文詩雅，朱大明，付志濤，菅永勝，江佳雯

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

0 引言

鑒于信息技術(shù)的急速發(fā)展和社會醫(yī)療水平的提升，人口總數(shù)大幅增長。人類為了探求高品質(zhì)的美好生活，不斷開發(fā)和利用豐富的自然資源，引導(dǎo)經(jīng)濟增長的同時，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大破壞，使生態(tài)環(huán)境越來越脆弱。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，因此對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價與研究既是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點話題，又是推動生態(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)合國人類環(huán)境會議”，全球各地政府代表首次就生態(tài)環(huán)境問題進行探討以來，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究不斷成熟。學(xué)者通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系，選用主成分分析法、層次分析法、模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)度法、綜合指數(shù)法等方法來研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化特征[2-7]。事實上現(xiàn)階段國內(nèi)外仍未有一套標(biāo)準(zhǔn)的評價指標(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、干度四項指數(shù)為代表的遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）對城市展開生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。該方法完全基于遙感技術(shù)，不但能夠更加全面、精確、直觀地評估研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還能夠?qū)⒃u價結(jié)果加以高精度的可視化表達，因而得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]。

貴陽市是我國第一個國家森林城市，作為“中國十大避暑旅游城市”之首，具有溫度適宜、濕度適中、水質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點。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“中國數(shù)谷”。評價貴陽市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化特征能為我國省會城市及其他地區(qū)的環(huán)境保護綜合治理工作，以及實現(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)合主成分分析法來探究貴陽市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)境治理和維護工作提供參照。

1 研究區(qū)概況

貴陽市（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，地勢總體上西南高、東北低，位于黔中山原丘陵中段，長江與珠江分水嶺地帶，地貌以山區(qū)、丘陵居多。貴陽市海拔1 100 米左右，屬于亞熱帶濕潤溫暖型氣候，年均氣溫15.3℃，年均總降水量1 129.5 毫米，夏無酷暑冬無嚴(yán)寒，降雨充裕濕潤舒適，具有“上有天堂，下有蘇杭，氣候宜人數(shù)貴陽”之美稱。貴陽市植物資源豐富，森林覆蓋率達到55%，擁有唯一的花溪青巖油杉自然保護區(qū)。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究所用遙感圖像數(shù)據(jù)主要來源于國家地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）的2008 年4 月8號Landsat 5 TM 影像和2018 年6 月7 號Landsat 8 OLI影像，選取的時段云量比較低，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)處理步驟后開始計算RSEI。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)模型

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RSEI 計算的影響，在ENVI 中利用掩膜工具剔除水體后計算四個指數(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），計算公式如下[16]：

式中，ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別是藍波段反射率、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Landsat 5 影像來說，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Landsat 8 影像來說，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)。研究通過計算傳感器溫度以及使用熱紅外波段進行地表溫度反演的結(jié)果來代表熱度指標(biāo)（LST），計算公式如下[17]：

式中，T 為傳感器溫度；λ 為熱紅外波段中心波長；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表示干度指標(biāo)（NDBSI），計算公式如下[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、藍波段反射率。

2.2.5 RSEI 計算。在計算RSEI 之前，因為四種指數(shù)間存在著量綱不統(tǒng)一無法進行比較的問題，于是通過歸一化公式[18]將四種指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其值在0～1 之間，繼而消除對實驗中指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果的影響。在ENVI 中將歸一化后的四個指標(biāo)融合為一幅影像，接著使用主成分分析工具進行計算，提取第一主成分作為初始RSEI值，記為RSEI0[19]。計算公式如下：

為了便于分析，將RSEI0值同樣進行歸一化處理，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 分為五個等級，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）。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)指數(shù)時間變化分析

研究計算出的綠度、濕度、熱度、干度四個生態(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 增長至0.434 172，濕度指標(biāo)均值由0.686 646 增長至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，貴陽市生態(tài)文明建設(shè)取得成效，貫徹發(fā)展綠色經(jīng)濟理念，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，表明貴陽市具有一定程度的不合理人為建設(shè)開發(fā)活動。但由于綠度和濕度指標(biāo)對生態(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。

3.2 主成分結(jié)果分析

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率分別為89.78%、88.35%，均在85%以上，能夠代表四個指數(shù)絕大部分信息進行計算。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，表明綠度和濕度對貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是正向的，而熱度和干度對貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是負向的，與實際情況相符。

表2 第一主成分分析結(jié)果表

3.3 貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化評價

2008 年、2018 年貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布如圖3 所示，為更好地分析貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征，統(tǒng)計不同質(zhì)量等級區(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區(qū)域主要在貴陽市中部向西部和南部擴散隨機分布，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)等級區(qū)域主要在貴陽市北部集中分布，往南部方向擴散隨機分布，總面積為2 849.967 9平方千米。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為一般的區(qū)域主要在貴陽市中部向四周擴散隨機分布，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區(qū)域主要在貴陽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)等級區(qū)域主要在貴陽市北部、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)量等級為一般的區(qū)域主要在貴陽市中部往南和西部擴散隨機分布，總面積為1 072.539 9 平方千米。

表3 貴陽市RSEI 均值及各等級面積所占比例

圖3 貴陽市RSEI 等級分布圖

貴陽市的RSEI 均值由2008 年的0.544 0 增長至2018年的0.759 1，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)提升趨勢。2008年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差的區(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)量等級為差的區(qū)域面積所占比例為12.50%，比2008 年下降了11.28%。

3.4 貴陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化因素

貴陽市從2008 年到2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)變好歸功于近年來的生態(tài)文化廣泛普及，創(chuàng)建了一系列生態(tài)文明機關(guān)、學(xué)校、企業(yè)等，加之綠色經(jīng)濟的發(fā)展壯大，成為中國綠色發(fā)展優(yōu)秀城市。同時采取了機動車污染防控、城市清潔能源使用、實施重大產(chǎn)業(yè)環(huán)境污染整治、加大植樹造林力度等措施，有效降低了人類活動對自然環(huán)境的直接影響，截至2018年，貴陽市森林覆蓋率達48.66%，建成區(qū)綠化覆蓋率達41.13%，飲用水質(zhì)100%達標(biāo)，空氣質(zhì)量優(yōu)良率保持95%以上，促進了生態(tài)-經(jīng)濟良性循環(huán)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升。

4 結(jié)論

研究使用遙感生態(tài)指數(shù)來分析貴陽市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 增長至0.759 1，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好。綠度和濕度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響是正向的，熱度和干度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響是負向的，且濕度的影響效果最大。

（2）貴陽市西部如清鎮(zhèn)市、南部的市轄區(qū)以及東部的開陽縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都有改善，得益于貴陽市科學(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)量好的等級為良好和優(yōu)的區(qū)域面積所占比例共增長了30.91%。