宋夢(mèng)龍，顏 濤，張海龍，張 鵬，付美麗

(內(nèi)蒙古計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究院(有限責(zé)任公司)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

植被是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等方面發(fā)揮著重要作用。21世紀(jì)以來(lái)，由于受到日益頻繁的人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的影響，植被退化現(xiàn)象加劇，生態(tài)環(huán)境的惡化受到全球矚目。防止土地荒漠化與植被退化是我國(guó)生態(tài)環(huán)境治理的重要內(nèi)容。草原是植被系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等方面發(fā)揮著重要作用。草原生態(tài)的破壞，造成的危害不僅存在于局部空間，對(duì)大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

內(nèi)蒙古錫林郭勒草原的東部，又稱(chēng)烏珠穆沁草原，是內(nèi)蒙古自治區(qū)保存最完好的原生態(tài)草甸草原之一。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，開(kāi)荒種地、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)等均對(duì)草原進(jìn)行了不同規(guī)模的破壞，草原的生態(tài)環(huán)境面臨著種種威脅。近幾年，隨著草原生態(tài)保護(hù)意識(shí)逐漸加強(qiáng)，生態(tài)恢復(fù)工程逐步開(kāi)展，草原生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但草原退化與破壞尚存，草原生態(tài)系統(tǒng)依舊脆弱，草原生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)已經(jīng)成為草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面對(duì)的問(wèn)題。研究該地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變過(guò)程，對(duì)天然草原生態(tài)系統(tǒng)的治理、恢復(fù)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，為草原生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，人們監(jiān)測(cè)草原生態(tài)環(huán)境變化的方法逐漸增多，可通過(guò)草原植被指數(shù)、裸土指數(shù)、濕度指數(shù)、地表溫度等角度進(jìn)行研究。環(huán)保部(現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部)發(fā)布的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型[1]融合生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地退化和環(huán)境質(zhì)量等多項(xiàng)指標(biāo)，該模型所需數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，涉及國(guó)土、氣象、環(huán)保水利等多個(gè)部門(mén)，獲取難度大，且部分?jǐn)?shù)據(jù)不對(duì)外發(fā)布，因此該評(píng)價(jià)模型的可操作性不強(qiáng)。徐涵秋[2]提出的區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，綜合考慮植被覆蓋、干濕度、地表溫度等多方面因素對(duì)區(qū)域生態(tài)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。遙感生態(tài)指數(shù)RSEI以濕度、綠度、熱度和干度4個(gè)重要因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)主成分分析確定各指數(shù)對(duì)生態(tài)變化的影響及其貢獻(xiàn)率，相比人為規(guī)定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法更加客觀。因此，本研究利用遙感生態(tài)指數(shù)RSEI對(duì)東烏珠穆沁旗的生態(tài)環(huán)境演變進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

東烏珠穆沁旗(簡(jiǎn)稱(chēng)東烏旗)位于內(nèi)蒙古正北方，東鄰興安盟、通遼市和赤峰市，南接錫林浩特市，北與蒙古國(guó)接壤，國(guó)境線長(zhǎng)527.6km，地處烏珠穆沁草原，是天然的草甸草原。全旗總土地面積4.73萬(wàn)km2，轄5個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)蘇木和1個(gè)國(guó)有林場(chǎng)。東烏旗屬北溫帶大陸性氣候，處于高海拔和中、高緯度帶的內(nèi)陸地區(qū)，自然條件較為惡劣。氣候特征為冬季受蒙古高壓控制寒冷風(fēng)大，夏季水熱同期。東烏旗北部是低山丘陵、南部是盆地，水系不發(fā)達(dá)。全旗已查明各類(lèi)金屬礦產(chǎn)40多種，朝不楞大型多金屬礦位于旗內(nèi)。旗內(nèi)經(jīng)濟(jì)以畜牧業(yè)為主，同時(shí)發(fā)展資源、能源、特色旅游等產(chǎn)業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選用Landsat5和Landsat8兩類(lèi)遙感影像為數(shù)據(jù)源，以近30年的3個(gè)時(shí)期，即：1989年、2011年、2018年為研究時(shí)段，各時(shí)段遙感數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。各時(shí)段的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量符合研究要求，拼合后均能完全覆蓋研究區(qū)域，拼合后的3期遙感影像見(jiàn)圖1。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)資料

圖1 東烏旗1989年、2011年、2018年3期遙感影像

2 研究方法

2.1 綠度指標(biāo)(NDVI)

植被覆蓋度是衡量一個(gè)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的關(guān)鍵，歸一化植被指數(shù)NDVI是應(yīng)用最廣的植被指數(shù)之一[3]，是利用植被對(duì)紅光吸收谷和近紅外波段高反射率的特征計(jì)算的，能夠很好地反映植被覆蓋情況。

(1)

其中：ρNIR、ρRed分別是Landsat5和Landsat8數(shù)據(jù)的紅光、近紅外波段的反射率。

2.2 濕度指標(biāo)(Wet)

纓帽變換(TCT)是將光譜數(shù)據(jù)壓縮成與具有最小信息損失的幾個(gè)波段的重要工具，經(jīng)纓帽變換轉(zhuǎn)換后的前3個(gè)分量通常被定義為亮度、綠度、濕度。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)之中。濕度指數(shù)采用纓帽變換的濕度分量，用來(lái)表達(dá)土壤和植被的水分信息。不同影像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的變換公式不同。Landsat5數(shù)據(jù)和Landsat8數(shù)據(jù)的公式分別如下。

Landsat5：0.0315ρBlue+0.202ρGreen+0.3102ρRed+0.159ρNIR-0.6806ρSWIR1-0.6109ρSWIR2

(2)

Landsat8：0.1511ρBlue+0.1973ρGreen+0.3283ρRed+0.3407ρNIR-0.7117ρSWIR1-0.4559ρSWIR2

(3)

其中：ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為L(zhǎng)andsat5和Landsat8數(shù)據(jù)藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1、短波紅外2的反射率。

2.3 熱度指標(biāo)(LST)

熱度指標(biāo)用地表溫度代表，采用Landsat用戶手冊(cè)[4]提供的模型進(jìn)行計(jì)算。

Lλ=gain×DN+bias

(4)

(5)

其中：Lλ為傳感器處輻射值；DN為熱紅外波段灰度值；gain和bias為熱紅外波段增益值與偏置值，對(duì)應(yīng)遙感影像頭文件中的gain與bias，不同傳感器對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)參照參考文獻(xiàn)。在本研究中Landsat5數(shù)據(jù)使用6波段[5]，Landsat8數(shù)據(jù)使用10波段；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)，都可以從用戶手冊(cè)獲得。

上述公式計(jì)算的溫度T通過(guò)比輻射率糾正轉(zhuǎn)換為地表溫度LST。

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]

(6)

其中：λ為熱紅外波段的波長(zhǎng)，本研究中Landsat5數(shù)據(jù)6波段波長(zhǎng)11.4、Landsat8數(shù)據(jù)10波段波長(zhǎng)10.9；ρ=1.438×10-2mk；ε為比輻射率。

2.4 干度指標(biāo)(NDSI)

干度指標(biāo)使用裸土指數(shù)SI，但是，在研究區(qū)域中，還有相當(dāng)一部分的建筑用地，它同樣造成地表的“干化”，因此，干度指標(biāo)可由二者合稱(chēng)。

DNSI=(SI+IBI)/2

(7)

SI=〔(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)〕/〔(ρ5+ρ3)+(ρ4+ρ1)〕

(8)

(9)

其中：ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5分別為L(zhǎng)andsat5和Landsat8數(shù)據(jù)的藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

2.5 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

由于各個(gè)指數(shù)的量綱各不相同，需要對(duì)各個(gè)指數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱歸一化處理，將值域區(qū)間規(guī)范到[0,1]之間，以方便各指數(shù)對(duì)生態(tài)變化的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。

(10)

其中：Inor為歸一化后的指標(biāo)，Ii為各分項(xiàng)指標(biāo)，Imax、Imin為該指標(biāo)最大值與最小值。

多元統(tǒng)計(jì)方法中的主成分分析(PCA)是將多個(gè)變量通過(guò)正交線性轉(zhuǎn)換來(lái)選取少數(shù)重要變量的多維數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。在本研究中采用主成分分析進(jìn)行指標(biāo)壓縮，獲得有效成分的結(jié)果。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重不是人為確定，而是根據(jù)數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)和每個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率來(lái)確定，從而可以避免因人的主觀因素造成的結(jié)果偏差。

在研究中，將歸一化后的4項(xiàng)指標(biāo)組合為一套數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行主成分分析，確定各指標(biāo)所占權(quán)重，詳見(jiàn)表2。

表2 歸一化指標(biāo)主成分分析

從表2中可以看出，3期指標(biāo)組合數(shù)據(jù)的第一主成分(PCA1)貢獻(xiàn)率分別為99.30%、99.33%、96.99%，說(shuō)明第一主成分包含了影像絕大部分特征信息；第二、三、四主成分的貢獻(xiàn)率基本可忽略，由此確定第一主成分為4項(xiàng)指標(biāo)的特征分量。由遙感生態(tài)指數(shù)RSEI=PCA[f(WET,NDVI,LST,NDSI)]歸一化操作后得到范圍在[0,1]之間的RSEI指數(shù)，其值越大則表明生態(tài)狀況越好。

3 結(jié)論分析

3.1 整體分析

東烏珠穆沁旗1989年、2011年、2018年3個(gè)年度RSEI評(píng)價(jià)值分別為0.87609、0.86761、0.86015，整體來(lái)看東烏旗近30年生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1989年～2011年，整體下降約1%，2011年～2018年，整體下降約0.86%。

圖2 1989年、2011年、2018年?yáng)|烏旗RSEI指數(shù)變化

3.2 分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)遙感生態(tài)指數(shù)RSEI的分級(jí)方法，以0.2為間隔由低到高分為差、較差、一般、良、優(yōu)5個(gè)級(jí)別。從表3中可以看出，東烏珠穆沁草原生態(tài)質(zhì)量整體處于良和優(yōu)的分級(jí)中。優(yōu)級(jí)別占比在逐年降低，良級(jí)別占比在逐年升高，并在2018年出現(xiàn)了0.4%的一般級(jí)別的生態(tài)質(zhì)量。

表3 1989年、2011年、2018年?yáng)|烏珠穆沁旗RSEI占比

從分級(jí)圖(見(jiàn)圖3)可以看出，東烏旗1989年生態(tài)質(zhì)量較好，整個(gè)區(qū)域內(nèi)基本都是優(yōu)級(jí)別的純綠色； 2011年生態(tài)質(zhì)量有所下降，淺綠色的良級(jí)別增多；2018年?yáng)|烏旗東北部出現(xiàn)成片的淺綠色的良級(jí)別，中部地區(qū)出現(xiàn)了零星分布的淡綠色一般級(jí)別的生態(tài)質(zhì)量?？梢酝茢嗌鷳B(tài)指數(shù)的下降，更多是由于人類(lèi)生產(chǎn)生活范圍擴(kuò)張及周邊植被減少造成的。

圖3 東烏珠穆沁旗遙感生態(tài)指數(shù)分級(jí)

3.3 變化檢測(cè)

為了更清晰地分析研究區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量的變化情況，依據(jù)3期RSEI指數(shù)的數(shù)據(jù)，使用RSEI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，獲得相鄰兩期數(shù)據(jù)間的RSEI轉(zhuǎn)移矩陣(見(jiàn)表3、表4)。從表3可以看出，1989年良級(jí)別(4級(jí))減少了28 006.47hm2，到2011年轉(zhuǎn)移為優(yōu)級(jí)別(5級(jí))；1989年優(yōu)級(jí)別(5級(jí))減少了77 106.42hm2，到了2011年轉(zhuǎn)移為良級(jí)別(4級(jí))。整體來(lái)看，1989年～2011年優(yōu)級(jí)別(5級(jí))減少了49 100hm2，良級(jí)別(4級(jí))增加了49 100hm2，沒(méi)有向差、較差、一般3個(gè)級(jí)別轉(zhuǎn)移。所以，生態(tài)質(zhì)量在緩慢降低。從表4可以看出，2011年良級(jí)別(4級(jí))減少了20 167.83hm2，到2011年轉(zhuǎn)移為優(yōu)級(jí)別(5級(jí))20 161.44hm2、一般級(jí)別(3級(jí))6.39hm2；2011年優(yōu)級(jí)別(5級(jí))減少了777 274.5hm2，到了2011年轉(zhuǎn)移為良級(jí)別(4級(jí))758 827.1hm2、一般級(jí)別(3級(jí)別)18 447.39hm2。整體來(lái)看，2011年～2018年優(yōu)級(jí)別(5級(jí))減少了757 113.06hm2，良級(jí)別(4級(jí))增加了738 659.27hm2，出現(xiàn)了一般級(jí)別(3級(jí))18 453.78hm2，沒(méi)有向差、較差兩個(gè)級(jí)別轉(zhuǎn)移。所以，生態(tài)質(zhì)量雖然變化較快，但是，生態(tài)狀況仍然較好。

表4 東烏珠穆沁旗1989年～2011年遙感生態(tài)指數(shù)轉(zhuǎn)移矩陣

表5 東烏珠穆沁旗2011年～2018年遙感生態(tài)指數(shù)轉(zhuǎn)移矩陣

變化檢測(cè)圖(見(jiàn)圖4)中，紅色越紅說(shuō)明生態(tài)指數(shù)變化越差，顏色越綠說(shuō)明生態(tài)指數(shù)變化越好。從圖4可以看出，1989年～2011年全旗生態(tài)變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)綠色，只有西南和東南少部分地區(qū)呈現(xiàn)紅色，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。2011年～2018年全旗生態(tài)變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)紅色和黃色，只有少數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)綠色，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

圖4 東烏珠穆沁旗3年度RSEI變化檢測(cè)

4 結(jié)論

1989年～2011年，東烏珠穆沁旗生態(tài)質(zhì)量呈緩慢下降趨勢(shì)，全旗只有少部分地區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化程度較大，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。2011年～2018年，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，全旗大部分地區(qū)生態(tài)質(zhì)量均在下降，這與部分學(xué)者的研究結(jié)論基本一致[6,7]。引起這種變化的原因可能是近十幾年城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快，造成植被退化及土地沙化；同時(shí)還存在由于降雨量減少造成水資源短缺這一重要因素。主成分分析結(jié)果表明，濕度和綠度對(duì)生態(tài)指數(shù)起抬升作用，熱度和干度對(duì)生態(tài)指數(shù)起抑制作用。西烏旗濕度指標(biāo)在逐年變少，干度指標(biāo)在逐年增加。表明在改善生態(tài)環(huán)境方面，除抑制工礦建設(shè)面積擴(kuò)張之外，還需繼續(xù)施行植被恢復(fù)、加強(qiáng)水土保持、降低土地沙化等舉措。