周紫燕,汪小欽,*，丁 哲,陳蕓芝,汪傳建

1 福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘和信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心,數(shù)字中國研究院(福建),福州 350108 2 石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心, 石河子 832000

生態(tài)質(zhì)量變化和人類活動(dòng)已經(jīng)給生態(tài)系統(tǒng)帶來了很大的破壞,并引起了廣泛的關(guān)注[1- 2]?；趯?shí)地調(diào)查的生態(tài)數(shù)據(jù)不適合在區(qū)域或全球范圍內(nèi)直接應(yīng)用,遙感技術(shù)由于可以在不同的空間和時(shí)間尺度上提供豐富的大氣和地表數(shù)據(jù),已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)屬性[3- 4]。利用各種遙感指數(shù)來對(duì)森林[5]、草地[6]、城市[7]、河流[8]乃至整個(gè)區(qū)域[9]的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),已經(jīng)成為生態(tài)遙感領(lǐng)域的重要組成部分。其中,植被指數(shù)是各種生態(tài)遙感研究中最常用的單一指標(biāo),用于描述區(qū)域植被的特征[10-11],以表征生態(tài)質(zhì)量狀況的“綠度”；其他單一的生態(tài)指數(shù)如干旱指數(shù)[12-13]和地表溫度[14-15]也被認(rèn)為能較好的指示不同生態(tài)系統(tǒng)的“濕度”和“熱度”方面的變化。但這種基于單個(gè)指標(biāo)的分割化評(píng)價(jià),僅能反映生態(tài)系統(tǒng)的某一個(gè)側(cè)面,無法客觀、全面地反映生態(tài)狀況整體情況及變化。

國家環(huán)境保護(hù)部在2006年頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況技術(shù)規(guī)范》中推出了主要基于遙感技術(shù)的生態(tài)狀況指數(shù)EI,通過權(quán)重的設(shè)定將生物豐度、植被覆蓋度、水網(wǎng)密度、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)結(jié)合起來。該規(guī)范試行期間,已在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用,但也發(fā)現(xiàn)了不少問題,如沒有空間分布、權(quán)重的合理性、指標(biāo)的易獲得性等。近年來,部分學(xué)者針對(duì)這些存在的問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究,以期快速、定量、客觀地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況。如徐涵秋[16]利用主成分分析法從影響生態(tài)系統(tǒng)的綠度、濕度、干度和熱度這四個(gè)方面提出了遙感生態(tài)指數(shù)(A remote sensing based ecological index,RSEI)；Zhang等[17]通過因子分析法集成了不透水面、植被指數(shù)、地表溫度及纓帽變換的綠度和亮度5個(gè)指標(biāo),提出了一種利用生態(tài)評(píng)價(jià)模型繪制和監(jiān)測(cè)生態(tài)質(zhì)量和環(huán)境變化的方法。這些方法克服了單一指標(biāo)的缺點(diǎn)和傳統(tǒng)方法難以確定權(quán)重的問題,在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用[9, 18- 20]。然而,無論是主成分分析亦或是因子分析,其物理意義都不夠明顯,不能像原始變量的含義那么清晰明確。本文參考Amani等[21]利用空間幾何原理構(gòu)建三維干旱指數(shù)的思想,從植被、濕度和熱度這三個(gè)角度來構(gòu)建綜合生態(tài)質(zhì)量表征指數(shù),進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估。

新疆維吾爾自治區(qū)地處世界典型的極端干旱區(qū),生態(tài)環(huán)境十分脆弱。這里不僅是我國重要的戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備區(qū),也是“一帶一路”建設(shè)、國家西部大開發(fā)、生態(tài)文明建設(shè)的主戰(zhàn)場。由于長期以來,人類對(duì)自然資源特別是水資源的不合理利用,使得新疆生態(tài)狀況面臨著巨大的壓力?！缎陆鷳B(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估》[22],Du等[23]和申麗娜等[24]分別從不同生態(tài)系統(tǒng)和植被的角度對(duì)新疆整體生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)；同時(shí),《塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)估》[25],《博斯騰湖生態(tài)環(huán)境演化》[26],朱長明等[27],唐宏等[28],阿依努爾·買買提等[29],朱小強(qiáng)等[30],黃麟等[31]對(duì)新疆典型區(qū)域進(jìn)行多角度的生態(tài)質(zhì)量工作研究。目前,針對(duì)大范圍、長時(shí)間序列新疆生態(tài)質(zhì)量變化多因子監(jiān)測(cè)的研究很少。

本文通過組合綠度、濕度、溫度這三個(gè)生態(tài)學(xué)意義明確的遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo),基于空間幾何原理構(gòu)建了新型、簡單、實(shí)用的遙感生態(tài)質(zhì)量狀況監(jiān)測(cè)指數(shù)。利用該指數(shù)評(píng)價(jià)新疆生態(tài)質(zhì)量狀況及新疆近20年來生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)變化,對(duì)明確生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)治理區(qū),提高生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)效率具有重要的意義,同時(shí)為加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)、改善全區(qū)環(huán)境質(zhì)量,建設(shè)美麗新疆提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北邊陲地區(qū),介于34.25°—49.17°N,73.33°—96.42°E之間(圖1),總面積160萬km2。它是一個(gè)典型的山體、盆地相間的地貌系統(tǒng),包括呈緯向延伸的三大山系阿爾泰山、天山、昆侖山及山脈之間的準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地。該區(qū)域垂直地帶性明顯,大面積的森林和草地植被沿山脈的垂直方向變化,準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地分布有典型的溫帶荒漠植被,綠洲和城市則分布在河谷平原區(qū)。新疆遠(yuǎn)離海洋,三面環(huán)山,屬典型的大陸性干旱半干旱氣候；夏季干熱,冬季寒冷,干燥少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,日照時(shí)間長等?？傮w上,區(qū)域植被覆蓋率較低,空間差異明顯,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱、敏感。

根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的新疆生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù),新疆生態(tài)系統(tǒng)以荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主,其次是草地生態(tài)系統(tǒng)。新疆生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)是基于遙感解譯獲取的各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型辨識(shí)的研究成果,每五年一景。圖1展示了2015年新疆的陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布,其中荒漠生態(tài)系統(tǒng)占60.57%,主要分布于塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地以及新疆東部地區(qū)；草地生態(tài)系統(tǒng)占28.60%,主要分布于阿爾泰山、天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶、伊犁河流域、塔里木河干流及昆侖山脈；其余生態(tài)系統(tǒng)的面積比都小于5%,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占4.71%,森林生態(tài)系統(tǒng)占2.26%,濕地生態(tài)系統(tǒng)占1.07%,冰川生態(tài)系統(tǒng)占2.38%,聚落生態(tài)系統(tǒng)占0.41%。

圖1 研究區(qū)MODIS影像(241波段)假彩色合成和生態(tài)系統(tǒng)分布Fig.1 The false color composite MODIS image of study area (241 bands) and distribution of ecosystem

1.2 遙感數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本文主要采用的遙感數(shù)據(jù)為NASA MODIS陸地產(chǎn)品組提供的2000—2018年的MOD09A1的第1、2波段和 MOD11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品。MOD09A1為8天合成的空間分辨率500 m的地表反射率產(chǎn)品,第1波段為紅光波段,波段范圍620—670 nm,第2波段為近紅外波段,波段范圍840—876 nm；MOD11A2為8天合成的空間分辨率為1 km的地表溫度LST產(chǎn)品。為避免時(shí)相差異造成的影響,均選用植被生長最旺盛的7月份的影像開展研究。利用最大值合成方法得到月尺度的MOD09A1和MOD11A2數(shù)據(jù),并進(jìn)行圖像鑲嵌、裁剪數(shù)據(jù)、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理過程。MOD11A2數(shù)據(jù)采用最鄰近方法重采樣到500 m,以匹配MOD09A1的空間分辨率。

2 技術(shù)方法

綠度、濕度和熱度是反映生態(tài)質(zhì)量的重要指標(biāo),也是人類直觀感受生態(tài)狀況優(yōu)劣的重要因素,因此常被用于評(píng)價(jià)生態(tài)質(zhì)量狀況。本文根據(jù)構(gòu)建垂直干旱指數(shù)(Perpendicular Drought Index, PDI)的思想,以土壤線上最干旱的點(diǎn)D點(diǎn)為原點(diǎn),提出表征土壤濕度的垂直濕度指數(shù)(Perpendicular Moisture Index, PMI)。參考Amani等[21]構(gòu)造三維干旱指標(biāo)的空間幾何原理,選擇代表綠度的垂直植被指數(shù)(Perpendicular Vegetation Index, PVI)、代表濕度的垂直濕度指數(shù)PMI和代表熱度的地表溫度(Land Surface Temperature, LST)這三個(gè)遙感參數(shù)構(gòu)造生態(tài)質(zhì)量三維空間,構(gòu)建一種能夠反映生態(tài)質(zhì)量的遙感綜合指數(shù)：植被-濕度-溫度生態(tài)指數(shù)(Vegetation-Moisture-Temperature, VMTEI)。計(jì)算2000—2018年新疆生態(tài)指數(shù)VMTEI,并利用Sen+Mann_Kendall方法對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)分析。

2.1 VMTEI指數(shù)的構(gòu)建

2.1.1基于土壤線方程的PVI計(jì)算和土壤濕度表征(PMI)

土壤線是在紅光波段(Red)和近紅外波段(Nir)二維光譜空間中土壤純像元光譜反射率按照大小排列而成的直線,綜合反映了具有不同水分條件的土壤含水狀況,對(duì)于了解土壤和植被的理化性質(zhì)和生態(tài)特征具有重要的意義,它可以基于遙感數(shù)據(jù)Red-Nir的二維空間散點(diǎn)圖獲取[32]。在圖像包含地表覆蓋類型比較全面的情況下,Red-Nir波段的散點(diǎn)圖呈典型三角形分布,如圖2a所示。像素在三角形中的位置取決于土壤覆蓋、土壤水分、植被覆蓋度、植被種類和植被生長階段等多個(gè)因素。利用該散點(diǎn)圖可以確定土壤線方程和表征土壤最干旱的點(diǎn)D點(diǎn)。線段AC表示地表植被從全覆蓋區(qū)域(A)和部分覆蓋區(qū)域(F)到裸露土壤(C)的變化。而線段BD(土壤線SL)是指土壤水分狀況被描述為濕土區(qū)(B)、半干旱區(qū)(C)到干土區(qū)(D)的變化。Richardson和Wiegand[33]利用Red-NIR光譜特征空間任一點(diǎn)到土壤線的垂直距離來描述植被覆蓋狀況,提出了垂直植被指數(shù)PVI(式1)。秦其明等[32]利用Red-NIR光譜特征空間任一點(diǎn)到土壤基線lo(經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于土壤線的線)的距離來表征區(qū)域土壤含水狀況,提出了垂直干旱指數(shù)PDI(式2)?？梢园l(fā)現(xiàn),具有相同PVI值的像素形成一系列的等值線與相同PDI值所形成的等值線之間存在垂直關(guān)系。關(guān)于Red-NIR光譜空間的基本理論和光譜特征的詳細(xì)信息可以參考Jackson[34]和Ghulam等[35]文獻(xiàn)。

(1)

(2)

式中,ρRed和ρNIR分別代表紅光和近紅外的反射率；M和I分布代表土壤線方程的斜率和截距。

圖2 (a)Red-NIR特征空間和基于Red-NIR特征空間所構(gòu)建的XPVI-YSMI特征空間(P代表任意一個(gè)像素點(diǎn))；(b)基于線段DE的VMTEI表達(dá):在包含最高溫度、最小植被覆蓋度和最小土壤濕度的D點(diǎn)附近的像素具有最差的生態(tài)質(zhì)量狀況(VMTEI=0),而DE的另一端E點(diǎn)則代表最優(yōu)的生態(tài)質(zhì)量狀況(VMTEI=1)Fig.2 (a) Sketch map of Red-NIR space and the XPVI-YSMIspace developed inside the Red-NIR spectral space (P represents a random pixel); (b) Development of the VMTEI based on the line DE： Pixels near the point D containing maximum temperature, minimum vegetation cover, and minimum soil moisture, have the worst eco-environment status (VMTEI=0), and the other end of DE (point E) have the best eco-environment status (VMTEI=1)

土壤濕度是反映生態(tài)質(zhì)量狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。通常,地表溫度升高,土壤濕度則相應(yīng)下降,當(dāng)土壤濕度低于某一特定水平時(shí),由于不能吸收到足夠的水分,植被就會(huì)變得不健康。為了保證在三維特征空間中土壤濕度大小和方向的一致性,本文依據(jù)PDI創(chuàng)建思想,平移原來經(jīng)過原點(diǎn)的土壤基線(即圖2a中直線l0)至最干旱點(diǎn)D點(diǎn),得到新的土壤基線lD(即與XPVI重合)。Red-NIR光譜特征空間中任一點(diǎn)到新土壤基線XPVI(經(jīng)過D點(diǎn)且垂直于土壤線的線)的距離即為垂直濕度指數(shù)PMI(式3)。

(3)

式中,ρRed和ρNIR分別代表紅光和近紅外的反射率；M為土壤線方程的斜率；b為與土壤線垂直且通過D點(diǎn)的土壤基線與NIR軸的截距。

2.1.2PVI-PMI-LST三維特征空間的構(gòu)建

如圖2a所示,基于Red-NIR光譜空間,構(gòu)建以D點(diǎn)為原點(diǎn),PVI為x軸,PMI為y軸的XPVI-YPMI二維特征空間。之后,在XPVI-YPMI二維空間上添加LST為z軸,則完成了PVI-PMI-LST三維特征空間的構(gòu)建(圖2b)。本研究中,LST為2.2小節(jié)中預(yù)處理后的MOD11A2產(chǎn)品。

2.1.3VMTEI的表征

(4)

(5)

式中,Ni為歸一化后的值,i分別對(duì)應(yīng)PVI、PMI。max (i)為指標(biāo)的最大值,mix (i)為指標(biāo)的最小值。

在三維特征空間中(圖2b),包含最高溫度、最小植被覆蓋度和最小土壤濕度的D點(diǎn)附近的像素具有最差的生態(tài)質(zhì)量狀況(VMTEI=0)。隨著Npvi、Npmi和Nlst的增加,生態(tài)質(zhì)量狀況逐漸改善,線段DE的另一端E點(diǎn)則代表最優(yōu)的生態(tài)質(zhì)量狀況(VMTEI=1)。因此,本文用該三維特征空間中的任何一點(diǎn)到D點(diǎn)的距離來構(gòu)建表征生態(tài)質(zhì)量狀況的生態(tài)指數(shù)VMTEI(式6)。

(6)

VMTEI即為所建基于植被-土壤濕度-地表溫度的遙感生態(tài)指數(shù),值介于[0,1]之間。VMTEI越接近1,生態(tài)越好,反之,生態(tài)越差。

2.2 Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析

Sen趨勢(shì)度和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)合,成為判斷時(shí)序數(shù)據(jù)趨勢(shì)的重要方法,已經(jīng)逐步運(yùn)用在氣候、植被等的時(shí)序變化特征分析中[36- 38]。Sen趨勢(shì)度計(jì)算公式(式7)：

(7)

式中,i和j分別表示第i年和第j年；xi和xj分別表示第i年的VMTEI值和第j年的VMTEI值；β表示趨勢(shì)度,當(dāng)β>0時(shí),時(shí)序呈上升的趨勢(shì),反之呈下降的趨勢(shì)。

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)：對(duì)于序列X=(x1,x2,…，xn)做出如下假設(shè)：H0：序列中的數(shù)據(jù)隨機(jī)分布,無顯著趨勢(shì)；H1:序列存在上升或下降單調(diào)趨勢(shì)。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S由式(8)計(jì)算：

(8)

式中,將S標(biāo)準(zhǔn)化得到統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Z,利用Z值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其公式如式(9)：

(9)

3 結(jié)果與討論

利用MODIS波段1和波段2的數(shù)據(jù)進(jìn)行散點(diǎn)圖分析[39-40],獲得平均土壤線方程為：y=1.262x+0.018,最干旱點(diǎn)D的坐標(biāo)為(0.370,0.485)。

3.1 VMTEI空間分布特征

利用空間幾何原理,計(jì)算2000—2018年各年份PVI、PMI和LST三個(gè)分量及生態(tài)質(zhì)量指數(shù)VMTEI,其中2000年、2018年和19年的平均VMTEI分布如圖3所示。從圖3可知,近20年來,新疆生態(tài)質(zhì)量狀況空間分布格局變化不大,空間分布與新疆現(xiàn)有的生態(tài)質(zhì)量狀況比較吻合,由區(qū)域的地形地貌等自然特征決定,總體上與植被分布特征比較一致,呈現(xiàn)出緯向伸展的變化。生態(tài)質(zhì)量狀況惡劣的區(qū)域主要分布在準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地及新疆的東部地區(qū),這些區(qū)域主要為荒漠、戈壁區(qū),幾乎沒有植被生長,土壤濕度低,地表溫度高,VMTEI值低于0.3；生態(tài)質(zhì)量狀況中等的區(qū)域主要分布在天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶、塔里木河流域及綠洲與荒漠、戈壁的過渡帶,這些區(qū)域以耕地、灌木覆蓋為主,植被覆蓋稀疏,土壤有一定的濕潤度,地表溫度較荒漠區(qū)有所降低,VMTEI值在0.35左右；生態(tài)質(zhì)量狀況表現(xiàn)出良好的區(qū)域主要分布在阿爾泰山、天山山脈、昆侖山脈以及伊犁河流域,這些區(qū)域有大面積的草地、森林、綠洲,是整個(gè)研究區(qū)植被覆蓋較好的區(qū)域,VMTEI值大于等于0.35。

通過對(duì)已有研究中新疆生態(tài)質(zhì)量狀況相關(guān)的研究成果進(jìn)行VMTEI指數(shù)的定性分析和間接對(duì)比驗(yàn)證。《新疆生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估》[22]中2000年、2005年、2010年新疆生境質(zhì)量空間分布與VMTEI值的空間分布較一致,表現(xiàn)為較高等級(jí)生境分布區(qū)域VMTEI值較大,較低等級(jí)生境分布區(qū)域VMTEI值較??；唐宏等[28]通過構(gòu)建區(qū)域發(fā)展水平和生態(tài)質(zhì)量狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)新疆天山北坡區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià),其中生態(tài)質(zhì)量狀況呈現(xiàn)出由西向東逐漸下降的空間分布,這與VMTEI值具有較好的一致性；阿依努爾.買買提等[41]對(duì)新疆開孔河流域人居環(huán)境適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果也表現(xiàn)出與VMTEI指數(shù)空間分布的相似性。

圖3 新疆VMTEI的空間分布Fig.3 Spatial distribution of VMTEI in Xinjiang

3.2 VMTEI趨勢(shì)分析

圖4是結(jié)合趨勢(shì)度和統(tǒng)計(jì)量Z值的結(jié)果,該圖清晰地表明了新疆VMTEI變化趨勢(shì)的空間分布格局：生態(tài)狀況呈現(xiàn)局部改善與部分退化并存的局面,但是總體上以改善面積大于惡化面積。其中,生態(tài)狀況明顯改善的面積占2.332%,主要集中在塔里木河干流、伊寧市及霍爾果斯河周邊地區(qū)、額敏河,并以天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)質(zhì)量改善最為明顯。陳曦等[25]對(duì)塔里木河流域“四源一干”生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析,王倩等[42]對(duì)伊犁河流域植被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),唐宏等[28]對(duì)天山北坡區(qū)域發(fā)展與生態(tài)質(zhì)量協(xié)調(diào)度進(jìn)行評(píng)價(jià),其研究結(jié)果與本文相符。這一現(xiàn)象說明近年來新疆的綠洲經(jīng)濟(jì)、塔河綜合治理工程、退耕還林還草工程、“三北”防護(hù)林工程起到了一定的效果,植被改善趨勢(shì)十分明顯,平原綠洲灌區(qū)面積不斷增大[43-44]。生態(tài)狀況嚴(yán)重退化的區(qū)域面積較小,占0.430%,主要集中在塔克拉瑪干沙漠外圍、博斯騰湖、艾比湖及零星分布于新疆的不同地區(qū),阿依努爾·買買提等[29]和朱小強(qiáng)等[30]分別對(duì)博斯騰湖、艾比湖面積變化進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),其結(jié)果均表明湖面面積萎縮,生態(tài)質(zhì)量呈退化趨勢(shì),與本文趨勢(shì)分析結(jié)果相互印證。這主要是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來的城鎮(zhèn)化及全球氣候變化導(dǎo)致冰川、濕地面積銳減所造成的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量惡化[29-30, 45-46]。

圖4 趨勢(shì)分析的結(jié)果Fig.4 The result of Sen+Mann-Kendall 圖中區(qū)域I：艾比湖；區(qū)域II：天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶；區(qū)域III：孔雀河綠洲；區(qū)域IV：博斯騰湖

對(duì)于趨勢(shì)分析結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證,由于研究區(qū)范圍較大,且許多區(qū)域因氣候和地形等因素很難進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,因此本文采用中分辨率的Landsat影像對(duì)生態(tài)質(zhì)量狀況顯著變化的4個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證,分別為艾比湖(區(qū)域I)、天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶(區(qū)域II)、孔雀河綠洲(區(qū)域III)、博斯騰湖(區(qū)域IV)(圖5),其中區(qū)域I和區(qū)域IV是生態(tài)明顯退化區(qū),區(qū)域II和區(qū)域III是生態(tài)狀況明顯改善區(qū)域,這4個(gè)區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量變化已經(jīng)得到了較多的關(guān)注和研究[22, 29-30,41, 46- 48]。根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性,選取了區(qū)域I—IV不同時(shí)期生長季7—8月份的Landsat影像(圖5)。

從圖5可知,圖中4個(gè)區(qū)域的VMTEI與Landsat影像中區(qū)域植被分布和地表覆蓋有較好的一致性,水域和高植被覆蓋區(qū)VMTEI值較大,干燥裸土和低植被覆蓋區(qū)VMTEI值較小。區(qū)域I展示了2002年至2015年新疆艾比湖面積的不斷萎縮,同時(shí)艾比湖周邊的植被覆蓋面積不斷增大,圖中區(qū)域I的VMTEI均值由0.36下降至0.32；區(qū)域IV位于博斯騰湖,趨勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果為湖泊邊緣存在明顯退化的現(xiàn)象,但湖泊周邊植被覆蓋區(qū)依舊表現(xiàn)出生態(tài)質(zhì)量狀況好轉(zhuǎn)的趨勢(shì),整體VMTEI均值從0.40降低至0.37,這與圖4中趨勢(shì)分析的結(jié)果相吻合。一方面,湖水量與湖水面積的變化受到人為因素不同程度的驅(qū)動(dòng)而改變,另一方面,濕地蒸發(fā)量大、降水少等自然因素的影響也造成了艾比湖和博斯騰湖面積的萎縮,使其生態(tài)質(zhì)量狀況表現(xiàn)出退化的趨勢(shì)[29-30, 46]。區(qū)域II和區(qū)域III分別為天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶西部地區(qū)以及孔雀河綠洲,通過Landsat影像與VMTEI值的對(duì)比可以直觀地看出植被增長的趨勢(shì)很明顯,區(qū)域II中VMTEI均值從2000年的0.29增加至2017年的0.33,其中,唐宏等[28]的研究成果同樣表明,隨著天山北坡綠洲經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展,天山北坡西部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況良好；區(qū)域III的VMTEI均值從2003年的0.30增加至2017年的0.35,生態(tài)質(zhì)量狀況有所改善,由于區(qū)域人口的增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和生態(tài)輸水工程的實(shí)施,近年來孔雀河的農(nóng)田開墾速率非?？?耕地和園地面積增加顯著,大量占用荒漠、低覆蓋灌叢的面積[49]。

圖5 Landsat驗(yàn)證趨勢(shì)分析的結(jié)果Fig.5 Verify the results of trend analysis using Landsat

3.3 不同生態(tài)系統(tǒng)VMTEI變化特征分析

區(qū)域VMTEI的平均值時(shí)間序列在一定程度上反映了該區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量狀況的變化情況。利用新疆生態(tài)系統(tǒng)的空間分布對(duì)新疆生態(tài)質(zhì)量狀況VMTEI進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì),從圖6中可以看出,2000年至2018年期間,整體上趨于平穩(wěn)的狀態(tài),年際間呈現(xiàn)波動(dòng)式變化。全疆平均VMTEI值在0.300附近波動(dòng),與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)較吻合,這主要是由于荒漠生態(tài)系統(tǒng)占整個(gè)研究區(qū)的面積最大,達(dá)到了60%以上。濕地生態(tài)系統(tǒng)的VMTEI均值最高,在0.430左右,這表明濕地生態(tài)質(zhì)量狀況最為理想；其次為森林、農(nóng)田、草地、聚落生態(tài)系統(tǒng),四者VMTEI均值都高于新疆整體,其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在近20年期間有較大幅度的改善,主要由于農(nóng)田綠洲外圍的荒漠化土地面積不斷減少,農(nóng)田面積不斷增大,同時(shí),三北防護(hù)林的建設(shè)增加了農(nóng)田林網(wǎng)化的密度,植被覆蓋度增加[24, 31]；聚落生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出分段式變化,2000—2007年增長幅度較大,2007—2018年波動(dòng)幅度較小,王長建等[50]對(duì)新疆城市化與生態(tài)質(zhì)量狀況關(guān)系的分析結(jié)果與聚落生態(tài)系統(tǒng)的變化相符；荒漠生態(tài)系統(tǒng)的整體均值最低,說明其生態(tài)質(zhì)量狀況最差,2000—2018年期間表現(xiàn)出輕微波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖6 2000—2018年新疆VMTEI年際變化Fig.6 Annual variation of VMTEI in Xinjiang from 2000 to 2018

計(jì)算不同生態(tài)系統(tǒng)在2000—2018年VMTEI的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,得到圖7中的箱線圖。其中均值大小可以體現(xiàn)不同生態(tài)系統(tǒng)及新疆總體生態(tài)質(zhì)量的變化,箱體長短代表不同年份的差異；而標(biāo)準(zhǔn)差大小則反映了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的變化大小,箱體長短代表年際間的波動(dòng)狀況。

從圖7左圖可以發(fā)現(xiàn),各生態(tài)系統(tǒng)2000年至2018年間的VMTEI均值排序：濕地>森林>農(nóng)田>草地>聚落>荒漠,這表明濕地生態(tài)系統(tǒng)的總體生態(tài)質(zhì)量狀況最好,其次是森林,平均VMTEI為0.37,最差的為荒漠生態(tài)系統(tǒng),平均VMTEI僅為0.28。根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到箱線圖上下分位點(diǎn)之間的跨度長短可以判斷不同年份生態(tài)狀況變化的差異性大小,發(fā)現(xiàn)農(nóng)田的箱體跨度最大,為0.323—0.361,說明其VMTEI均值在這段時(shí)間內(nèi)的變化較大,這也表明了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)質(zhì)量狀況發(fā)生了較大的變化。

各生態(tài)系統(tǒng)2000年至2018年的VMTEI標(biāo)準(zhǔn)差均值可以分為兩大類,一類包括森林、草地、濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng),約0.08,說明這幾類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部差異相對(duì)較大；另一類為農(nóng)田和聚落生態(tài)系統(tǒng),約0.04,說明這2類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部差異較小。濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部包含湖泊、水庫坑塘、永久性冰川雪地等,內(nèi)部差異最大,因此,其標(biāo)準(zhǔn)差值及其變化都最大；荒漠生態(tài)系統(tǒng)不僅包含戈壁、沙地、裸巖,還包含了稀疏草地、苔原等未利用土地,內(nèi)部差異較大且箱體跨度長短次之；森林和草地生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差值集中于0.08左右,表明其標(biāo)準(zhǔn)差值年際間變化較小但生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部差異明顯；農(nóng)田和聚落生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部差異和標(biāo)準(zhǔn)差值變化都較小,表明其生態(tài)質(zhì)量狀況較為穩(wěn)定。

圖7 2000—2018年不同生態(tài)系統(tǒng)VMTEI的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.7 Mean and standard deviation of ecosystem VMTEI from 2000 to 2018

圖8 不同生態(tài)系統(tǒng)類型趨勢(shì)分析結(jié)果面積占比統(tǒng)計(jì)Fig.8 Area statistic on trend analysis of different ecosystem types

根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)對(duì)近20年來趨勢(shì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖8,未展示基本不變的占比)。從圖8可知,不同生態(tài)系統(tǒng)的變化面積占比低于15%,改善區(qū)域的面積均大于惡化區(qū)域,其中濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)狀況變化較大,約占14.37%；其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),變化面積占比約占12.39%,變化較小的是荒漠和森林生態(tài)系統(tǒng),變化面積占比低于3%。

明顯改善比例最多的為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),達(dá)到了11.7%,而呈現(xiàn)嚴(yán)重退化區(qū)域的比例僅占0.46%,這與新疆大規(guī)模進(jìn)行“三北”防護(hù)林體系建設(shè)、荒漠綠化、開展治沙工程有很大的關(guān)系,目前全區(qū)7000多萬畝耕地中的95%都受到三北工程的林網(wǎng)庇護(hù),為新疆農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)有力的生態(tài)保障(《新疆日?qǐng)?bào)2018年12月2日訊》)。聚落生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)質(zhì)量狀況明顯改善的比例為6.29%,在強(qiáng)調(diào)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理念的同時(shí),伴隨著新疆各重點(diǎn)區(qū)域城鎮(zhèn)面積的增加,城市綠地的面積也不斷增加,王長建等[50]和張超[47]分別對(duì)新疆地區(qū)以及新疆天山北坡地區(qū)進(jìn)行城市化和生態(tài)質(zhì)量狀況的協(xié)調(diào)發(fā)展研究,其研究結(jié)果表明城市聚落生態(tài)質(zhì)量狀況呈現(xiàn)一定程度的改善,均與本文相符。草地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)狀況明顯改善的比例占2.70%,主要由草本荒漠和耕地轉(zhuǎn)化而來,與退牧還草、草原封育和退耕還草工程有關(guān)[22]；森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)狀況明顯改善的比例占1.79%,得益于退耕還林工程及三北長江流域等防護(hù)林的建設(shè),退耕還林的面積從2001年13173hm2增加到2017年的81490hm2,同時(shí)防護(hù)林的面積從2004年的70129hm2增加到2017年的145102hm2[51]。濕地生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的面積占比最多,為2.69%,,明顯改善的區(qū)域占7.83%,表明新疆區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)退化最嚴(yán)重,這主要是由于新疆濕地分布廣泛,從平原至高山均有分布,通過對(duì)不同濕地類型的比較發(fā)現(xiàn),濕地面積增加生態(tài)狀況改善主要是由于高山區(qū)溫度升高冰川積雪消融引起的草甸沼澤化以及河流面積的擴(kuò)大,而濕地面積減少生態(tài)狀況退化較顯著的區(qū)域主要為平原湖泊以及部分水庫,《新疆生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)遙感調(diào)查和評(píng)估》[22]、阿依努爾·買買提等[29, 46]和朱小強(qiáng)等[30]對(duì)濕地的研究結(jié)果與本文較一致?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)明顯改善的區(qū)域與嚴(yán)重退化的區(qū)域比例分別為0.92%和0.31%,總體變化不大[52]。

4 結(jié)論

VMTEI指數(shù)是基于綠度、濕度、熱度指標(biāo)建立的一個(gè)完全依靠遙感信息的綜合生態(tài)指數(shù),很好地集成了影響生態(tài)質(zhì)量狀況三個(gè)主要方面的信息,因此可以快速大面積地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況。該指數(shù)既考慮了與生態(tài)相關(guān)的多個(gè)因子,又引入空間幾何原理避免了多指標(biāo)加權(quán)集成方法權(quán)重難以確定或物理意義不明晰的不足,有效地提高了生態(tài)指數(shù)VMTEI的物理意義。利用VMTEI生態(tài)指數(shù)對(duì)2000—2018年新疆生態(tài)及其變化分析的結(jié)果表明VMTEI可以較好地反映區(qū)域生態(tài)質(zhì)量空間分布和時(shí)間變化規(guī)律。近20年來,新疆生態(tài)質(zhì)量總體格局變化不大,呈現(xiàn)波動(dòng)式的平穩(wěn)變化狀況。其中生態(tài)質(zhì)量明顯改善的面積占總面積的2.332%,明顯退化的區(qū)域占0.430%,這主要是由防護(hù)林體系、城市綠地、濕地變化造成的,說明未來新疆生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)側(cè)重濕地保護(hù)與恢復(fù)工程,重點(diǎn)發(fā)展荒漠天然植被,建立綠洲外圍荒漠地區(qū)防護(hù)林體系,同時(shí)完善水資源管理,使生態(tài)系統(tǒng)格局趨于合理化。

目前在生態(tài)遙感領(lǐng)域還沒有完整的生態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,主要是利用遙感技術(shù)反演與生態(tài)相關(guān)的因子,然后進(jìn)行耦合。如何選擇合適的生態(tài)遙感因子并進(jìn)行多因子耦合分析是一個(gè)需要不斷進(jìn)行創(chuàng)新的研究方向。由于溫度對(duì)于生態(tài)狀況具有不確定性,當(dāng)溫度過高或過低時(shí),生態(tài)質(zhì)量都會(huì)朝著惡劣的方向發(fā)展,如何規(guī)范溫度對(duì)生態(tài)狀況的影響值得進(jìn)一步探討。同時(shí),針對(duì)紅光波段和近紅外波段的綠度、濕度這兩個(gè)生態(tài)因子,可以考慮利用能夠獲得熱度(地表溫度)的中高分辨率傳感器(如Landsat等)構(gòu)建較高空間分辨率VMTEI的可行性及其區(qū)域應(yīng)用。