劉馨,江亞軍,李月英
1.饒陽國家氣候觀象臺;2.深州市氣象局;3.衡水市氣象局/饒陽國家氣候觀象臺
衡水市屬于首都經(jīng)濟圈的京南區(qū),是首都和雄安新區(qū)的南大門。2022年衡水市政府工作報告指出:十四五時期,是衡水市加快建美麗衡水的關(guān)鍵階段[1]。實踐證明,人類活動和城市擴張會對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響,應用遙感影像評價分析生態(tài)質(zhì)量能直觀展示區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量等級分布和動態(tài)變化情況,對生態(tài)文明建設(shè)具有重要參考意義。
目前,遙感技術(shù)已廣泛應用于生態(tài)研究中,其中徐涵秋提出遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)評價法[2-3]已得到廣泛應用。RSEI各指標均可通過遙感影像反演得到,適用于對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行客觀評價與分析。本研究選取2000~2021年間四期遙感影像構(gòu)建RSEI指數(shù),分析衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布和變化情況,為當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供參考意見。
衡水市位于黑龍港流域,地處于河北省東南部,地形平原,總面積8836km2,屬大陸性季風氣候,四季分明。全市以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)用地占土地總面積的78.65%。
選用Landsat系列遙感影像,時間分別為2000.8.28、2007.9.9、2014.9.4、2021.9.7,所選影像時間相近,具有較高的代表性和可比較性。
RSEI以綠度(NDVI)、濕度(Wet)、干度(NDSI)、熱度(LST)4個指標作為評價指標,通過主成分分析法(PCA)將第一主成分歸一化處理生成RSEI指數(shù)。各指標計算方法如下:
(1)綠度:以歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示,表達式為:
(2)濕度:以纓帽變換中的濕度分量表示。本研究應用到ETM和OLI兩種影像,分別為:
(3)干度:以建筑指數(shù)(IBI)和裸土指數(shù)(SI)均值表示:
(4)熱度:本文應用大氣校正法反演的地表溫度作為熱度指標[4],具體公式為:
式中:LST為地表溫度(℃);T為黑體輻射亮度;Lλ為熱紅外輻射亮度值;ε為地表比輻射率;τ為大氣透過率;L↑和L↓分別為大氣上行和下行輻射亮度;K1和K2為定標參數(shù)常量。
(5)RSEI指數(shù)構(gòu)建
通過NDWI指數(shù)[5]將大型水體去除,對四個指數(shù)歸一化處理后進行主成分分析,得到第一主成分PC1,對PC1進行歸一化處理即可得到遙感生態(tài)指數(shù),取值范圍為[0,1],結(jié)果越接近“1”表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好,接近“0”為差。
各年度指標特征值見(表1),結(jié)果顯示,第一主成分(PC1)的貢獻率都大于85%,表明第一主成分已經(jīng)集中了4個分量的絕大部分特征。四個年份中的NDVI和NDSI特征值貢獻率高于WET和LST,表明植被和城市建設(shè)對生態(tài)質(zhì)量影響最大。
表1 主成分分析結(jié)果
從表2看出,2000~2014年間RSEI指數(shù)變化不大,2021年提升至0.75,增幅7%,表明近幾年衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了明顯改善。單一指標中NDVI在2007年下降15%,隨后升高;WET呈升高趨勢;NDSI和LST在2014~2021年間有較大幅度下降;說明近幾年雖然城鎮(zhèn)化進程加快,但同時加強城區(qū)綠化率提升,總體上抵消了城市建設(shè)和氣候變暖帶來的不利影響,使區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平不斷提高。
表2 各年度各指標歸一化均值統(tǒng)計
表4 2000~2021衡水市RSEI等級變化情況(單位:km2)
為研究生態(tài)質(zhì)量的分布情況,將RSEI指數(shù)以0.2為間隔等分為差、較差、中等、良、優(yōu)5個等級(圖1),并對各等級面積進行統(tǒng)計(表3)。從空間分布來看,全市生態(tài)等級以良至優(yōu)區(qū)域為主,各年度優(yōu)良等級之和占比均在70%以上,這是由于衡水地處平原,區(qū)域內(nèi)以耕地為主,植被覆蓋度較高;差和較差區(qū)域主要為城市區(qū)域。
圖1 2000~2021衡水市RSEI等級分布圖
表3 2000~2021年衡水市RSEI等級面積及占比
2007年因夏季降水偏少導致當年植被生長狀況較差,等級優(yōu)區(qū)域比例降低;四個時相分RSEI布圖中,建筑用地面積逐年增加,表明城鎮(zhèn)化進程加快,城鎮(zhèn)區(qū)域向外擴張,但近幾年同時加強城區(qū)綠化和裸地植被修復工作,使等級差和較差區(qū)域比例反倒減少。
為研究各年度間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化程度,對各年度RSEI指數(shù)進行差值計算,根據(jù)結(jié)果分為變差、無變化、變好3個類別,面積變化情況見圖2和表3。從圖2可以看出2000~2007年因夏季降水偏少生態(tài)變差區(qū)域較多,2007~2014年和2014~2021年隨著植樹造林力度加強生態(tài)逐漸變好。整體來看2000~2021年生態(tài)變差區(qū)域主要為城市周邊新開發(fā)區(qū)域,主要因建成時間短,綠化力度不足導致;饒陽、阜城南部因發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè),溫室大棚較多,也使當?shù)厣鷳B(tài)質(zhì)量變差;部分城區(qū)中心生態(tài)質(zhì)量變好,表明隨著城區(qū)綠化力度加強,城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了極大改善。
圖2 2000~2021年衡水市RSEI變化圖
(1)RSEI生態(tài)指數(shù)模型能夠較好地反映衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間和時間變化,4個生態(tài)因子中主要影響因素為綠度(正反饋)和干度(負反饋)。
(2)衡水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水體總體處于較高水平,2007年因氣候原因略有下降,2014年后隨著園林城市建設(shè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了大幅提升。
(3)從空間格局上看,衡水市區(qū)域內(nèi)主要為農(nóng)業(yè)用地,生態(tài)質(zhì)量好的區(qū)域占比較高,生態(tài)質(zhì)量差區(qū)域主要為城市,其中城市周邊新建成區(qū)最差,城市中心隨著綠化力度加強生態(tài)質(zhì)量逐漸變好。