文詩(shī)雅,朱大明,付志濤,菅永勝,江佳雯
(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)
鑒于信息技術(shù)的急速發(fā)展和社會(huì)醫(yī)療水平的提升,人口總數(shù)大幅增長(zhǎng)。人類為了探求高品質(zhì)的美好生活,不斷開(kāi)發(fā)和利用豐富的自然資源,引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí),對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大破壞,使生態(tài)環(huán)境越來(lái)越脆弱。生態(tài)環(huán)境指影響人們賴以生存和發(fā)展的各類自然資源的總量和品質(zhì)的總稱。人類文明的所有生產(chǎn)活動(dòng)都與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展變化相互依賴又相互影響,因此對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)與研究既是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題,又是推動(dòng)生態(tài)文明發(fā)展建設(shè)的迫切需求[1]。
從20 世紀(jì)70 年代的斯德哥爾摩“聯(lián)合國(guó)人類環(huán)境會(huì)議”,全球各地政府代表首次就生態(tài)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行探討以來(lái),生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究不斷成熟。學(xué)者通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,選用主成分分析法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、綜合指數(shù)法等方法來(lái)研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化特征[2-7]。事實(shí)上現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外仍未有一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,指標(biāo)的選取具有一定的不全面性和局限性。在現(xiàn)代遙感技術(shù)的支撐下,徐涵秋[8]提出了以綠度、濕度、熱度、干度四項(xiàng)指數(shù)為代表的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)城市展開(kāi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。該方法完全基于遙感技術(shù),不但能夠更加全面、精確、直觀地評(píng)估研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,還能夠?qū)⒃u(píng)價(jià)結(jié)果加以高精度的可視化表達(dá),因而得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]。
貴陽(yáng)市是我國(guó)第一個(gè)國(guó)家森林城市,作為“中國(guó)十大避暑旅游城市”之首,具有溫度適宜、濕度適中、水質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。是一座山中有城、城中有山、綠帶環(huán)繞的高原現(xiàn)代化城市,也是大數(shù)據(jù)聚集區(qū)的“中國(guó)數(shù)谷”。評(píng)價(jià)貴陽(yáng)市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化特征能為我國(guó)省會(huì)城市及其他地區(qū)的環(huán)境保護(hù)綜合治理工作,以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。因此,研究基于landsat 5 TM、landsat 8 OLI 遙感影像建立遙感生態(tài)指數(shù)并結(jié)合主成分分析法來(lái)探究貴陽(yáng)市2008、2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變特性,力求為貴州省的生態(tài)環(huán)境治理和維護(hù)工作提供參照。
貴陽(yáng)市(圖1)位于貴州省中部、云貴高原東部,市域總面積8 034 平方千米,地勢(shì)總體上西南高、東北低,位于黔中山原丘陵中段,長(zhǎng)江與珠江分水嶺地帶,地貌以山區(qū)、丘陵居多。貴陽(yáng)市海拔1 100 米左右,屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫暖型氣候,年均氣溫15.3℃,年均總降水量1 129.5 毫米,夏無(wú)酷暑冬無(wú)嚴(yán)寒,降雨充裕濕潤(rùn)舒適,具有“上有天堂,下有蘇杭,氣候宜人數(shù)貴陽(yáng)”之美稱。貴陽(yáng)市植物資源豐富,森林覆蓋率達(dá)到55%,擁有唯一的花溪青巖油杉自然保護(hù)區(qū)。
圖1 研究區(qū)示意圖
研究所用遙感圖像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)的2008 年4 月8號(hào)Landsat 5 TM 影像和2018 年6 月7 號(hào)Landsat 8 OLI影像,選取的時(shí)段云量比較低,均在5%以下。將遙感影像在ENVI 5.3 軟件中完成輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理步驟后開(kāi)始計(jì)算RSEI。
遙感生態(tài)指數(shù)分為綠度(NDVI)、濕度(Wet)、熱度(LST)、干度(NDBSI)四種指數(shù),不但能夠直觀判別區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣,還降低了研究中的主觀性和指標(biāo)的提取難度[14]。為避免研究區(qū)內(nèi)水體對(duì)RSEI 計(jì)算的影響,在ENVI 中利用掩膜工具剔除水體后計(jì)算四個(gè)指數(shù)。
2.2.1 綠度指標(biāo)。歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)是反映植物生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)的最佳因子,還在一定程度上與植被覆蓋度等因子息息相關(guān),是代表綠度指標(biāo)的最佳選擇因子,計(jì)算公式如下[15]:
式中,ρNIR為近紅外波段反射率;ρRED為紅波段反射率。
2.2.2 濕度指標(biāo)。纓帽變換可通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮,消除冗余,從而提取出能夠反映土壤情況的濕度因子(Wet),計(jì)算公式如下[16]:
式中,ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別是藍(lán)波段反射率、綠波段反射率、紅波段反射率、近紅外波段反射率、短波紅外1 波段反射率、短波紅外2 波段反射率;對(duì)Landsat 5 影像來(lái)說(shuō),α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為0.031 5、0.202 1、0.310 2、0.159 4、0.680 6、0.610 9,對(duì)Landsat 8 影像來(lái)說(shuō),α1、α2、α3、α4、α5、α6分別為0.151 1、0.197 3、0.328 3、0.340 7、0.717 1、0.455 9。
2.2.3 熱度指標(biāo)。研究通過(guò)計(jì)算傳感器溫度以及使用熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演的結(jié)果來(lái)代表熱度指標(biāo)(LST),計(jì)算公式如下[17]:
式中,T 為傳感器溫度;λ 為熱紅外波段中心波長(zhǎng);ρ=0.014 38;ε 為地表比輻射率。
2.2.4 干度指標(biāo)。建筑指數(shù)(IBI)和裸土指數(shù)(SI)都能夠反映城市土壤干化狀況,因而選用其平均值來(lái)表示干度指標(biāo)(NDBSI),計(jì)算公式如下[14]:
式中,ρSWIR1、ρSWIR2、ρNIR、ρRED、ρGREEN、ρBLUE分別為中紅外1 波段反射率、中紅外2 波段反射率、近紅外波段反射率、紅波段反射率、綠波段反射率、藍(lán)波段反射率。
2.2.5 RSEI 計(jì)算。在計(jì)算RSEI 之前,因?yàn)樗姆N指數(shù)間存在著量綱不統(tǒng)一無(wú)法進(jìn)行比較的問(wèn)題,于是通過(guò)歸一化公式[18]將四種指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使其值在0~1 之間,繼而消除對(duì)實(shí)驗(yàn)中指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果的影響。在ENVI 中將歸一化后的四個(gè)指標(biāo)融合為一幅影像,接著使用主成分分析工具進(jìn)行計(jì)算,提取第一主成分作為初始RSEI值,記為RSEI0[19]。計(jì)算公式如下:
為了便于分析,將RSEI0值同樣進(jìn)行歸一化處理,使其取值范圍在0~1 之間,得到最終的RSEI。RSEI 的值越大,代表該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好,反之RSEI 值越小,代表該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。根據(jù)規(guī)范,在ArcGIS 中把RSEI 分為五個(gè)等級(jí),包括極差(0~0.2)、差(0.2~0.4)、一般(0.4~0.6)、良好(0.6~0.8)、優(yōu)(0.8~1.0)。
研究計(jì)算出的綠度、濕度、熱度、干度四個(gè)生態(tài)指數(shù)結(jié)果分布情況如圖2 所示,均值大小統(tǒng)計(jì)如表1 所示。
表1 生態(tài)指數(shù)均值
圖2 各生態(tài)指數(shù)歸一化圖
2008—2018年,綠度指標(biāo)均值由0.362 799 增長(zhǎng)至0.434 172,濕度指標(biāo)均值由0.686 646 增長(zhǎng)至0.791 502,熱度指標(biāo)均值由0.524 512 下降至0.222 790,干度指標(biāo)均值由0.298 486 增長(zhǎng)至0.391 325。表示生態(tài)環(huán)境好的綠度、濕度指標(biāo)均值有所增加,表示生態(tài)環(huán)境差的熱度指標(biāo)均值有所下降,表明近年來(lái),貴陽(yáng)市生態(tài)文明建設(shè)取得成效,貫徹發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)理念,植被覆蓋度逐漸增加,土壤水分充足,氣候適宜,生態(tài)環(huán)境變好。而代表生態(tài)環(huán)境差的干度指標(biāo)均值有所增加,表明貴陽(yáng)市具有一定程度的不合理人為建設(shè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)。但由于綠度和濕度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響比熱度和干度更大,因此熱度和干度的變化可以忽略不計(jì)。
第一主成分分析結(jié)果(表2)可以看出,2008 年、2018 年的第一主成分貢獻(xiàn)率分別為89.78%、88.35%,均在85%以上,能夠代表四個(gè)指數(shù)絕大部分信息進(jìn)行計(jì)算。綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)在第一主成分中的特征向量值為正,熱度指標(biāo)和干度指標(biāo)的特征向量值為負(fù),表明綠度和濕度對(duì)貴陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是正向的,而熱度和干度對(duì)貴陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是負(fù)向的,與實(shí)際情況相符。
表2 第一主成分分析結(jié)果表
2008 年、2018 年貴陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布如圖3 所示,為更好地分析貴陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征,統(tǒng)計(jì)不同質(zhì)量等級(jí)區(qū)域所占面積比例及兩期RSEI均值,如表3 所示。2008 年代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的極差和差等級(jí)區(qū)域主要在貴陽(yáng)市中部向西部和南部擴(kuò)散隨機(jī)分布,總面積為3 686.847 9 平方千米。代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的良好和優(yōu)等級(jí)區(qū)域主要在貴陽(yáng)市北部集中分布,往南部方向擴(kuò)散隨機(jī)分布,總面積為2 849.967 9平方千米。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為一般的區(qū)域主要在貴陽(yáng)市中部向四周擴(kuò)散隨機(jī)分布,總面積為1 418.251 5平方千米。2018 年代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的極差和差等級(jí)區(qū)域主要在貴陽(yáng)市中部和南部集中分布,總面積為1 573.449 3 平方千米。代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的良好和優(yōu)等級(jí)區(qū)域主要在貴陽(yáng)市北部、西部、東部集中分布,總面積為5 309.078 4 平方千米。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為一般的區(qū)域主要在貴陽(yáng)市中部往南和西部擴(kuò)散隨機(jī)分布,總面積為1 072.539 9 平方千米。
表3 貴陽(yáng)市RSEI 均值及各等級(jí)面積所占比例
圖3 貴陽(yáng)市RSEI 等級(jí)分布圖
貴陽(yáng)市的RSEI 均值由2008 年的0.544 0 增長(zhǎng)至2018年的0.759 1,表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)提升趨勢(shì)。2008年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差的區(qū)域面積所占比例最高,為23.78%,其次是良好、極差等級(jí)區(qū)域,面積所占比例分別為22.68%、22.56%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域面積所占比例最低,為13.15%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為一般的區(qū)域面積所占比例為17.83%。到2018年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域面積所占比例最高,為37.53%,比2008 年提高了13.75%,其次是良好、一般等級(jí)區(qū)域,面積所占比例分別為29.21%、13.48%,比2008 年分別提高和下降了6.53%、4.35%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為極差的區(qū)域面積所占比例最低,為7.28%,比2008 年下降了15.28%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差的區(qū)域面積所占比例為12.50%,比2008 年下降了11.28%。
貴陽(yáng)市從2008 年到2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)變好歸功于近年來(lái)的生態(tài)文化廣泛普及,創(chuàng)建了一系列生態(tài)文明機(jī)關(guān)、學(xué)校、企業(yè)等,加之綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大,成為中國(guó)綠色發(fā)展優(yōu)秀城市。同時(shí)采取了機(jī)動(dòng)車污染防控、城市清潔能源使用、實(shí)施重大產(chǎn)業(yè)環(huán)境污染整治、加大植樹(shù)造林力度等措施,有效降低了人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的直接影響,截至2018年,貴陽(yáng)市森林覆蓋率達(dá)48.66%,建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)41.13%,飲用水質(zhì)100%達(dá)標(biāo),空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率保持95%以上,促進(jìn)了生態(tài)-經(jīng)濟(jì)良性循環(huán)發(fā)展,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升。
研究使用遙感生態(tài)指數(shù)來(lái)分析貴陽(yáng)市2008、2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征,研究結(jié)論如下:
(1)2008—2018年,RSEI 均值由0.544 0 增長(zhǎng)至0.759 1,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好。綠度和濕度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是正向的,熱度和干度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是負(fù)向的,且濕度的影響效果最大。
(2)貴陽(yáng)市西部如清鎮(zhèn)市、南部的市轄區(qū)以及東部的開(kāi)陽(yáng)縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都有改善,得益于貴陽(yáng)市科學(xué)的生態(tài)規(guī)劃建設(shè)。
(3)較之2008年,代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不好的等級(jí)為極差和差的區(qū)域面積所占比例共下降了26.56%,而代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的等級(jí)為良好和優(yōu)的區(qū)域面積所占比例共增長(zhǎng)了30.91%。