生态环境状况遥感动态监测范文

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人口的增长和社会工业化程度的提高，使得区域人口、资源与环境的矛盾不断加剧，荒漠化、水土流失等生态环境问题更加突出，正确认识和评价区域生态环境状况成为区域生态环境预测和预警的基础．黄土高原因脆弱的生态环境、严重的水土流失成为我国生态环境建设的重点区域，中央和地方在政策和资金方面大力支持黄土高原地区生态环境建设．富县是陕北黄土高原沟壑区向黄土丘陵沟壑区的过渡带，是子午岭国家级水土流失重点防治区水土保持重点县之一．了解该地区生态环境现状及其变化，不仅能检验封山禁牧、退耕还林草工程建设的成效，也可为黄土高原沟壑区生态环境的保护及管理提供理论方法与科学依据．区域生态环境质量评价的方法有很多种，但目前尚没有一个规范的评价体系．随着卫星遥感技术的发展，越来越多基于遥感反演的生态环境指标参与到生态环境监测和质量评价中，为宏观区域生态环境质量评价提供了科学数据．2006年国家环境保护部规范了基于生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数的生态环境状况指数(EI)，在我国多个省、市、自治区、县域及流域范围内得到广泛应用．但在实际应用中，学者们对规范中的指标和权重均作了不同程度的调整，这是因为规范中还存在诸多问题，如大部分评价指标是基于土地利用来确定的，同质性较高;环境质量指标是以县为单位的统计数据，难以在空间上对生态环境状况作出响应;在地形地貌复杂的县域范围内，土地利用信息提取精度受限，EI的各项指标提取都存在精度挑战．因此，完全基于遥感信息技术的、与EI具有可比性的新型遥感生态指数(RSEI)受到青睐，可用来定量评价区域生态环境状况．本文采用主成分分析的方法，耦合基于遥感反演的植被指数、裸土指数、湿度指数和地表温度指标，利用RSEI对黄土高原沟壑区陕西省富县1995—2014年的生态环境状况进行评价，分析研究区生态环境状况的空间分布及其变化，探讨生态环境变化的影响因素，以期为生态环境建设提供理论方法和科学依据．

1研究地区与研究方法

1.1研究区概况陕西省富县(35°44'6″—36°23'23″N，108°29'30″—109°42'54″E)东与宜川、洛川相邻，西与甘肃省合水县、宁县相连，南与黄陵相靠，北与志丹、甘泉、延安相连(图1)，海拔856～1680m，全县辖8镇5乡．该区地形地貌包括以洛河和葫芦河为主的河流阶地，中部高塬沟壑区，塬区北部为丘陵沟壑，东部和西部为土石低山．全县土壤以分布于丘陵沟壑和低山林草地带的灰褐土为主，耕地土壤类型以黄绵土为主．属中纬度半干旱地区，年均气温7．1～9．0℃，年日照时数2032～2428h，年无霜期平均130d，年均降水量500～600mm，多呈高强度的阵性降水过程．

1.2数据源与数据预处理遥感数据为美国地质调查局网站提供的1995年11月13日的Landsat5TM影像和2014年11月3日获取的Landsat8OLI和TIRS影像．非遥感数据包括富县15万地形图、行政区划图、土地利用现状图、土壤图和富县统计文本资料．在ENVI5．0下对两个时期的遥感影像进行辐射定标，将像元灰度值(DN)转换为辐射亮度值．采用FLAASH大气校正工具和中纬度冬季标准大气模型对两期影像的可见光-近红外波段进行大气校正．校正后的可见光-近红外反射率波段和热波段的辐射亮度影像通过波段组合(layerstacking)生成多波段图像文件．基于1∶5万地形图，采用二次多项式和最近邻法对多波段图像进行配准，均方根误差(RMS)控制在0．5个像元以内，同时利用富县行政区划矢量数据提取研究区内多波段遥感图像．

1.3生态质量遥感评价指标在反映生态质量的诸多自然因素中，绿度、湿度、热度、干度与人类的生存息息相关，是人类直观感觉生态条件优劣的最重要指标，遥感生态指数(RSEI)采用植被指数、裸土指数、湿度指数、地表温度分别代表绿度、干度、湿度和热度作为生态指数的评价指标．

1.3.1湿度指标土壤湿度是进行土壤退化等生态环境研究的重要指标．遥感缨帽变换所获取的湿度分量反映了地表水体、植被和土壤的湿度状况，在生态环境监测中得到广泛应用．基于TM和OLI反射率数据的湿度分量(Wet)提取公式。

1.3.2绿度指标植被是对区域生态环境状况最为敏感的指示因子．归一化植被指数(NDVI)利用植物叶面在红光波段强的吸收和近红外波段强的反射特性组合而成，是遥感监测植被覆盖度、生物量、叶面积指数等生理参数的重要指标．

1.3.3热度指标地表温度(LST)与植被的生长与分布、农作物产量、地表水资源蒸发循环等许多自然、人文现象和过程密切相关，是反映地表环境的一个重要参数．对于Landsat5TM6波段，利用热红外波段辐射定标参数将像元灰度值(DN)转换为传感器处的辐射亮度值(L6)，通过Planck辐射函数求出包含了大气影响的像元亮度温度(Tb)，进而通过比辐射率(ε6)转换为地表温度(Ts)，基于TM6的地表温度提取公式如下。

1.3.4干度指标裸土和建筑用地均会造成地表“干化”，因此，干度指标由裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)合成，记为裸土指数(NDSI)。

1.3.5指标标准化为了消除量纲以及不同指标数值大小对遥感生态指数结果的影响，采用下式将4个指标数值标准化为［0，1］之间的无量纲．

1.4遥感生态指数生态环境评价的关键是将由遥感调查获得的湿度指数、植被指数、地表温度和裸土指数转化为综合评价指标．本研究对标准化后的评价指标进行主成分分析，以主成分的方差贡献率为权重，富县遥感生态指数(RSEI)可以表示为:代表绿度的NDVI和代表湿度的Wet变量系数为正值，它们共同对生态起正面的贡献;而代表热度和干度的LST、NDSI变量系数为负值，说明它们协同对生态起负面影响．利用式(12)对两个时期的遥感生态指数进行标准化，标准化后的RSEI值越接近于1，说明生态环境越好．在ArcGIS中利用重分类函数，采用自然断点法，按照数值由小到大将遥感生态指数RSEI划分为差、较差、中等、良和优5个生态等级，分别量化为1、2、3、4、5等级数值．

1.5生态环境质量综合指数为定量表达两个时期生态环境的整体状况，客观分析生态环境的动态变化，定义生态环境质量综合指数(ESI)的公式如下。

2结果与分析

2.1研究区的生态质量总体评价1995年，富县遥感生态指数(RSEI)值在0．09～0．99，平均值为0．55，45．8%的地区RSEI在0．4～0.6;2014年，其RSEI值介于0．03～0．99，平均值为0.57，较1995年略有增加，63．8%的地区RSEI在0.4～0．6(表1)．根据《生态环境状况评价技术规范》，富县生态环境整体属于良好级别，植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，与卓静［24］的研究结果一致．1995—2014年间，研究区生态等级为差和较差所占的面积比例明显下降，从33．8%下降到16．3%;中等级别和良好级别的面积比例分别由1995年的23．5%和23．0%上升到2014年的30．5%和34．6%;而优等级所占的比例从20．8%下降到18．7%．2014年生态环境质量综合指数ESI由1995年的3.17上升到3．53，表明研究期间富县生态环境得到了较大改善．2014年，富县生态环境质量差的面积为114．2km2，占全县总面积的2．8%，主要分布于县城和富城镇洛阳村，土地利用为城镇和工矿建设用地，少量分布在中部塬面，零星分布在洛河、葫芦河、川子河、余渠沟以及青兰高速以北的埝沟等川道地．生态环境较差的地区主要分布在各大塬面和河谷川道地以及部分沟坡地上，土地利用以农耕地为主，易受城镇乡村建设和农事活动的干扰．中等级别占到富县总面积的30．5%，广泛分布在塬面边缘、塬间沟壑区、低山丘陵、梁峁缓坡和半阳向沟坡地，土地利用以天然草地和灌木林地为主．塬面和川道以外的地区生态环境以良和优等级为主，优等级主要分布在县西北部、东北部和葫芦河南岸的丘陵沟壑区．

2.2富县生态质量动态监测在生态质量指数5个等级的基础上，对富县的生态变化进行差值变化检测(图2)．从变化检测的结果来看(表2和表3)，1995—2014年间，该区生态环境质量等级下降的面积为688．26km2，生态转好的面积则达1763．14km2，生态环境质量维持不变的面积有1674．79km2，约占富县总面积的41%．研究区生态环境等级为差的地区环境质量明显提高，其中，45．2%的生态质量差的地区增加1个等级，40.3%的地区增加2个等级，但是另有40．3%的生态质量为优的地区下降1个等级，总体上等级上升的幅度和比例高于下降的幅度和比例，生态质量明显得到改善．从空间上看，相对于1995年，生态环境得到改善的地区主要分布在县域中部的高塬和丘陵沟壑地，县东北部的土石低山区和西南的子午岭自然保护区．生态质量变差的地区主要是县西北部的丘陵沟壑区、川子河沿岸和洛河河流阶地，其中，川子河和葫芦河沿岸主要是生态环境质量为优等级的面积下降．

2.3富县乡镇生态环境质量评价生态环境质量综合指数(ESI值)越大，说明生态环境越好;其值越小，说明生态环境越脆弱．2014年各乡镇ESI值(表4)由大到小依次为牛武镇、张村驿镇、寺仙乡、张家湾乡、茶坊镇、直罗镇、北道德乡、交道镇、南道德乡、吉子现乡、富城镇、羊泉镇，表明当前牛武镇的生态环境质量整体状况最好，最差的是羊泉镇．研究期间，全县13个乡镇中，只有张家湾乡生态环境质量综合指数略微下降，由3．62下降到3.57，但整体生态环境质量综合指数在全县仍然靠前．其他12乡镇的综合指数都呈现不同幅度的上升，说明近20年来富县各乡镇的生态环境质量均得到了一定程度的改善．从空间上看，由西北到东南方向，生态环境质量改变的幅度逐渐递增，变化最大的是交道镇和南道德乡，ESI分别提升0．87和0．83，其次是钳二乡、羊泉镇和吉子现乡，变化最小的是张家湾乡．乡镇生态环境质量等级的变化差异较大，羊泉镇和钳二乡差等级的比例减少最多，分别减少了各自乡镇面积的32．5%和31．2%．寺仙乡较差等级的下降比例和良等级增加的比例最高，分别占寺仙乡面积的23．4%和16．9%．张村驿镇、张家湾乡和直罗镇生态质量优等级的比例下降，牛武镇优等级的增加幅度最大，占牛武镇面积的9．7%，而牛武镇差、较差和中等级的比例都有所下降，成为全县生态环境质量最优的乡镇．

2.4生态环境变化成因植被覆盖度因受人类活动干扰的影响，对生态环境质量的等级有明显影响．县域范围内地形、水热条件和土壤类型相对稳定，土地植被覆盖度增加，土壤侵蚀等级明显下降，生态环境质量显著提高．自国家退耕还林还草政策实施以来，全县不仅保质保量完成了1999—2010年15773hm2退耕还林工程的检验，此后每年就天然林保护工程飞播造林、天保工程人工造林、“三北”防护林造林、“三北”防护林封山育林、退耕还林进行补植．基于像元二分模型［25］遥感估算植被覆盖度的结果表明(图2B)，1995年研究区67．7%的植被覆盖度在20%～40%，仅1%的植被覆盖度在60%～80%，全县平均植被覆盖度为31.7%;2014年全县平均植被覆盖度为62%，50．1%的地区植被覆盖度在60%～80%．植被覆盖度较高的石泓寺至直罗镇段、葫芦河南岸、张家湾乡海拔1370m以上丘陵梁脊地区、茶坊镇西北部和县城东北部牛武镇也是生态环境质量最优的地区．退耕还林还草工程的实施和集雨工程的推广运用对生态环境质量的改善成效显著．富县已经成为陕北地区土壤侵蚀等级比例下降最快的地区［．

研究区生态环境质量与海拔、坡度无明显相关，不同坡向、地貌形态和土地利用方式下的生态环境差异显著．高塬沟壑区海拔在1000～1390m，塬面地形平坦，土壤为黑垆土，土层深厚，理化性能良好，全县60%以上的耕地和农业人口分布在水源欠缺、水利条件差的塬区，社会经济的发展和土地人口承载压力的加大，使土地利用类型急剧变化，直接造成地表形态与植被的破坏．塬周沟壑发育，沟谷深切，坡度较大的塬边耕地和以灌草覆盖为主的塬间沟壑地容易发生面蚀，生态环境较为脆弱，生态环境质量以差等级为主．河谷川道占地242km2，水利资源丰富，侵蚀轻微，是富县主要的灌溉农业区．该区人类活动强度相对剧烈，如新修基本农田、新建田间配套设施、大面积发展蔬菜大弓棚和日光温室等，随着城镇化的进程和川道地区产业开发的推进，差等级和优等级的面积下降，生态环境质量以中等为主．丘陵沟壑区生态环境以良为主，该区植被为保存较好的次生林区，以灌木林地占优，现代侵蚀缓慢，水土流失较轻．次生林边缘地带，因植被稀疏而水土流失较为严重．县西部子午岭和东缘黄龙山为不连续薄层黄土覆盖的低山土石地貌区．洛河东侧黄龙山山系的北端，地形起伏大，土体厚度和腐殖质层厚度低，但随着人工造林和退耕还林的开展，植被覆盖度大幅增加，局部小气候环境优越，生态环境优等级别所占的面积比例较大，但此区坡耕地由于表层土壤质地疏松，易漏肥和产生水土流失，因此沟底河道生态环境相对较差．县西南部子午岭国家级自然保护区生态环境质量以良为主，植被属暖温带半湿润落叶阔叶林带的北部西段，是森林草原向草原植被的过渡地带，土壤深厚肥沃的阴坡、半阳向沟坡地和梁峁缓坡，森林植被生长良好;阳坡陡壁，基质裸露，坡度较大，有机质含量较少，因此林木稀疏，生长较差．保护区人为活动较为频繁，加之受传统耕作观念的影响，林缘地带仍有非法占用林地和毁林开荒等现象．

3结论

本文基于Landsat5和Landsat8的遥感数据，通过建立遥感生态指数和生态环境质量综合指标，对陕北丘陵沟壑区富县1995和2014年的生态环境进行动态监测，结果显示，基于Landsat5和Landsat8数据提取的各项遥感指标数值分布一致，结果具有对比性．完全基于遥感指标，采用主成分分析方法确定权重的生态环境指数(RSEI)克服了以往生态质量评价因子难以空间化和权重确定主观性太强的缺点，通过遥感空间变量的解译和耦合，能客观定量揭示区域生态环境的空间分布与变化，为政府部门决策提供翔实的科学数据．1995—2014年间，富县的林草覆盖率明显增加，土壤侵蚀显著减少，生态环境质量综合指数由1995年的3．17上升到3．53，生态环境质量普遍提高，牛武镇的生态环境质量整体状况最好．全县由西北到东南方向，生态环境质量改善的幅度逐渐递增，变化最大的是交道镇和南道德乡．建议全县积极发展水土保持型生态农业，加强农耕区水土流失治理力度，保护好天然林和退耕林，维护本县良好的生态环境．

作者：李粉玲 常庆瑞 申健 刘京 单位：西北农林科技大学资源环境学院 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室