濟帶各縣（市）生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測評價指數(shù)：濕潤指數(shù)、農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)、水覆蓋指數(shù)、農(nóng)田（干旱）災(zāi)害指數(shù)以及農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)，突出考慮了氣候濕潤狀況以及環(huán)境災(zāi)害方面的影響評價。由于不同的因素對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響程度是不一樣的，采用專家打分法，評價指數(shù)選擇0～1之間的數(shù)，然后乘以100為各評價指數(shù)最終的分值。各指標計算方法如下：

1.3.1 濕潤指數(shù)。濕潤指數(shù)系指降水量與潛在蒸散量之比。計算公式如下：

K=AR/ET×R/ET（1）

式（1）中，AR/ET為濕潤指數(shù)的歸一化系數(shù)，R為降水量，ET為蒸散量。

1.3.2 農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)。將不同土地利用/覆被類型賦以不同的權(quán)重，得出地表覆被狀態(tài)值，作為生態(tài)狀態(tài)的重要表征之一。計算公式如下：

農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)=Aveg×（0.6×高覆蓋農(nóng)田面積×生長期+0.3×中覆蓋農(nóng)田面積×生長期+0.1×低覆蓋農(nóng)田面積×生長期）/區(qū)域面積（2）

式（2）中，Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.3.3 水覆蓋指數(shù)。利用EOS/MODIS遙感資料提取天山北坡經(jīng)濟帶內(nèi)的水體，計算公式如下：

水覆蓋指數(shù)=A1ak×（1.0×湖庫水域面積+0.7×永久性冰雪面積+0.3×季節(jié)性積雪面積）/區(qū)域面積（3）

式（3）中：A1ak為水覆蓋面積的歸一化系數(shù)。

1.3.4 農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)。農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)是指被評價區(qū)域內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干旱災(zāi)害面積占被評價區(qū)域面積的比重。干旱指數(shù)是由反演出的土壤濕度按不同的權(quán)重系數(shù)計算出來的。農(nóng)田干旱災(zāi)害等級分級標準及權(quán)重見表1。

1.3.5 農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)。根據(jù)不同屬性指標對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響方向不同，依據(jù)以上4個分指標及其所占權(quán)重，計算出天山北坡經(jīng)濟帶的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)，最后根據(jù)該指數(shù)進行評價，將農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)劃分為5個等級，即優(yōu)、良、中、較差和差，分級標準見表2。

農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)=濕潤指數(shù)×0.25+農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)×0.30+水覆蓋指數(shù)×0.2+（1-農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)）×0.25（4）

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤指數(shù)

由天山北坡經(jīng)濟帶氣象觀測站的氣象資料可以計算出2007—2015年的濕潤指數(shù)，濕潤指數(shù)值在0.252～0.457 之間變動。天山北坡經(jīng)濟帶年濕潤指數(shù)值均小于1，表明每年大氣降水小于植物生理過程需水量，年降水不足，不利于生態(tài)環(huán)境改善，但從這近9年濕潤指數(shù)的線性趨勢來看（圖1），濕潤指數(shù)有逐漸增大的趨勢，2015年與近9年的濕潤指數(shù)相比偏多20%，其中9月偏多1.1倍，8月偏多70%，6月偏多40%，7月偏少近60%，5月偏少近30%，4月接近常年。

2.2 農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)

本研究利用2007—2015年4—9月的MODIS遙感數(shù)據(jù)，計算了天山北坡經(jīng)濟帶的月和年的農(nóng)田植被指數(shù)。從農(nóng)田植被指數(shù)月變化曲線（圖2）可以看出，2007—2015年的植被指數(shù)變化趨勢是一致的，植被指數(shù)從4月開始逐漸增加，7月或8月達到最大值，然后開始逐漸下降，但2007年的植被指數(shù)明顯高于其他年份；從農(nóng)田植被指數(shù)年變化曲線（圖3）可以看出，植被指數(shù)在0.073～0.046 3之間，其中2007年的植被指數(shù)最大為0.073，2008年最小為0.046 3，從年植被指數(shù)的線性變化趨勢看是逐漸減小的。2015年農(nóng)田植被指數(shù)與近9年相比接近常年略偏少，其中6月、7月偏少10%～20%，4月、5月、8月和9月接近常年。

2.3 水覆蓋指數(shù)

本文利用2007—2015年的EOS/MODIS遙感資料提取出天山北坡經(jīng)濟帶內(nèi)的水體面積，然后根據(jù)公式計算出水覆蓋指數(shù)。從水覆蓋指數(shù)年變化曲線（圖4）可以看出，2007—2015年的水覆蓋指數(shù)在0.019 3～0.001 4之間，其中2007年的水覆蓋指數(shù)達到最大值為0.019 3，2015年的水覆蓋指數(shù)達到最小為0.001 4，其余年份在這之間波動；從這9年的水覆蓋的線性趨勢看，水覆蓋指數(shù)是逐漸減小的，不利于植被的生長。2015年水覆蓋指數(shù)與近9年相比偏少70%，其中6月、9月偏少60%，8月、5月、7月和4月偏少70%～80%。

2.4 農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)

災(zāi)害指數(shù)主要考慮的是區(qū)域內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干旱災(zāi)害面積占區(qū)域總面積的比重，主要是根據(jù)反演的土壤濕度按不同的權(quán)重系數(shù)計算出來的。從2007—2015年天山北坡經(jīng)濟帶的農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)變化曲線（圖5）可以看出，農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)是逐漸減小的，除了2010年有異常增加，說明總體干旱狀況是逐漸轉(zhuǎn)好的。2007—2015年的農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)在0.012 7～0.038 6之間，其中2010年的干旱災(zāi)害指數(shù)最大為0.038 6，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)最小為0.012 7，其余年份在這之間波動，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)與近9年相比偏少50%，2015年的干旱災(zāi)害指數(shù)明顯減小，干濕狀況明顯轉(zhuǎn)好，其中8月偏小99%，5月偏小60%，4月和9月偏小近40%，6月干旱指數(shù)為0。

2.5 農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)

根據(jù)濕潤指數(shù)、農(nóng)田植被覆蓋指數(shù)、水覆蓋指數(shù)和農(nóng)田干旱災(zāi)害指數(shù)的權(quán)重，計算出天山北坡經(jīng)濟帶2007—2015年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)值介于0.322～0.379之間，都處于中等，從農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)年變化曲線（圖6）可以看出近9年的變化不是很大，但總體趨勢是逐漸增加的，2015年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)與近9年相比接近常年略偏多，其中4月和9月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價等級為良，5月、6月和8月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價等級為中，7月的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價等級為較差；2015年天山北坡經(jīng)濟帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)與近9年同期相比：全年農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)接近常年略偏多，其中6月和8月偏多10%～20%，9月偏多近30%，5月和7月偏少近10%～20%，4月接近常年略偏少。

3 結(jié)論與討論

（1）從各指數(shù)看，2007—2015年的濕潤指數(shù)值在0.252～0.457之間變動，從近9年濕潤指數(shù)的變化可以看出，濕潤指數(shù)有逐漸增大的趨勢；水覆蓋指數(shù)在0.001 4～0.019 3之間，近9年水覆蓋指數(shù)是逐漸減小的，不利于植被的生長；植被指數(shù)每年4—9月的變化趨勢是一致的，從4月開始逐漸增加，7月或8月達到最大值，然后開始逐漸下降，但2007年的植被指數(shù)明顯高于其他年份，其他年份變化不是很大，從近9年植被指數(shù)的線性變化趨勢看是逐漸減小的；農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)在0.012 7～0.038 6之間，從近9年的變化可以看出農(nóng)田災(zāi)害指數(shù)是逐漸減小的（除了2010年有異常增加），說明干旱狀況是逐漸轉(zhuǎn)好的。

（2）從總體上看，2007—2015年天山北坡經(jīng)濟帶各縣（市）的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價綜合指數(shù)分別在32.18～37.72之間，農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價等級均處于中等，近9年的農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量綜合評價狀況沒有發(fā)生明顯的變化，但總體趨勢是逐漸增加的，說明生態(tài)環(huán)境是有所好轉(zhuǎn)的，因此要實現(xiàn)天山北坡經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，就需長期監(jiān)測和評價天山北坡經(jīng)濟帶的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

4 參考文獻

[1] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

[2] 許文龍，郭亮，陳紹河，等.廣西防城港市生態(tài)質(zhì)量氣象評價[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28（2）：111-114.

[3] 萬本太，張建輝，董貴華，等.中國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004：1-21.

[4] 劉新衛(wèi)，周華榮.基于景觀的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系與方法研究：以塔河中下游典型區(qū)為例[J].水土保持研究，2005，12（2）：7-10.

[5] 黃蓓佳，王少平，楊海真.基于GIS和RS的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，37（6）：805-809.

[6] 余海清，孫小濤.基于RS和GIS的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價：以重慶市為例[J].山東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，27（6）：11-16.

[7] 易敏，李毅，鄧瑜兵.基于RS和GIS的長沙市建設(shè)用地動態(tài)變化及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015，9（2）：14-19.

[8] 劉勇洪，吳春艷，李慧君，等.基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的北京市生態(tài)質(zhì)量氣象評價方法研究[J].氣象，2007，33（2）：42-47.

[9] 祝青林，劉莉，尹文昱，等.東北區(qū)域水體密度指數(shù)估算方法[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2009，20（3）：365-369.

[10] 陳愛京，傅瑋東，肖繼東，等.基于像元二分模型的和布克賽爾縣植被覆蓋動態(tài)變化分析[J].草業(yè)科學(xué)，2012，29（6）：857-862.

[11] 王君華，莫偉華，陳燕麗，等.基于遙感的廣西生態(tài)質(zhì)量氣象評價方法研究[J].氣象科學(xué)，2009，29（6）：833-837.

[12] 王利，于成龍.基于GIS和GS的黑龍江省生態(tài)質(zhì)量氣象評價[J].黑龍江氣象，2010，27（3）：21-28.

[13] 林子瑜，徐金山.江西省縣（市）域生態(tài)環(huán)境綜合評價[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，2001，24（3）：198-204.

[14] 歐陽輝.新疆天山北坡經(jīng)濟帶水土流失現(xiàn)狀及防治對策[J].水利科技與經(jīng)濟，2014，20（3）：116-117.

[15] 蔣耿明，劉榮高，牛錚，等.MODIS 1B影像幾何糾正方法研究及軟件實現(xiàn)[J].遙感學(xué)報，2004，8（2）：158-165.

[16] 中國氣象局.生態(tài)氣象觀測規(guī)范（試行）[S].北京：氣象出版社，2005.

[17] 中國氣象局.生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范（試行）[S].北京：氣象出版社，2005.