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        基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數(shù)研究

        2016-12-28 08:41:54鄧瑜兵李德平
        地理空間信息 2016年12期
        關鍵詞:生物區(qū)域評價

        鄧瑜兵,李德平,易 敏,李 毅

        (1.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院GIS研究中心,湖南 長沙 410081;2.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站,湖南 長沙 410004;3.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院,湖南 長沙 410128)

        基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數(shù)研究

        鄧瑜兵1,李德平1,易 敏2,李 毅3

        (1.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院GIS研究中心,湖南 長沙 410081;2.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站,湖南 長沙 410004;3.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院,湖南 長沙 410128)

        利用Landsat5 TM遙感影像對湖南省2011年的地表覆蓋信息進行提取,計算出2011年湖南省的生物豐度歸一化系數(shù)及各地州市的生物豐度指數(shù),繪制2011年湖南省的生物豐度指數(shù)分縣分布圖,反映湖南省不同區(qū)域的生物豐度指數(shù)的差異,為湖南省生態(tài)環(huán)境質量評價提供數(shù)據(jù)支持。

        生態(tài)環(huán)境質量評價;生物豐度指數(shù);歸一化系數(shù)

        2006年國家環(huán)保總局制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(試行)(HJ/T192-2006)(以下簡稱《規(guī)范》)中,生態(tài)環(huán)境質量的評價因子選定為生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質量指數(shù)。生物豐度指數(shù)是權重值最大的指標,對區(qū)域的生物豐度指數(shù)進行評價是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價的重要一環(huán)。由于區(qū)域之間土地利用方式的多樣性與差異性,生物豐度指數(shù)存在較大的差異,為了統(tǒng)一尺度,引入生物豐度歸一化系數(shù)對不同區(qū)域的生物豐度指數(shù)進行無量綱化處理[1]。《規(guī)范》為地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價提供了一個科學的定量計算模型,用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的值(IE)來定量評價生態(tài)環(huán)境質量能夠直觀具體地反映研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量狀況。生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)的計算用了9個歸一化系數(shù)來對指標進行無量綱化處理,而《規(guī)范》并沒有提供相應的數(shù)值[1]?!兑?guī)范》對歸一化系數(shù)進行了簡單的描述:歸一化系數(shù)=100 / A最大值,A最大值是指某組數(shù)據(jù)在進行歸一化處理時的最大值。各歸一化系數(shù)是因尺度而異的系數(shù),正確計算歸一化系數(shù)是客觀科學地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的首要問題[2]。

        對生物豐度歸一化系數(shù)和生物豐度指數(shù)的研究大多包含在區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的評價研究中[3-10]。本研究利用Landsat5 TM數(shù)據(jù)、全國生態(tài)環(huán)境10 a(2000~2010)變化遙感調查與評估項目數(shù)據(jù)對湖南省生物豐度歸一化系數(shù)及指數(shù)進行客觀、準確的定量計算,對湖南省縣級行政單元的生物豐度指數(shù)的時空分布規(guī)律進行科學總結,為湖南省生態(tài)環(huán)境保護工作提供科學數(shù)據(jù)。

        1 研究區(qū)域概況

        湖南省位于中國東南部的長江中游地區(qū),東接江西,西臨重慶、貴州,南毗廣東、廣西,北與湖北相連。土地面積21.18萬km2,面積居全國第十位。屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候,光、熱、水資源豐富,全省東、西、南三面山地環(huán)繞,逐漸向中部及東北部傾斜,形成向東北開口不對稱的馬蹄型地貌形態(tài),全省地形以山地和丘陵地貌為主,合占總面積的66.62%。以山地丘陵為主以及降水豐富的氣候使湖南省生態(tài)環(huán)境具有一定的脆弱性,水土流失等生態(tài)環(huán)境問題比較突出。因此,正確計算湖南省生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù),把握湖南省生物豐度指數(shù),從而對湖南省內(nèi)各區(qū)域進行客觀科學的生態(tài)環(huán)境質量評價是正確把握湖南省生態(tài)脈搏、維持生態(tài)平衡必須要解決的問題。

        2 數(shù)據(jù)來源及處理

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        矢量數(shù)據(jù)大都從“全國生態(tài)環(huán)境10 a(2000~2010)變化遙感調查與評估項目”中整理得到,部分缺失的縣級行政單元土地利用數(shù)據(jù)則采用基于像元的監(jiān)督分類與基于人工目視的手段獲取。土地利用分類采用中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫的土地利用分類系統(tǒng)所建立的兩級土地利用分類標準,共分6個一級類型、25個二級類型[1]。在此分類基礎上對湖南省省級生物豐度指數(shù)進行計算,并對縣級評價單元的生態(tài)環(huán)境質量進行評價。這樣既能避免采用其他土地利用分類系統(tǒng)造成的解譯效率與解譯精度不高的問題,也方便生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)的計算,有利于生態(tài)環(huán)境質量評價工作的進行。

        2.2 數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)處理包括遙感影像處理和地面信息的提取,主要利用Erdas9.2及ArcGIS10.0實現(xiàn)對地面信息的初步獲取和精度校正,再通過數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算與分析[11-12]。

        3 生態(tài)環(huán)境結果分析

        3.1 湖南省生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)分析

        通過對湖南省122個縣級行政單位的生物豐度指數(shù)進行計算,得出湖南省生物豐度指數(shù)分縣統(tǒng)計表(表1)。經(jīng)計算得出,邵陽市的城步縣是2011年湖南省生物豐度指數(shù)最高的縣,故可由公式:歸一化系數(shù) = 100 / A最大值計算出湖南省2011年生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)為560.818 87。

        區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的評價必然會涉及到尺度的問題,通過計算得出的湖南省2011年生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)能較為客觀地導出湖南省內(nèi)縣級行政單位的生物豐度指數(shù),為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量評價提供數(shù)據(jù)支持。

        放大尺度來對比全國的生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù),湖南省的生物豐度指數(shù)略大于全國的400.62。如果通過全國的歸一化指數(shù)進行計算,則湖南省縣級行政區(qū)中最大的生物豐度指數(shù)值是城步縣的71.434 8,最小值為芙蓉區(qū)的8.98。如果不進行無量綱化處理,則不僅不利于縣級行政區(qū)之間的對比,還會由于尺度的不同影響評價工作的準確性,如果用更小行政單位的生物豐度進行計算則可能出現(xiàn)大于100的情況,影響評價工作的進行[2]。

        3.2 湖南省生物豐度指數(shù)分析

        生物豐度指數(shù)通過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,間接地反映被評價區(qū)域內(nèi)生物豐度的豐貧程度。參考國家環(huán)??偩痔岢龅纳鷳B(tài)環(huán)境狀況分級表,并根據(jù)湖南省區(qū)域內(nèi)部的生物豐度指數(shù)值進行適當修正,可將湖南省122個縣級行政區(qū)的生物豐度指數(shù)分為5個等級(表2)。

        表2 湖南省生物豐度指數(shù)狀況分級

        從整體上看,分級表中處于良和優(yōu)的縣級行政單位達到了77個,占到總數(shù)的63.1%(圖1),總面積在整個省域內(nèi)也處于絕對優(yōu)勢。這表明在湖南省范圍內(nèi),生物豐度指數(shù)等級處于良和優(yōu)的占到了大多數(shù),生物豐度狀況處于一個相對穩(wěn)定且良好的水平。

        圖1 湖南省2011年生物豐度等級圖

        3.2.1 湖南省生物豐度指數(shù)的空間差異

        通過生物豐度指數(shù)的計算和可視化表達(圖2)可以看出,2011年湖南省生物豐度指數(shù)在整體良好的情況下呈現(xiàn)較為明顯的區(qū)域特征。

        圖2 湖南省2011年生物豐度指數(shù)分縣分級圖(審圖號:湘S(2004)04號)

        1)整體呈現(xiàn)南高北低、西高東低的分布特征。湖南省生物豐度指數(shù)分布的特點與地形有著密切關系。從計算方法上看,影響生物豐度指數(shù)值大小的因子主要有林地面積、草地面積和水域濕地面積。湖南省地表植被以地帶性的常綠闊葉林為主,缺少草地,所以草地面積在整個生物豐度指數(shù)的計算中影響十分有限。水域濕地的二級指標中,灘涂用地的權重達到了0.6,而這一地類在湖南省的分布也十分有限。所以對湖南省的生物豐度指數(shù)起決定性作用的便是林地的面積,特別是有林地的面積。

        湖南省地形呈西高東低、南高北低的特點。南部有南嶺,西部有雪峰山和武陵山,北部和中東部以平原和低山丘陵為主。與地形相對應的便是不同的地表覆蓋。山地地表覆蓋以林地為主,處于亞熱帶季風氣候區(qū)的湖南省以地帶性的亞熱帶常綠闊葉林為主,故而生物豐度指數(shù)相對較大。北部和中部地區(qū)由于以平原和低山丘陵為主,地表植被覆蓋較低,故而生物豐度指數(shù)較低。

        2)局部呈現(xiàn)散點塌陷分布的特征。塌陷點主要分布在長株潭城市群和經(jīng)濟較為發(fā)達的縣級行政單位。由于經(jīng)濟較為發(fā)達,建設用地占整個用地類型的比重較大,而在生物豐度指數(shù)的計算中建筑用地的權重僅有0.04,很難對生物豐度的大小產(chǎn)生實質性的影響,故造成經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)生物豐度指數(shù)呈現(xiàn)塌陷的特點。

        3.2.2 湖南省生物豐度指數(shù)的時間差異

        根據(jù)《規(guī)范》計算出湖南省2005年分縣生物豐度指數(shù),通過與2011年的計算數(shù)據(jù)進行對比,研究湖南省生物豐度指數(shù)的時間變化規(guī)律(表3)。

        表3 2005~2011年湖南省生物豐度指數(shù)分縣變化表

        從表3可以看出,湖南省縣級行政區(qū)生物豐度指數(shù)變化最大的為赫山區(qū),增長了3.594 2。變化幅度在2以上的有13個縣級行政區(qū),整體上無論從位次還是生物豐度指數(shù)的數(shù)值都維持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。華容縣、靖州縣、南縣、南岳區(qū)等縣級行政區(qū)在省內(nèi)屬于生物豐度指數(shù)下降較快的地區(qū),建設用地和耕地侵占林地導致林地面積銳減是生物豐度指數(shù)下降的主要原因。采取措施保護現(xiàn)有林地并擴大林地面積、保護區(qū)域內(nèi)的生物多樣性成為這些縣市今后生態(tài)工作的主要方向。

        4 結 語

        通過對湖南省2011年生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)的計算,為客觀準確計算湖南省的生物豐度指數(shù)提供了信息支持,為清晰了解湖南省的生物多樣性現(xiàn)狀及時空規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支持。經(jīng)研究可以得出如下結論:

        1)湖南省生物豐度指數(shù)整體較高,生物多樣性處于一個良好并且動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

        2)在空間上,南部和西部地區(qū)生物多樣性較為豐富,而東部和北部生物多樣性較為單一,經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的生物多樣性較為單一,經(jīng)濟相對落后地區(qū)的生物多樣性較為豐富。

        3)利用RS和GIS技術對湖南省生物豐度歸一化系數(shù)進行計算,快速準確地計算出湖南省122個縣級行政單元的生物豐度指數(shù)。實踐證明,基于RS的生物豐度歸一化系數(shù)及指數(shù)的更新,能有效利用RS技術快速準確獲取地面信息,減少地面調查的人力、物力投入,提高生物豐度指數(shù)獲取的效率及精度,結合現(xiàn)勢性強的遙感數(shù)據(jù)更能實現(xiàn)生物豐度指數(shù)的快速更新。應用更合適的RS數(shù)據(jù)參與生態(tài)環(huán)境的評價成為生態(tài)工作不可或缺的一環(huán)。

        本文利用RS和GIS可視化相結合的方法,提出了一種快速更新省級生物豐度指數(shù)的工作思路。然而,由于研究區(qū)域的復雜性,針對湖南省實際生物豐度指數(shù)計算模型的修正十分有限,加之人工目視解譯精度的可控性也可能存在不足。因此,如何改進湖南省的生物豐度指數(shù)計算模型,應用更為精確的地面信息對生物豐度指數(shù)進行計算,以及如何選取精確化因子對生物豐度指數(shù)的準確性進行驗證等,還有待于進一步思考與論證。

        [1] HJ/T192-2006.生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(試行)[S].

        [2] 劉建紅,徐建軍,李誠,等.基于遙感更新的省級生物豐度歸一化系數(shù)研究:以湖北省為例[J].江漢大學學報(自然科學版),2007,35(4):47-50

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        [6] 徐祎凡,施勇,李云梅.基于環(huán)境一號衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)的太湖富營養(yǎng)化遙感評價模型[J].長江流域資源與環(huán)境,2014,28(8):1 112-1 118

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        P237

        B

        1672-4623(2016)12-0048-04

        10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.016

        鄧瑜兵,碩士研究生,研究方向為GIS應用。

        2015-09-11。

        項目來源:全國生態(tài)環(huán)境十年(2000~2010)變化遙感調查與評估項目(STSN-05-18);湖南省普通高等學校重點實驗室開放基金資助項目(09K020)。

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