基于RS和GIS的阳城县生态环境质量评价

张晨硕 薛文辉 化馨悦 张杰 何耐

摘要：进行旅游区域的生态环境质量评价，对于旅游地的可持续发展是至关重要的。文章基于RS与GIS相关技术，以Landsat4、Landsat5和Landsat8的卫星数据作为数据源，利用主成分分析法，通过计算得到RSEI遥感生态指数，定量分析了山西省晋城市阳城县的生态环境质量，并根据研究区的特点，对当地的生态环境质量进行评价并提出整改建议。结果表明：从2005-2016年阳城县生态环境质量有所改善，北部地区由于矿产资源丰富导致RSEI遥感生态指数偏低，南部地区生态环境质量较好。

关键词：生态环境质量评价;主成分分析;RSEI遥感生态指数; 阳城县

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）11-00-06

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.007

Evaluation of ecological environment quality in Yangcheng county based on RS and GIS

Zhang Chenshuo，Xue Wenhui，Hua Xinyue，Zhang Jie，He Nai

（School of Geographical Sciences， Shanxi Normal University，Linfen Shanxi 041000，China）

Abstract：The ecological environment quality evaluation of the tourism region is very important for the sustainable development of the tourism region. Based on RS and GIS technology to Landsat4， Landsat5 and Landsat8 satellite data as data sources， using principal component analysis （pca）， RSEI remote sensing is obtained by computing the ecological index， quantitative analysis of the jincheng in shanxi yangcheng county ecological environment quality， and according to the characteristics of study area， to evaluate the quality of the local ecological environment and improvement Suggestions are put forward. The results show that the ecological environment quality of yangcheng county has been improved from 2005 to 2016， the RSEI remote sensing ecological index in the northern region is low due to the rich mineral resources， and the ecological environment quality in the southern region is better.

Key words：Ecological environment quality evaluation;Principal component analysis;RSEI remote sensing ecological index;Yangcheng county

对于生态环境质量评价，国内外通常以大尺度、大范围的区域为研究对象，大都以可持续发展为基本原则进行研究。在相关内容方面，国外的研究主要集中在各专题或者某典型区域的问题分析，比如水环境、土壤环境等方面的分析;而对于我国来说，虽然此方面的研究起步稍晚，但在国家的鼓励支持下迅速发展，以基础和应用研究、工程技术、政策指导和行业技术指导等为导向，体现出服务于经济发展、注重实践和方法创新的特色[1]。

作为一煤独大的山西，要改变增长路径依赖，实现可持续发展，必须以“四个转型”为指引。实现资源型地区经济转型发展，形成产业多元支撑的结构格局，是山西经济发展需要深入思考和突破的重大课题。所以，旅游产业的发展势在必行，而如今游客更加注重旅游地的生态环境，对生态环境进行质量评价，为维持和提高旅游地生态环境提供科学依据。皇城相府作为经济转型的成功案例，生态农业区是其发展的新旅游项目，同时也是发展的增长点，景区周边环境以及优劣直接会影响到景区的持续发展，因此，我们选取皇城相府所在地阳城县作为研究区域， 对其进行旅游質量生态评价。

1 研究区概况

阳城县位于山西省东南部的晋城市境内，地处112°～112°37'E， 35°12'～35°40'N，其地理位置如图1所示。阳城县属于温带季风气候区，四季分明，东临太行山脉，境内有沁河流经，中、东部地势较为平坦，而南部较为陡峭。阳城县以煤炭产业为支撑，有多个工业园区，且境内拥有多个知名旅游风景区，在未来经济发展方面具有较大的潜力。尽管阳城县在旅游生态建设方面做了大量的工作，但与国内外先进城市相比仍有很大方面的差距，煤炭产业对旅游环境的影响依旧十分严重[2]。因此，改善阳城县旅游生态环境，任重而道远。

2 阳城县生态环境质量评价原理及方法

2.1 生态环境质量评价原理及分级

2.1.1 生态环境质量评价原理

生态环境质量是指与人类有关的自然资源及人类赖以生存的环境的优劣程度，它包括自然资源和整个环境的各种因素。它以生态学理论为基础，在特定的时间和空间范围内，从生态系统层次上，反映生态环境对人类生存及社会经济持续发展的适宜程度，是根据人类的具体要求对生态环境的性质及变化状态的结果进行评定[3]。

2.1.2 生态环境质量分级

依据《生态环境状况评价技术规范》[4]中的分级方法，可以将传统EI指数[5]，即生态环境质量分为5级，即：优、良、一般、较差和差。其具体描述如表1所示。

描述 植被覆盖度高，生物多样性丰富，生态系统稳定 植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，适合人类生活 植被覆盖度中等，生物多样性一般水平，较适合人生活的制约性因子出现 植被覆盖较差，严重干旱少雨，物种较少，存在着明显限制人类生活的因素 条件较恶劣，人类生活受到限制

2.2 生态环境质量评价方法

生态环境质量评价包括主要有相关分析法、综合评价法、绝对指标法（或相对指标法）、主成分分析法等多种方法[6]。主成分分析法的使用使得生态环境质量评价受个人主观影响减小，从而提高了本次研究的准确度和可信性。因此，本研究选择主成分分析法来对阳城县进行生态环境质量评价。

2.2.1 主成分分析的基本原理

主成分分析其实就是数学上用来降维的一种方法，其本质就是将原来的几组变量重新组合成一组新的，且互相无关的几个综合变量，然后从中提取出一个或者几个相对较少的综合变量来尽可能多的反映代表原有的信息，称这样的统计方法叫主成分分析。

在一些问题中，主成分分析其主要是针对数量较多且具有一定的相关性的变量，然后通过一些合理的数学变换，将原有的众多变量变换为数量少且互不相关的综合变量。从而使其变为数量个数较少，包含了很多信息的综合变量，可以用来代替原有的变量信息。

2.2.2 主成分分析法的应用

在实际应用过程中，主成分分析被广泛应用，它常常被用于建立系统评估指数方面，被称为一种新型的系统评估方法。本次研究也采用了主成分分析法，对所求得的四大指数，进行归一化处理以后，合成各指标，对其进行主成分分析，得到主成分分量。各主成分量包含了原来四大指标的绝大部分信息，然后根据各指标对主成分分量的贡献率大小，选取主成分分量。这种办法在一定程度上避免了因为人为的主观因素，从而造成选取指标集成的差异，影响了结果。

2.3 RSEI遥感生态指数

本研究采用的RSEI指数是通过绿度、湿度、热度、干度这4个自然指标所构建的一种新型遥感生态指数。在众多用于评价生态环境的因素当中，这4个因素与人类生活密切相关且可以通过遥感影像数据获取，这有利于我们快速准确地搜集数据和精准直观地分析所需地区生态环境质量。具体指标的构建如下。

2.3.1 湿度指标（wet）

遥感缨帽所获得的亮度、绿度、湿度分量已被广泛地应用在生態环境监测中。本研究的湿度指标以这一湿度分量为代表，湿度分量可以很好地反映水体、土壤、植被的湿度状况，与土壤退化等生态环境变化密切相关[7]。

2.3.2 绿度指标（NVDI）

NDVI是用于检测植物生长状况、植被覆盖度、叶面积指数等植被生化物理性质的重要指标[8]。因为NDVI绿度指标常常被用于研究遥感图像的植被方面[9]，所以本研究选取了NDVI代表绿度指标。

2.3.3 热度指标（LST）

热度指标在中国生态环境监测中迄今为止还未引起其应有的重视，本研究以LST来代表热度指标，充分考虑了温度变化对生态环境状况的反应[10]。

2.3.4 干度指标（NDSI）

随着人类不当活动的干扰和城市化的建设，裸地和建筑不透水面逐步取代地表原有自然生态系统，致使地球表面“干化”，生态环境质量恶化[11]。建筑指数（IBI）可以对建设用地进行较好的表达，而土壤指数（SI）可以对裸地状况进行很好的表现。为了充分考虑这两个指数对生态环境质量状态的表达，本次研究，我们选取了两者的平均值来代表干度指数（NDSI）。

2.4 研究技术路线

本实验借助软件ENVI5.1和arcGIS10.5，先获取数据影像，对其进行预处理工作，之后进行四大指标的计算，归一化处理以后，对其进行合成，然后进行主成分分析，得出结果后再次进行归一化处理，从而得出阳城县所需的数据影像，并对其进行数据分析得出结果。研究技术路线如图2。

3 阳城县遥感生态指数体系建立

3.1 阳城县生态环境质量指标的计算结果

本研究选取湿度指标、绿度指标、干度指标和热度指标来构建生态环境质量指标RESI[12]，通过对2005年、2010年和2016年三期遥感影像数据[13]借助ENVI5.1处理软件计算得出湿度指标、绿度指标、干度指标和热度指标。

3.1.1 湿度指标计算结果

表2为阳城县各期遥感数据湿度指标（Wet）计算结果统计表。表中显示了2005年、2010年和2016年三期结果，包括最小值、最大值、均值和标准差。其中，各期NDVI值均经过了正规化处理，范围为[0，1]，最大值均为1.000000，最小值均为0.000000。从表中可以看出2005年、2010年和2016年的湿度指标均值分别为0.553405、0.544652和0.644970。由此可以看出，2005-2016年期间，阳城县湿度指标Wet，先略微下降后在上升，整体呈现出上升趋势。

图3为阳城县3期的湿度指标Wet分布图，图中蓝色部分表示湿度指数偏高，红色表示湿度指数偏低。从图中可以看出，阳城县西南部地区的湿度指数在2005-2016年期间得到了明显的增加，这可能是与当地政府对山西蟒河自然保护区进行了合理的保护有关。阳城县北部地区的湿度指数在这11年内也呈现出缓慢上升的趋势，但总体指数仍然偏低。

3.1.2 绿度指标计算结果

表3为阳城县各期遥感数据绿度指标（NDVI）计算结果统计表。表中显示了2005年、2010年和2016年三期NDVI结果，包括最小值、最大值、均值和标准差。其中，各期NDVI值均经过了正规化处理，范围为[0，1]，最大值均为1.000000，最小值均为0.000000。2005年、2010年和2016年的NDVI均值分别为0.535692、0.660315、0.620538，由此可以看出，阳城县的NDVI值先上升后下降，但从整体上来看，2005—2016年NDVI数值呈现出上升的趋势。

查找相关资料得出，阳城县NDVI绿度指数的增加与当地政府的相关政策有关。晋城市人民政府颁布过《晋城市1999-2010年生态林业建设规划纲要》的通知。阳城县政府特别关心生态林业的建设，并为此提出过两个实施阶段。其中第一阶段是1999-2000年期间，在1998年基础上全市完成造林41万亩，新增林地20万亩，新增生态园林绿化村300个;第二阶段是2001-2010年的后10年，新增林地面积80万亩，新增生态园林绿化村1 200个。由此可以看出，阳城县NDVI指数的增加与政府的积极政策有很大的关系。

图4为阳城县各期的绿度指标NDVI分布图，图中绿色部分表示绿度指数偏高，红色表示绿度指数偏低。从图中可以看出，阳城县西南部地区的绿度指数较高，也可以说是该地区的植被覆盖度较高。阳城县东北部地区的植被覆盖度偏低，但2016年的植被覆盖相比于2005年，得到了一定程度上的改善，这可能是和政府的生态林业建设有很大的关系。

3.1.3 干度指标计算结果

表4为阳城县各期遥感数据干度指标（NDSI）计算结果统计表。其中，干度指标是由建筑指数（IBI）和裸土指数（SI）合成以后得到的。表中显示了2005年、2010年和2016年三期NDSI结果，包括最小值、最大值、均值和标准差。其中，各期NDVI值均经过了正规化处理，范围为[0，1]，最大值均为1.000000，最小值均为0.000000。2005年、2010年和2016年的NDSI均值分别为0.481506、0.504811、0.482087，由此可以看出，2005-2016年，阳城县的干度指标NDSI大体呈现出先增长，后下降的趋势。2016年相比于2005年，NDSI变化不大。

图5为阳城县各期的干度指标NDSI分布图，图中红色部分表示干度指数偏高，蓝色表示干度指数偏低。从图中可以明显看出，北部地区的干度指数在2005-2016年大幅增加;而南部地区明显下降，2016年的蓝色部分比2005年和2010年更明显，说明干度指数下降了，这可能与该地区植被覆盖度的增加有关。

3.1.4 热度指标计算结果

表5为阳城县各期遥感数据热度指标（LST）计算结果统计表。表中记录了2005年、2010年和2016年三期的LST热度指标结果，包括最小值、最大值、均值和标准差。从表中可以看出2005年、2010年和2016年的LST均值分別为22.667290、17.309317、24.663249。查询阳城县9月份的温度资料，可得出，阳城县9月份的平均气温在14～24℃之间，白天平均24℃，夜间平均14℃，计算得出的结果均在理想范围内。从整体来看，2016年9月份比2005年9月份的平均温度高，这可能与阳城县人口的不断增长和城市建设的快速发展有关。

图6为阳城县各期热度指标LST分布图。图中红色区域表示高温地区，主要分布在北部的工业园区和人口集中的城区。而温度较低的绿色、黄色区域，主要在南部，为山西国家级蟒河自然保护区。

3.2 主成分分析及RSEI指数计算

利用ENVI5.1软件，进行主成分分析变换，合成新型生态环境质量指数RSEI。表6为各指标主成分分析表，从表中可以看出，经过主成分分析变换以后，第一主成分和第二主成分包括了所研究的，4个指标的绝大部分相关信息。2005年、2010年和2016年的第一主成分分别包含了69.46%、79.78%和85.67%的相关信息，说明三期的第一主成分包含了4个指标的大部分信息，可以用合成的第一主成分来代替原来的4个指标信息，并以此合成RSEI，对其进行生态环境质量分析。

表7为阳城县2005年、2010年和2016年的RSEI指数，通过该指数，我们可以大致了解阳城县2005-2016年这11年之间的生态环境变化情况。该表为RESI各期的最大值、最小值、均值和标准差，且都进行了标准化处理，取值区间都为[0，1]，最大值都为1.000000，最小值都为0.000000。2005年RSEI值为0.510785，2010年RSEI值为0.528062，2016年RSEI值为0.568492。从研究结果来看，2005-2016年期间，这11年阳城县的生态环境质量指数RSEI呈现出上升趋势，说明阳城县的生态环境质量得到了改善。

3.3 生态环境质量分级

在完成RSEI指数计算后，为了更好地体现阳城县生态环境质量状况以及在2005—2016年发生的变化，我们选择依据《生态环境状况评价技术规范》[14]以及徐涵秋在《城市遥感生态指数的创建及应用》[5]中的分级方法，将RSEI指数分为5个等级，即：优、良、一般、较差和差。具体情况如表8所示。

4 阳城县生态环境质量变化分析

在经过对各时期RSEI指数计算以及统计后，我们制作出了2005-2016年分级RSEI指数分布图（图7）。

4.1 阳城县生态环境质量空间变化分析

从空间上看，阳城县在2005年、2010年、2016年生态环境质量评为“优”“良”的区域主要集中在阳城县南部，通过观察地形图以及图7可知其主要原因是南部海拔较高，地形较复杂，因此，不太适合人类生活及工业发展。而且此地区处于山西蟒河自然保护区，由于人为保护以及政策支持下，该地区植被覆盖度高，生物多样性指数较高，因此，该区域生态环境受人类影响较小，生态环境质量RSEI指数高。

而阳城县RSEI指数等级处于“差” “较差”的区域主要集中在中北部，这是由于地形较平坦，适宜人类生产生活，所以在人口聚集和不断增加的情况下，城市建筑用地和工业用地所占面积较大，从而导致植被覆盖度及湿度指标较低，使得生态环境状况较差。从图中我们可以看到，在阳城县东部有大面积生态环境质量差的区域，这可能与该地交通便利和煤化工产业在此布局有关。它处于晋运高速和陵沁线旁，是处于晋城至侯马经济走廊的重要位置，而皇城相府等旅游地又为此地提供了较多的人流物流，从而使得该地人口聚集，人类活动频繁，生态环境变差。

4.2 阳城县生态环境质量时间变化分析

从时间上看，2005～2010年RSEI等级为差与较差所占面积百分比由28.80%变为29.8%，变化较小。但从图7各期图像对比可知生态环境退化的地区则主要分布在阳城县县城以及交通便利区域，说明城市建设和交通设施对生态环境质量的影响较大。

从表9可以看出，2010～2016年阳城县生态环境质量变好区域占比为32.74%远远大于11.52%的质量下降区域，且质量上升区域多在国家级蟒河自然保护区及其范围。而在2011年国家发布的《国家环境保护“十二五”规划》中提到要提升自然保护区建设与监管水平，开展自然保护区基础调查与评估，统筹完善全国自然保护区发展规划;加强自然保护区建设和管理，严格控制自然保护区范围和功能分区的调整，严格限制涉及自然保护区的开发建设活动，规范自然保护区内土地和海域管理，加强国家级自然保护区规范化建设[15]。在此我们可以看出，《国家环境保护“十二五”规划》对环境保护与治理的明显作用。

从表10不难看出，2005～2016年间，RSEI指数0～0.6所占的面积比例从65.47%下降到51.52%，而RSEI指数0.6～1所占的比例则从34.53%上升到了48.48%。这说明阳城县总体生态质量得到了较大改善。通过查询2008～2020阳城县城市规划可以看出：阳城县政府在注重城市发展的同时，也注重生态环境的保护，并且做到了生态优先、保护优先、开发有序的原则，加强了对山体、水体、植被等自然资源的保护与管制，创造了良好的城市生态环境。

虽然总体趋势向好，但我们也应当看到：城镇、工业区、交通要道等区域生态环境质量是一直呈现出下降趋势的。所以，我们应当思考如何处理好城市与植被、水体、生物之间的关系，如何在发展的同时建设绿色城市，或者说如何在城市中提高植被覆盖率。

5 结论及建议

5.1 研究结论

本研究以阳城县为研究对象，分别选取了2005年、2010年两期Landsat5TM影像和2016年一期Landsat8OLI影像。分别计算四大指标，通过主成分分析法构建生态环境质量评价指数RSEI，并对其进行分级，制作了RSEI分级图。还利用了差值法，计算得到了各期遥感数据RSEI计算结果变化分级表，结合分析结果，给阳城县旅游生态环境质量提供参考建议。

本研究主要研究结论如下：

（1）通过对阳城县2005年、2010年和2016年的RSEI指数计算，可以得出RSEI指数分别为0.510785、0.528062、0.568492。研究结果表明：2005-2016年间，阳城县的生态环境质量指数RSEI呈现出上升趋势，说明阳城县的生态环境质量得到了改善。

（2）经调查，阳城县蕴藏着丰富的矿产资源，种类多，分布广。煤炭资源主要分布于北留——固隆一线以北地区，所以由此可知，北部地区绿度指标、湿度指标偏低，干度、热度指标偏高，很有可能是因为矿产资源的过度开采造成的。

（3）从遥感生态指数RSEI的总体变化趋势来说，生态环境变好的区域主要集中在南部地区，而南部地区有国家级蟒河自然保护区，这得力于该地区的环境治理，及自然保护区建设与监管水平的提高。

5.2 建议

本文通过对阳城县的生态环境质量评价结果提出以下建议。

（1）经过各期数据的研究分析，我们发现，阳城县东部某地区，即北留镇南部、白桑乡东部地区的生态环境指数RSEI较低（绿度指标、湿度指标相对较低，干度指标、热度指标相对较高）。所以我们建议当地政府应当重视这两个区的生态建设，增加相应的植被面积，以改善当地生态环境。

（2）在开采煤炭资源的过程中，应该注重生态环境的保护及修复。建立生态工业园，增加工业区内绿地面积，大力改善北部地区植被覆盖度低的问题，使得经济发展与环境保护齐头并进。

（3）进行产业结构优化，大力发展旅游业等第三产业，使其成为旅游强县。加强旅游区环境监测，避免出现因过多客流而导致的环境退化。

（4）增加当地生态环境保护教育的宣传工作，加大对于环境保护的力度，不要过度采集煤炭资源，提倡大家保护自然资源，养成保护大自然的好习惯。

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收稿日期：2020-09-14

作者简介：张晨硕（1998-），男，山西师范大学地理科学学院地理信息科学专业在校本科生。