基于RSEI 的福州旗山国家森林公园生态环境质量变化研究

潘明慧，袁轶男，王亚蕾，刘是亨，朱里莹，兰思仁，吴沙沙

福建农林大学，福建 福州 350002

城郊型森林公园是城市周边的特殊绿色斑块、是城市居民休闲娱乐的重要场所[1]，随着生态旅游的兴起，城郊型森林公园游客量增加，对其生态环境质量带来了压力和挑战。目前，关于森林公园生态环境质量评价传统方法主要有层次分析法、模糊聚类评价方法、指数评价法等[2-6]，但其在参数选择上均存在一定的主观性，且较难整体反应大面积生态环境质量的评价情况。近年来，3S 技术日趋成熟，具有宏观、高效、多时相观察的特征，为森林公园生态环境质量评价提供了重要的技术支持。其中方法大多选取不同遥感指数，或在此基础上加以权重合成进行评价[7-12]，是传统方法和3S 技术的结合，不仅指数选取复杂且数据量大。不同指数代表着生态环境质量的不同方面，它们相互影响共同作用，需要综合考虑，而遥感生态指数(RSEI)能综合多种因素并能快速反应生态环境质量变化[13]。此方法应用大多集中于人工环境，如城市、矿区等[14-17]，也有学者使用该指数对自然环境进行了探析，如自然保护区、流域等[18-20]，鉴于RSEI指数对于生态环境质量评价表现优秀，且尚未有学者对于介于人工环境和自然环境之间的情况进行研究，因此本文以城郊型森林公园——福州旗山国家公园为例，分析其生态环境质量变化特征及其原因。

1 研究区概况

福州旗山国家森林公园位于闽侯县西南部，东经119°05'36″～119°11'17″、北纬25°55'08″～26°03'22″[21]，距离福州城市中心仅25 km，交通便捷。年平均气温19.5 ℃，一月份平均气温8.6 ℃，七月份平均气温26.8 ℃，最高温度为38 ℃，最低温度为-2.4 ℃，无霜期309 d，夏长无酷暑，冬短且少寒。气候温和，雨量充沛，植物生长期长。森林公园由五峰里工区、福厝岭工区、王庙工区、旗山工区、双峰工区和龙泉工区六大工区组成，根据公园的景观资源可分为三大景区，分别为旗山景区、双峰景区、福厝岭景区[22]，其中以双峰景区为主要景区。

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

本文以Landsat 系列卫星影像为数据源，下载于美国地质调查局官网(https://www.usgs.gov/)，所用影像分别为：2009 年6 月的TM 影像，2014 年4 月、2018 年3 月的OIL 影像。

遥感影像在数据获取过程中存在图像畸变，且由于地面照明条件、大气条件等的不同而产生偏差。USGS 所分发的数据已经经过几何与地形校正，因此只需要对获取的上述影像进行辐射定标与大气校正。通过ENVI5.3 平台，将影像灰度值(DN)转换成传感器的反射率，运用FLAASH 校正模块进行大气校正，该模块是基于MODTRAN4 辐射传输模型开发而成，是目前精度最高的大气校正模型[23]。经上述处理后，使用福州旗山国家森林公园提供的矢量边界对影像进行了裁切和提取（图2）。

图2 2009～2018 年福州旗山国家森林公园遥感影像Fig.2 Remote sensing images of Fuzhou Qishan National Forest Park from 2009 to 2018

2.2 遥感生态指数计算

遥感生态指数(RSEI)通过绿度、湿度、干度和温度4 个指标综合体现区域生态环境质量，上述指标均从遥感影像提取[13]。

(1) 绿度指标：选择归一化植被指数(NDVI)作为绿度指标，其公式为:

式中NIR为近红外波段，R为红光波段。

(2) 湿度指标：选择缨帽变换中的湿度分量(Wet)作为湿度指标，TM影像及OLI影像的计算公式分别为[24-25]：

式中：Bi（i=1，……，8）分别为OLI和TM影像对应波段的反射率。

(3) 干度指标：干度指标(NDSI)由裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)合成所得，在此以TM影像为例，其公式为：

其中：

式中Bi（i=1，……，5）分别为TM影像对应波段的反射率。

(4) 热度指标：选用地表温度(LST)作为热度指标。在此使用基于大气校正的地温反演方法计算LST[26-27]，其原理是首先估计大气对地表热辐射的影响，随后将卫星传感器记录到的热辐射总量减去这部分大气影响，进而得到地表热辐射强度，最后将其转换为相应的地表温度，计算公式为：

式中Ɛ为地表比辐射率，τ为大气透射率，Lλ为图像辐射定标，B(Ts)为黑体辐射亮度，L↑为大气上行辐射强度，L↓为大气下行辐射强度；另外，对于TM Band6，K1=607.76W/(m2*µm*sr)，K2=1260.56 K；TIRS Band10，K1=774.885 W/(m2*µm*sr)，K2=1321.079 K。

由于各项指标的量纲不一致，无法进行计算和比较，故在此对所得指标进行归一化处理，将其转换至同一量纲，归一化公式为：

式中NIi为归一化后的Ii为该指标在像元i的值；Imin、Imax分别为该指标的最小、最大值。

基于ENVI5.3 平台，将上述归一化后的四个指标集成后，输入主成分分析模块进行PCA 计算。PCA 处理生成互不相关的输出波段，且结果将主要信息集中到了第一主成分中(PC1)。为了便于三景分析结果的对比，对PC1 再次进行归一化处理，结果即作为生态环境评价的遥感生态指数(RSEI)。

3 结果与分析

3.1 旗山国家森林公园总体生态环境质量变化

3.1.1 2009～2018 年RSEI变化 由表1 可知，福州旗山国家森林公园2014 年的RSEI值最高，为0.2516，表明该年的生态环境质量最差；2018 年次之，其RSEI值为0.2281；2009 年的RSEI值为0.1889，表明其生态环境质量最优（图3）。RSEI值越大，生态环境质量越差，反之亦然，可表明2009～2018年福州旗山国家森林公园的生态环境质量先变差后转优，呈“U”型变化趋势。

图3 2009～2018 年福州旗山国家森林公园RSEI 分布图Fig.3 RSEI distribution of Fuzhou Qishan National Forest Park from 2009 to 2018

细分各个指标来看（表1），绿度指标NDVI与湿度指标WET的PC1荷载值为负数，使得RSEI值降低，表明其对生态环境质量产生积极影响；而干度NDSI和温度LST的PC1荷载值为正数，使RSEI值升高，表明其对生态环境质量产生消极影响。PC1荷载值绝对值越大影响越大，反之则影响越小，由于主成分分析特性，各年生态因子对生态环境质量影响的大小亦不一致。

表1 各年份4 个指标和RSEI 的均值变化Table 1 Mean variation of four indexes and RSEI in each year

2014 年的NDSI及LST值分别为0.2245、0.4106，为三个统计年最高，而NDVI及Wet值仅为0.8832、0.5685，均为最低。表明该年园区的地表裸露程度相对严重，地表温度相对较高；植被长势较差、覆盖度最低，湿度最低。2009 年的NDVI、NDSI、Wet均低于2018 年对应指标的值，仅LST相对较高。四个指数相互关联，植被覆盖度低长势差导致水土涵养不足，地下水位下降、地表径流减小，同时地表裸露也导致了一定程度的干度和温度增高。

3.1.2 生态等级分布情况 为了更直观地观察园区生态环境变化，将RSEI值均分为五份[28]，0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0 分别代表生态优、良、中等、较差、差五个生态等级，并统计各个生态等级的总体占比情况（表2）。

表2 生态等级占比Table2 Ecological grade ratio

可以看出，2009 年生态优级面积占比远高于2014 年和2018 年，而生态等级为中等、较差和差的面积占比也均低于其余统计年，该年的总体生态环境质量最为优秀；2014 年生态优级占比较2009年显著降低，生态等级从优转良、中等、较差、差级明显，其整体状况较差；至2018 年，通过一系列修复和保护措施，园区的生态环境质量逐渐恢复。

图4 福州旗山国家森林公园生态等级分布图Fig.4 Ecological grade distribution of Fuzhou Qishan National Forest Park

图4 显示，2014 年较2009 年优级面积锐减，良级面积扩大，研究区出现了差级极端等级。部分地块恢复，如旗山景区北部地块的部分林地由中等转良、双峰景区西部地块的部分林地由差转优良。在其余两个统计年中，极端等级在各个景区出现的次数少且面积小，优级分布明显。

图5 福州旗山国家森林公园生态等级变化图Fig.5 Ecological grade change of Fuzhou Qishan National Forest Park

通过对三个时间点的生态等级分布的对比分析发现，在整体水平上，2009～2014 年生态环境质量状况变差明显，2014～2018 年稍有缓和。持续变差的地带主要分布在景区边缘和部分旅游景点周围，这部分受到人为干扰较强且存在边缘效应。持续变好或不变的部分体现了生态系统较强的稳定性，其景点密度较低，地形较为复杂，不容易受到人为干扰。由于长期服务大众，园区内设施年久失修，存在安全隐患，另外游客旅游活动过程中一些踩踏、攀爬、随手抛物的行为，对园区生态环境造成一定破坏；且由于林场的特质，植被覆盖减少，导致2014 年森林公园的生态环境质量降低。因此园区于2014 年进行闭园修复，可以发现2014 年以后森林公园总体生态环境质量逐渐恢复。

总体来看福州旗山国家森林公园开发程度不高，旅游容量有限，自然生态系统的稳定性较高、修复能力较强。林业生产砍伐和森林病虫害的恢复性砍伐活动易导致生态等级突变，植被覆盖度降低、地表裸露，随之生态稳定性降低。如旗山工区北部、五峰里工区南部、双峰工区中西部及龙泉工区南部，有森林砍伐迹象，对应生态等级为差级，且影响到周边一定范围的生态环境质量。另外随着森林公园的建设——乡村修建、交通设施和游憩设施的建设，占用了一部分林地、耕地，增加不透水面，以上不可逆行为导致整体生态环境变差。

3.2 不同功能分区生态环境质量变化

图6 森林公园功能分区Fig.6 Forest park function division

根据游客活动空间分布，将森林公园环境划分为综合环境区域与自然环境区域。综合环境区域是以旅游景点、服务设施在内的区域范围：旗山景区中的旗山工区南部、五峰里工区，双峰景区中的双峰工区，福厝岭景区（工区）北部。双峰工区拥有双峰村、大王庙、瀑布水景等景观资源，已建设有较为完善的旅游服务设施，是游客数量最多和停留时间最长的主要区域，该区域中部地势平坦且适宜建设，景观节点与道路的分布增加了不透水面和裸土的面积，再加上旅游行为聚集，生态相对脆弱。区域周围地形起伏，有一定距离的生态缓冲地带，不良影响的范围未有扩大趋势，但其自身基础较差，恢复相对困难。五峰里工区则以旗山森林温泉度假村及旗山森林人家为主要服务范围，该区域靠近村落，地势相对平坦，受到外界干扰较多，使得整个工区范围内的生态环境质量变化动荡。

自然环境区域以林区为主，未有建设景点和服务设施。该区域生态环境质量容易受到自然灾害影响，如土壤、水质问题导致的森林生长质量降低，病虫害使植被覆盖面积减少；另外木材生产时的砍伐也增加了土地裸露程度。该区域的生态环境质量随着森林生长的周期变化而变化，较易恢复，如双峰景区（双峰工区）西南部、旗山景区中部的王庙工区、福厝岭景区南部的龙泉工区，森林植被恢复后生态环境质量恢复。

3.3 不同景点类型对生态环境质量的影响

旅游活动的干扰是森林公园生态环境质量受到挑战的主要原因。旅游资源被开发利用，人文景点与自然景点被组织成为不同旅游区域，在空间分布上具有一定特征。旅游景点聚集度越高，局部区域内的游客聚集人数越高，需要设计的旅游容量越多。在此规律下，设计增加建设或辅助建设内容来支撑游客量，对周围生态环境质量的影响也会进一步扩大。生态环境质量变化过程复杂，受到影响因素共同作用，在旅游景点一定缓冲区范围内更易受到人为干扰。通过对人文景点与自然景点的核密度分析，发现同类型景点下的聚集度越大，其影响程度越大、范围也越大。在不同类型景点的对比中，人文景点的影响程度与影响范围均大于自然景点。

图7 双峰景区不同类型景点影响分析图Fig.7 Different types of scenic spots impact analysis in Shuangfeng Scenic Area

为估测人文景点与自然景点的影响范围，考虑到地形阻力，取60 m 作为景点缓冲区基本单位（人步行的速度约为1 m/s，一分钟约行进60～100 m），结合核密度与生态环境质量等级分析，得到人文景点的影响范围约为240 m，自然景点的影响范围约为60～180 m（图7 以双峰景区为例）。人文景点以人工建筑为主，其多集中于地势平坦的适宜建设地带，游人活动也更加自由多向。自然景点多分布于地形复杂地带，除景点自身建设带来的生态影响之外，游人活动范围受限，降低了生态环境的受影响范围。双峰景区中部人文景点较为密集，应当丰富旅游活动内容，适当减少建设，加大环境保护力度。

森林公园旅游设施在满足合理的游客容量的前提下，增加适量户外活动、环境教育内容。打造生态旅游产品，将会有效控制不可逆的环境影响。现今南屿国有林场（福州旗山国家森林公园）的目标已经从利用森林获取经济利益向保护森林提供生态服务转变，改善生态和民生[29]，更需要提高生态环境保护效力，从管理、规划到专业人才引进、培养，从景区生态建设到生态旅游产品开发都应当重视起来。

4 结论

（1）遥感生态指数很好地体现了研究区的生态变化情况，其中在四个指标的测算中，绿度NDVI和湿度Wet对生态有着积极的影响，而干度NDSI和温度LST反之。2009 年、2014 年、2018 年的RSEI均值分别为0.1889、0.2516、0.2281，体现森林公园总体生态环境质量的变化形势，按等级分析可直观对比区域生态环境质量情况，其变化情况与实际变化趋势相符合，是遥感技术在风景园林意义中、生态文明背景下的实践体现。

（2）综合环境区域中的硬化面积与缺失的植被，导致其生态环境质量基础比自然环境区域差，且恢复难度较大。自然环境区域保持自然生长状态，但林业生产与森林病虫害对其有着直接影响。在森林公园建设中，应当更多使用环保材料，且注意控制开发规模，服务大众的同时保护好原有的自然要素，保持生态环境的高质量发展。

（3）自然生态环境受到景点建设、游客活动的干扰明显。且由于不同景点类型的分布，自然生态环境受到的影响也存在叠加现象。自然景点由于地势山形的原因对其周边生态环境质量的影响较小，影响范围约为60～180 m；人文景点的影响范围约为240 m。森林公园在景点布置时，对旅游资源适当开发、在合理范围内布置能够有效减少对生态环境的影响。

优良的生态环境是森林公园存在的前提条件，城郊型森林公园亦是人工与自然的完美结合，发挥着重要的生态作用，需要注重生态保护原则，深化生态旅游内容，可开展环境教育，加深旅游意义。城郊型森林公园应当保证生态环境质量，保护、利用好森林这一资源，推动自然和谐相处的城市生态建设格局。