基于GIS和RS的沿海县生态环境质量综合评价——以霞浦县为例

林漳河

（福建省林业勘察设计院，福州 350003）

由生态环境的相关概念可知，人类活动与自然环境的相互作用影响着生态系统，而生态系统的变化对人类活动也具有反馈作用[1]。因此，人类健康的生产生活方式、适宜的生居住环境离不开对生态系统的保护。随着全球化进程的加快，中国的经济、社会正处于高速发展时期，城市高速发展给我们带来的生活便利，带来了繁荣的经济，同时，过度的开发也给生态系统的内在本质进行干扰，加重其恶化[2]，地表环境的破坏、大气污染、水污染、土地退化、森林覆盖率下降等生态环境问题日益凸现，生态系统所要承受的压力越来也大，尤其是以沿海城市生态系统更为严重。世界上约有三分之一的人口居住在距离海冰60 km以内的范围，因此，沿海城市是人口密集区，人类活动相对比较频繁，城市开发力度大，工业开发密集。回顾历史，沿海地区开发基本上都是开发一片、污染一片，干扰当地景观格局和生态系统，没有协调好经济与生态的发展，往往更加在注重经济上增长，忽视了生态环境质量，这种不可持续的发展模式造成了严重的生态与环境问题。因此，如何在开发沿海区的同时保护生态环境质量，是一个亟需解决的问题。

生态环境质量是社会经济发展的基础，可持续发展的保证，是人口环境居住舒适度的重要指标。本次研究综合运用GIS（地理信息系统英文Geographic information system的简称）和RS（遥感英文Remote sensing的简称）技术对霞浦县生态环境质量现状进行评价，结合地理信息系统技术，可以定量化分析霞浦县生态环境质量现状，能为霞浦县生态规划、生态经济规划、生态修复及生态建设提供重要的依据。基于生态环境质量评价结果，可以划定霞浦县的生态环境优劣度等级较差的区域为敏感区，进行重点保护，形成良好的生态环境保护体系。为其他相似研究区的生态环境质量评价提供参考模型、提供技术路线。十九大提出，要全面加强生态环境保护，打好污染防治攻坚战，因此，对沿海地区生态环境进行评价是响应国家政策的重要举措，可以实现生态环境的可持续发展，促进霞浦县生态环境质量合理健康发展，对霞浦县生态环境保护具有现实指导意义[3-10]。

1 研究区概况

霞浦县，福建省宁德市辖县，国务院批准的沿海经济开放县，是闽东最古老的县城，也是闽东文化中心，位居台湾海峡西北岸，地处福建省东北部，辖有2街道12乡镇，总人口53万。霞浦山海资源丰富，海域占全省海域面积的21.76%。现有耕地面积1.8万hm2，占陆地面积的12%；林地面积9.93万hm2，森林覆盖率36%。近年来，霞浦县近海水质基本保持稳定，城市空气质量尚属清洁水平，生态环境总体上保持在较好状态[11]。但是人类活动的加剧、粗放型的经济增长方式尚未变动，对陆地生态系统造成了压力，如养殖污染的增多，人为水土流失，局部环境破坏严重，森林遭受破坏、生物多样性锐减等生态问题。发展沿海经济是富民强国的重要措施，因此，对于沿海开发带来的破坏，需要加强保护，这是区域经济社会和谐发展、可持续发展的关键。

2 数据处理和土地利用专题信息提取

2.1 数据收集及处理

研究区遥感数据采用Landsat 8影像，拍摄时间均为2017年3月1日，影像云量较少，研究区内基本无云覆盖，影像质量好，可以满足研究需要。运用ENVI软件对研究区Landsat 8影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌、裁剪等处理后得到研究区所需的遥感影像数据（见图1）。

研究区DEM数据在地理空间数据云上下载，影像分辨率为30m。运用ENVI软件对研究区影像进行镶嵌、裁剪处理，并通过处理后的DEM数据提取高程和坡度。

研究区其它数据包括霞浦县森林资源档案的2016年林业基本图、行政边界图、乡镇边界图、人口密度统计数据等统计资料。

2.2 土地利用专题信息提取

土地利用和生态环境存在着相互制约的作用，因此，本研究根据国土资源部划分的土地分类系统，考虑到研究区区域范围较小，结合研究目的，将该系统的土地利用类型确定为林地、耕地、建筑用地、水域、未利用地。本研究使用SVM模型（支持向量机）对遥感图像分类，得到初步结果，对初步的分类结果进行聚类、过滤处理、分类统计等操作，得到满足后续生态环境研究需要的分类结果（见图2）:林地面积101135.52 hm2，占总面积的68.15%；耕地面积24274.89 hm2，占总面积的16.36%；建筑用地面积16561.62 hm2，占总面积的11.16%；未利用地面积4556.88 hm2，占总面积的3.07%；水域面积1871.64hm2，占总面积的1.26%。可知霞浦县的土地利用类型以林地为主，建筑用地与未利用地的占比也比较大。

3 指标体系的设置和确定

3.1 指标体系的设置

指标是评价的基本尺度和衡量标准，区域生态环境质量评价有其特殊性，每个区域的特点和制约因素不同，研究区所处的背景不同，则评价的方法和所选择的指标体系也就不同。基于GIS和RS技术，结合实地考察情况，查阅霞浦县相关文献、年鉴等资料，阅读相关学者对于沿海地区相关指标体系情况，从社会因子、植被因子、地表因子、地形因子四个方面来进行因子的选取，选取人口密度、城市扩张强度、生态系统稳定性指数、植被覆盖度、地表温度、水体指数、高程、坡度8个参考因子来评估霞浦县生态环境质量情况。建立了如表1的霞浦县生态安全评价指标体系。

图1 影像图

图2 研究区土地利用类型图

表1 生态环境评价指标框架

3.1.1 人口密度

生态环境的压力主要来源于人类的生产活动与自然灾害，人类和自然都能促使景观格局发生相应的变化。首先是城市化进程伴随着人口的扩张，而人口的增长对土地资源、水资源、能源森林资源的需求上升，会加剧对这些资源的开发，因此，沿海城市发展过程中人口的迅速增长是生态环境所承受的主要压力，可以选择人口压力作为生态环境的评价指标。人口密度代表着区域经济的活跃程度，区域人口越密集，区域经济活跃度起伏越大，进而生态环境质量就会受到强烈的干扰，甚至破坏。

3.1.2 城市扩张强度

人口的增长、经济的发展极大扩大了城市用地需求，城市用地的扩张会给生态环境施加压力，促使生态环境格局发生改变。霞浦县生态环境受外界的干扰强度可以用人口密度和城市扩张强度来表示。

3.1.3 生态系统稳定性指数

参考石斌[13]，对兰州新区的生态环境研究，本文选择了生态系统稳定性指数作为评价指标。土地利用景观存在相对稳定性，没有绝对稳定性，也就是景观其实经常变化的，其只会在一定的时期内保持相对稳定。景观由不同的要素的构成，要素不同、要素的空间组合不同、空间组合的配置不同等都会影响景观的生态系统的稳定性。而人类是景观的一种组成成分，一种复杂并对景观具有非常强改造能力的干扰要素。土地利用景观是人类活动作用于自然环境的主要途径之一，反映着人为因素和自然因素的综合效应，不同的土地景观类型在维护不同的土地景观类型在维护生物多样性、保护物种、完善整体结构和功能、促进景观结构自然演替等方面的作用是有差别的，同时，其对于外界干扰的抵抗能力也不同[14]。

3.1.4 植被覆盖度

植被覆盖度在一定统计区内，植被在地面上的垂直投影面积占该统计区面积的比例，作为影响生态环境变化的重要指标[15]，在植被变化监测、生态环境调查与评价、干旱、沙尘暴等自然灾害监测、气候和水土保持等诸多研究领域都有广泛的应用[16]。植被覆盖度这一指标在研究水文、生态、植被覆盖情况等都具有重要意义，可以作为描述生态环境变化的基础指标数据，植被覆盖度的大小严重影响着区域生态环境变化。植被覆盖度在生态环境调查中具有广泛的应用，可以初步拟定植被覆盖度作为生态环境的指标。

3.1.5 地表温度（城市热岛效应）

本研究基于地表温度来研究霞浦县的城市热岛效应，地表温度是地表能量（热量）平衡的表现形式，其蕴含了非常丰富的地学信息，直接影响着大气、海、陆之间的潜热交换，可作为生态环境分析的重要指标[17]。城市热岛效应是指一种由于城市建筑及人类活动导致热量在城区空间范围内聚集的现象，是城市气候最显著的特征之一[18]。伴随着城市化进程的加剧，城市热岛的强度也会加强，而热岛的强度与下垫面性质，植被覆盖度的情况，人口等又密切相关，这些必定会影响城市生态系统的结构和功能，影响着城市生态环境。

3.1.6 水体指数

水是自然界生命的源泉，对维持生物体的正常生理活动有着重要的意义，对生态环境监测具有重要意义，是反映生态环境中水源涵养量的一个重要指数。霞浦县是沿海城市，水域分布较广，因此选用水体指数作为生态环境质量评价的因子。

3.1.7 地形地貌（高程和坡度）

地形地势特征影响着自然地理环境和社会经济，影响着气候、河流流向、植被、土壤、地质灾害、对人类生产生活也有着重要的影响。霞浦县是典型的山海结合的地形地貌，研究初步选用高程和坡度来参与生态环境评价。海拔反映了地表的起伏状态，影响着植被种类的分布，影响着温度、湿度的变化以及大气的流通，是生态环境评价中的重要因素。坡度通常是指坡面的垂直高度和水平距离的比值，影响着地表物质流动和能量强度，是制约生态环境的重要因子。因此研究选用高程和坡度两个地形地貌因子作为生态环境的评价指标。不同的地形因子对生态环境的影响不同，高程越大，生态环境质量更稳定，这两者是正向关系，坡度越大，容易造成水土流失等不利的生态环境状态，坡度和生态环境质量表现为正相关关系。

3.2 指标体系的确定

指标权重处理是一项及其重要的工作，指标权重的确定表明了各个指标对生态环境质量的不同影响程度，获取指标权重的方法有很多。本次研究采用熵权法来获取指标权重。通过遥感影像数据、DEM数据、土地利用信息数据及其它统计数据，运用ArcGIS 10.2、ENVI软件提取生态环境评价指标专题信息，根据熵权法计算了各指标的信息熵和熵权值，计算结果见表2所示。

4 评价结果分析

本研究采用熵权法确定8个指标的权重，用ArcGIS 10.2统计分析工具计算出霞浦县的生态环境质量平均值，生态环境综合指数平均值为0.6682，参考《中华人民共和国环境保护行业标准》，依据生态环境评价的相关研究，将霞浦县生态环境质量划分为5个级别（具体分布详见图3），划分的生态环境综合指数阈值范围和含义见表格3所示。霞浦县的总体生态环境综合质量等级为良，生态结构相对比较合理，稳定，生态系统自身功能和自我恢复能力较强。

表2 评价指标权重

表3 评价分级标准

图3 生态环境质量综合指数等级图

5 结语

研究基于GIS、RS等信息技术，对霞浦县生态环境进行评价分析，评价结果比较贴合实际，在一定程度上验证了评价方法和模型的科学性和适用性，评价结果能够为今后霞浦县生态环境规划提供科学依据。传统的生态环境评价模型构建大多基于历史数据、人文数据，可获性较差，而本文选择的指标大多数可运用GIS、RS技术进行获取，能够更加快速与准确。但由于作者水平有限，在某些数据、指标的选择上还不尽完善，本文在研究过程中存在的主要不足之处，应该注意的问题主要有:

①生态环境指标的选择应该是多方位的，多角度的，生态环境评价不仅包括自然生态环境评价，也包括社会生态环境评价，但是由于社会经济数据的可获性比较难，资料受到限制，本文没有将社会经济指标纳入评价体系。社会经济指标的加入是今后区域生态环境质量值得探讨的问题。

②以后的研究中将更多结合GIS、RS、GPS等先进的信息技术，特别是对沿海地区生态环境质量的调查，可扩大研究范围与信息的采集，文章以霞浦县为例验证了沿海地区生态环境的初步研究成果，今后将进一步充实沿海地区生态环境评价指标，不断修正评价模型。