茹克亞·薩吾提， 阿不都艾尼·阿不里,3,5，李 虎， 尼加提·卡斯木， 李曉航

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046;4.新疆衛(wèi)星應用工程中心, 烏魯木齊 830000; 5.新疆大學 生態(tài)學博士后流動站, 烏魯木齊 830046)

近些年來，隨著社會的快速發(fā)展，人類活動生態(tài)環(huán)境之間的密切關系顯得日益突出，社會、經濟、生態(tài)的協(xié)調發(fā)展模式成為了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的核心問題，因此生態(tài)環(huán)境破壞造成的土地和森林退化、地表沉陷、土壤污染、水資源污染與枯竭、植被破壞和粉塵污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問題逐漸成為人們廣泛關注與研究的熱點[1-3]。

目前，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評價方法與手段比較多，其中，遙感技術以快速、實時及可實現(xiàn)大范圍監(jiān)測等優(yōu)勢被廣泛地應用于生態(tài)環(huán)境領域，成為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效手段[4]。國內外學者在利用遙感技術進行生態(tài)環(huán)境評價方面開展了大量研究工作[5]，尤其是在城市、礦區(qū)、森林、公路、湖泊、土地、植被指數(shù)和地表溫度反演等方面的動態(tài)監(jiān)測和評估方面廣泛應用[6-13]。由于生態(tài)環(huán)境是由多種自然和人文因素組成的一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，單一的生態(tài)因子無法客觀、全面地反映生態(tài)環(huán)境變化[14]。徐涵秋[15]提出的新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote sensing Based Ecological Index,RSEI)是一個能夠集成多種指標因素且完全基于遙感信息的遙感綜合生態(tài)指數(shù)，將綠度分量(NDVI)、濕度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和熱度分量(LST)4個遙感指數(shù)綜合起來進行計算一種新方法，該方法在區(qū)域生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測與評價中具有一定的優(yōu)勢和使用價值[16]。弓盛洋[17]運用遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，對濮陽市城區(qū)生態(tài)環(huán)境質量進行監(jiān)測和評價，揭示了濮陽市生態(tài)環(huán)境的基本特征，為以后濮陽市生態(tài)環(huán)境的治理與建設提供了科學依據(jù)。劉智才等[18]利用杭州市采用新型的遙感生態(tài)指數(shù)評估了杭州市年間的生態(tài)變化，并發(fā)現(xiàn)建筑用地的大量擴張是導致杭州市生態(tài)質量下降的最重要因素。張浩等[19]計算遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，進行南京市生態(tài)環(huán)境變化定量分析評價，并指出該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的下降與不透水面的大幅增加密切相關。

新疆作為國家一帶一路戰(zhàn)略中處于絲綢之路經濟帶的核心區(qū)[20]，國家十三五規(guī)劃的順利進行和建成小康社會目標的實現(xiàn)區(qū)位優(yōu)勢比較明顯。但是，新疆地區(qū)植被覆蓋低較低，沙漠化、荒漠化、降雨少、蒸發(fā)大、生態(tài)環(huán)境比較脆弱，外來因素影響比較敏感。阜康市作為新疆比較重要的工業(yè)城市，自然資源的過量開發(fā)和和阜康市經濟社會發(fā)展過程中不斷地承接許多內地高耗能、高污染、資源型企業(yè)對于脆弱的生態(tài)系統(tǒng)會造成不可估量的損失，因此對該區(qū)生態(tài)環(huán)境變化進行周期性監(jiān)測和研究有重大的意義[21]。本研究以新疆天山北坡經濟帶的阜康市為例，采用綜合遙感生態(tài)指數(shù)對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化進行探討，該研究成果將為城市生態(tài)質量快速評價與城市生態(tài)環(huán)境建設提供方法和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

阜康市位于新疆東天山山脈北坡，準噶爾盆地南部,地理坐標為43°45′—45°30′N，87°46′—88°44′E。東面與吉木薩爾縣相鄰，西臨烏魯木齊市米東區(qū)，北接阿勒泰地區(qū)福?？h。阜康市土地總面積為8 444.71 km2，該地區(qū)境內氣候垂直地帶性分布特征顯著具有新疆地區(qū)典型地理地貌特征(山地-綠洲-荒漠)[21]，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候、四季分明、冬季嚴寒且夏季炎熱，降水稀少且分布不均，山區(qū)中部的年降水量為530.11 mm，平原區(qū)為187.5 mm，沙漠區(qū)則通常只有144.7 mm，由于該地區(qū)位于古爾班通古特沙漠邊緣，植被覆蓋度較低，水資源比較欠缺，生態(tài)環(huán)境相對較為脆弱[22]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文為了更好地掌握阜康市生態(tài)環(huán)境狀況及其變化，使用了從美國地質調查局網(wǎng)站下載(網(wǎng)址：http:∥www.gscloud.cn/)的遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間分別是2000年9月2日、2008年9月7日和2016年9月13日的Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)。為了避免大氣、地形和光照等因素對不同年份遙感圖像處理精度，減少不同時相影像在地形、光照和大氣等方面的差異，保證影像間空間疊加分析的準確性，在ENVI 5.3下對這3期遙感影像分別進行輻射定標和大氣校正，并依照行政區(qū)界線進行圖像裁剪[23]。

2 指數(shù)選擇及遙感生態(tài)指數(shù)模型

2.1 指標選擇

綜合遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)將綠度分量(NDVI)、濕度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和熱度分量(LST)4個遙感指數(shù)波段組合成新的指數(shù)影像后，并進行主成分分析，然后將其第一主成分歸一化處理，即可生成RSEI。

研究區(qū)除城市建成區(qū)外，還包括部分裸土，因此，采用建筑指數(shù)IBI和土壤指數(shù)SI二者相結合生成的“建筑—裸土指數(shù)”NDBSI來表示干度指標[24]。這4種指標的計算公式與參考參數(shù)如圖1所示。

圖1 生態(tài)遙感指數(shù)計算流程

計算式中：B，G，R，NIR，SWIR1，SWIR2分別代表TM第1，2，3，4，5，7波段以及OLI的1，3，4，5，6，7 波段的反射率。對于Landsat5 TM影像；S1=0.031 5；S2=0.202 1；S3=0.310 2；S4=0.159 4；S5=-0.680 6；S6=-0.610 9[25]；對于Landsat8/OLI影像；S1=0.151 1；S2=0.197 3；S3=0.328 3；S4=0.340 7；S5=-0.711 7；S6=-0.455 9[26]。

地表溫度計算中，L6和L10分別為TM熱紅外6，10波段在傳感器處的輻射值；T為傳感器處溫度值；DN為像元灰度值；gain和bias為6，10波段的增益與偏置值：K1和K2為定標參數(shù)，它們都可以從用戶手冊獲得。對于TM，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)；K2=1 260.56 K；而對于TIRS band10，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)；K2=1 321.08 K[27]；經過式(4) 計算的溫度T可以通過比輻射率糾正轉換為地表溫度LST；λ為熱紅外波段的中心波長；ρ=1.44×10-2m·K；ε為地物的比輻射率[28]，地表溫度通過公式(4) 在ENVI軟件波段運算模塊進行計算。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)模型(RSEI)

擬建的生態(tài)指數(shù)應既能以單一指標的形式出現(xiàn)，又可以綜合以上4個指標的信息。因此如何以單一變量代表以上多個變量是本研究的關鍵。通過主成分變換進行指標權重的集成，能有效的避免人為因素影響，僅依靠數(shù)據(jù)本身的性質。本研究對不同的4個指數(shù)進行主成分分析，由于4種指標的量綱不一致，如果直接計算PCA會導致各指標的權重失衡，因此進行主成分分析之前對4個指標進行正規(guī)化，將它們的量綱統(tǒng)一到(0～1)之間，然后做主成分變換。常用的正規(guī)化公式[29]：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(5)

式中：NIi為正規(guī)化后的某一指標值；Ii為該指標在像元i的值；Imax為該指標的最大值；Imin為該指標的最小值。4個指標經過正規(guī)化以后，合成由4個指數(shù)波段組成的新影像，再進行主成分分析；對PC1進一步處理生成遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，其值越大表示生態(tài)質量越好。反而，表示生態(tài)質量越差，可進一步用1減去PC1，獲得初始生態(tài)指數(shù)RSEI0[29]。

(6)

為了便于指標的度量和比較，可同樣對RSEI0進行正規(guī)化：

(7)

RSEI即為所建的遙感生態(tài)指數(shù)，取值范圍[0～1]。為了具體表現(xiàn)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化特征，進一步將各年份的生態(tài)指數(shù)以0.2為間隔分成為差(0～0.2)，較差(0.2～0.4)，中等(0.4～0.6)，良(0.6～0.8)，優(yōu)(0.8～1)5個等級[30-31]。

3 結果與分析

3.1 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)模型建模與參數(shù)分析

由表1給出了各指標與生態(tài)指數(shù)(RSEI)之間的相關性，表1中可看出，4個指標之間存在明顯的相關性，2000—2016年除了NDVI和NDSI之間的相關性較弱以外，其他指數(shù)之間的相關性較好。4種指標平均相關度進行對比可知，最高的指標為LST，LST在3個年份的均值達0.63；平均相關度最低的指標為NDVI，3個年份的均值為0.29。3個年份的RSEI與4個指標的相關系數(shù)均值為0.88，比單指標最高的LST差異達到0.25，比最低的NDVI差異達到0.59，比4個指標的平均值(0.51)大于0.37。這個結果表明各指標與RSEI之間存在較好的相關性可用RSEI來綜合反映阜康市生態(tài)環(huán)境質量。

由主成分分析結果看出(表2)，PC1的貢獻率都大于75%，表明它已集中了4個指標的大部分特征；每一個指標對PC1中都有一定的貢獻率，且相對穩(wěn)定，因此，本研究利用PC1來進行計算。從表2 中各年不同指標的PC1 載荷值進行對比可知，濕度(WET)和綠度(NDVI)值為正值，表明二者對生態(tài)環(huán)境有促進作用，干度(NDSI)和熱度(LST)載荷值為負值，這兩者對生態(tài)環(huán)境有阻礙作用，該結果與實際情況相符。各年份各指標的PC1的絕對值變化可知，濕度和綠度對結果的貢獻都較大，并呈現(xiàn)波動性變化趨勢，這表明研究區(qū)植被覆蓋度的變化對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測結果影響較大。

表1 各指標與生態(tài)指數(shù)(RSEI)的相關系數(shù)矩陣

表2 各年份指標及RSEI 均值、PC1 荷載值變化

3.2 阜康市生態(tài)環(huán)境時空變化分析

為進一步對RSEI進行定量化與可視化分析，將各年份計算結果以0.2為間隔，劃分為差、較差、中、良和優(yōu)等5個等級[31]。由圖2中可看出，3期的各等級所占面積與比例進行統(tǒng)計結果表明雖然在2000—2016年阜康市的生態(tài)環(huán)境狀況良和優(yōu)為主，但總體趨勢來看研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化處于惡化趨勢。生態(tài)環(huán)境差和較差的區(qū)域面積則一直處于增長趨勢。2000年、2008年、2016年生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域面積在整個區(qū)域面積中占的比例分別為5.86%，6.65%和7.12%。生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域面積分別為1 178.77，1 416.63，2 546.22 km2，在整個區(qū)域的面積中占10.89%，12.52%，19.56%。2000—2016年總體生態(tài)狀況還是以良和優(yōu)(4，5級)為主，但第5級類(優(yōu))所占面積比例由2000年的30.51%下降至2016年的25.36%，面積減少156 km2；第4級(良)所占面積比例由2000年的29.89%下降至2016年的25.16%，面積減少123 km2。同樣證明了阜康市生態(tài)環(huán)境狀況逐年下滑的趨勢。因此政府在重視經濟發(fā)展和合理規(guī)劃工廠的同時也應該減少化工工廠數(shù)量并其引起的城市周邊環(huán)境的改善，促進人和自然環(huán)境的和諧發(fā)展[32-33]。

2000年生態(tài)環(huán)境差和較差(1，2級)的區(qū)域主要分布在城市區(qū)域和南部地區(qū)，到2008年該區(qū)域范圍擴展到西南和北部，2016年2級(較差)生態(tài)環(huán)境區(qū)域快速大范圍擴展，1級(差)區(qū)域帶狀分布于南部和北部。3 a間生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域主要集中在阜康市的中部地區(qū)和西北地區(qū)。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境快速呈現(xiàn)時空變化的主要原因是在阜康市不斷開采煤炭資源，化工廠、洗煤廠、水泥廠等各種工業(yè)有關企業(yè)陸陸續(xù)續(xù)坐落。2000年以來阜康市化工工廠規(guī)模和數(shù)量一直保持增長趨勢，比如，鋼鐵廠、冶煉廠、金碩苯板廠、三工煤礦、塑料廠等[34-35]。

3.3 阜康市生態(tài)環(huán)境質量動態(tài)變化監(jiān)測

利用差值原理，對阜康市的生態(tài)環(huán)境質量變化進行“0級”為基本未變級，“變好”為生態(tài)環(huán)境轉好級，“變差”為生態(tài)環(huán)境轉差級等3種不同等級(表3)。由2000—2008年變化幅度來看，該區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變差等級的面積為849.35 km2，約占總面積的25%，而生態(tài)轉好的面積達563.81 km2，占到17.07%；生態(tài)環(huán)境質量變好的區(qū)域面積小于變差的面積，說明了在這個時間段阜康市的生態(tài)環(huán)境質量變差，并生態(tài)環(huán)境遭受破壞。

圖2 各級生態(tài)指數(shù)面積變化

表3 變化檢測

2008—2016年，生態(tài)環(huán)境轉差的面積增長到1 601.41 km2，約占總面積的48%，而生態(tài)轉好的面積達431.21 km2，占到13.06%；生態(tài)環(huán)境質量變差的區(qū)域面積超越了轉好的面積，說明了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境呈變差趨勢。從整個16 a的變化趨勢來看，阜康市的生態(tài)環(huán)境質量不理想，變差的面積已達到了1 757.94 km2，約占總面積的53.23%，而生態(tài)轉好的面積達296.39 km2，占到8.98%；從此結果可以看出，在治理生態(tài)環(huán)境質量差的區(qū)域的同時應重視對原本生態(tài)環(huán)境質量好區(qū)域的破壞。

從空間分布來看，生態(tài)條件變差的地點主要分布在郊區(qū)中部和北部地區(qū)。生態(tài)變好的區(qū)域主要是一些新增生態(tài)基礎設施的舊城區(qū)和房地產開發(fā)建設中注重綠地等生態(tài)設施建設的新城區(qū)，而中部耕地周圍變化不大。

3.4 阜康市生態(tài)環(huán)境變化成因

3.4.1 自然因子 研究區(qū)處于天山東部，山地平原植被垂直帶完整，山地—荒漠—綠洲農業(yè)特點典型突出。阜康市氣候條件獨特，降水量、氣溫、地表溫度等氣象因子對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化起著很重要作用。因此，本文選阜康市2000—2016年的平均氣溫、降水量、地表溫度和平均相對濕度為主要自然因子分析氣象因子變化及其生態(tài)環(huán)境的影響。從氣候因素的變化規(guī)律來看，氣溫和地表溫度的變化規(guī)律較相似，阜康市年平均氣溫及其氣溫距平如圖3所示。在2000—2016年期間，阜康市年平均氣溫和地表溫度的變化速率分別為1.39℃/16 a，1.73℃/16 a，其整體上升趨勢非常明顯，16 a的平均氣溫和地溫為22.22℃，27.64℃。

以2004年為界，阜康市年平均地溫和氣溫經歷了冷暖兩個時期。2000—2004年雖然阜康市氣溫和地表溫度呈現(xiàn)小幅度變化，但比2004年屬于暖時期，2004年平均氣溫和地表溫度降低到17.56℃，20.89℃。2008年阜康市平均氣溫和地表溫度呈現(xiàn)最高值，分別上升1.37℃，2.17℃。而研究區(qū)降水量一直在不規(guī)則的波動性變化，平均降水量為75.26 mm。2003年、2007年和2015年間降水量呈現(xiàn)高值，最高值達到了139 mm。阜康市平均相對濕度的變化速率為2.79%/16 a，在2004年達到了最高值，51.93%；從2004年起快速減少，在2014年呈現(xiàn)最小值39.79%。

圖3 2000-2016年阜康市平均氣溫和地表溫度變化趨勢

總的來講，阜康市的氣溫和地表溫度從2000—2016年趨于上升，而降水量和相對濕度呈現(xiàn)降低趨勢(圖4)，這對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境不利的情況，會導致旱災，荒漠化。2000年、2008年和2016年的生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化特征來看，2008年和2016年RSEI較差區(qū)域明顯增長，主要分布草地、林地和耕地等土地利用類型分布帶，同時2008年和2016年前后，研究區(qū)氣溫逐漸增加而降水量快速減少，干旱區(qū)植被一般對氣候很敏感，這限制研究區(qū)植被正常生長，因此氣候變化在一定程度上引起研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化的原因之一。

圖4 2000-2016年阜康市平均降水量和相對濕度變化趨勢

3.4.2 社會經濟因子 2000—2016年，阜康市生態(tài)環(huán)境質量總體呈下降趨勢，最近幾年以來，阜康市大規(guī)模煤礦開采活動危害了區(qū)域脆弱生態(tài)系統(tǒng)，加劇了土壤污染問題與生態(tài)環(huán)境惡化。煤礦開采使得大量的重金屬通過各種途徑進入土壤，對阜康市土壤環(huán)境帶來了一定的危害[35]。除此之外煤炭開采等活動導致了地表塌陷、水資源污染、水土流失和植被破壞、大氣污染以及煤矸石、粉煤灰污染等一系列環(huán)境污染問題[36]，威脅阜康市的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)近期報告，阜康市全市涉及危險廢物的單位有20多家，其中危險廢物產生單位有21家，危險廢物經營單位4家[37]，為此2013年自治區(qū)環(huán)保廳對阜康市存在的環(huán)境問題進行了掛牌督辦[38]。由此看出，阜康市的整體環(huán)境變化研究結果與實際情況一致。阜康市本身就屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，對該市的生態(tài)環(huán)境保護制度進行加強和利用合理的治理措施是減輕生態(tài)環(huán)境壓力的重要出發(fā)點。

阜康市作為新疆傳統(tǒng)的綠洲農業(yè)耕作區(qū)，擁有較好的光、熱、水、土等自然條件。但是在加速推進工業(yè)化和城鄉(xiāng)一體化的進程中，建設用地需求的不斷增加導致耕地數(shù)量不斷減少,耕地質量的降低也直接影響耕地的產能和區(qū)域糧食產量。目前，新疆自治區(qū)地方政府已經制定了一系列優(yōu)惠政策鼓勵差別化開發(fā)利用有條件的國有未利用地，這為新疆廣泛的未利用地資源的開發(fā)利用提供了必要的政策支持。政府政策支持下阜康市很多未利用地轉換為耕地，隨著耕地面積的擴大，大量未利用土地被開發(fā)為耕地和城鄉(xiāng)工礦居民地，使未利用土地內部出現(xiàn)了大量其他景觀類型，破壞了未利用土地原來的整體性。這也是該城市生態(tài)環(huán)境質量下降的另一個重要原因。

4 結 論

(1) 不同年份變化結果表明，從2000—2008年阜康市的生態(tài)環(huán)境質量明顯下降，在這短暫的8 a間生態(tài)環(huán)境轉差的區(qū)域面積達到了849.35 km2，約占總面積的25.72%；且以2008—2016年期間生態(tài)環(huán)境質量下降幅度為最大，環(huán)境質量轉差的區(qū)域面積增長到1 601.41 km2比前8 a增長了2倍，約占總面積的48.49%，而環(huán)境質量轉好的只占了13.06%。16 a期間，阜康市的環(huán)境質量轉好的區(qū)域面積一直下降，反而質量轉差的區(qū)域逐步增加，約占總面積的53.23%。

(2) 從空間分布看，生態(tài)條件變差的地點主要分布在郊區(qū)中部和北部地區(qū)。生態(tài)變好的區(qū)域主要是一些新增生態(tài)基礎設施的舊城區(qū)和房地產開發(fā)建設中注重綠地等生態(tài)設施建設的新城區(qū)，而中部耕地周圍變化不大。

(3) 阜康市城市環(huán)境質量變化的原因分析可知，除了降水量，氣溫，相對濕度等自然因子之外，煤炭資源開發(fā)，煤化工、電力、石油等行業(yè)，推進工業(yè)化和城鄉(xiāng)一體化的進程中的不合理土地利用模式，建筑用地面積的增加等導致了阜康市生態(tài)環(huán)境質量下降(干旱等自然條件下超負荷開發(fā)活動是導致生態(tài)環(huán)境質量惡化的一個重要因素)。城市生態(tài)環(huán)境改善中，需要考慮進一步合理配置土地資源，科學布局城市發(fā)展空間，應將擴大植被覆蓋度作為改善阜康市生態(tài)環(huán)境重要措施。