基于遥感生态指数(RSEI)的泰安市生态环境质量评价*

胡 晓，朱元娇，明安远，马榆杰

(1.山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271018；3.北京北建大科技有限公司， 北京 100044;4.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059)

生态环境为人类提供生存的资源与空间，良好的生态环境是人类发展的重要保证，然而城市化进程的加快，使得土地在各个方面的应用日益多样化，导致生态环境问题不断加剧，如土地荒漠化、水体污染、大气污染、生物多样性破坏等一系列问题严重影响到人类赖以生存的自然环境。

中国的污染情况严重，全世界污染最严重的城市大部分都属于中国，生态环境堪忧，值得人们重视[1]。国外对生态环境质量评价的研究早在上个世纪50年代就开始进行了，Doxiadis等[2]提出“人居环境科学”；Grossman G等[3]应用定量评价对多个城市之间的联系作了研究，这些城市具有不同发展方向和生态质量并根据统计创建了环境库兹涅茨曲线假设；2006年Zurlini G[4]建立了城市生态评价体系，该体系对生存资料、城市发展、社会环境三个方面进行了研究；2007年Mafull[5]提出了城市可持续发展的建议，并对生态环境进行动态监测，选用GIS对自然环境、生物生存以及功能作用三个方面进行综合分析评价。

我国对生态评价方面的研究从上个世纪80年代开始，并慢慢把重心转向了对生态环境质量进行定型化和定量化的评价，但我国缺少生态环境质量基准方面的研究。此后叶亚平[6]、徐涵秋[7]、毛文永[8]等分别运用不同生态指标来评价生态环境质量。

因此，本文以遥感影像为数据源，利用遥感生态指数分析泰安市的生态环境质量并预测变化趋势，为泰安市生态环境建设提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泰安市位于山东省中部地区，处于泰山南部，介于东经116°20′～117°59′，北纬35°38′～36°28′之间，具有自东北向西南倾斜的陡峭地势。泰安市属于温带大陆性半湿润季风气候区，季节有着明显变化。

1.2 数据来源及预处理

本文选用2006年5月2日Landsat5 TM影像、2013年5月21日和2018年5月3日Landsat8 OLI影像共三期影像，空间分辨率均为30 m。因影像获取的时间相近，云量较少，所以植被生长状况大致相似，一定程度上保证了实验的可比性，避免了因为时间差异导致的地物变化。采用ENVI对影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、裁剪等预处理。

1.3 基于遥感数据的生态环境指数(RSEI)

在生态环境中绿度，湿度，干度，热度与人类息息相关，可以从这四个指标中直观地判断出生态环境的优劣程度。徐涵秋[9]根据这四个指标合成了一个新型生态环境指数用来评价生态环境质量，该指数运用主成分分析法使对不同的区域进行评价时四个指标有着不同的权重，比EI指数固定权重的加权平均法要更准确一点。

RSEI可以用这4个指标函数表示，见式(1)。

RSEI=(NDVI,WET,LST,NDBSI)

(1)

式中，NDVI代表绿度指标；WET代表湿度指标；LST代表热度指标；NDBSI代表干度指标。

1.3.1 绿度指标

归一化差值植被指数(NDVI)应用最广泛的植被指数，与植物生物量、叶面积指数以及植被覆盖度都有密切的关系，选用NDVI来代表绿度指标，见式(2)。

(2)

1.3.2 湿度指标

湿度指标与植被和土壤的湿度紧密相关，通过缨帽变换分别提取植被和土壤的湿度[10]。本研究采用WET来表示湿度指标，不同数据源的表达公式不同，TM数据和OLI数据的表达式分别见式(3)、式(4)。

WET=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred

+0.159 4ρnir-0.670 6ρmir1-0.610 9ρmir2

(3)

WET=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred

+0.340 7ρnir-0.7117ρmir1-0.455 9ρmir2

(4)

1.3.3 干度指标

研究区域内有大量的建筑用地和裸露的土壤，二者都是引起地表干化的主要原因，因此单一的遥感指数不能得到研究区地表干度状况的准确信息。本研究采用NDBSI来表示干度指标[11]，NDBSI由建筑指数IBI和裸土指数SI构成[12]，见式(5)。

NDBSI=(IBI+SI)/2

(5)

式中，建筑指数IBI和裸土指数SI的表达式分别见式(6)和式(7)。

(6)

(7)

1.3.4 热度指标

本研究利用Landsat5和Landsat8 遥感影像数据的热红外波段反演地表温度。首先对大气对地表热辐射的影响进行估计，然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去，从而得到地表热辐射强度，再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度(LST)。本研究采用地表温度来表示热度指标，采用大气校正法来进行地表温度反演[13]，计算见式(8)。

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(8)

式中，TS为地表真实温度，τ为大气在热红外波段透过率，B(TS)为黑体热辐射亮度，ε为地表比辐射率。温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)表达式见式(9)。

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]τε

(9)

TS可以用普朗克式(10)获取。

(10)

对于TM：

K1=607.76W/(m2*um*sr),K2=1 260.56K

对于OLI：

K1=774.89W/(m2*um*sr),K2=1 321.08K

1.3.5 主成分分析

四个指标提取完成后，通过主成分分析(PCA)对各个指标进行线性变换，主成分分析根据各项指标的贡献度自动确定权重，避免了人为因素带来的偏差，使结果更加精确[14]。表1是泰安市3个年份4个指标的主成分分析。从表1中可以看出，第一主成分(PC1)具有以下特征：(1)三期影像中PC1的特征值贡献率都超过了80%，远远大于其余三个成分，说明PC1中包含了4个指标的大部分信息。(2)且表中PC1部分，干度指标和热度指标皆小于0，说明它们对生态环境起负面影响，会使生态环境恶化；而绿度指标和湿度指标皆大于0，说明二者对生态环境起优化作用。因此，较之于其它几个分量，PC1的优势明显，可用于创建生态指数。

由于式(2)～式(8)计算的4个指标的量纲不统一，如果直接用其计算PCA，会导致各指标的权重失衡，因此进行主成分分析前应首先对这些指标进行正规化，将它们的量纲统一到[0,1]之间，然后再计算PCA。各指标正规化的公式为式(11)：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(11)

式中，NIi为正规化后的某一指标值，Ii为该指标在象元i的值，Imax为该指标的最大值，Imin为该指标的最小值。

经过正规化后的4个指标就可以用于计算PC1，为使PC1较大的数值代表较优的生态环境状况，可进一步用1减去PC1，来获得初始的生态指数RSEI0，计算公式见式(12)。

RESI0=1-{PC1[f(NDVI,WET,LST,NDBSI)]}

(12)

为了方便多幅影像生态环境指数之间进行对比，可用式(13)对RSEI0进行正规化。

RSEI=(RSEI0-RESEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min

(13)

求出的值越接近1，代表泰安市的生态质量越好，反之代表生态质量越差。

表1 各指标主成分分析

2 结果与分析

2.1 生态环境质量指数RSEI计算结果

各期RSEI值见表2，从表中可以看出，2006年、2013年、2018年生态指数均值分别为0.461，0.450，0.404，呈现逐年减弱的趋势，但减弱的幅度不大，从图1中可以看出城市和裸地的生态环境指数一直偏低，农田等植被覆盖度高的地区生态环境指数高；左下角生态环境一直良好，但呈现逐年恶化的趋势，北部泰山有明显的改善；右下角RSEI值普遍偏低，生态环境质量低下，结合泰安市遥感影像可以清晰的看出存在大面积裸地，与实际相符。因为湿度指标和绿度指标对环境的改善作用没有干度指标和热度指标对环境的恶化程度大，所以总的来看泰安市生态环境质量呈现减弱的趋势。

2.2 生态环境质量指数RSEI动态分析

参考《生态环境状况评价技术规范》[15]对RSEI动态变化进行分级，分为无明显变化，略微变化，明显变化，显著变化四级(见表3)。

从表2可知泰安市2006年、2013年和2018年RSEI均值分别为0.461、0.450、0.404。根据表3可以求得前七年RSEI降低了0.011，生态环境无明显变化，最近五年RSEI降低了为0.046，生态环境略微变差。从总体上看泰安市生态环境略微变差，但有继续恶化的趋势，这就要求在生态环境保卫战上不能掉以轻心，要时刻注意保护生态环境。

图1 各期遥感影像RSEI分布图

表3 生态环境质量变化分级表

3 结 论

本文以泰安市为研究对象，选取2006年Landsat5 TM数据，2013年和2018年Landsat8 OLI数据，利用ENVI 5.3对绿度，干度，热度，湿度进行提取，用主成分分析进行遥感生态指数RSEI的构建，用ArcGIS 10.2来制图分析，结合各期统计数据来综合评价泰安市生态环境质量。

通过研究可以得出，泰安市生态环境质量逐年下降，但变化幅度不明显。城市和城市外围有着大量生态环境质量偏低的区域，导致了泰安市整体生态环境质量偏差；2006～2013年泰山区域生态环境质量明显的增高，而2013～2018年山区域生态环境质量略微下降；从2006～2018年东平湖生态环境质量正逐渐升高，农田区域生态环境质量逐年减弱，新泰市生态环境质量一直处于偏低状态，需要积极进行生态环境的治理。