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        基于RSEI指數(shù)的吉林省四平市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析

        2022-12-12 12:41:30徐思瑜于海明徐譽(yù)維張熠斌沈海鷗
        城市地質(zhì) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:散點(diǎn)干度四平市

        徐思瑜,于海明,徐譽(yù)維,張熠斌,沈海鷗

        (1.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(吉林省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心),吉林 長(zhǎng)春 130021;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130118)

        實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展是制約現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。如何有效利用各種現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)手段,多尺度、全方位地掌握生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展、變化趨勢(shì),同時(shí)提高生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)工作的質(zhì)量和效率,已成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要研究方向。隨著航空航天學(xué)科的飛速進(jìn)步,衛(wèi)星遙感技術(shù)近年來(lái)高速發(fā)展,其具有對(duì)地觀測(cè)面積廣闊、實(shí)時(shí)快速和周期性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害調(diào)查、礦山地質(zhì)環(huán)境治理、土地利用變化、考古、氣象水文調(diào)查和城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)森林(Ochoa-Gaona et al.,2010)草地(Sullivan et al.,2010)、城市(Xu et al.,2009;曾輝等,1999)、河流(Ivits et al.,2009)及流域(Moran et al.,2004)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),已是生態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)的有效手段之一。但大多基于單一的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),而生態(tài)系統(tǒng)是多要素及其功能結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間尺度上的綜合表達(dá)(Sowinska-Swierkosz,2017)。因此,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量需從多維度進(jìn)行詮釋。

        本文以四平市為研究對(duì)象,以新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing baesd Ecology Index,RSEI)為研究基礎(chǔ),采用Landsat系列為數(shù)據(jù)源,對(duì)該區(qū)2007年、2016年以及2021年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行量化研究,其目的在于選擇合適的評(píng)價(jià)模型,定性、定量研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化,明確四平市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,最后利用不同的評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析,找出影響該區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要因素并進(jìn)行全面剖析,為保護(hù)四平市生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)參考。本文進(jìn)一步驗(yàn)證RSEI的適用性,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

        1.1 研究區(qū)概況

        四平市是吉林省地級(jí)市,全市轄區(qū)1.03萬(wàn)km2。現(xiàn)轄梨樹(shù)、雙遼、伊通3個(gè)縣(市),鐵東、鐵西2個(gè)區(qū),1個(gè)國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),6個(gè)省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。截至2020年11月1日,四平市常住人口為181.47萬(wàn)人。因選取的3期數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較大,本次研究區(qū)包含公主嶺市(圖1)。公主嶺市2013年11月已由吉林省接管。

        圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Study Area

        1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

        遙感影像數(shù)據(jù)均在地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)獲取,數(shù)據(jù)類型為L(zhǎng)andsat系列數(shù)據(jù)源,為避免云量對(duì)結(jié)果的影響,選取少云或無(wú)云的影像作為研究對(duì)象,云量控制在10%以內(nèi)。時(shí)間序列上,選取時(shí)相相近或同時(shí)期的遙感影像,研究時(shí)間為2007年、2016年、2021年,每年選擇8月下旬的影像為對(duì)照序列。

        1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        為了減少不同時(shí)相影像在光照和大氣方面帶來(lái)的差異,對(duì)這3期遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,通過(guò)輻射定標(biāo)將像元灰度值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值(Chander et al.,2009),再利用FLAASH大氣校正法進(jìn)行大氣校正(Nazeer et al.,2014)。最后對(duì)獲取的遙感影像和矢量邊界進(jìn)行投影,將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下。最后對(duì)影像邊界裁剪,獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的遙感影像。

        2 研究方法

        新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)是基于遙感技術(shù),且指標(biāo)容易獲得、沒(méi)有人為權(quán)重設(shè)定,是一個(gè)可以快速、定量客觀評(píng)價(jià)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)(徐涵秋,2013a;徐涵秋,2013b)。遙感生態(tài)指數(shù)中代表生態(tài)優(yōu)劣的重要生態(tài)指標(biāo)是綠度、濕度、熱度和干度。分別用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、濕度分量(WET)、地表溫度(LST)、建筑物和裸土指數(shù)(NDBSI)來(lái)代表。這樣,擬建的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)就可以表示為這4個(gè)指標(biāo)的函數(shù),即:

        其遙感定義為:

        式(1)、式(2)中,Greenness為綠度,Wetness為濕度,Thermal為熱度,Dryness為干度;NDVI為植被指數(shù),Wet為濕度分量,LST為地表溫度,NDBSI為建筑物和裸土指數(shù)。4個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式見(jiàn)表1。

        表1 遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算公式Tab.1 Calculation formula of remote sensing ecological index

        由于NDVI、WET、LST、NDBSI指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一,為避免在主成分分析中各個(gè)指標(biāo)權(quán)重失衡,需要對(duì)4個(gè)因子原始值做歸一化處理,將范圍統(tǒng)一在(0,1)之間,歸一化公式為:

        式(3)中,BIi為某個(gè)因子歸一化的像元值,bi為某個(gè)指標(biāo)因子的像元值,bmax、bmin分別為該因子的最大值、最小值。

        上述4個(gè)指標(biāo)經(jīng)歸一化處理后,利用遙感影像處理工具(采用ENVI 5.3)將4個(gè)指標(biāo)耦合成一幅影像,然后對(duì)合成后的影像做主成分分析,提取第一主成分PC1作為遙感生態(tài)指數(shù)初始值,從而獲得初始的生態(tài)指數(shù)RSEI0。為避免大片的水域影響PCA的荷載分布,采用MNDWI水體指數(shù)(徐涵秋,2005)掩膜掉水體信息。

        為了便于指標(biāo)的度量和比較,可同樣對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化:

        RSEI即為所建的遙感生態(tài)指數(shù),其值介于(0,1)之間。RSEI0值越接近1,說(shuō)明生態(tài)越好;反之,生態(tài)質(zhì)量越差。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 四平市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體分析

        對(duì)合成后的4個(gè)遙感生態(tài)指數(shù)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,得到定量化的綜合指數(shù)(表2)。

        從表2可以看出:1)PC1中最大限度集中了4個(gè)指標(biāo)的特征信息,特征值貢獻(xiàn)率均為最高,分別為85.44%、87.11%、76.82%,均在75%以上。2)各年份的第一主成分結(jié)果中,NDVI和WET均為正值,LST和NDBSI均為負(fù)值,表明綠度和濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境有促進(jìn)作用,溫度和干度對(duì)生態(tài)環(huán)境有抑制作用,4個(gè)年份中干度的系數(shù)都最大,說(shuō)明干度對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響最大。3)在PC2、PC3、PC4中各指標(biāo)值無(wú)漸規(guī)律可循,各指標(biāo)貢獻(xiàn)率也很小。故以第一主成分PC1構(gòu)建RSEI。

        表2 各年份主成分分析結(jié)果Tab.2 Principal component analysis results of each year

        為從整體上分析四平市生態(tài)環(huán)境狀況,分別統(tǒng)計(jì)了4個(gè)指標(biāo)和RSEI均值(表3)。

        從表3可以看出,四平市整體上從2007年、2016年、2021年的RSEI均值呈上升趨勢(shì),分別為0.661 2、0.670 3、0.696 1。說(shuō)明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境在逐漸變好,生態(tài)質(zhì)量逐步提升。

        表3 各指標(biāo)和RSEI均值Tab.3 Average value of each index and RSEI

        將四平市各地市的3期數(shù)據(jù)按0.2為間隔劃分為5個(gè)等級(jí),分別為[0~0.2)、[0.2~0.4)、[0.4~0.6)、[0.6~0.8)、[0.8~1],分別代表生態(tài)環(huán)境差、較差、中、良、優(yōu)。從四平市整體生態(tài)等級(jí)分布變化來(lái)看,四平市從2007年到2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提升,其中雙遼市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升明顯。這與當(dāng)?shù)卣_(kāi)展的相關(guān)生態(tài)環(huán)境治理工作息息相關(guān),尤其是雙遼市大力開(kāi)展植樹(shù)造林、退耕還林生態(tài)工程密不可分。同時(shí)可以表明RSEI反映四平市生態(tài)環(huán)境狀況準(zhǔn)確合理。如圖2所示。

        圖2 四平市各地市RSEI質(zhì)量等級(jí)分布圖Fig.2 Distribution map of RSEI quality grades in all cities of Siping City

        表4總結(jié)了四平市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級(jí)的面積和比重??梢钥闯?,2007—2021年生態(tài)等級(jí)為差、較差、中等級(jí)所占面積比重從30.46%下降到22.17%,而良和優(yōu)等級(jí)所占面積比重從69.51%上升到77.81%。2007年與2021年對(duì)比:差、較差和中級(jí)占比到2021年明顯減少,分別下降了0.98%、4.62%、2.69%;良等級(jí)占比明顯增加,為5.09%??梢钥闯?,2007—2021年,四平市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以提升,同時(shí)也進(jìn)一步表明,四平市態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以提升。

        表4 RSEI等級(jí)面積及其百分比Tab.4 RSEI grade area and its percentage

        為更好地研究四平市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化,對(duì)遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)圖進(jìn)行差值變化檢測(cè)(圖3),按級(jí)差符號(hào)分為3類,變好(+1、+2、+3、+4),變差(-4、-3、-2、-1),不變(0)(表5)。

        表5 2007—2021年間RSEI差值變化檢測(cè)Tab.5 Detection of changes in RSEI difference between 2007 and 2021

        圖3 2007—2021四平市RSEI差值變化檢測(cè)Fig.3 Change detection of RSEI difference in Siping City

        2007—2021年生態(tài)等級(jí)變差的面積為4 237.91 km2(約占總面積的29.38%),不變的面積為5 370.07 km2(約占總面積的37.23%),變好的面積為4 816.55 km2(約占總面積的33.39%),整體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好。

        3.2 建模與預(yù)測(cè)

        采用1 km×1 km網(wǎng)格對(duì)3期遙感生態(tài)指數(shù)和4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行整圖重采樣,4個(gè)指標(biāo)作為自變量,遙感生態(tài)指數(shù)作為因變量進(jìn)行多元回歸分析,建立四平市生態(tài)模型,預(yù)測(cè)四平市生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)。以下為四平市2007年、2016年、2021年的回歸模型:

        從生態(tài)模型可以看出,NDVI和WET的系數(shù)為正,而LST和NDBSI為負(fù),可以看出NDVI和WET對(duì)生態(tài)環(huán)境起促進(jìn)作用,而LST和NDBSI起抑制作用,這個(gè)結(jié)果和表1各指標(biāo)對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)相一致。從回歸模型的系數(shù)的均值可以看出(均值分別為:0.287 6,0.293 1,-0.284 4,-0.324 4),對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響最大的是NDBSI,其他依次為WET、NDVI、LST。

        圖4為2021年正向指標(biāo)NDVI、WET和負(fù)向指標(biāo)LST、NDSI與RSEI的三維散點(diǎn)特征圖。特征圖的上部代表植被覆蓋度高且濕度較大的散點(diǎn),生態(tài)環(huán)境相對(duì)優(yōu)越;下部代表裸露地表、熱度高的散點(diǎn),生態(tài)環(huán)境較差。從三維散點(diǎn)特征圖可以看出,散點(diǎn)多集中在上部,說(shuō)明地表干化和裸露的區(qū)域正在逐步減少,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在逐漸提升,證實(shí)了四平市加強(qiáng)對(duì)沙地、荒地等裸露土地的治理,降低裸露土地面積,干度指數(shù)有所下降。生態(tài)環(huán)境的措施已初見(jiàn)成效。

        圖4 三維散點(diǎn)特征圖Fig.4 3D scatter plots of indicators

        整體上來(lái)看,主成分分析和多元回歸都能很好地反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的趨勢(shì)。無(wú)論是主成分分析還是多元回歸模型,代表正向指標(biāo)的WET和代表負(fù)向指標(biāo)的NDBSI對(duì)的生態(tài)環(huán)境影響較大。以2021年的回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè),欲使RSEI提升0.1,那么相應(yīng)的NDBSI減少0.503 3或WET提升0.368 2。但在實(shí)際生態(tài)環(huán)境治理中,干化裸露地表減少的同時(shí)伴隨著綠地和植被的增加,假設(shè)NDBSI減少0.503 3,NDVI增加0.503 3,則RSEI將提升0.321 1。

        4 結(jié)論與討論

        (1)對(duì)四平市2007年、2016年、2021年遙感影像進(jìn)行主成分分析。NDVI和WET均為正值,LST和NDBSI均為負(fù)值,表明綠度和濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境有促進(jìn)作用,溫度和干度對(duì)生態(tài)環(huán)境有抑制作用,3個(gè)年份中干度的系數(shù)都最大,說(shuō)明干度對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響最大。

        (2)從生態(tài)環(huán)境等級(jí)來(lái)看,生態(tài)等級(jí)中級(jí)以下所占面積比重下降了8.29%,中等級(jí)以上等級(jí)占比隨之上升,就2007年和2021年比較來(lái)看,差、較差和中級(jí)占比到2021年明顯減少分別下降0.98%、4.62%、2.69%。良等級(jí)占比明顯增加,為5.09%。其中雙遼市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善,表明RSEI能很好地綜合4個(gè)分量指標(biāo),可準(zhǔn)確表達(dá)和反映四平市生態(tài)環(huán)境狀況。

        (3)以NDVI、WET、LST、NDBSI和RSEI進(jìn)行多元回歸分析,建立四平市生態(tài)模型,其中NDBSI對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最大,從回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出,干化和裸露地表的治理是提升四平市生態(tài)質(zhì)量的關(guān)鍵,這一結(jié)果也證實(shí)了雙遼市裸露土地的治理,降低裸露土地面積。改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的措施是科學(xué)的、合理的。

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