基于遥感生态指数的贵池区生态环境评价

章 勇，姚志强

（池州学院资源环境学院，安徽池州247000）

近年来，随着城镇化进程不停推进，人类活动对生态环境的影响也越来越凸显，如大气污染，水污染，固体废物污染等。随着人们环保意识的不断加强，生态环境质量评价的必要性，越来越突出。城市工作是一个系统性的工程，需要统筹生产、生活、生态三大布局。2017年3月，李克强总理在第十二届全国人民代表大会第五次会议上提出“蓝天保卫战”的新词。在加快城市建设的同时，还需要改善和保护生态环境，实现可持续发展。因此，如何快速、大范围地进行生态环境监测和生态环境评价，显得尤为重要。利用遥感进行快速大范围的生态环境监测和分析评价，是一种可行的途径。因此，本文以池州市贵池区为例，利用遥感生态指数对贵池区生态环境质量进行分析评价。

1 研究区与数据预处理

1.1 研究区

本文以池州市贵池区（北纬：30°40′27.27″,东经：117°29′44.47″）为研究区，贵池区整体面积为两千五百多平方千米，在安徽南边，沿江城市。北边海拔低，地形比较平坦，主要是城区。南边海拔高，属于山区，群山起伏，绿树如云，植被覆盖率高。贵池区境内河流比较多，主要有黄湓河、秋浦河、龙舒河、白洋河、九华河、青通河等。气候温和，为亚热季风性，四季分明，环境优美。

1.2 数据预处理

本文以池州市贵池区2016-7-26 Landsat8遥感数据作为数据源。利用贵池区行政边界矢量数据将贵池区影像裁剪出来。图1为裁剪后贵池区543波段组合显示结果。

图1 Landsat8贵池区543波段显示结果

Landsat8数据预处理步骤：利用二次多项式模型和三次卷积内插法对数据做几何校正，使其误差小于1个像元（本研究不需要过高的几何精度）；利用Landsat8定标参数对数据进行辐射定标处理，以获取反射率数据；对辐射定标后的反射率数据进行大气校正，以获取地表真实的反射率数据。

2 研究方法

本研究针对城市生态系统，选取4个与人类生活相关的重要指标，分别为干度、湿度、绿度和温度组成遥感生态综合指数，定量评价池州市贵池区生态质量。4个指标分别通过归一化建筑指数（NDBI）、缨帽变换的湿度分量（Wet）、归一化植被指数（NDVI）和亮度温度（T）来获取。

归一化建筑指数NDBI（见公式1）能够突出建设用地[1]，通过这一光谱特性可以用来表征干度指标。缨帽变换的湿度分量Wet（见公式2）能够反映土壤、植被的湿度[2]，可用于表示湿度指标。绿度指标可用归一化植被指数NDVI（见公式3）来表示，NDVI常用与突出植被信息[3]。亮度温度T（见公式4）是感知温度的，用于表示温度指标。

（1）（2）（3）式中，ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1和ρSWIR2分别对于Landsat8的第2、3、4、5、6和7波段的反射率。对于Landsat8数据，C1=0.1511，C2=0.1973，C3=0.3283，C4=0.3407 ，C5=-0.7117 ，C6=-0.4559[4]。

式中，T为Landsat 8热红外波段的像元亮度温度（K），K1和K2为卫星发射前预设的常量，对于Landsat 8 第 10 波 段 K1=774.89mW∙cm-2∙sr-1∙um-1，K2=1321.08K ，Qcal为第10波段的DN值，ML和AL为定标常量，通过查询Landsat 8头文件可知，ML=3.3420E-04，AL=0.10000。遥感生态综合指数计算流程如图2所示。

图2 遥感生态综合指数计算流程

主成分分析是利用线性正交变换的方法，从多个因素中提取少数重要因素的降维方法[5]，它是建立在图像协方差矩阵基础上的线性正交变换，用来进行图像的降维和噪声除去，后面的主成分具有较大的噪声，可以舍去，第一主成分信息含量最多。本文通过NDBI、Wet、NDVI和T 分别表征干度、湿度、绿度和温度，利用主成分分析，根据各指标对生态环境质量的影响来客观地分配权重，将四个指标融入一体。为了避免大区域水体信息对主成分分析载荷分布产生影响，利用改进的归一化水体指数MNDVI（见公式 5）提取水体淹模[6]，分别去除NDBI、Wet、NDVI和T图像的水体信息。又因为NDBI、Wet、NDVI和T的量纲不统一，将去除水体信息之后NDBI、Wet、NDVI和T图像进行归一化处理，归一化到[0，1]区间。再进行主成分分析，提取第一主成分，即为融合干度、湿度、绿度和温度的遥感综合生态指数。为便于统一分析，将遥感综合生态指数也进行归一化处理，归一化到[0，1]区间。遥感综合生态指数越接近于1表示生态环境质量越好，越接近于0表示越差。

式中，ρG和ρSWIR1分别对于Landsat 8的第3和6波段的反射率。

3 结果与分析

图3为池州市贵池区遥感综合生态指数渲染结果，可以看出，池州市贵池区整体生态环境质量较优。生态环境质量差的区域主要集中在建设用地，如老城区，火车站，工厂等；生态环境质量优的区域主要集中在植被覆盖度高的区域。

图3 贵池区遥感综合生态指数渲染图

为进一步定量分析，统计四个指标和遥感综合生态指数的均值、标准差和四个指标对第一主成分的载荷值见表1。

表1 指标均值、标准差和对第一主成分载荷

从表1中可知，贵池区遥感生态综合指数均值为0.6213，数值较高，定量地反映出贵池区整体生态环境较优。同时，湿度和绿度对第一主成分的载荷大于0，这两个指标能够提高生态环境的质量。干度和温度，载荷小于0，说明这两个指标造成生态环境质量下降。干度和温度的载荷绝对值较大，即这两个指标是影响生态环境的主要因素。说明生态环境质量的下降与不透水面的大幅度增长和温度的升高密切相关。

为了能够更加直观、定量地分析贵池区生态环境质量，以0.2为间隔，将贵池区遥感综合生态指数划分为五个等级（见图4）。

图4 贵池区遥感综合生态指数分级图

将各生态等级所占面积百分比进行统计，结果见表2。

表2 生态等级面积百分比

表2表明贵池区生态环境优、良所占面积百分比达到79.85%，差、较差占9.41%。从空间地物覆盖类型的分布上看，贵池区生态环境优、良的区域主要集中在林地，草地等地物覆盖类型，而生态环境质量差的区域主要集中在围绕平天湖的城区，主要为建设用地。因此，若要改善城市生态环境质量，需要合理的配置土地利用资源，对城市发展空间进行合理科学的布局，加大城市绿化建设。

4 结论

本文利用池州市贵池区Landsat8遥感数据，提取NDBI、缨帽变换的湿度成分、NDVI和亮度温度分别表征与人类生活密切相关的干度、湿度、绿度和温度四个指标。采用主成分变换的方法，将四个指标耦合到一起，构建遥感生态综合指数。并分析评价了贵池区的生态环境质量。研究结果表明：

（1）池州市贵池区生态环境质量整体较优，79.85%的区域处于优、良状态，差和较差区域仅占9.41%。贵池区生态环境优、良的区域主要集中在林地，草地，农田等地表覆盖类型，而生态环境差的区域主要集中在围绕平天湖的老城区及其周边，主要为建设用地。

（2）池州市贵池区遥感生态综合指数均值为0.6213，遥感生态综合指数较高。

（3）湿度和绿度能够改善生态环境质量，干度和温度会造成生态环境质量的下降。干度和温度的载荷绝对值较大，这两个指标是影响生态环境的主要因素。