崔亞君，顧娟，王淼，武潤澤，楊旭東，王永國

1. 北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038；

2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；

3. 北京市技能大師工作室，北京 100038；

4. 工匠創(chuàng)新工作室，北京 100038

1 引 言

劃定生態(tài)保護(hù)紅線是提升生態(tài)功能、改善環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。2018 年2 月，國務(wù)院正式批準(zhǔn)了包括北京市在內(nèi)的15 個?。ㄊ小^(qū))生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案，標(biāo)志著生態(tài)保護(hù)紅線初具成果（崔亞君等，2021)。隨著生態(tài)保護(hù)紅線的劃定，首都生態(tài)空間局部變化，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。北京作為首善之區(qū)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)測，全面掌握北京市生態(tài)環(huán)境變化情況，明確未來發(fā)展趨勢，是優(yōu)化首都功能、建設(shè)國際一流和諧宜居之都的基本條件，是打造和諧宜居生態(tài)之都的重要支撐及實(shí)現(xiàn)新時期首都生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵依據(jù)。

關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析的研究，部分學(xué)者通過不同的指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。例如，李瑤和潘竟虎（2017)通過地表溫度反演分析了城市熱島效應(yīng)空間分布及動態(tài)變化特征；邢龍飛等（2019)基于歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index, NDVI)分析了勝利礦區(qū)植被覆蓋度變化情況。單一指標(biāo)只能解釋某一方面的生態(tài)特征（李婷婷等，2021)。徐涵秋（2013)提出耦合植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù)四個指標(biāo)的遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index,RSEI)以快速監(jiān)測與評價區(qū)域生態(tài)質(zhì)量。隨后，基于RSEI 對城市、河流、礦區(qū)等區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化開展了大量研究。例如，劉智才等（2015)利用RSEI 對杭州市的生態(tài)變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明建設(shè)用地對杭州市生態(tài)環(huán)境影響最大；汪濤等（2023)基于RSEI 分析了高速公路陸域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；劉浦東等（2023)通過RSEI 研究流域生態(tài)環(huán)境時空變化。在北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方面，蘇朔等（2022)基于植被覆蓋度和RSEI 開展北運(yùn)河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價和兩者時空變化規(guī)律及相關(guān)性探究；程琳琳等（2021)采用熵權(quán)法計算權(quán)重，并用指數(shù)和法計算RSEI 來研究門頭溝區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化及其原因，預(yù)測未來變化趨勢。目前針對北京市的RSEI 分析以區(qū)域性變化研究為主，缺少全市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的趨勢分析和基于RSEI 的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的驗(yàn)證分析。

本文基于RSEI 對2013 年、2017 年、2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變化進(jìn)行分析，研究了生態(tài)保護(hù)紅線提出、劃定前、劃定后北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化特征及趨勢；并結(jié)合發(fā)布的全市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，利用Pearson 相關(guān)系數(shù)法對基于RSEI的北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了RSEI對北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的可靠性。這可為今后北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、保護(hù)及修復(fù)提供技術(shù)參考。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

北京市位于華北平原北部，地勢西北高、東南低。西部、北部和東北部三面環(huán)山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。北京市行政區(qū)劃如圖1 所示，海拔分布如圖2 所示。

圖1 北京市行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of Beijing

圖2 北京市海拔分布Fig.2 Elevation map of Beijing

本文分別選取北京市2013 年、2017 年、2020年三期Landsat 8 OLI 遙感影像作為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。為保證研究結(jié)果可靠性，所選的遙感影像云量均小于0.5%，時間集中在9～10 月，影像質(zhì)量佳。

3 研究方法

3.1 遙感生態(tài)指數(shù)

RSEI 是以自然因子為主，基于遙感信息技術(shù)以快速檢測與評價區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的指標(biāo)，可以定量評價區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量，并可分析時空動態(tài)變化（徐涵秋，2013)。該指數(shù)耦合了NDVI、濕度分量（wetness,WET)、地表溫度（land surface temperature, LST)、建筑和裸土指數(shù)（normalized difference built-up and soil index, NDBSI)四個評價指標(biāo)，分別代表了綠度、濕度、熱度和干度等四大生態(tài)要素，即

1)NDVI

NDVI 與植物生物量、葉面積指數(shù)及植被覆蓋度密切相關(guān)（Goward 等，2002)，表達(dá)式為

式中，ρNIR、ρRED分別為近紅外波段、紅波段的反射率。

2)WET

WET 可以反映土壤和植被的濕度，基于Landsat 8 OLI 影像的濕度分量表達(dá)式為

式中，ρBLUE、ρGREEN、ρSWIR1、ρSWIR2分別為藍(lán)波段、綠波段、短波紅外1、短波紅外2 的反射率。

3)NDBSI

NDBSI 由建筑指數(shù)（index-based built-up index，IBI)和土壤指數(shù)（soil index，SI)合成，其表達(dá)式為

其中：

4)LST

LST 由Landsat 8 TIRS 反演地表溫度表示。首先，要計算熱紅外輻射亮度（Lγ)和黑體輻射亮度值（T)；其次，將T通過比輻射率糾正轉(zhuǎn)換為LST（Nichol，2005)，其表達(dá)式為

其中：

式中，K1、K2分別為定標(biāo)參數(shù)，K1=774.8853 W/(m2·sr·μm)，K2=1321.0789 K ；Lλ為Landsat 8 TIRS1 進(jìn)行輻射定標(biāo)后傳感器處的輻射值；L↑、L↓、γ分別為大氣上行、下行輻射亮度、大氣透過率；ε為地表比輻射率，其值根據(jù)Sobrino 模型通過NDVI進(jìn)行估算（Sobrino 等，2004；丁鳳和徐涵秋，2006)。

由于密云水庫和大量水域的存在，會使水的比重加大，WET 不能真正反映植被和土壤的濕度，需要利用改進(jìn)歸一化水體指數(shù)（modified normalized difference water index，MNDWI)掩膜（徐涵秋，2005)：

式中，ρMIR為中紅外波段的反射率，在Landsat 8 OIL 影像中為第6 波段。

以上四個指標(biāo)經(jīng)歸一化處理后，通過主成分分析獲得RSEI：

為了便于指標(biāo)的度量和比較，對RSEI 進(jìn)行歸一化，使其值介于[0,1]。RSEI 值越接近1，生態(tài)越好，反之越差（徐涵秋，2013)。

3.2 雙變量相關(guān)性分析

雙變量相關(guān)性分析可以用來分析兩變量間相關(guān)聯(lián)系的密切程度和方向。利用Pearson 相關(guān)系數(shù)（楊豐瑋等，2022)分析RSEI 與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（ecological index, EI)之間的關(guān)系。相關(guān)系數(shù)，表示兩個變量之間的密切程度，其值為[-1,1]，絕對值越接近1，兩者之間的關(guān)系越密切。

相關(guān)性分析采用t檢驗(yàn)方法，顯著性水平a代表相關(guān)性可置信程度的高低，一般假設(shè)檢驗(yàn)的顯著性水平a為0.05。

4 結(jié)果與分析

4.1 北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量概況

2013 年、2017 年、2020 年主成分分析結(jié)果如表 1 所示。2013 年、2017 年、2020 年第一主成分貢獻(xiàn)率分別為70.45%、76.09%、75.33%，均大于70%，集中了各指標(biāo)的大部分特征信息，可以用來代表RSEI。從各年份的RSEI 均值來看，2013～2017年RSEI 增加了0.0209，2017～2020 年RSEI 增加了0.0706，說明北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷變好。特別是2017 年北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定后，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量大幅度提升。

表 1 主成分分析結(jié)果Tab.1 Principal component analysis results

以第一主成分構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，針對三個年份的RSEI以0.2為間隔將北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為五個等級，即一級0～0.2（差)、二級0.2～0.4（較差)、三級0.4～0.6（中等)、四級0.6～0.8（良)、五級0.8～1（優(yōu))（徐涵秋，2013)，遙感生態(tài)指數(shù)等級分布如圖3 所示。

圖3 2013～2020 年北京市RSEI 等級分布Fig.3 Distribution of RSEI grades in Beijing from 2013 to 2020

從空間上看，生態(tài)質(zhì)量較差和差的區(qū)域多集中于平原區(qū)，生態(tài)質(zhì)量良和優(yōu)的區(qū)域主要集中于山區(qū)。2013～2020 年，平原區(qū)經(jīng)調(diào)整用地結(jié)構(gòu)、拓展生態(tài)空間，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步由差、較差向中等、良轉(zhuǎn)變；山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)提升，由中等、良向優(yōu)轉(zhuǎn)變，等級為優(yōu)的區(qū)域明顯擴(kuò)大。

2013～2020 年北京市不同生態(tài)等級區(qū)域占比如表 2 所示。從數(shù)量上看，2013 年、2017 年生態(tài)等級為差的占比最少，為優(yōu)的次之；占比最多的為良，其次為中等。至2020 年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的區(qū)域面積已超過中等、較差，僅次于等級為良的區(qū)域。2013～2017 年生態(tài)質(zhì)量優(yōu)、良的區(qū)域增多，分別增加了約1.85%、3.91%，生態(tài)質(zhì)量中等、較差和差的區(qū)域減少，分別減少了約3.20%、2.43%、0.13%；2017～2020 年生態(tài)質(zhì)量優(yōu)、良區(qū)域分別增加了約8.55%、8.93%，中等、較差和差的區(qū)域分別減少了約9.46%、5.79%、2.23%。整體上北京市生態(tài)質(zhì)量中等、較差和差向良、優(yōu)轉(zhuǎn)變，特別是2017～2020 年隨著北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定和《北京城市總體規(guī)劃（2016 年—2035 年)》發(fā)布，北京市加大保護(hù)和修復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)力度，大幅度提高生態(tài)規(guī)模和質(zhì)量，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)優(yōu)速度明顯，增加幅度約為2013～2017 年的2～3 倍。

表 2 不同時期北京市生態(tài)等級比例Tab. 2 Proportion of ecological grade in Beijing during different periods%

4.2 北京市生態(tài)質(zhì)量時空變化分析

遙感變化檢測是對比不同年份生態(tài)狀況時空變化的有效手段（徐涵秋，2013)。為了分析北京市2013～2020 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，分別對2013年、2017 年、2020 年的RSEI 等級圖做差值計算，將變化類別劃分為變差、不變、變好三種類型。2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化，如圖4 所示。

圖4 2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化Fig. 4 Spatial changes in the ecological environment quality of Beijing from 2013 to 2020

從變化分布來看，2013～2017 年北京市平原地區(qū)的南部和東北部部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有退化的趨勢，中心城區(qū)基本保持不變，部分山區(qū)生態(tài)質(zhì)量好轉(zhuǎn)；2017～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了很大改善，基本呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢，特別是房山區(qū)、大興區(qū)、門頭溝區(qū)西部、延慶區(qū)西部、懷柔區(qū)北部環(huán)境改善明顯；各地區(qū)僅有零星的地塊有略微下降的現(xiàn)象。總體來看，北京市2013～2020 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體變好。

2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化比例情況，如表 3 所示。2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以不變和變好為主，分別約占全市面積的48.81%、44.83%，質(zhì)量變差的最少，約為6.36%。其中，2013～2017 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域約占全市面積的12.12%，等級的變化以下降一個等級為主；不變的區(qū)域約有66.82%，變好的區(qū)域約有21.06%，以上升一個等級為主。2017～2020 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域約占全市面積的5.05%，較2013～2017 年有明顯減少，等級變化以下降一個等級為主；不變的區(qū)域約有58.59%，變好的區(qū)域約有36.36%，以上升一個等級為主，較2013～2017 年有明顯增加。

表 3 2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化比例Tab.3 Proportion of changes in the ecological environment quality of Beijing from 2013 to 2020%

4.3 RSEI 的北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量結(jié)果驗(yàn)證

北京市生態(tài)環(huán)境局每年度發(fā)布的《北京市生態(tài)環(huán)境狀況公報》（簡稱《公報》)中，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行)》（HJ/ T 192-2006)公布了全市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值。根據(jù)已公布的2013 年、2017 年、2020 年全市各區(qū)EI 值，得到EI 分布，如圖5 所示（2020 年數(shù)據(jù)暫缺)?！豆珗蟆分兄赋觯?013 年全市EI 為66.6，北部的懷柔區(qū)、密云區(qū)等區(qū)縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好；2017 年EI 為67.8，北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況好于其他區(qū)域，其中懷柔區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況最好；2020 年EI 為70.2。由此可知，北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐年向好，與前文所述基于RSEI 方法的北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析結(jié)果一致。

圖5 2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Fig. 5 Ecological environment quality index of Beijing from 2013 to 2020

由于2020 年未公布各區(qū)EI 的具體數(shù)值，本文以2013 年、2017 年各區(qū)EI 值數(shù)據(jù)集作為y軸，RSEI值數(shù)據(jù)集作為x軸，建立關(guān)系，如圖6 所示?？梢钥闯?，RSEI 與EI 存在一定的正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.8443。經(jīng)計算，相關(guān)系數(shù)為0.9189，呈高度相關(guān)。

圖6 EI 與RSEI 關(guān)系Fig. 6 Scatter plot of EI and RSEI

研究分別以2013 年、2017 年為例，利用雙變量相關(guān)性分析的方法分析各區(qū)EI 與RSEI 之間的相關(guān)性，結(jié)果如表 4 所示。2013 年EI 和RSEI 的相關(guān)系數(shù)等于0.906，相關(guān)性顯著；2017 年EI 和RSEI的相關(guān)系數(shù)等于0.938，相關(guān)性顯著。因此，RSEI的大小一定程度上能夠反映EI 的大小。由于RSEI數(shù)據(jù)獲取較易、處理速率快、時效性高，可以用來快速反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

表 4 EI 與RSEI 相關(guān)性表Tab.4 Correlation of EI and RSEI

5 結(jié) 論

研究選取了2013 年、2017 年、2020 年三期的Landsat 8 OIL 遙感影像數(shù)據(jù)，通過RSEI 和雙變量相關(guān)性分析的方法，得到了北京市近10 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況。

（1)2013～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷變好，特別是2017 年北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定后，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化明顯。

（2)2013～2020 年，北京市約44.83%市域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，48.81%保持不變。北京市通過城區(qū)疏解建綠、留白增綠、口袋公園及小微綠地建設(shè)等措施，平原區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步由差、較差向中等、良轉(zhuǎn)變；通過山區(qū)廢棄礦山修復(fù)、封山育林等工程，山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)提升，由中等、良向優(yōu)轉(zhuǎn)變，等級為優(yōu)的區(qū)域明顯擴(kuò)大。特別是2017～2020 年北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)優(yōu)速度明顯，增加幅度約為2013～2017 年的2～3 倍。

（3)RSEI 的大小一定程度上能夠反映EI 的大小，可以用來快速反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

本文應(yīng)用遙感生態(tài)指數(shù)分析了北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量概況及其變化情況，可為北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供數(shù)據(jù)參考。同時，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量還受到人口、政策、重大工程等影響，今后的研究中還應(yīng)考慮多種因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的驅(qū)動作用。