李效榮,謝育珽,劉 萍

(1.保德縣水利發(fā)展中心,山西 忻州 036699;2.太原理工大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院,山西 太原 030024)

隨著城市化水平的不斷提升以及人民日益增長的美好生活需要,全中國各個(gè)城市都加快推進(jìn)城市建設(shè),城市化率不斷提高,但同時(shí)也帶來諸如水污染、大氣污染及噪聲污染等生態(tài)環(huán)境問題。因此,對生態(tài)環(huán)境的綜合性分析評(píng)價(jià)就顯得尤為重要,需要對城市進(jìn)行生態(tài)敏感性分析。生態(tài)敏感性反映了人類活動(dòng)干擾和自然環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度,從而反映出在該生態(tài)系統(tǒng)下,環(huán)境變化可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題的嚴(yán)重程度[1]。生態(tài)敏感性高低的衡量標(biāo)準(zhǔn)一般是生態(tài)因子的適應(yīng)能力或恢復(fù)能力,其評(píng)價(jià)能夠反映區(qū)域的自然環(huán)境良好程度、土地利用情況、人口負(fù)荷情況及未來合理規(guī)劃方向,生態(tài)環(huán)境敏感性與評(píng)價(jià)是結(jié)合多種環(huán)境影響因子反映生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方式,合理地研究區(qū)域的生態(tài)功能價(jià)值與生態(tài)敏感性對國家生態(tài)政策制定具有重要意義。目前,城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)問題是學(xué)者們較為關(guān)注的熱點(diǎn),很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了生態(tài)敏感性的研究,如ZHANG等[2]利用綜合生態(tài)敏感性分析評(píng)估生態(tài)旅游對森林植被景觀的影響;劉萍[3]基于土地利用與土地覆蓋變化進(jìn)行的生態(tài)服務(wù)價(jià)值特征研究;KONG等[4]利用生態(tài)敏感性對土地利用變化的影響研究;ZHENG等[5]結(jié)合海拔、坡度、坡向、森林類型和聚合距離評(píng)估城市森林公園的生態(tài)敏感性;劉鸝等[6]從水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全4個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對鶴壁市海綿城市建設(shè)的影響因素進(jìn)行敏感性分析;陳榕榕等[7]通過ArcGIS平臺(tái)結(jié)合層次分析法,構(gòu)建了泉州市生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系。廣西北海市是全國14個(gè)沿海開放城市之一,自然資源豐富,擁有豐富的港口、淡水、能源、海洋(資源豐富擁有中國四大漁場之一的北部灣)、礦產(chǎn)及旅游資源[8]。因此,對北海市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)十分重要。本文基于遙感數(shù)據(jù)和遙感影像,利用GIS技術(shù)和RS技術(shù)對北海市陸域的土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、高程、坡向以及水域緩沖區(qū)進(jìn)行了綜合分析,并對生態(tài)敏感性做了綜合評(píng)價(jià)。本研究對北海市陸域生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)以及城市綠色發(fā)展等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

北海市別名珠城,位于廣西南部、北部灣東岸,地理位置位于東經(jīng)108°50′45″～109°47′28″、北緯20°26′～21°55′34″,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。北海市轄海城、銀海、鐵山港3區(qū)與合浦1縣。境內(nèi)河網(wǎng)密布、支流眾多,南流江為最大河流。地勢呈由北向南傾斜狀態(tài),西北與東北為丘陵地帶,南部沿海為臺(tái)地與平原地帶。北海市境內(nèi)擁有豐富的自然資源,包括14種非金屬礦、多種金屬礦及石油、天然氣等,本文針對北海市陸域開展研究。

2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

Landsat 8是空間分辨率30 m的中分辨率太陽同步近地軌道衛(wèi)星[9]。MODIS是搭載在Terra和Equa衛(wèi)星上的一個(gè)傳感器,具有36個(gè)離散光譜通道,能實(shí)現(xiàn)從可見光波段到熱紅外波段全部光譜范圍覆蓋[10]。本研究數(shù)據(jù)來源為地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)的Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)、MODIS合成產(chǎn)品和SRTMASPEST 90M分辨率坡向數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)都下載自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái),LUCC、NDVI以及水域緩沖相關(guān)數(shù)據(jù)都基于ENVI軟件處理遙感影像反演得出。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先對北海市陸域行政區(qū)劃地圖進(jìn)行矢量化,得到北海市陸域的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。選取北海市陸域云量較小的遙感影像,在ENVI和MapGIS等GIS平臺(tái)下對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何校正、投影轉(zhuǎn)換、裁剪和拼接,得到北海市陸域區(qū)劃下的遙感影像數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)展開北海市陸域生態(tài)敏感性分析。

3 研究方法

在生態(tài)敏感性研究中,土地利用、植被覆蓋、地形地貌以及水域周邊環(huán)境等都對生態(tài)環(huán)境存在一定的影響。土壤是保障地球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的核心[11],土地利用變化能夠引起土壤養(yǎng)分和水分變化、地表徑流與侵蝕、生物多樣性分布以及生物地球化學(xué)循環(huán)等的自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的功能[12];植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ),植被覆蓋對控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境有重要意義[13];地形的起伏是導(dǎo)致水土流失的最直接因素[14];河岸緩沖帶是連接陸域和水域的生態(tài)紐帶,對維持河流水質(zhì)、維護(hù)流域景觀穩(wěn)定性和生態(tài)安全具有重要的意義[15]。北海市地勢總體呈北高南低,地表略有起伏,南部起伏甚小,北部起伏略大,工業(yè)用礦資源、石油、天然氣等資源豐富,但由于過度開采對生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力。根據(jù)北海市的土地利用動(dòng)態(tài)變化及生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn),從水環(huán)境、地貌環(huán)境及生態(tài)環(huán)境等方面選取了土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個(gè)敏感性評(píng)價(jià)因子。

生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)的步驟一般為確定評(píng)價(jià)對象和范圍、選擇評(píng)價(jià)因子、構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定因子權(quán)重[16]。首先對各因子進(jìn)行單因子評(píng)價(jià),利用GIS空間分析法,對多個(gè)評(píng)價(jià)因子的生態(tài)敏感性分布進(jìn)行不同敏感度區(qū)域的面積計(jì)算,得出不同敏感區(qū)域在東川區(qū)總面積中的占比情況,便于進(jìn)行敏感性等級(jí)之間的相互對比,構(gòu)建北海市陸域敏感性評(píng)價(jià)的單因子評(píng)價(jià)體系,再采用層次分析法確定各單因子的權(quán)重,構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型。

3.1 單因子評(píng)價(jià)體系

北海市陸域的生態(tài)敏感性單因子評(píng)價(jià)中,選取土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個(gè)敏感性評(píng)價(jià)因子。單因子評(píng)價(jià)等級(jí)體系見表1,將各因子按敏感性程度劃分為非敏感區(qū)、低敏感區(qū)、中敏感區(qū)和高敏感區(qū)4個(gè)等級(jí)[17]。

表1 單因子評(píng)價(jià)等級(jí)體系

3.1.1土地利用/覆蓋變化(LUCC)

土地利用指土地的使用狀況或土地的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)屬性,土地覆蓋指地球表層的自然屬性和生物物理屬性[18]。運(yùn)用Landsat 8遙感影像,反演北海市陸域LUCC評(píng)價(jià)因子。

3.1.2歸一化植被指數(shù)(NDVI)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可反映植物生長狀況以及植被覆蓋變化狀況[19]。NDVI的計(jì)算見式(1),取值范圍為-1～1,與植被覆蓋程度整體上呈正相關(guān)[20]。

(1)

式中Rnir、Rred——紅光波段和近紅外波段的光譜反射率。

3.1.3高程

地形變化可通過高程反映。海拔與氣溫呈反比關(guān)系,即氣溫隨海拔的升高而降低,按照實(shí)際大氣溫度直減率的定義,在對流層范圍內(nèi),海拔每升高100 m,溫度約下降0.65℃[21]。

3.1.4坡向

坡向?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一方面,不同坡向接收的熱量和日照時(shí)間不同,體現(xiàn)在北半球南坡日照比北坡熱量高、時(shí)間長,植被生長表現(xiàn)更好;另一方面,坡向不同影響降水,進(jìn)而影響植被生長發(fā)育所需的水分,表現(xiàn)在迎風(fēng)坡降水多于背風(fēng)坡。

3.1.5水域緩沖

沿水域緩沖帶,沿岸的景觀生態(tài)表現(xiàn)出不同的格局,總體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈遞減趨勢,即距離水域越近,生態(tài)環(huán)境條件越好,反之生態(tài)環(huán)境條件表現(xiàn)越差。本研究先通過歸一化水體指數(shù)提取水體,再向水域岸帶區(qū)域按水域緩沖半徑分析敏感區(qū)。

3.2 綜合評(píng)價(jià)模型

3.2.1層次分析法

層次分析法是作為一種定量研究方法,可以確定生態(tài)環(huán)境中各指標(biāo)的相對重要性并對其進(jìn)行綜合定量分析[22]。不同評(píng)價(jià)因子對生態(tài)環(huán)境的影響程度不同,使用層次分析法確定生態(tài)敏感性綜合分析中各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

a)深入分析所研究問題的各相關(guān)因素。按照各屬性的區(qū)別不同進(jìn)行分解,自上而下建立起層次結(jié)構(gòu)模型,各層次之間上下存在影響作用。

c)進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

C=(Cij)m×n=C·WT

(2)

計(jì)算得各單因子的權(quán)重值見表2。

表2 單因子權(quán)重值

3.2.2模型建立

生態(tài)敏感性受到多個(gè)影響因子的共同作用,由于每個(gè)單因子?xùn)鸥駡D像屬性不同,需要對各個(gè)因子進(jìn)行疊加分析。GIS是解決空間疊加分析的常用工具,加權(quán)疊加法常用于解決多準(zhǔn)則問題,具有充分綜合各評(píng)價(jià)因子影響力以及減小誤差的優(yōu)點(diǎn)。北海市陸域生態(tài)敏感性的綜合評(píng)價(jià)采用加權(quán)疊加法綜合各單因子影響程度,將單因子?xùn)鸥駡D像像元值與對應(yīng)的因子權(quán)重值相乘,計(jì)算方法見式(3)。

(3)

式中i——評(píng)價(jià)的單元編號(hào);k——評(píng)價(jià)的單因子編號(hào);n——參與的評(píng)價(jià)因子總數(shù);Bki——敏感性評(píng)價(jià)值;Wk——第k個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因子敏感性分析

4.1.1LUCC

對北海市陸域進(jìn)行土地利用/覆蓋變化(LUCC)的單因子敏感性評(píng)價(jià),LUCC的單因子敏感性分布見圖1。LUCC各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表3,其中非敏感性區(qū)面積占比最低,為10.06%,主要分布在西南角市區(qū)、鐵山港和合浦縣城所在區(qū)域,以城鎮(zhèn)建設(shè)用地和未利用地為主;低敏感性區(qū)土地面積占比最高,達(dá)40.74%,分布范圍較廣,主要在中部地區(qū)以及合浦縣南流江沿岸地區(qū),區(qū)域內(nèi)主要是農(nóng)業(yè)用地,如耕地等;中敏感性區(qū)土地面積占比次高,為31.40%,主要分布在研究區(qū)的西北部,大部分位于合浦縣范圍,區(qū)域內(nèi)主要為林地;高敏感性區(qū)以北海市陸域的東北部丘陵為主,同時(shí)包括南流江在內(nèi)的大小河流水面,面積占比為17.80%,以水面、山區(qū)自然林等為主。

圖1 北海市陸域單因子LUCC敏感性

表3 LUCC各敏感區(qū)面積占總面積比例 %

北海市陸域的東北部丘陵為高敏感性區(qū),對北海市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的意義重大,應(yīng)特別加強(qiáng)保護(hù)。

4.1.2NDVI

對北海市陸域進(jìn)行歸一化植被指數(shù)(NDVI)的單因子敏感性評(píng)價(jià),NDVI的單因子敏感性分布見圖2。NDVI各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表4,其中非敏感性區(qū)面積占11.16%,以河流湖泊等水域和城鎮(zhèn)建設(shè)等基本無植被覆蓋的區(qū)域?yàn)橹?大致分布在南流江、洪潮江水庫以及沿海區(qū)域;低敏感性區(qū)在4個(gè)敏感性區(qū)域中占比最高,達(dá)50.62%,該區(qū)域主要位于北海市陸域中部及南部地帶,主要為包括耕地等農(nóng)業(yè)用地;中敏感性區(qū)土地面積所占比值次高,為34.65%,主要分布于北海市陸域東部及西北部,主要位于合浦縣;高敏感性區(qū)面積占比值最低,僅為3.57%,主要位于市東北部山地地區(qū),此地區(qū)海拔相對較高,有眾多的山嶺存在,以林地為主,植被覆蓋率高。

圖2 北海市陸域單因子NDVI敏感性

表4 NDVI各敏感區(qū)面積占總面積比例 %

4.1.3高程

對北海市陸域進(jìn)行高程的單因子敏感性評(píng)價(jià),高程的單因子敏感性分布見圖3。高程各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表5,其中非敏感性區(qū)面積占比最高,超過總面積的一半,達(dá)66.64%,主要分布在南流江沿岸以及北海市陸域南部與西部等沿海地區(qū);低敏感性區(qū)域面積占比次高,為26.83%,主要分布在合浦縣境內(nèi);中敏感性區(qū)大部分分布在北海市陸域東北部丘陵地帶,面積占比為6.43%;高敏感性區(qū)域面積占比最低,僅為0.1%,基本分布在合浦縣曲樟鄉(xiāng)周邊地區(qū)。

圖3 北海市陸域單因子高程敏感性

表5 高程各敏感區(qū)面積占總面積比例 %

北海市陸域高程中非敏感區(qū)和低敏感區(qū)面積之和占北海市陸域總面積的比例達(dá)到93.47%,即高程在60 m以下地區(qū)面積占比達(dá)93.47%。高程敏感性整體介于非敏感與低敏感之間。

4.1.4坡向

對北海市陸域進(jìn)行坡向的單因子敏感性分析,坡向的單因子敏感性分布見圖4。坡向各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表6,其中非敏感區(qū)面積占比最低,僅為0.01%,主要分布在正北坡向,該坡向日照與輻射最少且溫度較低;低敏感性區(qū)面積占比次高,為48.10%,主要分布在山體西北和東北坡向;中敏感區(qū)面積占比50.13%,占比最高,主要分布在山體東南和西南坡向,與植被的受光照條件以及溫度密切相關(guān),正南方的日照時(shí)長與太陽輻射強(qiáng)度最多;高敏感性區(qū)域面積占比次低,僅為1.76%,表明研究區(qū)的南坡占比較低。

圖4 北海市陸域單因子坡向敏感性

表6 坡向各敏感區(qū)面積占比 %

北海市陸域坡向以西北、東北、西南和東南為主,占比達(dá)98.23%,正北正南坡向占比極少,僅為1.77%。北海市陸域坡向整體表現(xiàn)為中、低敏感性。

4.1.5水域緩沖

對北海市陸域進(jìn)行水域緩沖的單因子敏感性分析,水域緩沖的單因子敏感性分布見圖5。水域緩沖各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表7,其中非敏感區(qū)面積占比最高,達(dá)65.16%;低敏感性區(qū)主要分布在以距河流250～500 m為緩沖半徑的緩沖區(qū)內(nèi),面積占比為15.37%;中敏感性區(qū)主要分布在以距河流50～250 m為緩沖半徑的緩沖區(qū)內(nèi),面積占比15.60%;高敏感性區(qū)分布在以50 m為半徑的緩沖區(qū)內(nèi),面積占比最低,僅為3.88%。因此,北海市陸域水域緩沖半徑大于500 m分布最多,在50～500 m區(qū)間有少量分布。

圖5 北海市陸域單因子水域緩沖敏感性

表7 水域緩沖各敏感區(qū)面積占比 %

4.2 綜合敏感性分析結(jié)果

在GIS技術(shù)的支持下,根據(jù)土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個(gè)生態(tài)敏感性影響因子的權(quán)重,采用加權(quán)疊加法得出北海市陸域生態(tài)敏感性分布,結(jié)果見圖6,各敏感區(qū)面積占全市總面積的比例見表8。北海市陸域的生態(tài)敏感性主要為由東向西、由北向南呈遞減趨勢。北海市陸域非敏感區(qū)和低敏感區(qū)面積占比之和64.3%,主要分布在西南部,此地區(qū)是北海市政府所在地,土地利用類型以城鎮(zhèn)用地、建設(shè)用地和未利用地為主,也存在部分農(nóng)業(yè)用地,城鎮(zhèn)化水平較高,植被覆蓋度較低,高程以30 m以下為主,且河網(wǎng)相對不發(fā)達(dá)。中敏感區(qū)面積占比為29.88%,主要分布在合浦縣境內(nèi),土地利用類型主要為園地、草地、林地和水域,植被覆蓋率較高。高敏感區(qū)占比為5.82%,主要分布在北海市陸域東北部,此地區(qū)為山區(qū),且呈東北至西南走向,土地利用類型以林地為主,植被覆蓋率高,高敏感區(qū)也少量分布在北海市陸域中部和西北部。

圖6 北海市陸域生態(tài)敏感性綜合分析

表8 綜合評(píng)價(jià)各敏感度區(qū)面積占比 %

從北海市各區(qū)角度分析,海城區(qū)與銀海區(qū)生態(tài)敏感度較低,鐵山港區(qū)中等,合浦縣為最好。合浦縣在北海市“三區(qū)一縣”中經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對較低、城鎮(zhèn)化率不高、還屬于成長階段、具有很大的開發(fā)潛力。而海城區(qū)和銀海區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對較好,常住人口眾多。隨著人民對美好生活需要的不斷增長,開展村屯綠化等生態(tài)文明建設(shè)工作急需提上日程[23]。

從經(jīng)濟(jì)開發(fā)建設(shè)角度分析,非敏感區(qū)和低敏感區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定,對外界的防干擾能力與抵抗能力較強(qiáng),在北海市陸域?qū)淼拈_發(fā)建設(shè)中可以作為優(yōu)先選擇區(qū)域,但是需要防止重化工企業(yè)以及污染性企業(yè)的入駐。中敏感區(qū)可以進(jìn)行適度的開發(fā),但是考慮到該區(qū)域內(nèi)大多是耕地,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對生物多樣性的保護(hù),做到生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)同發(fā)展。而高敏感區(qū)作為生態(tài)環(huán)境最脆弱、穩(wěn)定性最差的區(qū)域,極易受到外界破壞和干擾,應(yīng)將其納入生態(tài)環(huán)境重要保護(hù)范圍,同時(shí)禁止森林砍伐和開墾土地等破壞該地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的行為。

5 結(jié)語

本研究基于GIS和RS技術(shù),選取土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個(gè)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子,分別進(jìn)行了單因子評(píng)價(jià),并結(jié)合層次分析法和加權(quán)疊加法針對北海市陸域生態(tài)敏感性構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)模型,結(jié)論如下。

a)在5個(gè)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子中,土地利用/覆蓋變化(LUCC)評(píng)價(jià)因子對北海市生態(tài)環(huán)境敏感性的影響最高,高程評(píng)價(jià)因子對其影響最低,其權(quán)重分別是0.368 7和0.055 6。

b)研究區(qū)的生態(tài)敏感性主要為由東向西、由北向南呈遞減趨勢。非敏感區(qū)和低敏感區(qū)面積占比之和為64.30%,主要分布在西南部,以城鎮(zhèn)建設(shè)用地和未利用地為主,也存在部分農(nóng)業(yè)用地,如耕地等,植被覆蓋率較低,高程以30 m以下為主,且河網(wǎng)相對不發(fā)達(dá)。

c)中敏感區(qū)面積占比為29.88%,主要分布在西北部,大部分位于合浦縣境內(nèi),土地利用類型主要為園地、草地、林地和水域,植被覆蓋率較高。

d)高敏感區(qū)占比為5.82%,主要分布在北海市陸域東北部,此地區(qū)為山區(qū),且呈東北至西南走向,土地利用類型以林地為主,植被覆蓋率高,高敏感區(qū)也少量分布在北海市陸域中部和西北部。