多时相遥感数据在四川省茂县景观生态安全格局评价中的应用

杨 斌,李茂娇,程 璐,高桂胜,李 丹,陈 财

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

景观作为人类资源利用和开发的对象，是研究人类活动对生态环境影响的适宜尺度，区域型景观生态安全问题一直成为国内外广泛关注的热点[1-2]。对于景观生态安全评价研究，旨在如何定量评估人类化进程中该区域内的生态安全水平，现已成为研究者们关注的重要问题[3]。近年来，国内学者在生态安全评价方面进行了大量探索性研究，主要集中于评价方法[4]、指标体系[5]、等级划分[6]和定量化[7]等方面，研究结果在区域空间化方面的表达存在一定的缺陷，对于时空变化规律研究方面也存在模糊性等问题[8]。随着各类遥感数据源大量免费应用，将RS和GIS技术应用到区域景观生态安全评价领域具有较大尺度的研究范畴和快捷的时空变化分析等优势。

四川省干旱河谷区域在景观生态安全方面一直成为国内外针对于生态安全研究的焦点，茂县地处四川省西北部，地势西北高、东南低，区域内大量分布着干旱河谷这一独特的生态景观，同时也具有典型的山地景观特点。因此，选取茂县行政单元作为研究区域，以Landsat系列卫星遥感数据为重要的数据基础，利用遥感与GIS技术，引用景观生态学方法，基于“压力-状态-响应”( PSR)模型，构建茂县景观生态安全评价指标体系，将评价指标进行空间量化，归一化权重，再利用ArcGIS进行空间叠加与统计分析，分析出2000年、2007年、2015年3个不同时期的景观生态安全变化过程及规律，为该区域的景观生态安全评价提供科学的参考依据与应用模式。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

茂县位于四川省西北部，地势西北高、东南低，南有龙门山脉、北有岷山、西有邛崃山脉。经纬度范围：东经102°56′～104°10′，北纬31°25′～32°16′，平均海拔约2 000 m，相对高度1 500～2 500 m。地理位置上该区是青藏高原过渡到四川平原的地带，地形地质结构均比较复杂，地貌主要为中、高山地，这对于区域型景观研究具有一定的代表性[9]。在汶川“5·12”特大地震扰动影响下，该区地质灾害发生频繁，水土流失加剧，生态安全遇到严峻考验。研究区内不仅有岷江和涪江两条主河流穿越，还存在大小河流共计170多条，湖泊25个。同时，由于受西风环境外加印度洋西南季风影响，形成独特的高原性季风气候，该区域河谷内分布着大量的干旱河谷地貌景观，随着海拔高低变化，景观类型呈现出垂直分布[10]。

1.2 遥感图像选取与处理

由于研究区属于中尺度研究范畴，因此，遥感数据的空间分辨率精度为30 m足以保证评价结果的科学性。基于此，选取Landsat系列卫星数据为遥感数据源，经过对年份(间隔7年)、时间(8—9月)和含云量(整幅20%之内)等指标的筛选，挑选出研究区范围内3景质量较佳的遥感数据，分别是2000年8月Landat 5-TM数据、2007年9月Landat 5-TM数据和2015年8月的Landat 8-OLI数据(详见表1，数据来源于美国USGS网站)。

表1 研究中选取的遥感数据信息

遥感数据处理采用ENVI 5.3 SP1专业软件平台，首先将研究区内的3景不同时期的遥感数据导入到ENVI中，利用已配准好的1∶10万DRG(数字栅格地图)分别对其进行几何精校正(L2级数据需进行几何精校正，L4级数据可忽略这个步骤)，再利用研究区的矢量图层(ROI，感兴趣区)进行图像裁剪，然后通过辐射定标模块对遥感数据进行辐射定标，再利用FLAASH大气校正模型进行大气校正，最后根据研究需求选择合适的波段组合，在图像增强的效果下进行信息提取与解译分析(见图1)。景观格局的变迁研究，需结合不同时期土地利用类型转换作为评判基础，参考国土资源部发布的土地利用现状分类标准(GBT 21010-2007)，结合研究区实际需求和数据精度将研究区土地利用类型分为林地、耕地、水域、建设用地和未利用地5种基本地类，并采用最大似然法监督分类法与目视修改相结合的方法，分别提取2000年、2007年和2015年的土地利用类型分布数据，该结果还在评价模型的景观状态层中充当基础因子指标。

图1 遥感数据处理流程

2 评价体系与方法分析

2 .1 景观生态安全评价体系构建

景观生态安全评价方法构建以景观生态学为理论基础，遵循一定的科学评价指标体系原则，结合GIS空间分析技术，对研究区进行安全评价等级划分及动态变化过程分析。在此过程中，还需要对研究范围内的景观空间格局变化情况进行动态表述，研究过程中采用的评价方法与思路则是在运用联合国经济开发合作署(OECD)提出的 P-S-R 概念模型的基础上[11]，选取层次分析评价方法构建研究区景观生态安全评价体系，其评价体现流程如图2所示。

图2 评价体系流程

评价体系中包含目标层、准则层及指标层3个层次，其中，准则层引入了压力层、状态层及响应层分层模型，且每个准则层中还包含若干个指标，指标的选取从研究区景观格局背景出发，尽可能的易获取、可量化，指标之间还具有相互独立性等特点(见表2)。通过对表2中的指标进行分析，得出人口压力C1、城市扩展强度C2、坡度C3、热岛效应强度C8和沟壑密度C9其安全呈现逆向型，亦是指标数值越大，安全情况越差；植被指数C4、生态弹性度C5、生物丰富度C6、景观结构指数C7呈现正向型，其指标数值越大，安全情况越好。

表2 景观生态安全评价体系框架

2 .2 景观生态安全评价指标分析

1)景观压力层(B1)。随着人类进化发展与自然环境之间的平衡关系是景观压力层所关注的重点要素。通过对研究区内自然景观和人类活动的调查，发现该区域类自然灾害频发，人类工程活动较多(如修建梯级水电站、道路修建等)特点，给自然生态系统稳定性造成一定的压力，这些压力表现出的潜在因素，可以通过人口迅猛增长、城市用地扩张和山地地形坡度来定量表征。因此，选用人口压力C1、城市扩展强度C2、坡度C3代表景观生态系统安全受到外界压力干扰强度的评价指标。

①人口压力(C1)：以研究区聚落为面源的压力中心，通过遥感图像的目视解译获取聚落聚集范围并做缓冲区分析，得到人口压力分布图。

②城市扩展强度(C2)：城市的扩展情况可以结合建筑用地指数进行定量获取，建筑用地指数(NDBI)其计算式为：NDBI=(BMIR- BNIR)/(BMIR+ BNIR)，式中BMIR、BNIR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，研究过程中BMIR和BNIR可用TM的Band5、Band4波段、OLI的Band6、Band5波段的像元亮度值。

③坡度(C3)：地形坡度决定地表起伏程度，也能表征坡面的倾斜程度。对生态安全而言，坡度大小严重影响斜坡表面的土体承受的重力、斜坡表面的径流量等，对区域地表的稳定性起着关键性的作用。

2) 景观状态层(B2)。景观生态安全状态从景观的表现形式、组织结构和生物贡献度角度进行定量评价，因此，选取植被指数C4、生态弹性度C5和生物丰度指数C63个指标来反映。

① 植被指数(C4)：植被指数常用于表达对区域内植被覆盖情况定量分析，本文评价指标中运用归一化植被指数(NDVI)来定量表达研究区的植被覆盖度及其植被生长活力对安全状态的影响程度。

② 生态弹性度(C5)：生态弹性度(ECO)用来描述当生态系统在内外干扰或所受压力不超过其自身弹性限度时，系统在偏离原来的状态后又可恢复到原有状态的程度，常用于体现生态系统的自我调节与自我恢复能力[12]。生态弹性度的定量分析表述为

式中：Si为第i类土地利用类型面积百分比；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。此指标的提取用到不同时期的土地利用类型基础数据。

③生物丰度指数(C6)：生物丰度指数表征单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异，能间接反映被评价区域内生物丰度的丰贫程度。常用于评价区域里生物多样性的丰贫程度[13]，其算式为

式中：Si为第i类土地利用类型面积；Pi为第i类土地利用类型的生物丰度权重；S为区域总面积；n为土地利用类型；Abio为归一化系数，其可用Abio=100 /Amax来求取，Amax为某指数归一化处理前的最大值。可根据2000、2007、2015三年研究区土地利用类型状况，计算得到该指标因子数据。

3)景观响应层(B3)。景观响应是指景观对当前生态环境压力所产生的反映情况。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；热岛效应强度能客观真实的表现景观在人类与自然灾害活动下的响应关系；沟壑密度能定量界定出地形变化起伏情况对景观生态环境的响应情况，因此，选取景观结构指数C7、热岛效应强度C8和沟壑密度C9。

①景观结构指数(C7)：景观结构指数既可以定量描述研究区的景观空间格局结构组成，亦能反映景观空间格局的配置特征。不同的土地利用方式、开发强度，产生的生态影响具备区域性、累积性的特点，能够直观的反映在生态系统的结构组成上。另外，景观结构还能够准确的体现出各生态影响的空间分布和梯度变化规律，使得各空间分析手段成为可能[14]。景观结构综合指数计算：以遥感影像为基础数据源，确定茂县2000、2007和2015年土地利用变化分类图，使用ArcGIS10.2将分类结果转化为ArcGrid格式，获取不同时期景观类型图(共5类，分别是耕地、建设用地、林地、水域和未利用地)，再应用景观生态学专用软件FRAGSTATS4.2.1计算三个不同时期景观格局指数。

②热岛效应强度(C8)：热环境的空间分布是人类活动与景观生态环境相互作用的结果。在景观生态学理论中，引入城市热环境，能够间接反映出区域景观生态安全状况[15]。城市热环境的研究侧重于利用温度相对强弱反映其空间分布情况，因此，可以采用地面温度来表达热岛效应强度指标，研究过程中采用覃志豪的单窗算法进行求取其指标。

③沟壑密度(C9)：沟壑密度是指单位面积内沟壑的总长度，该指标与区域降水和径流特征、地形坡度、岩性、土壤的抗侵蚀性能、植被状况、土地利用方式等因素有关，沟壑密度常用于衡量地表破碎度的定量评价指标。ARCGIS软件中能快递求取出沟壑密度定量分析指标。

2.3 评价指标权重确定

评价指标权重的确定，运用层次分析法建立层次结构模型、构造互反判断矩阵、计算权向量、结果的一致性检验4个步骤，其中通过构建目标层与准则层(A与B)、准则层与指标层(B1与C1、C2、C3，B2与C4、C5、C6，B3与C7、C8、C9)之间的互反判断矩阵来确定此次研究中的生态安全评价指标因子的权重(见表3)。通过计算，得出判断矩阵目标层的随机一致性比率为0.064 8(小于0.1)。

2.4 评价指标归一化处理

上述分析和求取评价指标过程中，评价指标因子的评价值量纲存在不统一性等问题，无法直接进行栅格数据处理与分析，因此，采用极差标准化法对各指标数据及评价指数进行无量纲化处理[16]。运用此公式计算过程中，还存在正向指标和逆向指标的差异性，其中正向指标是指数值越大越安全，逆向指标则相反，其算式为

式中：Xij为第j类景观的指数i，maxXj和minXj为景观类型j的最大景观指数值和最小景观指数值；Gij为归一化后的景观指数指标。经过归一化处理后，所有的评价指标最终的量化值在(0，1) 之间。

表3 评价指标权重

3 景观生态安全评价结果

3.1 景观生态安全综合指数与分级

通过对景观生态安全评价指标权重提取、分析及标准化处理后，将各指标因子加权求和获取各时期不同景观生态安全综合评价指数，其算式为

式中：Ai为评价年份景观生态安全综合评价指标值；Wj为第j个指标的权重值；Pj为第j个指标的归一化结果。由于此结果并不易定量地判别其安全等级高低，故而需要引入评判标准，划分研究区内不同时期的景观生态安全等级。参考国内同领域相关资料和标准，结合景观生态安全等级划分方法[17-18]，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下关联(见表4)。

表4 景观生态安全评价指数分级标准

3.2 评价结果分析

通过对景观生态安全评价综合指数及分级标准分析，可在ArcGIS软件支持下提取2000年、2007年、2015年3个不同时期的景观生态安全综合评价指数和景观生态安全综合评价分级结果(图3中，A、B、C为景观生态安全综合评价指数，D、E、F为景观生态安全综合评价分级结果)。

对不同时期的景观生态安全综合指数和评价分级结果空间格局分析可以得出，2000—2015年时期内研究区东部(光明乡、富顺乡、土门乡和东兴乡)，生态安全状况始终保持良好稳定状态；而研究区南部(南新镇和凤仪镇)，2000—2015年期间景观生态安全状况变化较小，此外，研究区干旱河谷地带景观生态安全状况变化较为明显，尤其表现在黑水河流域。利用统计分析模块，对这三个不同时期的安全级别统计，结果如表5所示。

图3 景观生态安全综合指数和评价分级结果图

表5 2000年、2007年、2015年景观生态安全级别状况统计 hm2

从上述统计结果可以得出：2000—2015年期间，研究区内景观生态安全情况具有逐步趋于稳定的变化趋势。研究表明：安全区域所占比重均达到60%以上(仅2000年差2个百分点)，2000—2015年期间茂县整体景观生态安全状态比较好，但危险区域面积有所增加，仍然需要加大对该区域生态环境保护与景观治理工作，如图4所示。

图4 景观生态安全评价等级百分比变化图

4 景观生态安全转移分析

仅通过上述图表统计和定性分析，还不能全面定量发映出研究区内景观生态安全变迁格局，因此，借鉴研究学者对土地利用变化的研究方法，运用转移矩阵全方位剖析2000—2015年茂县景观生态安全演变过程，表6、表7、表8描述了2000—2007年期间，2007—2015年期间以及2000—2015年期间研究区景观生态安全级别转移变迁情况，此分析结果能客观全面反映研究区在不同时期内各安全级别之间的流动过程。

表6中显示出2000—2007年期间，研究区景观生态安全状况变化较为平稳，主要表现在良好级别与安全级别、危险级别与风险级别之间的转换，其中良好级转为安全级面积最大，约16 176.53 hm2，占比4.20%；安全级转为良好级约13 161.67 hm2，占比3.41%。危险级转为风险级面积约6 231.34 hm2，占比1.62%，由此可见，2000—2007年期间，研究区景观生态状态有所好转。

表6 2000—2007年景观生态安全级别转移统计

表7 2007—2015年景观生态安全级别转移统计

从表7可以得出，2007—2015年期间研究区景观生态安全状况有所下降，但整体依然比较稳定。其中主要表现在安全级别转为良好级别51 527.81 hm2，占比13.36%，而良好级别转为安全级别的仅7 775.85 hm2，占比2.02%，其余安全级别之间的转换可以忽略不计。从这段期间分析可以得出，研究区在汶川特大地震扰动和自然灾害(山洪、泥石流等)侵蚀下，景观生态安全受到一定程度的破坏，但随着近7年的长效建设和灾区重建，整个区域内景观生态依然维持在安全级别和良好级别范畴。

表8 2000—2015年景观生态安全级别转移统计

从表8分析得出，2000—2015年期间研究区内景观生态安全整体较为稳定，主要表现在安全区和良好区、危险区和风险区之间的互相转换，但安全级别的面积仍然在减少，而敏感区和良好区转移到安全区的面积较少。这对于该区域依然需要加大景观格局的整体规划与生态环境的长效治理，除在技术资源投入以外，还需要加强当地居民对景观生态环境的保护程度。据野外实地详查，该区域存在藏族、羌族、回族等少数民族，大部分居民依然采用原始的山坡耕作方式，广泛集中在山地主河道进行集中采伐与耕地建设，虽地震过后进行了有效的规划与治理，但还需要加强科学引导与有效规划。

5 结 论

通过2000年、2007年、2015年3个不同时期相同季节Landsat系列卫星遥感数据，结合景观生态学理论与“压力-状态-响应”评价模型方法，选取景观压力层的人口压力、城市扩展强度、坡度，景观状态层的植被指数、生态弹性度、生物丰富度，以及景观响应层的景观结构指数、热岛效应强度和沟壑密度这9个指标，利用层次分析法确定指标因子权重，并在ArcGIS软件平台下通过叠加统计分析，得到研究区景观生态安全综合指数评价分布图，再根据国内外生态安全等级划分标准及研究区实际情况，将区域景观生态安全状况划分为危险级、风险级、敏感级、良好级、安全级这5个等级。主要研究结论如下：

1)2000—2015期间研究区茂县东部(包括光明乡、富顺乡、土门乡和东兴乡)，生态安全状况始终保持安全稳定状态；而茂县南部地区(包括南新镇和凤仪镇)，景观生态安全状况变化较小，此外，研究区干旱河谷地带景观生态安全状况变化较为显著，尤其在黑水河流域，需重点关注此段景观生态环境的变化情况。而整个茂县范围其景观生态安全状态虽受到汶川特大地震的重大影响，逐步趋于稳定状态。

2)通过设置时间断点，引入转移矩阵方法，分别计算出2000—2007年、2007—2015年和2000—2015年3个不同节点范围内茂县景观生态安全变化情况。研究表明，2000—2015年研究期间，茂县景观生态安全之间的转换平稳，且仅限于低级别与低级别、高级别与高级别之间的转换，且转换面积和比重均保持在一定的范围。在2000—2007年期间，茂县景观生态状态有所好转，而2007—2015年期间茂县景观生态安全状况又有所下降，这主要由于汶川特大地震扰动和自然灾害(山洪、泥石流等)侵蚀所致。

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