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        基于RSEI的大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境評價

        2022-04-27 13:22:02楊遠(yuǎn)陶
        地理空間信息 2022年4期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)質(zhì)量研究

        顏 科,劉 瑞*,楊遠(yuǎn)陶

        (1.成都理工大學(xué),四川 成都 610059)

        目前國內(nèi)外對于國家公園生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的相關(guān)研究已有大量,但針對大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境的研究還較少[1]。加拿大學(xué)者Fraser[2]通過景觀格局變化、凈初級生產(chǎn)力、重點物種分布等指標(biāo)建立一個公園生態(tài)整體觀測系統(tǒng)來監(jiān)測大范圍的國家公園生態(tài)系統(tǒng)。Yan[3]等分析了大熊貓糞便、土壤、竹子和水中的重金屬在不同海拔和緯度下的空間分布,發(fā)現(xiàn)人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對大熊貓國家公園內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響。熵理論在生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要意義。有學(xué)者利用信息熵量化來評價大熊貓國家公園內(nèi)各個縣域的生態(tài)質(zhì)量變化,發(fā)現(xiàn)大熊貓國家公園生態(tài)系統(tǒng)總熵流總體上為負(fù),系統(tǒng)整體健康[4]。

        在生態(tài)環(huán)境評價中,傳統(tǒng)的調(diào)查方式在耗費(fèi)大量人力物力的同時還得不到理想的效果,且因調(diào)查周期長,不能及時對實際情況做出反映,存在許多弊端。而遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境評價領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢,如時效性高、連續(xù)性強(qiáng)、低成本等,而且對于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的空間差異尤其顯著,利于分析空間差異。將遙感技術(shù)應(yīng)用在國家公園的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測上可以高效、及時地反映國家公園的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?;谝陨媳尘埃疚尼槍Υ笮茇垏夜珗@的現(xiàn)狀對其生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化進(jìn)行相關(guān)研究。

        1 研究區(qū)概況

        本次研究區(qū)域為大熊貓國家公園的邛崍山-大相嶺片區(qū),包括阿壩州、成都市、雅安市、眉山市、甘孜州的部分地區(qū)。邛崍山-大相嶺片區(qū)地形以山地為主、高山峽谷較多,地形起伏大,近年來地震頻發(fā),地質(zhì)運(yùn)動活躍。氣候以亞熱帶季風(fēng)氣候為基帶的山地氣候為主,年均溫13.6℃,年降水量1 790 mm以上,雨熱同期、冬季溫暖干燥、夏季高溫濕潤。植被具有明顯垂直地帶性分異,從山麓向上依次為常綠闊葉林(1 500 m以下)、常綠與落葉闊葉混交林(1 500~2 100 m)、針闊混交林(2 100~2 600 m)、針葉林(2 600~3 100 m)、亞高山草甸(3 100 m以上)[5]。多樣的環(huán)境和復(fù)雜的氣候類型讓該區(qū)域成為許多珍稀動植物的棲息地,再則該區(qū)域地廣人稀,自然環(huán)境受人類影響小,所以該區(qū)域的生物具有多樣性,研究區(qū)域如圖1所示。

        圖1 研究區(qū)區(qū)位圖(底圖審圖號:GS(2019)1822號)

        2 研究方法及數(shù)據(jù)

        一個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要由溫度、濕度、植被覆蓋度、生物物種數(shù)等因素決定。這些生態(tài)因子彼此聯(lián)系、相互促進(jìn)、相互制約,某一生態(tài)因子的變化也會導(dǎo)致其他生態(tài)因子發(fā)生變化,從而影響整個生態(tài)環(huán)境。因此本文在研究方法上選取了生態(tài)遙感指數(shù)來評價研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境,遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)能綜合多種因素并能快速反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化[6]。遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)綜合了綠度、濕度、干度和溫度4個指標(biāo)來整體反映一個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,這幾個指標(biāo)都可從遙感影像上直接或間接提取。

        本次研究對大熊貓國家公園的邛崍山-大相嶺片區(qū)片區(qū)2013年和2016年2個年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量做評價。本文中所使用的遙感影像下載自地理空間數(shù)據(jù)云,因研究區(qū)的Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)涉及多幅影像,所以要先將幾幅影像進(jìn)行拼接,然后利用大熊貓國家公園的矢量邊界剪切得到。

        遙感成像時,由于氣溶膠、天氣狀態(tài)、衛(wèi)星飛行狀態(tài)等的影響,使得遙感影像存在一定的幾何畸變、大氣消光、輻射量失真等現(xiàn)象。這些畸變和失真現(xiàn)象影響了影像的質(zhì)量和使用,必須對其進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程包括輻射定標(biāo)、大氣輻射校正、圖像鑲嵌與裁剪幾個步驟。

        3 指標(biāo)提取

        3.1 綠度指標(biāo)

        植物生物量、植被覆蓋度、動植物種類數(shù)量等是評價生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)又被稱為標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù),是植物生長狀態(tài)以及植被密度分布的最佳指示因子,被廣泛應(yīng)用于遙感圖像研究植被及生態(tài)環(huán)境方面。因此本文選用NDVI代表綠度指標(biāo),其公式為:

        式中,ρnir代表紅外波段的像素值;ρred代表紅光波段的像素值。

        按照式(1)經(jīng)過計算后得到2013年和2016年的NDVI值圖,圖2為2013年NDVI值圖,圖3為2016年NDVI值圖。通過對比可以明顯看出2016年的植被生長狀況優(yōu)于2013年,植被覆蓋率有所上升,尤其體現(xiàn)在研究區(qū)南部的天全縣、滎經(jīng)縣、洪雅縣和東部的崇州市、大邑縣。

        圖2 2013年NDVI

        圖3 2016年NDVI

        3.2 濕度指標(biāo)

        纓帽變換是一種對數(shù)據(jù)壓縮和去冗余的技術(shù),其綠度、濕度、亮度分量與地表物理參數(shù)有直接關(guān)系,在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用,濕度和植被緊密相聯(lián)[7]。本文研究中的濕度指標(biāo)采用Wet分量來表示,其計算方法如下:

        式中,ρi代表相應(yīng)波段的光譜反射率。

        按照式(2)通過計算后得到2013年和2016年的WET值圖,圖4為2013年WET值圖,圖5為2016年WET值圖。通過對比可以明顯看出2016年的濕度大于2013年的濕度,研究區(qū)內(nèi)的土壤和植被濕度有所下降,其中最明顯的地區(qū)在寶興縣、汶川縣。

        圖4 2013年WET

        圖5 2016年WET

        3.3 熱度指標(biāo)

        熱度指標(biāo)由地表溫度(land surface temperature,LST)來表示。反演地表溫度對城市熱島、自然災(zāi)害監(jiān)測等方面有著重要意義,利用熱紅外遙感技術(shù)反演地表溫度是獲得地表溫度的主要方式,本文采用大氣校正法進(jìn)行LST計算:

        式(3)、(4)、(5)中,Lλ為熱紅外輻射亮度值;ε為地表比輻射率;LST為真實地表溫度;B(LST)為黑體熱輻射亮度;τ為透過率;L↑和L↓分別為大氣向上、向下輻射亮度;Landsat OLI:K1=774.89 W/(m2*μm*sr),K2=13 21.08 k[8]。

        按照式(3)、(4)、(5)通過計算后得到2013年和2016年的LST值圖,圖6為2013年LST值圖,圖7為2016年LST值圖。通過對比可以明顯看出研究區(qū)2016年的熱度大于2013年的熱度,說明研究區(qū)內(nèi)的總體地表溫度有所上升,其中主要體現(xiàn)在崇州市、大邑縣、蘆山縣、寶興縣。

        圖6 2013年LST

        圖7 2016年LST

        3.4 干度指標(biāo)

        城市化進(jìn)程的加快,使農(nóng)田、林地等土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌杆再|(zhì)的建設(shè)用地。下墊面的改變也帶來了諸多“城市病”問題,且裸露的土壤和建設(shè)用地等不透水面,會增加區(qū)域干燥程度。因此,在研究中以土壤指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI綜合得到的干度指標(biāo)NDBSI來反映干度的變化情況。

        按照式(6)、(7)、(8)通過計算后得到2013年和2016年的NDBSI值圖,圖8為2013年NDBSI值圖,圖9為2016年NDBSI值圖。通過對比可以明顯看出研究區(qū)2016年的干度小于2013年的干度,研究區(qū)內(nèi)的總體地表干度小幅度下降,主要體現(xiàn)在海拔較高的理縣、小金縣、康定市干度下降。從4個分指標(biāo)來看,綠度指標(biāo)和熱度指標(biāo)在增加,濕度指標(biāo)和干度指標(biāo)在減小。由于綠度指標(biāo)對遙感生態(tài)指數(shù)的影響最大且是正相關(guān),所以總體來說研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定提升。

        圖8 2013年NDBSI

        圖9 2016年NDBSI

        4 綜合分析結(jié)果

        4.1 時空變化特征

        將綠、濕、干和熱度4個指標(biāo)組成的RSEI模型,通過主成分分析確定指標(biāo)權(quán)重,可定性定量地評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。在主成分分析之前需將4個指標(biāo)歸一化處理,使各指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成無量綱且范圍介于0~1之間的數(shù)值。進(jìn)行主成分分析后綜合計算,得到最終的遙感生態(tài)指數(shù)值。為了更好地分析研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,把位于[0,1]的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI計算結(jié)果以自然段點法劃分為5個等級,如圖10所示。[0,0.2)代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“差”、[0.2,0.4)代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“較差”、[0.4,0.6)代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“中等”、[0.6,0.8)代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“較好”、[0.8,1]代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“好”。

        圖10 2013年遙感生態(tài)指數(shù)值圖

        根據(jù)圖10、11以及表1可以明顯看出從2013—2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體水平有明顯增加,其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的部分增加了139.788 9 km2;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的部分增加了947.229 3 km2;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等的部分減少了510.018 3 km2;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的部分減少了984.518 1 km2;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的部分增加了407.518 2 km2。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級好、較好的地區(qū)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級差的地區(qū)都增加了面積,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級中等、較差的地區(qū)面積在減少,這說明研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)兩級分化現(xiàn)象。

        圖11 2016年遙感生態(tài)指數(shù)值圖

        表1 生態(tài)環(huán)境水平變化統(tǒng)計表

        從空間上可以看出研究區(qū)內(nèi)都江堰市、崇州市、大邑縣、蘆山縣、寶興縣中南部、天全縣、滎經(jīng)縣、洪雅縣這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了提升。理縣和汶川縣交界處、小金縣和寶興縣交界處、康定市和寶興縣交界處這幾個地方的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了下降。汶川縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量基本不變。

        4.2 成因分析

        研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到綠度、濕度、干度和溫度4個指標(biāo)的共同影響,在主成分分析確定權(quán)重過程中,綠度的權(quán)重最高,對最終的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響也是最大的。2013—2016年研究區(qū)的NDVI值上升了,使得生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量有所提高。在生態(tài)文明建設(shè)的政策影響下,各地區(qū)都更加重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。根據(jù)2013—2016年四川省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的統(tǒng)計公報數(shù)據(jù),這4 a期間,四川省的森林覆蓋率分別是35.5%、35.75%、36.02%和36.88%,森林覆蓋率提高了1.38%,促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升。

        5 不足與展望

        本研究亦有不足之處:文中使用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為Landsat系列,分辨率僅為30 m。所以在評價研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化時,未能夠達(dá)到更加精細(xì)化的探討;文中所建立的模型只能評價當(dāng)時的情況,要想建立一個能夠預(yù)測今后發(fā)展的模型,需要考慮4個指標(biāo)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性變化以及區(qū)域內(nèi)地表的覆被變化趨勢;通過研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化跟地表土地利用情況變化較高關(guān)聯(lián)度,因此今后的研究可以從更高分辨率的數(shù)據(jù)源,以及考慮更加精準(zhǔn)的城市結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢與土地利用信息等方面入手。希望在后續(xù)的研究中能夠?qū)SEI方法做出一些改進(jìn)來適應(yīng)不同的研究區(qū)域。

        根據(jù)目前的研究結(jié)果對大熊貓國家公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出一些建議:①加快生態(tài)廊道建設(shè),生態(tài)廊道能有效地增加棲息地斑塊間的大熊貓種群交流,降低種群滅絕的風(fēng)險。②在后續(xù)的研究中還可以建立動植物基因庫,將國家公園內(nèi)采集的野生動植物基因儲存起來,以此保護(hù)生物的多樣性。③建立國家公園內(nèi)外入侵物種防御體系。

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