“3S”技术在四川省金堂县生态环境质量评价中的应用

杨 鑫，鲁 岩，杨武年

（1.成都理工大学遥感与GIS研究所，成都 610059；2.四川省草原工作总站，成都 610016）

“3S”技术在四川省金堂县生态环境质量评价中的应用

杨 鑫1，鲁 岩2，杨武年1

（1.成都理工大学遥感与GIS研究所，成都 610059；2.四川省草原工作总站，成都 610016）

目前我国经济飞速发展，生态环境问题日益严峻，采用何种方法对生态环境质量进行评价、如何保护生态环境是急需解决的重大问题。以四川省金堂县为研究区，以其生态环境质量为切入点进行研究探讨，选取陆地卫星LandSat－5TM卫星影像为主要信息源，在己有理论研究与实践成果的基础上，运用“3S”技术，建立研究区土地利用/覆被数据库，并对金堂县的生态环境质量进行定量评价研究。经研究结果表明：①研究区生态环境质量指数值为68.002，属于“良”级；②研究区土地退化指数值为35.41，空气质量指数值仅为1.42，这说明研究区土地退化较为严重，空气质量有待改善。

金堂县；“3S”技术；评价指标；生态环境质量

0 前言

建国以来，我国在各方面都取得了令人瞩目的骄人成绩。伴随着科技的强劲发展、经济和人民生活水平的快速提升，我国的生态环境问题日趋严峻。虽然我国国土面积广阔，但人均占有量少，而地形多以山地、高原、丘陵为主，水土流失严重、荒漠化面积逐年扩大，水资源短缺，森林覆盖率低，草地生态破坏和大气污染严重等问题，都制约了我国现代化经济建设。在当前背景下，怎样更好地解决生态环境问题，已成为社会可持续发展的一个重要课题。遥感技术、地理信息系统、全球定位系统的“3S”集成技术，已成为当今空间信息技术的发展方向和必然趋势［1、2］。现阶段，“3S”技术已显示出广阔的应用前景，它能够提供大量综合、宏观、动态和快速、准确的信息，具有不可替代的优势性，“3S”技术不仅促进生态环境质量评价的发展及应用，也是生态环境质量定量评价研究的有效手段。

作者从目前生态环境研究现状出发，选择以四川省金堂县为实验区，运用“3S”技术、层次分析法和归一化方法，对金堂县的生态环境质量进行定量评价研究，得出的研究成果可为政府部门可持续性发展战略和今后生态环境规划制度的制定提供一定的科学依据。

1 研究区概况

金堂县位于四川省成都平原东北部，县境东西平均宽36.9km，南北长68km，全县幅员面积1 155.6km2。金堂县是“成都平原经济圈”内的重点发展县和成都市“特色产业发展区”，有“天府花园水城”之美誉，并成功创建国家级生态示范县（见下页图1）。

2 遥感图像处理及信息提取

2.1 遥感图像处理

由于遥感图像在成像时会发生一定的几何形变，且常因地形高低起伏或相片倾斜而引起像点位移［3］，这就需要在进行模式识别前将影像通过数字校正形成正射投影。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study area

作者以2006年的Landsat卫星TM图像为主要遥感信息源，采用研究区1∶50 000地形图，利用三阶多项式变换几何校正计算模型，在研究区不同高程位置均匀选取十个地面控制点，采用最邻近插值法进行重采样，最终使其转换为正射影像。随后对正射校正后的图像做图像增强处理，采用辐射水准归一化处理方法［4］，消除照度差异对地物目标动态变化的干扰（见图2）。

2.2 土地利用/覆被现状图像解译及信息提取

土地利用/覆盖分类是环境评价的基础工作，选择合适的分类方法可以提高分类精度和分类速度，是保证其它监测正常进行的基础。鉴于遥感图像普遍存在“同物异谱、异物同谱”的现象，而只采用计算机自动分类的方法很难达到精度要求［5］，故本文作者采用交叉集监督分类和非监督分类的分类方法［6］，对研究区2006年的TM遥感图像进行了分类解译。

图2 研究区2006年遥感影像（TM432波段假彩色合成）Fig.2 Remote sensing image of study area，2006

在图像解译后，利用遥感图像和野外考察采集的数据修改矢量数据。使用GIS软件，检查错分的地类和错误的地物边界、合并相同地类；利用野外收集的实地考察相片，以TM图像坐标为参考转换考察点GPS经纬度坐标，检查室内遥感解译与实地考察的一致性，重新建立拓扑关系。

3 生态环境质量评价指标及意义

作者在本文对研究区的生态环境质量评价，是参照国家环境保护总局2006年颁布的《生态环境状况评价技术规范（试行）》［7］完成的。该技术规范规定了生态环境状况评价的指标体系和计算方法适用于我国县级以上区域生态环境现状及动态趋势的年度综合评价。

按照工作性质和评价指标的选取原则，作者选取的评价体系包括生物丰度指数、植被覆盖指数水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数等五个指标参数。土地利用类型对生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数的计算极为重要，作者采用研究区TM图像，利用遥感技术，在GIS平台下对研究区2006年土地类型进行了分类，分类结果如下页图3所示。本次共将研究区土地类型分为11类，利用ArcGIS软件，提取研究区各地类面积计算研究区生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数。

3.1 评价指标参数权重及计算方法

（1）生物丰度指数。生物丰度指数指通过单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异，间接地反映了被评价区域内生物丰度的丰贫程度。具体分权重值见后面的表1。生物丰度指数＝Abio×（0.5×森林面积＋0.15×草地面积＋0.3 ×水域面积＋0.05×其它面积）/区域面积，Abio代表生物丰度指数的归一化系数。

（2）植物覆盖指数。植物覆盖指数指被评价区域内林地、草地、耕地、建设用地和未利用地五种类型的面积，占被评价区域面积的比重，用来反映被评价区域植被覆盖的程度。具体分权重值见后面的表2。植被覆盖指数＝Aveg×（0.5×林地面积＋0.3×草地面积＋0.2×耕地面积）/区域面积Aveg为植被覆盖指数的归一化系数。

图3 研究区2006年土地利用/覆被图Fig.3 LUCC type of study area，2006

（3）水网密度指数。水网密度指数指被评价区域内河流总长度、水域面积和水资源量占被评价区域面积的比重，用来反映被评价区域内水的丰富程度。水网密度指数＝Ariv×河流长度/区域面积＋Alak×湖库（近海）面积/区域面积＋Ares×水资源量/区域面积。Ariv为河流长度的归一化系数，Alak为湖库面积的归一化系数，Ares为水资源量的归一化系数。

（4）土壤退化指数。该指数指被评价区域内风蚀、水蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和工程侵蚀的面积占被评价区域面积的比重，用于反映被评价区域内土地退化程度。土壤退化指数分权重见下页表3。土地退化指数＝Aero×（0.05×轻度侵蚀面积＋0.25×中度侵蚀面积＋0.7×重度侵蚀面积）/区域面积。Aero为土地退化指数的归一化系数。

（5）环境质量指数。该指数指被评价区域内受纳污染物负荷，用于反映评价区域所承受的环境污染压力。环境质量指数分权重见下页表4。环境质量指数＝0.4×（100－ASO2×SO2排放量/区域面积）＋0.4×（100－ACOD×COD排放量/区域年均降雨量）＋0.2×（100－ASOL×固体废物排放量/区域面积）。ASO2为SO2的归一化系数，ACOD为COD的归一化系数，ASOL为固体废物的归一化系数。

3.2 生态环境质量指数计算与质量分级

（1）生态环境质量指数。生态环境质量指数是由生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数等五个指标共同组成，各项评价指标权重见下页表5。

（2）生态环境状况指数的算法。生态环境状况指数（Ecological Quality Index，EQI）的计算方法为：EQI＝0.25×生物丰度指数＋0.2×植被覆盖指数＋0.2×水网密度指数＋0.2×土地退化指数＋0.15×环境质量指数。

（3）生态环境质量分级。根据生态环境状况指数，将生态环境质量分为五级，即优、良、一般、较差和差，见下页表6。

4 生态环境质量评价

作者通过对以上评价指标和环境质量指数的计算，得出研究区各评价指标的具体数值，详见下页表7。

将计算得出的研究区的生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数和权重值带入EQI计算公式，计算得出研究区的生态环境质量指数：EQI＝0.25×生物丰度指数十0.2×植被覆盖指数十0.2×水网密度指数十0.2×（100－地退化指数）＋0.15×（100－污染负荷指数）＝68.002。

由表6得知，研究区区域生态环境质量属于“良”。

5 具体专题评价

在研究区五个评价指标中，水系受自然条件影响改变并不明显，故作者未考虑水网等级分布。目前我国欠缺县以下行政单位的土地退化和环境质量指数数据，因此作者在本文中只列出生物丰度指数和植被覆盖指数等级分布图，见下页表8。

作者在本次工作中，利用GIS软件生成研究区生物丰度指数专题图、植被覆盖指数专题图。

（1）研究区生物丰度指数专题图。由图2、图3、图4可以看出，研究区从西至东，生物丰度指数呈低～高～低变化。其中三星镇和淮口镇生物丰度指数最高，此区域位于龙泉山地区，地势高、植被覆盖度高；而研究区西北、中南、东南部生物丰度指数最低。造成这种现象的原因主要是：①研究区林地面积分布不均；②经济发展改变了原有的生态环境，使得区域生物多样性呈下降趋势。

（2）研究区植被覆盖指数专题图。由图2、图3、图5可以看出，①研究区地势以龙泉山脉为界龙泉山以西地势平坦，适合农业发展，地类以耕地为主，植被覆盖偏低；②中部龙泉上地区，山体起伏、地势较高，林地茂密，植被覆盖高，淮口镇正位于此区域；③东南部为丘陵地形，地势复杂，耕地与林地混杂，导致植被覆盖分布不均。

表1 生物丰度指数分权重Tab.1 Each factors weight of biology abundances index

表2 植物覆盖指数分权重Tab.2 Weight of vegetation covers index

表3 土壤退化指数分权重Tab.3 Weight of lands degeneration index

表4 环境质量指数分权重Tab.4 Weight of pollution loads index

表5 各项评价指标权重Tab.5 Weight of each appraisal target

表6 生态环境质量分级Tab.6 Graduation of ecological environments quality

表7 生态环境质量各因子取值Tab.7 Each factor values of biology environment quality

表8 各乡镇评价指标值Tab.8 Evaluation index value of the township

6 结论与讨论

我国是一个人口众多的发展中国家，随着经济的迅速发展，生态环境问题日益突出，并成为制约我国现代化建设的重要因素之一。作者在本文运用“3S”技术，建立研究区土地利用/覆被数据库，并选取生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数五个指标为评价因子，对研究区生态环境状况指数进行计算，最终得出研究区生态环境状况指数为“良级”。由计算结果和表6可以看出，研究区生态环境质量和自然条件总体上良好，生物植被和水网土壤优异，对研究区生态环境的保护有着很好的保育效用。研究结果表明，研究区存在土地退化和空气质量较差的问题，这种状况主要是人类的不良活动导致，其中人类活动密集，对生态环境的过度改造，不当的利用资源开发的非持续性是主要诱因。

以“3S”技术为基础的生态环境质量评价方法，推进了生态环境质量评价的发展，是开展我国县级市生态环境区域评价和提高生态环境质量的有效方法和途径，必将成为未来科研领域的一个新的发展方向，并能够为区域经济开发和环境保护提供科学依据和决策支持。

［1］ 李德仁.数字地球与“3S”技术［J］.中国测绘，2002（2）：28.

［2］ 李新玉，曹清华.加强生态环境保护，全面建设小康社会［J］.国土资源，2003（12）：22.

［3］ 常睿春，何政伟.基于遥感与GIS技术的什邡市土地损毁变化分析［J］.物探化探计算技术，2010，32（3）316.

［4］ 卓宝熙.工程地质遥感判释与应用［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［5］ 戴昌达，姜小光，唐伶俐.遥感图像应用处理与分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［6］ YONG DU，PHILIPPEMT，JOSEF C.Radiometri Normalization of Multitemporal High－resolution Satellite Images with Quality Control for Land Cove Change Detection［J］.Remote Sens Environ，2002 82：123.

［7］OLSSON H.Reflectance Calibration of Themati Mapper Data for Forest Change Detection［J］.Int Remote Sensing，1995，16（1）：81.

［8］ OLSSON H.Regression Functions for Multitempora Relative Calibration of Thematic Mapper Data ove Boreal Forest［J］.Remote Sens Environ，1993，46 89.

［9］ 李喆，吴敏宁，何政伟，等.基于GIS和RS的自贡市长山盐矿区生态环境评价［J］.物探化探计算技术2011，33（2）：221.

［10］倪忠云，何政伟，赵银兵，等.基于RS和GIS的丹巴县植被盖度与地质灾害关系研究［J］.物探化探计算技术，2011，33（2）：217.

［11］CALVER MC.Lessons from preventive medicine fo the precautionary princip le and ecosystem［J］.Ecosystem Health，2000（6）：99.

［12］刘咏梅，李锐，杨勤科.基于多源遥感的土地利用动态监测图像分类方法研究——以陕北黄土丘陵沟壑区为例［J］.水土保持通报，2006，26（6）：63.

［13］国家环境保护总局.生态环境状况评价技术规范（试行）［S］.国家环境保护总局公告，2006年第12号.

book=51,ebook=51

1001—1749（2012）03—0344—05

P 208

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.19

杨鑫（1984－），男，宁夏中卫市人，博士专业：地球探测与信息技术，研究方向：“3S”工程与数字国土。

国家自然科学基金资助项目（41071265）

2012－01－04 改回日期：2012－02－21