生態環境狀況遙感動態監測范文

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人口的增長和社會工業化程度的提高，使得區域人口、資源與環境的矛盾不斷加劇，荒漠化、水土流失等生態環境問題更加突出，正確認識和評價區域生態環境狀況成為區域生態環境預測和預警的基礎．黃土高原因脆弱的生態環境、嚴重的水土流失成為我國生態環境建設的重點區域，中央和地方在政策和資金方面大力支持黃土高原地區生態環境建設．富縣是陜北黃土高原溝壑區向黃土丘陵溝壑區的過渡帶，是子午嶺國家級水土流失重點防治區水土保持重點縣之一．了解該地區生態環境現狀及其變化，不僅能檢驗封山禁牧、退耕還林草工程建設的成效，也可為黃土高原溝壑區生態環境的保護及管理提供理論方法與科學依據．區域生態環境質量評價的方法有很多種，但目前尚沒有一個規范的評價體系．隨著衛星遙感技術的發展，越來越多基于遙感反演的生態環境指標參與到生態環境監測和質量評價中，為宏觀區域生態環境質量評價提供了科學數據．2006年國家環境保護部規范了基于生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數和環境質量指數的生態環境狀況指數(EI)，在我國多個省、市、自治區、縣域及流域范圍內得到廣泛應用．但在實際應用中，學者們對規范中的指標和權重均作了不同程度的調整，這是因為規范中還存在諸多問題，如大部分評價指標是基于土地利用來確定的，同質性較高;環境質量指標是以縣為單位的統計數據，難以在空間上對生態環境狀況作出響應;在地形地貌復雜的縣域范圍內，土地利用信息提取精度受限，EI的各項指標提取都存在精度挑戰．因此，完全基于遙感信息技術的、與EI具有可比性的新型遙感生態指數(RSEI)受到青睞，可用來定量評價區域生態環境狀況．本文采用主成分分析的方法，耦合基于遙感反演的植被指數、裸土指數、濕度指數和地表溫度指標，利用RSEI對黃土高原溝壑區陜西省富縣1995—2014年的生態環境狀況進行評價，分析研究區生態環境狀況的空間分布及其變化，探討生態環境變化的影響因素，以期為生態環境建設提供理論方法和科學依據．

1研究地區與研究方法

1.1研究區概況陜西省富縣(35°44'6″—36°23'23″N，108°29'30″—109°42'54″E)東與宜川、洛川相鄰，西與甘肅省合水縣、寧縣相連，南與黃陵相靠，北與志丹、甘泉、延安相連(圖1)，海拔856～1680m，全縣轄8鎮5鄉．該區地形地貌包括以洛河和葫蘆河為主的河流階地，中部高塬溝壑區，塬區北部為丘陵溝壑，東部和西部為土石低山．全縣土壤以分布于丘陵溝壑和低山林草地帶的灰褐土為主，耕地土壤類型以黃綿土為主．屬中緯度半干旱地區，年均氣溫7．1～9．0℃，年日照時數2032～2428h，年無霜期平均130d，年均降水量500～600mm，多呈高強度的陣性降水過程．

1.2數據源與數據預處理遙感數據為美國地質調查局網站提供的1995年11月13日的Landsat5TM影像和2014年11月3日獲取的Landsat8OLI和TIRS影像．非遙感數據包括富縣15萬地形圖、行政區劃圖、土地利用現狀圖、土壤圖和富縣統計文本資料．在ENVI5．0下對兩個時期的遙感影像進行輻射定標，將像元灰度值(DN)轉換為輻射亮度值．采用FLAASH大氣校正工具和中緯度冬季標準大氣模型對兩期影像的可見光-近紅外波段進行大氣校正．校正后的可見光-近紅外反射率波段和熱波段的輻射亮度影像通過波段組合(layerstacking)生成多波段圖像文件．基于1∶5萬地形圖，采用二次多項式和最近鄰法對多波段圖像進行配準，均方根誤差(RMS)控制在0．5個像元以內，同時利用富縣行政區劃矢量數據提取研究區內多波段遙感圖像．

1.3生態質量遙感評價指標在反映生態質量的諸多自然因素中，綠度、濕度、熱度、干度與人類的生存息息相關，是人類直觀感覺生態條件優劣的最重要指標，遙感生態指數(RSEI)采用植被指數、裸土指數、濕度指數、地表溫度分別代表綠度、干度、濕度和熱度作為生態指數的評價指標．

1.3.1濕度指標土壤濕度是進行土壤退化等生態環境研究的重要指標．遙感纓帽變換所獲取的濕度分量反映了地表水體、植被和土壤的濕度狀況，在生態環境監測中得到廣泛應用．基于TM和OLI反射率數據的濕度分量(Wet)提取公式。

1.3.2綠度指標植被是對區域生態環境狀況最為敏感的指示因子．歸一化植被指數(NDVI)利用植物葉面在紅光波段強的吸收和近紅外波段強的反射特性組合而成，是遙感監測植被覆蓋度、生物量、葉面積指數等生理參數的重要指標．

1.3.3熱度指標地表溫度(LST)與植被的生長與分布、農作物產量、地表水資源蒸發循環等許多自然、人文現象和過程密切相關，是反映地表環境的一個重要參數．對于Landsat5TM6波段，利用熱紅外波段輻射定標參數將像元灰度值(DN)轉換為傳感器處的輻射亮度值(L6)，通過Planck輻射函數求出包含了大氣影響的像元亮度溫度(Tb)，進而通過比輻射率(ε6)轉換為地表溫度(Ts)，基于TM6的地表溫度提取公式如下。

1.3.4干度指標裸土和建筑用地均會造成地表“干化”，因此，干度指標由裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)合成，記為裸土指數(NDSI)。

1.3.5指標標準化為了消除量綱以及不同指標數值大小對遙感生態指數結果的影響，采用下式將4個指標數值標準化為［0，1］之間的無量綱．

1.4遙感生態指數生態環境評價的關鍵是將由遙感調查獲得的濕度指數、植被指數、地表溫度和裸土指數轉化為綜合評價指標．本研究對標準化后的評價指標進行主成分分析，以主成分的方差貢獻率為權重，富縣遙感生態指數(RSEI)可以表示為:代表綠度的NDVI和代表濕度的Wet變量系數為正值，它們共同對生態起正面的貢獻;而代表熱度和干度的LST、NDSI變量系數為負值，說明它們協同對生態起負面影響．利用式(12)對兩個時期的遙感生態指數進行標準化，標準化后的RSEI值越接近于1，說明生態環境越好．在ArcGIS中利用重分類函數，采用自然斷點法，按照數值由小到大將遙感生態指數RSEI劃分為差、較差、中等、良和優5個生態等級，分別量化為1、2、3、4、5等級數值．

1.5生態環境質量綜合指數為定量表達兩個時期生態環境的整體狀況，客觀分析生態環境的動態變化，定義生態環境質量綜合指數(ESI)的公式如下。

2結果與分析

2.1研究區的生態質量總體評價1995年，富縣遙感生態指數(RSEI)值在0．09～0．99，平均值為0．55，45．8%的地區RSEI在0．4～0.6;2014年，其RSEI值介于0．03～0．99，平均值為0.57，較1995年略有增加，63．8%的地區RSEI在0.4～0．6(表1)．根據《生態環境狀況評價技術規范》，富縣生態環境整體屬于良好級別，植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，與卓靜［24］的研究結果一致．1995—2014年間，研究區生態等級為差和較差所占的面積比例明顯下降，從33．8%下降到16．3%;中等級別和良好級別的面積比例分別由1995年的23．5%和23．0%上升到2014年的30．5%和34．6%;而優等級所占的比例從20．8%下降到18．7%．2014年生態環境質量綜合指數ESI由1995年的3.17上升到3．53，表明研究期間富縣生態環境得到了較大改善．2014年，富縣生態環境質量差的面積為114．2km2，占全縣總面積的2．8%，主要分布于縣城和富城鎮洛陽村，土地利用為城鎮和工礦建設用地，少量分布在中部塬面，零星分布在洛河、葫蘆河、川子河、余渠溝以及青蘭高速以北的埝溝等川道地．生態環境較差的地區主要分布在各大塬面和河谷川道地以及部分溝坡地上，土地利用以農耕地為主，易受城鎮鄉村建設和農事活動的干擾．中等級別占到富縣總面積的30．5%，廣泛分布在塬面邊緣、塬間溝壑區、低山丘陵、梁峁緩坡和半陽向溝坡地，土地利用以天然草地和灌木林地為主．塬面和川道以外的地區生態環境以良和優等級為主，優等級主要分布在縣西北部、東北部和葫蘆河南岸的丘陵溝壑區．

2.2富縣生態質量動態監測在生態質量指數5個等級的基礎上，對富縣的生態變化進行差值變化檢測(圖2)．從變化檢測的結果來看(表2和表3)，1995—2014年間，該區生態環境質量等級下降的面積為688．26km2，生態轉好的面積則達1763．14km2，生態環境質量維持不變的面積有1674．79km2，約占富縣總面積的41%．研究區生態環境等級為差的地區環境質量明顯提高，其中，45．2%的生態質量差的地區增加1個等級，40.3%的地區增加2個等級，但是另有40．3%的生態質量為優的地區下降1個等級，總體上等級上升的幅度和比例高于下降的幅度和比例，生態質量明顯得到改善．從空間上看，相對于1995年，生態環境得到改善的地區主要分布在縣域中部的高塬和丘陵溝壑地，縣東北部的土石低山區和西南的子午嶺自然保護區．生態質量變差的地區主要是縣西北部的丘陵溝壑區、川子河沿岸和洛河河流階地，其中，川子河和葫蘆河沿岸主要是生態環境質量為優等級的面積下降．

2.3富縣鄉鎮生態環境質量評價生態環境質量綜合指數(ESI值)越大，說明生態環境越好;其值越小，說明生態環境越脆弱．2014年各鄉鎮ESI值(表4)由大到小依次為牛武鎮、張村驛鎮、寺仙鄉、張家灣鄉、茶坊鎮、直羅鎮、北道德鄉、交道鎮、南道德鄉、吉子現鄉、富城鎮、羊泉鎮，表明當前牛武鎮的生態環境質量整體狀況最好，最差的是羊泉鎮．研究期間，全縣13個鄉鎮中，只有張家灣鄉生態環境質量綜合指數略微下降，由3．62下降到3.57，但整體生態環境質量綜合指數在全縣仍然靠前．其他12鄉鎮的綜合指數都呈現不同幅度的上升，說明近20年來富縣各鄉鎮的生態環境質量均得到了一定程度的改善．從空間上看，由西北到東南方向，生態環境質量改變的幅度逐漸遞增，變化最大的是交道鎮和南道德鄉，ESI分別提升0．87和0．83，其次是鉗二鄉、羊泉鎮和吉子現鄉，變化最小的是張家灣鄉．鄉鎮生態環境質量等級的變化差異較大，羊泉鎮和鉗二鄉差等級的比例減少最多，分別減少了各自鄉鎮面積的32．5%和31．2%．寺仙鄉較差等級的下降比例和良等級增加的比例最高，分別占寺仙鄉面積的23．4%和16．9%．張村驛鎮、張家灣鄉和直羅鎮生態質量優等級的比例下降，牛武鎮優等級的增加幅度最大，占牛武鎮面積的9．7%，而牛武鎮差、較差和中等級的比例都有所下降，成為全縣生態環境質量最優的鄉鎮．

2.4生態環境變化成因植被覆蓋度因受人類活動干擾的影響，對生態環境質量的等級有明顯影響．縣域范圍內地形、水熱條件和土壤類型相對穩定，土地植被覆蓋度增加，土壤侵蝕等級明顯下降，生態環境質量顯著提高．自國家退耕還林還草政策實施以來，全縣不僅保質保量完成了1999—2010年15773hm2退耕還林工程的檢驗，此后每年就天然林保護工程飛播造林、天保工程人工造林、“三北”防護林造林、“三北”防護林封山育林、退耕還林進行補植．基于像元二分模型［25］遙感估算植被覆蓋度的結果表明(圖2B)，1995年研究區67．7%的植被覆蓋度在20%～40%，僅1%的植被覆蓋度在60%～80%，全縣平均植被覆蓋度為31.7%;2014年全縣平均植被覆蓋度為62%，50．1%的地區植被覆蓋度在60%～80%．植被覆蓋度較高的石泓寺至直羅鎮段、葫蘆河南岸、張家灣鄉海拔1370m以上丘陵梁脊地區、茶坊鎮西北部和縣城東北部牛武鎮也是生態環境質量最優的地區．退耕還林還草工程的實施和集雨工程的推廣運用對生態環境質量的改善成效顯著．富縣已經成為陜北地區土壤侵蝕等級比例下降最快的地區［．

研究區生態環境質量與海拔、坡度無明顯相關，不同坡向、地貌形態和土地利用方式下的生態環境差異顯著．高塬溝壑區海拔在1000～1390m，塬面地形平坦，土壤為黑壚土，土層深厚，理化性能良好，全縣60%以上的耕地和農業人口分布在水源欠缺、水利條件差的塬區，社會經濟的發展和土地人口承載壓力的加大，使土地利用類型急劇變化，直接造成地表形態與植被的破壞．塬周溝壑發育，溝谷深切，坡度較大的塬邊耕地和以灌草覆蓋為主的塬間溝壑地容易發生面蝕，生態環境較為脆弱，生態環境質量以差等級為主．河谷川道占地242km2，水利資源豐富，侵蝕輕微，是富縣主要的灌溉農業區．該區人類活動強度相對劇烈，如新修基本農田、新建田間配套設施、大面積發展蔬菜大弓棚和日光溫室等，隨著城鎮化的進程和川道地區產業開發的推進，差等級和優等級的面積下降，生態環境質量以中等為主．丘陵溝壑區生態環境以良為主，該區植被為保存較好的次生林區，以灌木林地占優，現代侵蝕緩慢，水土流失較輕．次生林邊緣地帶，因植被稀疏而水土流失較為嚴重．縣西部子午嶺和東緣黃龍山為不連續薄層黃土覆蓋的低山土石地貌區．洛河東側黃龍山山系的北端，地形起伏大，土體厚度和腐殖質層厚度低，但隨著人工造林和退耕還林的開展，植被覆蓋度大幅增加，局部小氣候環境優越，生態環境優等級別所占的面積比例較大，但此區坡耕地由于表層土壤質地疏松，易漏肥和產生水土流失，因此溝底河道生態環境相對較差．縣西南部子午嶺國家級自然保護區生態環境質量以良為主，植被屬暖溫帶半濕潤落葉闊葉林帶的北部西段，是森林草原向草原植被的過渡地帶，土壤深厚肥沃的陰坡、半陽向溝坡地和梁峁緩坡，森林植被生長良好;陽坡陡壁，基質裸露，坡度較大，有機質含量較少，因此林木稀疏，生長較差．保護區人為活動較為頻繁，加之受傳統耕作觀念的影響，林緣地帶仍有非法占用林地和毀林開荒等現象．

3結論

本文基于Landsat5和Landsat8的遙感數據，通過建立遙感生態指數和生態環境質量綜合指標，對陜北丘陵溝壑區富縣1995和2014年的生態環境進行動態監測，結果顯示，基于Landsat5和Landsat8數據提取的各項遙感指標數值分布一致，結果具有對比性．完全基于遙感指標，采用主成分分析方法確定權重的生態環境指數(RSEI)克服了以往生態質量評價因子難以空間化和權重確定主觀性太強的缺點，通過遙感空間變量的解譯和耦合，能客觀定量揭示區域生態環境的空間分布與變化，為政府部門決策提供翔實的科學數據．1995—2014年間，富縣的林草覆蓋率明顯增加，土壤侵蝕顯著減少，生態環境質量綜合指數由1995年的3．17上升到3．53，生態環境質量普遍提高，牛武鎮的生態環境質量整體狀況最好．全縣由西北到東南方向，生態環境質量改善的幅度逐漸遞增，變化最大的是交道鎮和南道德鄉．建議全縣積極發展水土保持型生態農業，加強農耕區水土流失治理力度，保護好天然林和退耕林，維護本縣良好的生態環境．

作者：李粉玲 常慶瑞 申健 劉京 單位：西北農林科技大學資源環境學院 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室