杜鵬

（山東省國土測繪院，山東 濟南 250101）

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展和城市的擴張，人類的生產(chǎn)生活和資源、環(huán)境之間的矛盾越來越明顯。準確地確定出區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，有利于我們在后續(xù)中做出更加精準和適合的決策，有利于緩和人類和環(huán)境之間的矛盾，使兩者之間的關系更加緩和，更有利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測的手段多種多樣，但是基于監(jiān)測的實時性、經(jīng)濟性和連續(xù)性，遙感技術由于其高時間分辨率、實時性和大尺度等優(yōu)勢，成為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效方法。但是，目前對各類生態(tài)系統(tǒng)評價的研究多基于單一的生態(tài)環(huán)境指標[1]。但是一個區(qū)域的環(huán)境中包含多種生態(tài)因素，單單一種指數(shù)的提取并不能準確得反映出該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況。所以，一種綜合多種生態(tài)環(huán)境影響因子的監(jiān)測方法是非常重要的。近年提出了來，有學者提出了新型遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing based ecological index, RSEI），它完全基于遙感信息，集成了反映生態(tài)環(huán)境最為直觀的多重指標[1]，可以實現(xiàn)對目標區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的快速評價和長時間序列的監(jiān)測，還可以根據(jù)基于時間序列的變化對未來的變化做出預測和采取相應的措施。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

臨沂市位于山東省東南部，面積17191.2 平方公里，人口一千多萬，南北8 公里最大跨度22，東西最大跨度161 公里，下轄3 區(qū)9 縣。臨沂整體呈現(xiàn)西北高東南低，山地集中分布在蒙陰、平邑和費縣等縣區(qū)；丘陵主要分布在山區(qū)外圍，沂南、蘭陵、沂水等縣均有分布，總體以沭河以東分布最廣；平原主要分布在臨沂的南部。其境內(nèi)的沂蒙山脈的龜蒙頂是山東第二高峰，而且境內(nèi)還有獨特的岱崮地貌。

2.2 數(shù)據(jù)源及其預處理

本文選取兩期Landsat 系列衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，分別是Landsat-5 TM（2005.05.08） 和Landsat-8 OLI（2015.05.20）。Landsat 是美國NASA 的陸地衛(wèi)星計劃，首顆衛(wèi)星于1972 年發(fā)射，截至目前已經(jīng)發(fā)射到了Landsat-8。該陸地衛(wèi)星計劃的系列衛(wèi)星為人類觀測地球、科學研究和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等提供了極其重要的數(shù)據(jù)來源。

Landsat-5 TM 傳感器的波段設置和空間分辨率如表1 所示。

表1 Landsat-5 TM 的波段設置

Landsat-8 OLI 傳感器的波段設置和空間分辨率如表2 所示。

表2 Landsat-8 OLI 的波段設置

由于下載的Landsat 數(shù)據(jù)的級別是1B，已經(jīng)經(jīng)過了幾何校正，此處無需再進行重復的幾何校正。然后利用ENVI 軟件的輻射定標模塊對四幅影像進行輻射定標，定標后的數(shù)據(jù)產(chǎn)品選擇反射率文件，其中后續(xù)中用到的熱紅外波段數(shù)據(jù)沒法直接用輻射定標模塊進行定標，需要自行查詢文件中的定標系數(shù)通過Bandmath 工具來進行手動定標。

然后再將不同年份的上下兩景影像鑲嵌成一景，再用研究區(qū)的矢量文件進行裁剪，得到研究區(qū)的完整影像文件，至此，整個研究的原始數(shù)據(jù)準備工作完成，然后就是專題信息的獲取和研究結(jié)果的獲取與分析。

2.3 遙感生態(tài)指數(shù)評價模型

在21 世紀初，基于生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（EI）[2]的環(huán)境監(jiān)測在我國一些省、市得到了一定的應用，但是我國地理環(huán)境種類多而且復雜，所以該指數(shù)存在一定的局限性。

遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）是能夠綜合反映一個區(qū)域總體的生態(tài)環(huán)境狀況的新型指數(shù)模型。該指數(shù)耦合了綠度、濕度、熱度和干度4 個人類直觀判斷生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的指標，其中，綠度、濕度、熱度和干度分別用植被指數(shù)、濕度指數(shù)、地表溫度和裸土指數(shù)代表[1]。該模型完全基于遙感信息技術，降低了在評價過程中的主觀性，使得評價結(jié)果更加客觀與真實，并且評價結(jié)果具有良好的可視化效果，在后續(xù)的制定相關政策的時候能夠根據(jù)不同區(qū)域的不同特點制定出相應的措施。

遙感生態(tài)指數(shù)模型中，總共含有四個指標：綠度、濕度、干度和熱度。

（1）綠度：通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）來獲取。該指標是一個展現(xiàn)了一個區(qū)域的植被生長狀況、植被覆蓋度和葉面積指數(shù)等關于植被總體狀態(tài)的客觀指標。通過如下公式來獲取綠度指標。

NDVI=(ρNIR+ρRed)/(ρNIR-ρRed)

上式中：ρNIR和ρRED分別代表近紅外波段和紅波段的反射率。

（2）濕度：纓帽變換又稱K-T 變換，即通過對影像的坐標軸的變換而得到目標分量?；赥M和OLI 數(shù)據(jù)的濕度分量的提取公式分別如下[3]：

Wet2005=0.0315ρBlue+0.2021ρGreen+0.3102ρRed+0.1594ρNIR-0.6806ρSWIR1-0.6109ρSWIR2

Wet2015=0.1511ρBlue+0.1972ρGreen+0.3283ρRed+03407ρNIR-0.7117ρSWIR1-0.4559ρSWIR2

上式中：ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1和ρSWIR2分別是TM和OLI 傳感器影像對應的藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1 和短波紅外2 的反射率。

（3）熱度：最直接的指示因子就是溫度，所以在本研究中就用兩景遙感影像反演得到的溫度數(shù)據(jù)來作為熱度指標。基于TM6 的溫度反演公式如下[4-6]：

L6=DN*gains+offset

T6=K2/ln(K1/(L6+1))

TS={a(1-C-D)+[(b-1)(1-C+D)+1]*T6-D*Tα}/C

a=-67.355351

b=0.458606

C=ε6*τ

D=(1-τ)[1+(1-ε6)*τ]

Tα=19.2704+0.92621*T0

上式中：τ 為透射率,T0為地表附近溫度，ε6是地表比輻射率通過植被覆蓋度計算。

Landsat8 數(shù)據(jù)利用波段10 進行地表溫度的反演，公式如下：

L10=DN*gains+offset

L10=τ10[ε10B10(Ts)+(1-ε10)I10↓]+I10↑

上式中：L10是第10 波段的輻射亮度值；τ10是透射率；I10↑和I10↓分別是大氣向上和向下輻射亮度。

B10(Ts)是與Ts相同的黑體的溫度，由普朗克定律獲?。坏乇碚鎸崪囟萒s可通過普朗克定律反函數(shù)求得[1]。

上述公式里的一些參數(shù)可以通過NASA 網(wǎng)站根據(jù)遙感影像的經(jīng)緯度和獲取時間來查詢。

（4）干度：城市地表里的硬化地表和裸土地是影響干度的重要指標。因此本文選用建筑指數(shù)（IBI）和裸土指數(shù)（SI）合成干度指標，記為裸土指數(shù)（NDSI），計算公式如下[7]：

NDSI=(SI+IBI)/2

SI=[(ρSWIR1+ρRed)-(ρBlue+ρNIR)]/[(ρSWIR1+ρRed)+(ρBlue-ρNIR)]

IBI= {2ρSWIR1/ (ρSWIR1+ρNIR)- [ρNIR/ (ρNIR+ρRed)+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1)]}/{2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)+ [ρNIR/(ρNIR+ρRed)+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1)]}

上述的四個指標就是遙感生態(tài)指數(shù)模型中需要的參數(shù)，但是這幾個參數(shù)的數(shù)值大小和單位等相差很大，所以在先將這四個指標進行歸一化處理。RSEI 以主成分變換來集成以上4 個指標，并根據(jù)各個指標對第一主成分（PC1）的貢獻度來確定其權重[8]。利用ENVI 軟件的主成分分析模塊，將四個指標數(shù)據(jù)導入，然后再計算每一年數(shù)據(jù)的PC1，并獲得初始遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI0）。

為了便于后續(xù)的分析和區(qū)域等級劃分，也將遙感生態(tài)指數(shù)進行歸一化處理，公式如下：

RSEI=(RSEI0-RSEImin)/(RSEImax-RSEImin)

至此，遙感生態(tài)指數(shù)獲取完成，經(jīng)過歸一化后其大小在0～1之間，數(shù)值大的地區(qū)表示生態(tài)狀況好、反之，數(shù)值小的地區(qū)的生態(tài)狀況較為一般。

3 結(jié)果分析與展望

2005 年臨沂市的RSEI 數(shù)據(jù)的均值為0.513，2015 年的數(shù)據(jù)均值則為0.580，總體來說臨沂市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2005 年至2015 年間是呈良性變化的。為了便于進行分析，將RSEI 的值分為4 個等級，分別為較差、中等、良和優(yōu)，其對應的RSEI 值的區(qū)間分別是0～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8 和0.8～1[9]。

不同生態(tài)等級的占比如表3 所示。

表3 臨沂市生態(tài)等級比例

通過分析和查看結(jié)果專題圖和真彩色影像發(fā)現(xiàn)，位于臨沂市西北方向的沂蒙山區(qū)的RSEI 指數(shù)是呈增長的，也就是說沂蒙山區(qū)的生態(tài)狀況的在2005 年至2015 年期間是良性變化的，局部變化如圖1-2，其中綠色越深表示生態(tài)狀況越好，這種變化的趨勢與當?shù)氐恼吆铜h(huán)境保護行為是密不可分的。在臨沂市區(qū)的周邊分析發(fā)現(xiàn)，周邊許多地塊的RSEI 指數(shù)是降低的，通過兩幅真彩色的影像的分析發(fā)現(xiàn)，RSEI 指數(shù)降低的地區(qū)多是有增加的建筑，這與實際情況也是相符的，建筑物的熱度和干度相比植被來說數(shù)值是比較大的，也是使RSEI 指數(shù)降低的主要因子。

圖1 臨沂市沂蒙山區(qū)RSEI 的局部變化分析

通過2005 年和2015 年的遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果圖對比和變化分析發(fā)現(xiàn)，遙感生態(tài)指數(shù)模型通過糅合多種因素能夠很好的展示出目標區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況，并且擁有遙感技術的大面積觀測、時間分辨率高等特點，通過對相關區(qū)域的長時間序列的監(jiān)測可以動態(tài)地掌握區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境變化趨勢，同時也能夠為有關部門的相關決策提供相應的數(shù)據(jù)支持，并根據(jù)現(xiàn)勢情況來做出相應規(guī)劃。

圖2 臨沂市地區(qū)RSEI 監(jiān)測結(jié)果