晏紅波， 楊志高， 盧獻健*， 韋晚秋， 黎振寶

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院， 桂林 541004； 2.廣西空間信息與測繪重點實驗室， 桂林 541004)

近年來，隨著人類活動與工業(yè)化建設(shè)加快，全球的生態(tài)環(huán)境形勢日趨嚴峻，并引發(fā)了廣泛關(guān)注。準確、及時地監(jiān)測與評價地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況，對環(huán)境資源的保護與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展都十分重要[1]。當(dāng)前，國內(nèi)外監(jiān)測與評價生態(tài)環(huán)境的方法眾多。其中，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其快速、實時、高效、大面積觀測等優(yōu)點，成為應(yīng)用最為廣泛的環(huán)境保護管理手段之一，為中國環(huán)境可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[2]。

在早期進行遙感監(jiān)測生態(tài)環(huán)境的研究中，大多采用單一遙感指數(shù)進行評價，如干旱指標[3]、水體指標[4]、地表溫度[5]、植被指數(shù)[6]等。單一指標評價方法存在對遙感影像數(shù)據(jù)利用不充分、無法全面反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況等問題[7]。2006年，中國環(huán)境保護總局推出生態(tài)環(huán)境指數(shù)(ecological index, EI)，該指數(shù)對多個指標進行定權(quán)賦值，進而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行較為全面的評價[8]。然而EI指數(shù)存在指標選用不合理、權(quán)重分配主觀性較強、無法可視化等問題[9]，這就使得EI指數(shù)通用性較差。針對以上問題，徐涵秋[10]在2013年創(chuàng)立了一種新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index, RSEI)作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價指標。RSEI指數(shù)集成綠度、濕度、干度、熱度于一體，并使用主成分分析法(principal component analysis, PCA)賦予各指標權(quán)重，進而構(gòu)建綜合評價指標。RSEI指數(shù)由于各指標易獲取、采用客觀權(quán)重法、綜合評價能力強等優(yōu)點獲得了廣泛應(yīng)用。眾多學(xué)者的研究表明，RSEI中各指標通用性較強，適用于大多數(shù)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境評價[11]。但在以往的研究中，多是以主成分分析結(jié)果中的第一主成分或全部主成分構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)[12]。如果僅使用第一主成分，會使遙感信息利用不夠充分[13]；考慮全部主成分則會涵蓋許多噪聲信息[14]。針對主成分分析法的缺陷問題，張娟[15]利用距離函數(shù)創(chuàng)建了遙感生態(tài)距離指數(shù)(remote sensing ecological distance index, RSEDI)。RSEDI指數(shù)選用了適于沙漠干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境評價的沙度、綠度、鹽度、濕度四個指標?？紤]到不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境具有顯著差異，評價指標也要因地制宜，因此，需要對遙感生態(tài)距離指數(shù)模型進行改進。

廣西河池都安縣是十分典型的喀斯特地貌區(qū)域，石漠化現(xiàn)象突出，水土流失迅速。目前國內(nèi)外還鮮有基于遙感影像數(shù)據(jù)對都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行定量化綜合監(jiān)測與評價的研究。本研究基于遙感技術(shù)，選用與喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境特征密切相關(guān)的綠度、干度、濕度、熱度四個生態(tài)因子，采用距離函數(shù)法構(gòu)建改進的遙感生態(tài)距離指數(shù)(modified remote sensing ecological distance index, MRSEDI)，建立基于MRSEDI的都安縣生態(tài)環(huán)境評價模型，對都安縣近20年生態(tài)環(huán)境變化情況進行監(jiān)測與評價，以期為都安縣生態(tài)環(huán)境治理及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

都安瑤族自治縣(下稱“都安縣”)，位于廣西壯族自治區(qū)中部偏西，地理坐標為107°45′E～108°30′E，23°47′N～24°35′N(圖1)。都安位于云貴高原與廣西盆地交接的斜坡地帶，西北部地勢較高、東南偏低，地形錯綜復(fù)雜，峰叢洼地及峰林谷地遍布全境，主要地貌為山地、谷地及丘陵[16]。都安境內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富，目前已探明的有煤、鋁土、水晶等礦物，且各類礦產(chǎn)開發(fā)力度較大。都安屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，日照時間長、雨量充足，但主要集中于夏季。境內(nèi)地下水系發(fā)育但埋藏較深，地表水含量少，且水土流失現(xiàn)象嚴重，是典型的喀斯特地貌區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究所用遙感影像數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，分別選用2000、2004、2010年的Landsat-5 TM影像以及2014年、2019年的Landsat-8 OLI影像。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，所選影像數(shù)據(jù)云量均小于5%，且主要集中于10—12月，成像時間較為接近，可對比性強。數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，使用ENVI5.5軟件對遙感影像的可見光及熱紅外波段進行輻射定標，將原始像元亮度值(digital number, DN)轉(zhuǎn)變成輻射值，然后進行Flaash大氣校正，得到真實的地面表光反射率，最后再利用研究區(qū)的矢量文件進行裁剪。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 生態(tài)環(huán)境評價指標

2.1.1 濕度指標

通過遙感穗帽變換所獲得的濕度分量能夠較為準確地反映地表土壤及植被的濕度信息，在生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與評估中應(yīng)用十分廣泛[17]，本研究選用Wet指標代表濕度。對于Landsat-TM及Landsat-OLI影像，其計算公式[18]分別為

WTM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2

(1)

WOLI=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred+0.340 7ρnir-0.711 7ρswir1-0.455 9ρswir2

(2)

式中：WTM、WOLI分別為Landsat-TM及Landsat-OLI的濕度分量；ρblue、ρgreen、ρred、ρnir、ρswir1、ρswir2分別為Landsat-TM/OLI影像的藍、綠、紅、近紅、短波紅外1、短波紅外2波段的反射率。

2.1.2 綠度指標

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是與植被綠度相關(guān)性最高的植被指數(shù)，因此選用NDVI表示綠度。計算公式[19]為

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(3)

2.1.3 干度指標

干度指標，NDBSI(normalized difference building and soil index)選用裸土指數(shù)(soil index, SI)與建筑物指數(shù)(index of building integrity, IBI)共同表示[20]，計算公式為

NDBSI=(SI+IBI)/2

(4)

(5)

(6)

2.1.4 熱度指標

由地表溫度(land surface temperature, LST)表示熱度，采用大氣校正法，將影像熱紅外波段的原始DN值經(jīng)過輻射定標后轉(zhuǎn)化為輻射亮度值，再通過普朗克函數(shù)計算地表溫度[21]。表達式為

Lλ=[εTLS+(1-ε)L↓]τ+L↑

(7)

T=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/(τε)

(8)

(9)

式中：Lλ為熱紅外輻射亮度值；T為黑體輻射亮度值；ε為地表比輻射率；τ、L↑、L↓分別為大氣上/下輻射亮度；TLS為地表溫度，℃；K1、K2為常數(shù)，對于Landsat-5 TM，K1=607.76，K2=1 260.56；對于Landsat-8 OLI，K1=774.89，K2=1 321.08。

2.2 MRSEDI模型的構(gòu)建

對于上述獲取的濕度、綠度、干度、熱度四個生態(tài)因子，由于指標量綱不統(tǒng)一，若直接使用距離函數(shù)法構(gòu)建生態(tài)環(huán)境評價模型，會造成各指標權(quán)重失衡[22]，因此需要將各指標歸一化。本研究基于生態(tài)因子圖像的噪點狀況，采用98%的置信區(qū)間進行歸一化處理，使得數(shù)值都在[0，1]范圍內(nèi)。歸一化公式[23]為

IN=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(10)

式中：IN為歸一化后的指標值；I為各生態(tài)因子對應(yīng)的指標值；Imax為該指標置信區(qū)間內(nèi)最大值；Imin為該指標置信區(qū)間最小值。

對歸一化后的濕度(Wet)、綠度(NDVI)、干度(NDSI)、熱度(LST)4個指標利用距離函數(shù)構(gòu)建MRSEDI模型，計算公式為

MRSEDI=[(W-Wmin)2+(NDVI-NDVImin)2+

(11)

該指數(shù)的意義為：4個生態(tài)因子構(gòu)成一個四維空間，濕度、綠度的最小值及干度、熱度的最大值代表四維空間中生態(tài)最差點?；诖?，計算空間中其他點到生態(tài)最差點的距離，評估生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣[24]。改進的遙感生態(tài)距離指數(shù)越小，表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境越差；反之，則表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境較好。

為便于比較不同年份的MRSEDI，進而評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境隨時間的變化情況，需要再次對MRSEDI進行歸一化處理，處理后即得到各年份真實的遙感生態(tài)指數(shù)，取值范圍為[0，1]，值越大，表明生態(tài)環(huán)境狀況越好。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級方法

為便于直觀反映都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布及變化情況，采用等間距法將MRSEDI值從小到大以0.2為間距分為差(0.0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、優(yōu)(0.8～1.0)5個生態(tài)等級[25]，表2反映了各生態(tài)等級的特點。

表2 各生態(tài)等級特點

2.4 斯皮爾曼相關(guān)性分析

在統(tǒng)計學(xué)中，斯皮爾曼相關(guān)性系數(shù)常用于評估兩個變量之間的相關(guān)程度。它的特點是不需要考慮變量之間的總體分布特性和樣本容量大小，評價結(jié)果既快捷又穩(wěn)健。在n維數(shù)據(jù)的兩個向量X、Y中，兩變量的第i個值分別為Xi、Yi(0≤i≤n)。將X和Y按照同樣的方法進行升序或降序排列，組成新的數(shù)據(jù)集合x、y。其中，xi為Xi在X中的排列位置，yi為Yi在Y中的排列位置。將x、y中相應(yīng)的元素相減，獲得一個排列差分集合d，有di=xi-yi，則定義隨機變量X、Y之間斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)[26]為

(12)

式(12)中：ρ為斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)；n為序列數(shù)。

2.5 GM(1,1)灰色預(yù)測模型

(13)

按照最小二乘原理,令

(14)

(15)

式中：參數(shù)a、b為待解系數(shù)，分別稱為發(fā)展因子和灰色模型因子；k為時間序列位置數(shù)，則有第k年的預(yù)測值為

(16)

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 MRSEDI數(shù)據(jù)處理

通過遙感反演方法，計算出綠度、濕度、干度、溫度等一系列地表參數(shù)，利用距離函數(shù)構(gòu)建遙感生態(tài)距離指數(shù)，再結(jié)合斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)與GM(1,1)預(yù)測模型對都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化狀況進行分析。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

3.2 MRSEDI與各指標相關(guān)性分析

為了驗證改進型遙感生態(tài)距離指數(shù)(MRSEDI)在環(huán)境評估中的綜合代表性，本研究計算了各時期的Wet、NDVI、NDSI、LST與MRSEDI指數(shù)之間的相關(guān)性，并計算了相關(guān)度均值。如表3所示，各指數(shù)與MRSEDI的相關(guān)性平均值都在0.7之上，MRSEDI與各生態(tài)指標顯著相關(guān)，表明MRSEDI指數(shù)具有綜合代表性，能夠作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價指標。

表3 4個指標與MRSEDI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3.3 都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體評價

根據(jù)上述公式所計算的濕度(Wet)、綠度(NDVI)、干度(NDBSI)、熱度(LST)4個指標及MRSEDI的結(jié)果可分析都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體變化情況(圖2)。如圖3所示，2000—2019年，都安縣濕度指標(Wet)先上升后下降再持續(xù)上升，總體呈現(xiàn)上升趨勢；綠度指標(NDVI)的波動趨勢為先下降后持續(xù)猛增，至2019 年NDVI均值高達0.74，植被覆蓋度顯著提高；干度指標(NDSI)開始略有上升后持續(xù)下降，總體為下降趨勢，結(jié)合濕度指標變化趨勢，表明地表干旱狀況有所緩解；熱度指標(LST)呈現(xiàn)下降—上升—下降趨勢，但變化趨勢較為平緩，溫度狀況較為穩(wěn)定；研究期間都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先下降后持續(xù)上升，且總體呈現(xiàn)上升趨勢，表明都安縣生態(tài)環(huán)境狀況在持續(xù)改善。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Flow chart of data processing

圖3 2000—2019年各指標與MRSEDI均值Fig.3 Each index and the mean value of MRSEDI from 2000 to 2019

3.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化及分析

為了進一步對都安縣生境質(zhì)量做定量化及可視化分析，將五期MRSEDI以0.2為間距劃分為5個等級，從低到高分別為差、較差、中、良、優(yōu)，各個等級對應(yīng)的面積及比例如表4所示。

由表4可知，從整體上看，2000—2019年，都安縣生境狀況均以中和良為主，各年份中與良累計占比分別為73.59%、67.72%、77.41%、67.01%、68.09，表明都安縣生態(tài)環(huán)境主要處于中等狀況；各年份比較來看，2010年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，優(yōu)、良、中占比之和高達91.53%，且差與較差比例之和最低，僅為8.47%。2004年差、較差、中占比之和超過50%，生態(tài)環(huán)境狀況相對較差；各等級變化上看，2000—2019年，等級為優(yōu)的比例持續(xù)提升，從13.29%上升至19.41%。除2004年以外，從2000年到2019年，優(yōu)與良比例之和逐漸增加，由50.27%增加到65.23%，表明都安縣生態(tài)環(huán)境狀況正在逐步改善。

表4 都安縣2000—2019年各生態(tài)等級面積與占比

從空間分布看(圖4)，MRSEDI等級差與較差的區(qū)域主要位于研究區(qū)西南部，即都安縣城市中心建設(shè)區(qū)。城市區(qū)域植被覆蓋度較低，多為不透水面，人類活動導(dǎo)致區(qū)域溫度較高，是生態(tài)環(huán)境狀況較差的主要原因。2010—2019年，等級為差與較差的區(qū)域面積顯著增加，《廣西壯族自治區(qū)都安瑤族自治縣土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)調(diào)整完善方案》指出，2006—2020年，全縣新增建設(shè)用地1 723 hm2，表明大面積建設(shè)用地增加是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變差的主要原因之一?？傮w上看，2000—2004年都安縣MRSEDI等級為差、較差的面積明顯擴大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所退化；2010—2019年，除都安縣城建設(shè)區(qū)以外，研究區(qū)內(nèi)MRSEDI等級優(yōu)與良的面積區(qū)域顯著增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。根據(jù)《都安瑤族自治縣礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理規(guī)劃》，截至2019年底，都安縣關(guān)閉大小礦山40余座，且進行了較為完善的礦區(qū)治理與土地復(fù)墾工作。另外，根據(jù)都安縣土地利用規(guī)劃方案，政府加大了對石漠化地區(qū)的治理和保護，實施了一系列的植被恢復(fù)工程。這些措施使得植被覆蓋度大大增加，有效地改良了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。都安縣的礦區(qū)治理、土地復(fù)墾及治理石漠化等措施是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的重要原因。

圖4 2000—2019年都安縣MRSEDI等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of MRSEDI grades in Du’an County from 2000 to 2019

3.5 基于GM(1,1)模型的MRSEDI預(yù)測

GM(1,1)模型是根據(jù)少量已知或未知信息，構(gòu)建灰色預(yù)測模型，從而確定研究對象發(fā)展變化態(tài)勢的一種方法。其在中短期預(yù)測中效果較好，具有較強的適用性[28]。2000—2004年，都安縣城市擴張及采礦活動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況造成了顯著影響，而2004年之后，礦區(qū)治理與土地復(fù)墾極大改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。為預(yù)測都安縣生態(tài)環(huán)境未來的發(fā)展趨勢，基于2004—2019年的MRSEDI，采用GM(1,1)預(yù)測模型計算2024年的MRSEDI。

根據(jù)式(14)、式(15)，計算出a=-0.018 55，b=0.595 6。因此，MRSEDI的預(yù)測方程可以表示為[29]

(17)

計算得2024年的MRSEDI預(yù)測均值為0.647 1，高于2019年的0.636 2，表明都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將會持續(xù)改善。

4 結(jié)論

研究選取了能代表喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點的濕度、綠度、干度、熱度作為評價指標，基于距離函數(shù)，構(gòu)建改進的遙感生態(tài)距離指數(shù)(MRSEDI)，對都安縣近20年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測與評估，并使用GM(1,1)模型對MRSEDI的未來發(fā)展變化趨勢進行預(yù)測。研究表明：

(1)MRSEDI與濕度、綠度、干度、熱度各指標相關(guān)系數(shù)均值都在0.7以上，MRSEDI在區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價中具有綜合代表性。其次，在區(qū)域生境質(zhì)量變化過程中，綠度指標(NDVI)與MRSEDI波動趨勢趨于一致，表明植被覆蓋度是都安縣生態(tài)環(huán)境的重要影響因子。

(2)2000—2019年，都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)先下降后持續(xù)上升的趨勢，MRSEDI均值從0.598 9上升到0.636 2。主要原因是都安縣近20年先后關(guān)閉各類生產(chǎn)礦山，并進行了較為完善的礦區(qū)治理與土地復(fù)墾工作。盡管都安縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善，但總體而言仍是處于中等狀況，且整體生態(tài)較為脆弱，易于遭到破壞。都安縣近20年的生態(tài)環(huán)境治理經(jīng)驗表明，喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)速度緩慢，治理難度較大。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)當(dāng)遵循可持續(xù)發(fā)展原則，合理開發(fā)與利用自然資源。

(3)GM(1,1)模型適用于中短期預(yù)測，通過GM(1,1)模型預(yù)測都安縣2024年的MRSEDI均值為0.647 1，后驗差比值C=0.0037，小誤差概率P=1，預(yù)測結(jié)果表明都安縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將會持續(xù)改善。

研究所構(gòu)建的遙感生態(tài)距離指數(shù)(MRSEDI)較好地反映了都安縣生態(tài)環(huán)境變化狀況，但生態(tài)環(huán)境作為一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，后續(xù)研究將考慮加入石漠化、地形等因子對喀斯特地區(qū)進行更為全面和準確的定量研究。