基于卫星遥感的天津地区生态环境质量气象评价

梁冬坡 孙治贵 郭玉娣 宋鑫博

摘    要：為全面了解天津市的生态环境变化状况，更好地开展城市生态承载力评估、生态红线调整、海绵城市建设等气象保障服务工作，本文基于气象观测数据及多源卫星遥感数据，利用RS技术和GIS制图技术，从植被覆盖率、森林叶面积指数、城市地表热环境、水体和湿地变化、生态质量气象评价等方面对2008—2017年天津地区的生态环境状况进行了研究。结果显示：天津地区植被覆盖率和森林叶面积指数与降水量关系密切，其变化趋势受降水影响较大;随着天津城市化发展，天津城市地表热岛强度和面积呈逐年增长趋势，未来天津市区及环城四区的地表热岛有连绵成片并向滨海中心城区延伸发展的趋势;天津的水库和湿地受气候变化和人为开发等因素的影响，于桥水库、北大港水库、东丽湖、团泊洼、七里海湿地、大黄堡洼也都发生了不同程度的改变;2008—2017年天津市的生态质量气象评价结果经历了由好变差又转好的一个过程，2017年各区生态质量指标介于34.5～50.5之间，生态质量总体评价处于较好水平。

关键词：卫星遥感;生态气象;植被覆盖率;地表热环境;监测;评价;天津

中图分类号：S127          文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.12.012

Abstract： In order to fully understand the change of ecological environment in Tianjin， and carry out meteorological support services such as urban ecological carrying capacity assessment， ecological red line adjustment， sponge city construction better， based on meteorological observation data and Multi-source satellite remote sensing data， this paper used RS technology and GIS mapping technology， from vegetation coverage， forest leaf area index， urban surface thermal environment， water body and wetland. The ecological environment of Tianjin has been studied and analyzed from 2008 to 2017 in terms of change， ecological quality and meteorological evaluation. The results showed that： the vegetation coverage and forest leaf area index were closely related to the precipitation in Tianjin， and their change trend was greatly affected by the precipitation; with the development of urbanization in Tianjin， the intensity and area of urban surface heat island in Tianjin were increasing year by year， and in the future， the surface heat island in the urban area of Tianjin and the four areas around the city would be continuous and extended to the central coastal city; the trend of urban surface heat island in Tianjin with the influence of climate change and human development and other factors， Yuqiao reservoir， Beidagang reservoir， Dongli lake， Tuanpuwa， Qilihai wetland and Dahuangpuwa had also changed to varying degrees; the results of ecological quality meteorological evaluation of Tianjin in 2008—2017 have experienced a process from good to bad and then to good， and the ecological quality indicators of each region in 2017 were between 34.5～50.5， the overall evaluation of ecological quality is at a good level.

Key words： satellite remote sensing; ecological meteorology; vegetation coverage; surface thermal environment; monitor; evaluate; Tianjin

生态文明建设是中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局的重要组成部分，做好生态文明建设气象保障是气象部门认真履职的重要内容。面对全球气候变化和快速城市化进程，自然生态环境承载力和生态安全面临着严峻考验，迫切需要开展有针对性的多层次综合性定量生态监测保障服务。近年来，以卫星遥感宏观、实时、动态的对地观测能力为代表的空间信息技术已被广泛应用于生态环境领域，其所获取的信息包括了大气、陆表、水域等相关信息和数据，综合应用遥感技术对区域生态环境进行评价，较好地解决了数据采集方式和评价技术手段多样而造成的评价结果缺乏可比性的问题，当前无论国际还是国内，遥感技术被应用于各种尺度的生态环境调查中，成为监测和评价区域生态环境的有效手段。罗春等[1]选取Landsat TM遥感影像，分别提取绿度、湿度、干度和热度4个生态因子作为评估指标，结合主成分分析方法，定量评估了常宁市近20年生态变化情况。徐涵秋等[2]基于2004/2015年Landsat影像，采用遥感信息反演技术和RSEI遥感生态指数，评估了雄安新区近11年地表不透水面、植被和水体三大覆盖类型的变化，并预测新区建设的生态效应及其对热环境的影响。王钊齐等[3]利用Lansdsast5 TM数据反演宜兴市初级生产力、植被覆盖度和地表温度等生态参数，提出基于归一化不透水指数的地表裸露度，综合以上参数建立基于遥感参数的生态环境指数模型，并运用该模型定量评价江苏省宜兴市生态环境质量动态变化。高慧等[4]以资源一号02C卫星PMS数据为主要的数据源，对四川省普格县开展了县域生态环境遥感调查工作，选取生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数5个评价指标分析研究区内的生物、植被、水资源、土地以及环境污染等情况。Ivits等[5]利用AVHRR遥感数据对西班牙安达卢西亚地区进行了生态环境评价，并且评估了农业活动对该区域的影响。

天津市气象卫星遥感中心长年围绕农业遥感监测、陆地生态环境监测和海洋生态环境监测开展气象卫星遥感应用和生态气象业务服务工作，本研究系统总结和分析了近十几年来天津植被覆盖率、森林叶面积指数、城市热岛、水库湿地变化、生态质量气象评价结果等变化规律和特征，特别是应用高时空分辨率多源卫星遥感数据进行监测分析，大大提高了天津市生态环境监测评估和分析结果的客观性和精准度，为今后开展城市生态承载力以及气候评估、生态环境红线调整、海绵城市建设、近海岸海洋生态环境保护等生态文明建设气象保障积累了经验。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

天津市位于北纬38°34～40°15，东经116°43～118°04之间，一年四季气候分明，年平均气温约为14 ℃，7月份气温最高，月平均温度可达28 ℃左右，历史最高气温曾突破41 ℃。

1.2 数据来源及处理

气象数据来自2008—2017年13个国家气象观测站天津市范围内的数据;地理信息数据来自测绘部门的包括天津市行政区界，DEM高程等;卫星数据为从地理空间数据云网站获取的Landsat数据和气象卫星数据广播接收系统接收的数据。

卫星影像数据要进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理，在此基础上进行研究区的裁剪和生态指标的计算。数据处理和分析用到的工具为ENVI和Arcgis9.3软件。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆盖率计算    植被覆盖率是指某一地区植物垂直投影面积与该地域面积之比，用百分数表示[6]。植被覆盖率不仅是衡量一个城市环境质量的重要指标，同时也是城市热岛、水土流失的重要影响因子，本文用年最大植被覆盖率反映城市“绿色”程度。

利用MODIS卫星16 d合成的归一化植被指数NDVI产品（NOD13Q1），获取影响中每个像元的年最大和年最小NDV，根据公式（1）计算得到天津地区年最大植被覆盖率。

式中，fc为植被覆盖率，NDVImax为年最大归一化植被指数，NDVImin为年最小归一化植被指数。

1.3.2 城市热岛（冷岛）计算    地表温度（LST）是区域和全球尺度地表物理过程中的一个关键因子，也是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的一个重要的地球物理参数，在地-气间的物质和能量交换中扮演着重要角色，对地球上自然资源生成、植被生长、气候变化和人类日常生活都有重要影响。采用叶彩华等[7]提出的地表热岛强度（Surfacce Urban Heat Island，简称SUHI）指标及等级划分方法，基于EOS/MODIS的地表温度（LST）数据进行估算，计算公式为：

式中，SUHIi为图像上第i个像元所对应的热岛强度，Ti是卫星遥感数据反演的第i个像元所对应的地表温度，n为郊区农田的有效像元数，Tcrop为卫星遥感数据反演的郊区农田的地表温度。

1.3.3 水体面积估算    利用徐涵秋等[2]提出的改进的归一化化水体指数（MNDWI）法提取水体区域，并计算分析天津市主要水库湿地的水体面积变化。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖率监测

由图1可以看出，天津地区2008—2017年最大植被覆盖率年际之间有较大差异，2008—2014年呈波浪式下降趋势，其中2014年降到最低，为69.47%;2015—2017年有所回升，其中2016年的植被覆盖率超过了近10年的平均值，为72.83%。由图2可知，2014年植被覆盖率低主要由于2013和2014年的年降水量偏少。

利用EOS/MODIS卫星遥感数据监测的天津市2017年各區县的最大植被覆盖率及空间分布（图3、图4），结果可以看出不同区县植被覆盖率差异较大，植被覆盖率较高的地区主要集中在蓟州区、宝坻区、宁河区、武清区以及静海区等农业主产区。其中，宝坻区、蓟州区和宁河区的植被覆盖率位列全市前3名，且年最大植被覆盖率都在75%以上;天津市城区和滨海新区植被覆盖率较低，年最大植被覆盖率在50%以下。

2.2 森林叶面积指数监测

叶面积指数（LAI）为单位地表面积上植被单面绿叶面积的总和，是陆面过程中的一个十分重要的结构参数，是表征植被冠层结构最基本的参量之一，可有效反映植物光合叶面积大小、植被冠层结构和健康状况等信息。

森林生态系统对天津地区的生态环境有着至关重要的意义，蓟州区是天津市唯一的半山区县，也是天津市的“后花园”，被列为全国生态示范区、全国首家绿色食品示范区、第一批国家新型城镇化综合试点地区。此外，蓟州山区的林地系统作为天津主要的生态涵养区，也是天津的生态屏障，同时蓟州区还是天津市重要的水源地。利用林地的叶面积指数可以很好地反映和评估蓟州区林地的长势状况。这里基于MODIS卫星16 d合成的叶面积指数数据产品，利用最大值合成法获取蓟州区年最大森林叶面积指数（图5）。

从图6和图7可以看出，2008—2012年天津市蓟州区林地年最大叶面积指数变化呈逐年减小的趋势，2014—2017年的叶面积指数呈现逐年增长的趋势。其中2013年蓟州区林地的叶面积指数达到了近10年最大值，大于4.0。经与蓟州区的年降水量对比分析发现，2013年叶面积指数突增的原因可能与2012年天津蓟州区的降雨量远远超过常年均值有很大关系，较高的降雨量有效补给了土壤含水量，对翌年森林生态系统的改善较为明显。

2.3 城市地表热环境监测

热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，是城市气候最明显的特征之一。城市热岛效应（Urban heat island effect），是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”，城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温變化很小，而城区则是一个高温区，就像突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛[7-9]。

土地覆盖类型与地表温度紧密相关，地表热辐射主要和下垫面地物的性质有关，不同的下垫面地物类型其地表温度差异明显，下垫面性质的不同，对城市热岛效应有重要的影响[10-11]。随着城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。截至2017年，天津城镇化率为82.9%，在中国大陆所有省市区中排名第三，仅次于上海和北京，城镇化导致城市群、城市规模不断扩大，城市下垫面土地覆盖类型也发生较大变化，这种变化不可避免地影响了城市，特别是城区的地表温度的空间分布。基于卫星遥感数据反演地表温度，进而研究城市地面热环境空间分布和变化规律，可为开展城市生态环境和宜居性评估、城市规划合理性提供重要的参考依据。

如图8所示，对比2001，2005，2010和2015年4个不同时期发现，整个天津的地表热岛强度（SUHI）平均值在2001年仅为1.01 ℃，较强热岛（SUHIi≥3 ℃）面积仅为615 km2;到2005年平均热岛强度增加至1.63 ℃，较强热岛（SUHIi≥3 ℃）面积增加至828 km2;到2010年平均热岛强度为2.17 ℃，较强热岛（SUHIi≥3 ℃）面积为1 282 km2;而到2015年平均热岛强度增加到3.34 ℃，较强热岛（SUHIi≥3 ℃）面积为2 754 km2。这种变化表明了天津市迅速扩展导致城市地表热岛增强增大的事实，地表热岛强度平均增速为每5年增加0.75 ℃，而较强热岛（SUHIi≥3 ℃）面积平均增速为每5年增加148 km2。图8表明，近15年随着市区-塘沽一线迅速发展，热岛带面积显著增加，未来市区及环城四区热岛有可能连绵成片，需要提前采取应对措施（如绿化）减缓城市地表热岛效应发展。

利用基于陆地资源卫星数据（Landsat）对比分析2001，2005，2011和2017年的天津市区、环城四区及滨海新区城镇面积（图9）监测结果发现，4年的城镇居民地面积占总行政区面积的比例是20.58%，23.56%，29.29%和36.68%，城镇居民地面积逐步增加扩大，并以市区和滨海新区塘沽为重点发展区域向四周扩展，与城市热岛监测结果比较吻合，分析说明随着城市化发展建设，天津市热岛效应逐渐加强。

2.4 主要水库湿地监测

天津市地处华北平原的东北部，海河流域下游，东临渤海，北依燕山，西靠首都北京，是海河五大支流南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河的汇合处和入海口，素有“九河下梢”、“河海要冲”之称。三千多年来的渤海海退变迁在天津平原残留下众多湖泊、沼泽湿地，至今天津市共有于桥水库、团泊洼水库、北大港水库、官港水库、七里海湿地以及大黄堡洼等多处湖泊，在保护生物多样性、净化空气、调节河川径流、补给地下水、改善气候和维持区域水分平衡中发挥重要作用。

近年来，受华北平原气候干旱原因以及人为开发等影响，天津的水库和湿地状况发生了较大变化，为及时掌握和了解天津各水库和湿地变化情况，利用陆地资源卫星数据对各水库和湿地的水体面积进行了遥感监测和分析，为生态环境评价和保护提供背景数据。

2.4.1 于桥水库    从图10可以看出，1984—2017年于桥水库水体面积为75.50～88.00 km2，平均80.50 km2。2015年4月16日水体面积达到最大，为88.00 km2; 1984年5月28日水体面积达到最小，为75.50 km2。主要原因是受气候干旱、水库东侧浅水区水库水草影响，面积估算有所差异，从遥感图上来看水库面积变化不大，水库东侧库区水体面积有所增加，但水库水体颜色有所变化，初步分析是水库水产养殖及水体浮游植物影响所致。

2.4.2 北大港水库    从图11可以看出，1984—2017年北大港水库面积为8.20～77.32 km2，平均39.52 km2。1984—2003年水体面积逐渐增大，其中2003年10月17日水体面积最大，为77.32 km2。此外除了2013年水体面积接近1984—2017年的均值外 ，2009年以后水体面积在8.20～16.90 km2，其中2017年10月17日水体面积最小，为8.20 km2。

2.4.3 东丽湖    从图12可以看出，1984—2017年，东丽湖水体面积为4.98～13.72 km2，平均9.95 km2。1984—2009年东丽湖处于丰水期，水体面积大于800 km2，其中2005年8月19日水体面积达到最大，为13.21 km2;2009年以后东丽湖开发力度加大，东湖水体面积缩小，2013—2017年东丽湖水体面积在7 km2以下，其中2017年10月23日最小，为4.98 km2。

2.4.4 团泊洼水库    从图13可以看出，1984—2017年团泊洼水体面积为1.17～50.20 km2，平均31.46 km2。其中1994年水库面积最大为50.20 km2，2001年、2003年与2009年受自然干旱影响，水体面积较小，2013—2017年水体面积稳定在35.06～38.02 km2。

2.4.5 七里海湿地    从图14可以看出，1984—2017年七里海水体面积为4.32～13.83 km2，平均9.11 km2。1984—2003年七里海处于枯水期，水体面积均小于7.00 km2，其中1984年面积最小，为4.32 km2。此后七里海进入丰水期，水体面积逐渐增大，且均大于8.00 km2，其中2017年10月17日水体面积最大，为13.83 km2。

2.4.5 大黄堡洼湿地    从图15可以看出1984—2017年大黄堡洼水体面积为15.42～57.74 km2，平均40.86 km2。1984—2007年大黄堡洼水体面积逐年增大，从1984年9月10日的15.42 km2增加至2007年4月3日的57.74 km2。2007年之后水体面积减小，其中2017年最小，为32.72 km2。从卫星遥感图上看出大黄堡洼湿地水体面积主要受自然干旱影响，自然状态较好。

2.5 生态质量气象评价

生态环境质量评价是根据选定的指标体系和质量标准，运用恰当的方法评价某区域生态环境质量的优劣及其影响作用關系。而气象因子作为生态系统的重要自然属性，很大程度上影响着区域生态环境背景和生态环境适宜度。对生态质量开展气象评价则是从气象或气候事件变化中反映某一时段生态质量状况的变化趋势。生态质量指标可以反映某一地区某一时段生态质量受气象条件的影响好坏，为当地政府开展生态治理提供科学决策依据[12-14]。

按照中国气象局《生态质量气象评价规范（试行）》（气发〔2005〕170号）规定[5]，生态质量指标=生态综合评价指数×100=[湿润指数×0.25+植被覆盖指数×0.3+水体密度指数×0.2+（1-土壤侵蚀指数）×0.15+（1-灾害指数）×0.1]×100。参照表1的生态质量气象评价分级标准，通过数据分析得出2008—2017年天津市生年度态质量指标平均分布图（图16），可以看出，2008—2017年天津市各区生态质量指标介于34.5～50.5，生态质量总体处于较好水平。其中滨海新区北部较高，生态质量指标为50.16，蓟州区、宝坻区和滨海新区中部次之，武清、宁河、北辰、滨海新区南部再次之，东丽、西青、津南、静海较低，天津城区生态质量指标最低，生态质量指标仅为36.62。

3 结论与讨论

文章基于气象观测数据及多源卫星遥感数据，利用RS技术和GIS制图技术，从植被覆盖率、森林叶面积指数、城市地表热环境、水体和湿地变化、生态质量气象评价等方面对天津地区的生态环境状况进行了多年的动态监测，特别是应用高时空分辨率多源卫星遥感数据进行研究，大大提高了天津市生态环境监测评估和分析结果的客观性和精准度。结果显示，2008—2017年天津市的生态质量气象评价结果经历了由好变差又转好的一个过程，2017年各区生态质量指标介于34.5～50.5，生态质量总体评价处于较好水平。

在生态文明建设以及“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念下，天津地区近些年开展的植树造林、城市绿化、水土保持等措施对生态环境的改善已开始显现了成效，但气候干旱、城市发展等对生态环境的影响风险仍然不可低估，亟需有关部门引起重视，并加大天津生态环境承载力评估评价和生态保护修复力度。

为更好地开展城市生态承载力评估、生态红线调整、海绵城市建设等方面的气象保障服务工作，后续应继续改进技术方法，建立科学全面的生态环境质量评价指标体系，研究设定生态环境气象遥感监测客观评价指数，为政府及有关部门提供优质有效的生态文明建设气象保障服务。

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