孫 明，鐘仕全，謝 敏，蒙良莉

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象減災(zāi)研究所/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；3.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001）

生態(tài)環(huán)境是人類(lèi)賴(lài)以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類(lèi)活動(dòng)影響其所在的生態(tài)環(huán)境變化，反過(guò)來(lái)生態(tài)環(huán)境狀況的好壞直接關(guān)系著人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的能力［1］。人們對(duì)自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重視程度逐漸提高，傳統(tǒng)的環(huán)境評(píng)價(jià)方法越來(lái)越滿足不了社會(huì)發(fā)展的需要，而遙感技術(shù)由于具有快速、實(shí)時(shí)和大范圍獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)［2-5］，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境各個(gè)領(lǐng)域，為生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量提供了來(lái)源和有效手段［6］。目前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)逐步由定性轉(zhuǎn)為定量［7-11］，遙感技術(shù)發(fā)展為生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化定量化評(píng)價(jià)提供了有力的支持。目前，基于遙感的綜合指數(shù)法在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較為成熟［12-15］，利用與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的因子，如植被覆蓋度、土壤指數(shù)、坡度指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力等，根據(jù)不同因子對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度大小賦予不同權(quán)重，通過(guò)對(duì)不同因子的加權(quán)疊加，得出自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型。本文以“天宮二號(hào)”太空實(shí)驗(yàn)室所搭載的寬波段成像儀影像為數(shù)據(jù)源，綜合利用植被覆蓋度、土壤亮度以及地形坡度因子，構(gòu)建馬山縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量定量評(píng)價(jià)模型，探討天宮二號(hào)寬波段成像儀在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，研究成果能夠?yàn)闆Q策部門(mén)科學(xué)地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)提供支撐，對(duì)該數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣具有積極的意義。

1 研究區(qū)概況

馬山縣隸屬于廣西壯族自治區(qū)南寧市，地處桂中南部，大明山北麓，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。東部多大石山，西部多丘陵，地形以喀斯特石山為主，是全區(qū)有名的山區(qū)縣之一。馬山縣行政區(qū)域總面積234100km2，其中：石山區(qū)面積131800km2，占全縣總面積的56.30%；丘陵面積為102300km2，占43.70%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

表1 天宮二號(hào)寬波段成像儀參數(shù)

寬波段成像儀是新一代寬波段、寬視場(chǎng)和“圖譜合一”的光學(xué)遙感器，具有可見(jiàn)近紅外、短波紅外和熱紅外三個(gè)譜段，在400km的軌道下，空間分辨率分別是100m、200m和400m，成像寬度可以達(dá)到300km（詳見(jiàn)表1），適宜開(kāi)展內(nèi)陸湖泊、陸地大尺度土壤和植被分布等地標(biāo)探測(cè)、水汽與氣溶膠等大氣探測(cè)，以及海洋和海岸帶水色、水溫、海水污染探測(cè)等方面應(yīng)用。本文所用數(shù)據(jù)可見(jiàn)近紅外波段影像，成像時(shí)間為2017年12月21日。

2.2 研究方法

本研究基于綜合指數(shù)法對(duì)馬山縣生態(tài)環(huán)境的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)遙感影像技術(shù)提取植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度3個(gè)生態(tài)因子指數(shù)，經(jīng)過(guò)歸一化處理和指數(shù)的疊加，得到最終馬山縣自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型。

（1）遙感影像預(yù)處理。寬波段成像儀的可見(jiàn)近紅外通道影像為L(zhǎng)2級(jí)，進(jìn)行了系統(tǒng)幾何校正，還需要進(jìn)行幾何精校正，本文以landsat8 OLI數(shù)據(jù)為參考影像，對(duì)天宮二號(hào)影像進(jìn)行校正，校正精度控制在0.5像元內(nèi)，利用行政邊界數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行裁切，得到馬山縣的天宮二號(hào)寬波段成像儀的遙感影像（圖1，見(jiàn)彩頁(yè)）。

（2）植被覆蓋度。植被覆蓋度能夠反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是否適合植被生長(zhǎng)，是表征植被的一個(gè)重要生物參量，其遙感估算模型［16］可以表示為：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)內(nèi)最大和最小NDVI值，根據(jù)5%的累計(jì)百分比選擇置信度區(qū)間，最后由Band Math計(jì)算結(jié)果。

（3）土壤亮度指數(shù)。土壤亮度指數(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣有一定的指示意義，其遙感估算模型［17］為：

（4）生態(tài)因子歸一化處理及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。由于各個(gè)指標(biāo)的量綱不一致，沒(méi)有可比性，因此要對(duì)各因子做歸一化處理。各指標(biāo)量化分值依照其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度采用統(tǒng)一順序的原則，即按照它們對(duì)生態(tài)環(huán)境正向影響的大小從高到低分為10個(gè)等級(jí)，以此為依據(jù)，根據(jù)以下公式進(jìn)行環(huán)境綜合評(píng)價(jià)［18］：

在公式（3）中，E為自然生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)，W是根據(jù)生態(tài)因子的貢獻(xiàn)度估算的權(quán)重，F(xiàn)C，NDSI，S分別為植被覆蓋度、土壤亮度指數(shù)和坡度。通過(guò)專(zhuān)家打分法得到3個(gè)生態(tài)因子的權(quán)重：W1=0.65，W2=0.25，W3=0.1。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度分析

通過(guò)ENVI軟件計(jì)算可以得到像元值、像元個(gè)數(shù)及累計(jì)百分比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以5%的累計(jì)百分比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以5%的累計(jì)百分比，同時(shí)對(duì)比直方圖，確定置信度區(qū)間：有效最大值和最小值對(duì)應(yīng)的像元為NDVImin=0.01，NDVImax=0.64。根據(jù)植被對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)植被覆蓋度將像元分為10級(jí)，計(jì)算后結(jié)果如表2所示。

表2 植被覆蓋度歸一化指數(shù)

表3 土壤亮度歸一化指數(shù)

表4 坡度歸一化指數(shù)

通過(guò)密度分割可以得到馬山縣植被覆蓋度狀況（圖2，見(jiàn)彩頁(yè)），從圖中我們可以看出，馬山縣的植被覆蓋度分布較為平均，全縣植被覆蓋度高于50%的區(qū)域約占全縣面積的60%，植被覆蓋度最高的區(qū)域主要集中在中部的大明山區(qū)；縣城東北部以及西南部為巖溶山區(qū)，植被多為低矮灌草，植被覆蓋度在50%～80%；植被覆蓋度低于10%的區(qū)域主要集中在馬山縣城以及巖溶地區(qū)的裸露地帶。

3.2 土壤亮度指數(shù)分析

土壤亮度指數(shù)能夠較好地反映土壤被侵蝕的程度，從而在一定程度上表達(dá)了土壤的健康狀態(tài)。依照上述方法可以計(jì)算得到馬山縣的土壤亮度指數(shù)，對(duì)其做歸一化處理后，計(jì)算結(jié)果如圖3（見(jiàn)彩頁(yè)）所示。

從圖4（見(jiàn)彩頁(yè)）可以看出，土壤健康狀況分布于植被蓋度表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。從空間分布上看，受植被保育土壤作用的影響，指數(shù)最高值出現(xiàn)在中部大明山地區(qū)，其次為東北部與西南部的巖溶石漠化地區(qū)，最低值出現(xiàn)在縣城區(qū)域以及巖溶石漠化地區(qū)的裸土地塊。從結(jié)構(gòu)上看，等級(jí)4～7的地區(qū)占全縣面積的93%以上，等級(jí)在8以上的不足5%，等級(jí)在3以下的不足2%，呈正態(tài)分布。

3.3 坡度分析

坡度是造成水土流失的最大因素。通常情況下土壤侵蝕量與坡度呈正相關(guān)。根據(jù)DEM影像可以直接提取坡度信息，按坡度越低越有利于土地資源利用和減少災(zāi)害發(fā)生的原則，對(duì)坡度狀況進(jìn)行歸一化，將坡度從高到低賦予1～10級(jí)（圖4，見(jiàn)彩頁(yè)）。

馬山縣坡度在36°以下區(qū)域占全縣面積的94%以上，其中，坡度在27°以下區(qū)域占全縣面積的71%，主要分布在縣城區(qū)、巖溶石漠化裸土區(qū)以及大明山的大部分地區(qū)；坡度在63°以上的區(qū)域不足1%。

3.4 自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

根據(jù)綜合指數(shù)模型，對(duì)植被覆蓋度歸一化指數(shù)、土壤亮度歸一化指數(shù)以及坡度歸一化指數(shù)進(jìn)行波段疊加運(yùn)算，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，將馬山縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別，不同等級(jí)的環(huán)境狀況指數(shù)的空間分布特征，體現(xiàn)了環(huán)境狀況的區(qū)域性差異（圖5，見(jiàn)彩頁(yè)）。利用廣西石漠化區(qū)分布矢量數(shù)據(jù)對(duì)馬山縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，對(duì)石漠化區(qū)與非石漠化區(qū)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 馬山縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，馬山縣整體生態(tài)環(huán)境狀況較好，生態(tài)環(huán)境等級(jí)主要以中和良為主，占全縣總面積的80.65%，主要分布在大明山區(qū)以及巖溶石漠化區(qū)；等級(jí)優(yōu)的地區(qū)主要分布在大明山區(qū)，僅占比2.04%，其中，等級(jí)為優(yōu)的部分79%分布在非巖溶山區(qū)；等級(jí)為差的主要分布在馬山西南部的永州鎮(zhèn)、馬山縣城、東北部的金釵鎮(zhèn)等人類(lèi)活動(dòng)較為密集的區(qū)域以及巖溶石漠化地區(qū)的裸地區(qū)域，占全縣面積的17.31%；其中，79%的等級(jí)為差的區(qū)域主要分布在巖溶山區(qū)。受衛(wèi)星成像時(shí)間的限制，本文所用的天宮二號(hào)成像時(shí)間為2017年12月21日，馬山縣主要的糧食作物以水稻和玉米為主，在12月底均已完成收割，導(dǎo)致農(nóng)田區(qū)域的地表呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，進(jìn)而影響該地區(qū)的植被覆蓋度指標(biāo)，導(dǎo)致農(nóng)田區(qū)域的環(huán)境等級(jí)被分為差的等級(jí)，后期可以利用多時(shí)相的遙感影像對(duì)馬山縣生態(tài)環(huán)境等級(jí)進(jìn)行精度的修訂。

4 結(jié)論與討論

（1）天宮二號(hào)寬波段成像儀可見(jiàn)近紅外影像在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用空間，配合短波紅外譜段影像以及熱紅外譜段影像，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的全方位監(jiān)測(cè)。

（2）馬山縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較好，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要以中和良為主，占全縣總面積的80.65%；等級(jí)差的區(qū)域主要分布在巖溶石漠化地區(qū)；等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域較少，僅占全縣總面積的2.04%，主要分布在大明山區(qū)。

（3）選取植被覆蓋度、土壤亮度指數(shù)以及坡度作為環(huán)境因子進(jìn)行研究，一定程度上揭示了馬山縣自然生態(tài)環(huán)境的總體狀況及空間差異，具有一定的參考意義；但僅以3個(gè)因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出的結(jié)果并不全面，在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步考慮使用天宮二號(hào)寬波段成像儀的熱紅外譜段數(shù)據(jù)反演地表溫度產(chǎn)品，綜合生物豐度等因子，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全面、綜合的評(píng)價(jià)，以期得到更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)模型。