魏 婧

(榆林學院 建筑工程學院，陜西 榆林 719000)

人口急速擴張與工業(yè)化進程的推進，會集中體現(xiàn)在人口高度密集與土地高度集約利用上[1-2]，導致地表環(huán)境產生巨大變化。現(xiàn)階段，秉承綠色環(huán)保理念，為改善生態(tài)環(huán)境質量，就需要定量分析生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣水平。我國地貌廣闊，生態(tài)環(huán)境存在一定空間差異，且環(huán)境數(shù)據(jù)存在信息量大[3]、獲取難度高等特征。針對生態(tài)環(huán)境質量評價問題，學者們從不同角度出發(fā)，提出如下解決方案。

有學者將某濕地看作評價目標，利用DPSIR(Driving Pressure State Impact Response，驅動力壓力狀態(tài)影響響應)模型篩選評價指標，創(chuàng)建環(huán)境質量評價體系，計算指標隸屬度矩陣，運用模糊綜合估計實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質量評價。但此方法構建的評價指標主觀性較強，權重賦值難度較高[4]。還有學者使用層次分析法推算指標權重，采用中心點三角白化權函數(shù)計算指標分類級別，明確指標變化走向。但方法無法有效去除數(shù)據(jù)變量干擾，導致評價結果極易失真[5]。近些年，遙感技術在地表觀測方面得到廣泛使用，多源遙感數(shù)據(jù)與單一衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比，可以得到更多土地空間序列信息。為實現(xiàn)高精度區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價目標，利用多源遙感數(shù)據(jù)構建質量評價指標體系，運用投影尋蹤法提取高維遙感細節(jié)信息，使用支持向量機推算屬性矢量和環(huán)境質量評價指數(shù)間的耦合關系，輸出最終評價結果。通過實例分析表明所提方法的可行性，能夠為區(qū)域環(huán)境發(fā)展建設提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價指標構建

生態(tài)環(huán)境質量評價數(shù)據(jù)以多源遙感數(shù)據(jù)為核心，考慮環(huán)境質量評價的需求與數(shù)據(jù)可獲取性[6]，使用遙感數(shù)據(jù)創(chuàng)建面向目標層、指標層的評價指標體系，生態(tài)環(huán)境質量評價指標見表1。

表1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價指標Tab.1 Evaluation indexes of regional ecological environment quality

植被覆蓋度能很好地呈現(xiàn)出該區(qū)域植物生長的真實情況，是環(huán)境質量評價的關鍵指標。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))和植被覆蓋度具備優(yōu)秀的關聯(lián)性[7-8]，在獲得植被覆蓋狀態(tài)的同時，能有效處理地形與群落結構陰影干擾等問題，降低太陽高度角與大氣噪聲的影響。將其計算公式表示成：

NDVI=(NI-RE)/(NI+RE)

(1)

式中，NI為近紅外波段像元，RE為可見光波段像元。一個像元的NDVI可使用歸一化后的裸土覆蓋貢獻率與植被覆蓋貢獻率計算得到[9]，將不同像元的植被覆蓋度描述為：

VF=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(2)

式中，NDVIs為裸土的歸一化植被指數(shù)值；NDVIv為全部被植被覆蓋的歸一化植被指數(shù)值。

坡度的高低影響人類生活、水土流失與植被生長，按照坡度對植被與災害分布的影響[10]，將其劃分為0°～5°、5°～9°、9°～16°、16°～26°、>26°。土壤侵蝕指數(shù)不但能看出土壤質量優(yōu)劣，還能展現(xiàn)滑坡、泥石流等自然災害的易發(fā)性[11-12]。土壤侵蝕指數(shù)越大，證明區(qū)域生態(tài)環(huán)境越差。

2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價

劃分評價指標后，使用投影尋蹤法將多源遙感數(shù)據(jù)的高維數(shù)據(jù)投影至低維子空間內[13]，通過極小化策略尋找能展現(xiàn)初始遙感高維數(shù)據(jù)結構的投影，完成遙感細節(jié)信息提取。

為剔除評價指標數(shù)據(jù)的量綱影響，采用功效系數(shù)法對全部正負效應指標采取無量綱處理[14]。將處理后的n維評價指標集合xij投影至b，獲得一維線性空間投影值，記作：

(3)

式中，Zi為第i個樣本的一維線性空間投影值；bj為投影方位矢量。

已知各評價指標樣本集情況下，投影指標函數(shù)O(b)僅伴隨投影方向b的變化而改變。Zi的分布特點要符合以下條件：投影點局部密集度高，全局密集度低。將分類指標看作目標函數(shù)[15]，構建出式(4)的投影指標函數(shù)：

O(b)=C(b)×E(b)*

(4)

式中，C(b)為類間散開度，即投影值的標準差；E(b)*為類內密度水平，即投影值的局部密度值。

為提高生態(tài)環(huán)境質量評價結果精度，將提取得到的遙感細節(jié)信息作為輸入樣本集，設計基于支持向量機的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價方法。支持向量機是一種機器學習算法[16]，假設遙感信息樣本是X={x1，x2，…，xm}，Y={y1，y2，…，ym}是屬性集，xi為遙感數(shù)據(jù)，yi為數(shù)據(jù)屬性，將支持向量機的回歸函數(shù)表示為：

(5)

支持向量機下的生態(tài)環(huán)境質量評估就是使用回歸估計[18-20]獲得一個趨近指標的映射，分析遙感數(shù)據(jù)在屬性中的屬性矢量和環(huán)境質量評價指數(shù)之間的非線性關聯(lián)，獲得對應的環(huán)境質量評估指數(shù)結果。

3 實驗分析

將圖1所示的陜西省某A城市作為研究案例，使用本文方法對其進行生態(tài)環(huán)境質量評價，該地區(qū)位處中亞熱帶向北亞熱帶過渡區(qū)域，日照充足、冬冷夏熱、四季分明，年均溫度16.2 ℃，年降水量1 500 mm，地勢高低不均，農業(yè)生產以糧作物為主。

圖1 A市地理遙感輪廓圖像Fig.1 Geographic remote sensing contour image of city A

3.1 區(qū)域植被生態(tài)覆蓋度質量評價

本文方法對A市植被覆蓋度質量評價的分析結果如圖2所示。觀察圖2看到，該地區(qū)的植被覆蓋度集中于周邊地段，中心部分區(qū)域植被覆蓋度較少，證明地理高程越大，植被覆蓋度越優(yōu)。產生此現(xiàn)象原因為：中心地帶區(qū)域有大量居民居住，很多土地被劃分成耕地，地表被人為開墾，破壞了原有自然生態(tài)環(huán)境，導致此部分地區(qū)的植被覆蓋度低，土地退化較為嚴重，在環(huán)境治理中應著重關注綠色植物保護。

圖2 植被覆蓋度質量評價結果Fig.2 Vegetation coverage quality evaluation results

3.2 區(qū)域坡度和土壤侵蝕指數(shù)評價

A市坡度數(shù)據(jù)和生態(tài)環(huán)境質量之間的關聯(lián)見表2，從表2中看到，質量等級中的“差”與“極差”均分布于坡度值較低的平坦區(qū)域，坡度值高的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量相對較好。這是因為該地區(qū)地勢陡峭范圍不易于人類活動，開發(fā)難度相對較大，因此坡度越高，生態(tài)環(huán)境質量越好。

表2 坡度與生態(tài)環(huán)境質量的關聯(lián)Tab.2 Correlation between slope and ecological environment quality hm2

通常情況下，植被覆蓋度和土壤侵蝕值成反比，融合坡度與植被覆蓋度相關數(shù)據(jù)，完成土壤侵蝕實驗定量分析，將土壤侵蝕水平劃分為6個級別，詳細分類參考見表3。

表3 土壤侵蝕程度級別劃分Tab.3 Classification of soil erosion degree

依照表3劃分該地區(qū)的土壤侵蝕程度，結果如圖3所示。

圖3 A市土壤侵蝕程度分布Fig.3 Distribution of soil erosion degree in city A

顏色越深，表明土壤侵蝕程度越高。從圖3中看到，東北區(qū)域的土壤侵蝕程度最高，由于該地區(qū)處于繁華地段，人類活動密集，地表在持續(xù)開發(fā)建設中會移動大量土體，土地受到不同程度的破壞，土壤通氣透水性能也逐步降低，直接或間接地加劇土壤侵蝕水平，土壤質量急速下降，極易產生土體塌方事件，威脅到人們的居住安全。

3.3 年度區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量綜合評價

使用本文方法分析近6年該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量數(shù)據(jù)，結果如圖4所示。

圖4 A市生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)年度評價Fig.4 Annual evaluation of ecological environment quality index of city A

從圖4中可知，伴隨現(xiàn)代化經濟的不斷發(fā)展，2015年—2018年，各類生態(tài)指標均呈現(xiàn)下降的趨勢，因大量征用土地進行開發(fā)建設，植被覆蓋度的下降幅度最大；2019—2020年，生態(tài)環(huán)境指標具有回升態(tài)勢，證明該地區(qū)在發(fā)展經濟的同時，也加強了相應的環(huán)保意識，生態(tài)環(huán)境狀況有所改善。以上結論與當?shù)貙嶋H開發(fā)情況相符，證明了本文方法的可靠性。

4 結語

為實現(xiàn)科學全面的生態(tài)環(huán)境質量評估任務，設計一種多源遙感數(shù)據(jù)下區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價方法。所提方法評價指標客觀，能準確闡明研究區(qū)域的現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境變化趨勢，評價結果可信性強，符合當?shù)卣鎸嵉慕ㄔO發(fā)展規(guī)律。但因條件限制，不同階段的多源遙感影像質量存在細部差別，有可能導致輸出結果產生偏差，在接下來的研究中會深入完善該問題。