基于遥感和PSR模型的城市景观生态安全评价——以福建省龙岩市为例

虞继进，陈雪玲，陈绍杰

(1.江苏省测绘产品质量监督检验站，南京 210013;2.江苏省资源环境信息工程重点实验室，徐州 221116;3.龙岩学院资源工程学院，龙岩 364000)

0 引言

生态安全是指维护人类社会可持续发展所需的生态环境，由于自然因素和人类活动以及二者共同作用而产生的生态安全隐患，对人类生态安全空间暂未构成破坏与威胁的状态或演变趋势的可能性[1－2]。城市生态安全是城市可持续发展的目标，也是实现城市可持续发展的重要保障。城市化进程的快速推进引发了众多生态环境问题，导致区域生态安全隐患日益彰显。所以，如何有效并且快速定量评估城市化过程中的生态安全水平，已越来越受到研究者们的重视。龚建周等从空间和时间上评价了广州市的生态安全，并在此基础上研究了生态安全水平的空间分异与动态转移特征[3－4];李中才等[5]以“压力－状态－响应(press－state－response，PSR)”模型为基础，综合应用生态足迹和能值理论评价了山东省长岛县生态安全的现状和发展趋势;曹明兰等[6]运用能值分析方法构建了城市生态安全评价体系和指数，评价了唐山市生态安全水平。总体来看，现有的生态安全体系评价涉及了不同尺度，而中尺度的评价研究(如流域、区域)则是生态安全研究的核心。目前的研究结果在一定程度上能反映城市生态安全状况，但所选择的指标体系大多基于统计年鉴数据，忽略了城市快速发展所引发的城市热岛对城市生态安全的影响，对遥感影像中包含的各种信息和指标没有深入挖掘。研究表明，城市生态安全所涉及的因素和尺度具有复杂性，需要结合典型城市的特点，构建更全面、更能体现城市安全状况的评价指标体系。

龙岩市是福建省经济高速发展的城市之一，近10 a的城市土地利用类型发生了巨大的变化，区域景观生态系统内部结构与功能面临巨大的压力。本文以龙岩市为例，基于PSR概念模型，构建有效的景观生态安全评价体系，结合多时相遥感数据和GIS技术，重点研究2001—2008年间龙岩市生态安全状况，并通过区域间和年际间的纵横向比较，揭示龙岩市景观生态安全状况变化及其规律。

1 景观生态安全评价方法

1.1 景观生态安全评价指标的构建

景观生态安全格局是由对控制生态过程有重要意义的景观某些关键性局部、位置和空间联系所构成[7]。作为生态安全研究的一个切入点，在景观生态安全形成和演变机制中，应用联合国经济开发合作署(OECD)提出的PSR概念模型[8]，构建了龙岩市景观生态安全评价体系。该评价体系包含目标层、准则层及指标层3个层次，其中，准则层包括压力层、状态层及响应层。每个准则层包含若干个指标，选所的指标应尽量满足可比性、可获取性及可量化性等要求(表1)。

表1 景观生态安全评价体系框架Tab.1 Index system of landscape ecological security assessment

1.1.1 景观压力层(B1)指标

人类活动和自然灾害对自然生态系统的稳定造成潜在压力，促使景观格局发生相应变化。城市用地扩张和人口迅速增长是龙岩市城市化过程中景观生态安全所承受的主要压力。因此，景观生态系统安全受外界的干扰强度可用人口压力和建筑用地指数表示。人口压力的分布可理解为以城市区为面源压力中心，随着向外距离的增加逐级递减，可通过遥感图像的目视解译获取城市主城区范围并做缓冲区分析得到;城市建筑用地在中红外波段的反射率高于近红外波段，因此可以用建筑用地指数(NDBI)来表征城市用地扩展状况，其计算式为[9]

式中:ρMIR，ρNIR分别为中红外波段和近红外波段图像像元的反射率或亮度值，这里分别代表 TM/ETM+5，4波段的像元亮度值。

1.1.2 景观状态层(B2)指标

从景观活力、组分结构和生态贡献3个角度出发，选取归一化植被指数(NDVI)、生态弹性度(ECO)和生物丰度指数(BAI)来反映景观生态系统的状态。

1)归一化植被指数(NDVI)。运用NDVI对研究区的植被覆盖度和生长活力等进行定量评价，其计算式为[10]

式中:ρNIR和ρRed分别为近红外波段和红光波段图像像元的反射率或亮度值，这里分别代表TM/ETM+4，3波段的像元亮度值。

2)生态弹性度(ECO)。ECO是指当生态系统在内外扰动或压力不超过其弹性限度时，系统在偏离原来状态后可恢复到原有状态的程度，用于表征生态系统缓冲与调节的能力[13]。将生态系统健康评价中提取ECO的方法用于景观生态安全评价，计算式为[14]

式中:Si为第i类土地利用类型面积;Pi为第i类土地利用类型的弹性分值;n为土地利用类型数。

3)生物丰度指数(BAI)。BAI反映评价区域生物多样性的丰贫程度(生物丰富质)，计算式为[11－12]

式中:Abio为归一化系数;Si为第i类土地利用类型面积;Pi为第i类土地利用类型的生物丰度权重;S为区域总面积;n为土地利用类型数。

1.1.3 景观响应层(B3)指标

景观响应是指景观对当前环境压力所产生的反映;或者人类感知区域生态安全问题受到影响后所采取的正向弥补措施。景观结构指数能定量描述研究区景观空间格局结构组成和配置特征，表征为景观破碎度、多样性、分维数及脆弱度的线性组合，因而对区域景观生态结构的研究能揭示区域生态安全状况[15－16]。城市热环境是城市生态环境的重要指标，其空间分布特征是人类活动与城市景观相互作用的结果[17－18]。将热环境融入到景观生态学理论中，对城市热景观时空过程进行研究，能够间接反映城市景观的生态安全状况。

目前，城市热环境研究大多注重的是温度相对强弱的空间分布。因此，本研究运用地面辐射亮温来研究龙岩市的热环境。

利用Landsat TM/ETM+数据反演地面辐射亮温的公式[19]为

式中:T为辐射亮温，K;L[19]为热红外波段的辐射强度，W·m－2·Sr－1·μm－1;K1，K2为校订系数。对于 TM 遥感图像，K1=607.776 mW·m－2·Sr－1·μm－1，K2=1 260 K;对于ETM+遥感图像，K1=666.093 mW·m－2·Sr－1·μm－1，K2=1 283 K。

1.2 景观生态安全评价指标权重的确定

景观生态安全评价因子反映各个指标在评价体系中的相对重要性，影响整个生态安全的评价结果。根据研究区的实际情况，采用层次分析－Delphi法确定评价因子的权重[20]。该方法获取的指标权重客观性强，准确度高。经计算，各层的权重如表2所示;判断矩阵目标层的随机一致性比率为0.004 3(小于0.1)。

表2 景观生态安全评价指标体系权重Tab.2 Weight of ecological security assessment index system

1.3 景观生态安全评价指标的规范化

通过以上方法得到的指标因子评价值量纲不统一，不具有可比性，因此对原始数据指标因子进行规范化处理，使最终的标准量化值在(0～10)之间。

对于值越大，生态越安全的指标处理方式为

对于值越小，生态越安全的指标处理方式为

式中:Xi(i=1，2，…，n)为第 i个评价指标的原始值;Xmax为实测最大值;Xmin为实测最小值;Pi为标准化值。

1.4 景观生态安全综合评价指标的计算

景观生态安全综合评价指标通过各指标因子加权求和得到，评价模型为

式中:LESI为景观生态安全评价指数;xi为第i个评价因子的评价向量;wi为第i个评价因子的权重向量;n为评价指标的个数。

根据研究区的实际情况，并结合国内外景观生态安全等级划分方法，采用非等间距划分，将景观生态安全指数值和安全等级进行如表3所示的关联。

表3 景观生态安全评价指数分级标准Tab.3 Criterion of integrative index of landscape ecological security assessment

2 实例研究

2.1 研究区概况

龙岩市新罗区位于 N24°47 ～25°35，E16°40 ～117°20之间(图1)，处于福建省西南部。新罗区地处龙岩城市中心，全境东西宽约66 km，南北长约89 km，总面积约2 685.4 km2。地势东高西低，北高南低，四周群山环抱，山峦叠嶂，九龙江上游的雁石溪、万安溪二大支流汇成“丫”字形贯穿全区。随着近几年城市的快速发展，龙岩市新罗区已成为闽西政治、经济和文化中心。

图1 研究区地理位置及其图像覆盖范围Fig.1 Geographical location of Longyan city and remote sensing image of study area

2.2 数据源及其预处理

选择2001年10月21日和2008年12月19日2期Landsat TM/ETM+遥感数据进行研究。首先，采用ENVI软件对图像进行辐射校正，然后采用图像对图像的配准方式，以2001年图像为基准，将2008年图像与之配准。在图像上均匀选取25个控制点，配准后误差为0.49个像元。

2.3 龙岩市景观生态安全评价结果

根据上述评价方法，以ENVI 4.7和ArcGIS 9.2为处理平台，通过支持向量机分类方法将研究区土地利用类型分为林地、建设用地、水体、农业用地及未利用土地5类景观，分类精度为88%;利用FRASTATS软件以及ArcGIS空间分析模块得到龙岩市景观生态安全综合指数及等级图(图2，3)。

图2 龙岩市景观生态安全综合指数空间分布Fig.2 Spatial distribution of landscape ecological security index in Longyan city

图3 龙岩市景观生态安全等级Fig.3 Level of landscape ecological security index in Longyan city

2.3.1 龙岩市景观类型生态安全评价

将2个时期土地利用分类图分别和同期的景观生态安全评价图像叠加，统计2001，2008年各景观类型的生态安全均值(图4)。

图4 龙岩市景观类型生态安全均值折线图Fig.4 Security mean line chart of landscape types ecological security in Longyan city

从图4可以看出:

2001年林地和水体处于生态安全等级;建筑用地、农业用地值介于4.5～5之间，处于安全临界状态;未利用土地存在一定的生态安全隐患。2008年林地、水体生态安全均值各为6.97和5.52，而农业用地成为所有景观类型中安全水平最低的类型。

在近10 a期间，除了水体生态安全水平有所上升外，其他景观类型安全值均有所下降，其中林地景观下降的幅度最大。其主要原因是在龙岩市城市化进程中，城市建筑用地面积不断扩张，侵占城市绿地及周边的耕地，再加上公路网对林地景观的切割，使得林地、农业用地安全水平下降。由于建筑用地增多，城市植被相对减少，建筑用地的生态安全也随之下降。另一方面，龙岩市水体景观处于临界安全等级，总水平有小幅度提高，可见这期间龙岩市水体治理的效果有初步显现，但也不容乐观。

2.3.2 龙岩市景观生态安全综合指数分析

对龙岩市景观生态安全综合指数空间分布(图2)进行统计分析发现，2001年龙岩市景观生态安全平均值为7.27，处于较高的安全水平;2008年平均值为6.65，处于中等安全水平。该结果反映龙岩市景观生态安全尚处于安全的状态，但是整体水平有小幅度的下降。

对2个时期各自的生态安全等级(图3)进行统计，得到图5。

图5 景观生态安全等级百分比变化图Fig.5 Raking percentage of landscape ecological security assessment

从图5可以看出:

1)在2个时期的各自安全等级中，“安全”等级所占的比例最大，超过研究区总面积的50%。结合图2分析，安全区域对应着城市外围的大片林地。说明龙岩市所具有的较高森林覆盖度对整个区域的生态安全贡献度最大。

2)在生态安全等级中，“病态”和“很安全”等级所占比例较小。结合图2分析，认为“很安全”等级变化的幅度最大，减少了7.74%，减少的部分主要对应城市区域附近的林地。

3)2001—2008年间，生态安全等级中“病态”、“不安全”及“临界”的权重都有上升，分别为0.56%，4.37% 和 5.31%。2001 年生态安全等级“安全”的区域大部分转化“临界”状态，对应着城市的建筑用地区域。

为了从宏观角度分析龙岩市景观生态安全变化状况，绘制了景观生态安全变化曲线图(图6)。

图6 龙岩市景观生态安全变化曲线Fig.6 Change cures of landscape ecological security in Longyan city

图中2条曲线的2个大波峰大致位于生态安全值7.5～8.5之间，且2008年的波峰明显下降，表明生态安全有向低值方向移动的趋势。同时，在生态安全值4～6区间也出现了2小波峰，其中2008年的波峰明显高于2001年的，这说明2001年和2008年龙岩市大部分区域生态安全水平较高，但是到了2008年，景观生态安全度有所下降。同时存在相当一部分的区域生态安全综合值徘徊于5左右，濒临“临界安全值”等级。结合图2可知，龙岩市生态安全等级较高区域主要集中在离建成区较远、受人类干扰较小的江山乡区。以天马山、登高公园为中心的龙岩市新罗区主城区域为蓝色，属于临界安全状态，其中小部分为紫色，表明生态安全等级已向生态恶化转变，提醒相关部门应给予重视。

3 结论

本文根据“压力－状态－响应(press－stateresponse，PSR)”生态安全评价模型，从景观尺度对龙岩市生态安全状况进行了评价和分析，其结果客观反映了该研究区的生态安全状况，为相关部门提供了生态安全预警信息，以维护城市的生态环境，减少城市扩展对生态系统的负面影响。研究结果表明:

1)2001年和2008年龙岩市景观生态安全度均值分别为7.27和6.65，都处于“安全”等级，但景观压力指数的增大和生态状态指数的下降，导致龙岩市景观生态安全水平呈下降趋势。所以，今后在龙岩市城市发展规划建设中，应重点保护城市周边的林地，逐步减轻生态环境压力。具体体现在对生态安全度较低的城市中心区域要重点优化，对生态安全度较高的江山乡区域要重点保护，最终实现整个龙岩市生态环境的健康、安全发展。

2)城市生态安全评价涉及的因素和尺度具有复杂性，而指标的选取、权重赋值是生态安全评价的核心内容。

本文所构建的评价模型能够客观反映出研究区的生态安全状况，但指标权重的确定受专家经验知识影响，存在一定的主观性。因此，指标的选取和赋权值问题在今后工作中仍需要进一步研究。

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