基于遥感的赣州市辖区自然生态环境评价

刘衍源 张德富 陈琳

摘 要 利用覆盖赣州市辖区的Landsat OLI遥感影像、DEM高程数据等数据， 运用遥感方法提取了反映自然生态环境质量的3项生态因子： 植被覆盖度指数，土壤指数，地形坡度，通过对3项生态因子归一化处理，运用较成熟的自然生态环境评价模型完成整个研究区的自然生态环境调查与评价过程。评价结果将研究区的自然环境质量划分为4个等级，数据上能够清楚地展现2013-2017年间赣州市辖区内自然生态环境的变化情况，结果表明该方法能够较有效地适用于研究区自然生态环境的评价。

关键词 遥感;赣州市辖区;生态环境评价;生态因子

引言

遥感（RS）作为地学研究中成熟且应用广泛的研究技术和方法，可以很好地从较大区域尺度上把握研究区地理环境的宏观性、整体性。基于遥感的自然生态环境调查与评价，主要是通过对具有代表性的生态环境因子进行遥感分析提取，对提取的因子进行归一化处理，从而达到定量及定性评价的目的。

诸多学者通过使用不同的评价方法和评价模型，将遥感技术应用于自然环境调查与研究。宋跃华等[1]以松嫩平原水土流失调查为例，运用RS和GIS技术调查松嫩平原水土流失状况;王振华等[2]将遥感和GIS相结合，以南水北调雅砻江工程区为例，对其进行自然生态环境评价，对其研究区自然生态环境质量做了等级划分;况润元等[3]运用遥感技术提取相关因子对1989-2009年近20年间的赣江源地区地表生态环境质量进行了对比评价。

本研究以覆盖赣州市辖区的Landsat 8 OLI遥感影像为数据源，并以赣州市辖区（含18县市）为研究区，通过提取植被覆盖度、土壤裸土植被指数、地形坡度等因子，进行自然生态环境评价，发现生态环境脆弱区和敏感区，为赣州的环境保护和生态环境建设政策的制定提供参考依据。

1研究区概况

赣州市位于江西南部，赣江上游。东与福建省三明市和龙岩市相邻，南邻广东省梅州市、韶关市，西接湖南省郴州市，北部为本省吉安市和抚州市。地处北纬24°29′～27°09′，东经113°54′～116°38′之间，全市总面积3.93万余平方千米，占江西总面积的23.6%。地形以低山、丘陵为主，占总面积的80.98%。本区地处亚热带季风气候区，并有江南宋城、红色故都、客家摇篮、世界橙乡、世界钨都、稀土王国等别称。

2数据来源

使用的研究数据主要包括两類：一类为Landsat8卫星OLI遥感影像数据，另一类为ASTER GDEM 30m分辨率数字高程数据，均来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn）。其中，OLI遥感影像数据考虑研究需要及截止到研究期间的数据可获取性，选取2013年12月、2017年12月各5景云量在0%～5%的遥感影像，影像分辨率为30m，采用通用横轴墨卡托投影（UTM），分带号50N，使用WGS-84大地椭球体。其他数据包括赣州市行政边界矢量数据、江西省政区图等。

数据预处理：对遥感影像的预处理步骤包括辐射定标、FLAASH大气校正、几何精校正、影像镶嵌等，最后利用赣州市行政边界矢量数据生成ROI（感兴趣区域）进行工程区裁剪，以上基于ENVI遥感数据处理平台;DEM数据的处理主要是图幅拼接、工程区裁剪（ArcGIS、ENVI平台）。

3生态环境评价

3.1 生态环境因子解译

选取植被、土壤、地形三个最基本的要素作为评价区域自然生态环境的三个生态因子，通过NDVI计算、波段运算、穗帽变换、坡度提取、密度分割等过程，提取了植被覆盖度、土壤指数及坡度三项指数作为评价的关键因子。

（1）植被覆盖度

植被覆盖度是指植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[4]，主要反映一个区域内植被生长和覆盖情况。归一化植被指数NDVI，是常用于反映土地覆盖植被状况的一种遥感指标，定义为近红外通道与可见光通道反射率之差与之和的商，即：

由于遥感影像不可避免地存在影像噪声，同时植被覆盖程度也在一定程度上会影响NDVI反应植被生长的灵敏性，因此一般使用李苗苗等在像元二分模型的基础上研究的用于计算植被覆盖度（VFC）的模型[5]：

其中，NDVImax和NDVImin分别表示区域内最大和最小的NDVI值。一般情况下，两者的取值为一定置信度范围内的最大值与最小值，根据多数学者的经验，一般取5%和95%置信区间的累计百分比对应的NDVI值作为区域内的最小和最大值。以2013年影像数据为例，经计算，两个值分别为：0.223529、0.858824。再利用ENVI平台波段运算（bandmath）做以下处理：

其中b1代表NDVI值，此表达式含义为，NDVI值小于0.223529的，VFC取值为0，NDVI值大于0.858824的，VFC取值为0，介于二者之间的，运用式（2）模型计算植被覆盖度。

（2）土壤指数

土壤指数是土壤中水、盐、气、温度和土壤类型等背景条件对植物适宜性的综合评价指标。本研究中土壤指数的生成采用前人常用的裸土植被指数（GRABS）计算模型：

其中，VI和BI分别为穗帽变换后的绿度指数和土壤亮度指数，二者可分别用来评价植被和裸土的行为，其中VI指数与不同植被覆盖有较大的相关性，而土壤亮度对植被指数有相当大的影响，承载了主要的裸土变化信息，因此由 BI和 VI线性组合构成的裸土植被指数能很好地反映土壤的裸露情况[6]。

（3）坡度生成

坡度是反映区域自然生态环境稳定性的重要指标之一，坡度越大，反映山体陡立，潜在的不稳定性越大。地形坡度的遥感解译，主要使用数字高程数据进行坡度提取。本次使用的数据为ASTER GDEM 30m分辨率数字高程数据，使用ENVI平台中地形模型中的坡度计算功能提取研究区坡度值。

3.2 生态因子归一化

由于评价指标确定之后，各指标的量纲不统一，没有可比性，故必须对参评的指标进行标准化处理[7]，以统一标准实现对生态环境质量的评价。生态环境因子的归一化，即是体现这种标准化思想，以各生态环境因子指标的量化分值体现对生态环境质量的贡献程度，按照它们对生态环境正向影响的大小，从低到高分为若干级，对环境质量贡献越大，其编码值越大，反之则越小。各个参评因子数据经过归一化处理后是一组介于1～10 之间反映其属性特征的数值（表1）。

3.3 生态环境评价

目前对于生态环境评价已有多种模型和方法，常用的方法主要有综合评价指数法和模糊评判法[8]，细分的方法有指数法与综合指数法、特尔斐法、景观生态学法、评分叠加法等。结合实际情况，本研究选择的模型为综合指数法：

其中E为生态环境综合评价结果，W是根据每个因子贡献量大致估算的权重，本研究中即为植被覆盖度、土壤指数和坡度的三个因子的权重，根据三者对生态环境影响贡献的大小，使用的权重值为：植被覆盖度W1=0.7，土壤指数W2=0.2，坡度W3=0.1，变量S为各因子归一化后的编码值。最后，对生态环境综合指数评价结果进行等级划分（综合评价指数1～4为差，4～6为中，6～9为良，9～10为优）、成图（图2）。

4结束语

对赣州市辖区内2013年、2017年两个不同时期的生态环境质量评价结果如图2、表3。从评价结果图上看，两个时期的评价结果呈现山区生态环境质量明显优于城镇区域的特点，但不同评价等级区域分布变化的总体差异不十分明显。其原因可能是两组遥感影像数据的时间跨度较小，而空间范围大，故地物信息的变化显得比较轻微，在这种大范围的成图上难以表现。从统计数据上则可以看出各评价等级区域的面积变化情况：①各评价等级区域面积在整个区域内有一定消长变化关系，但总体没有呈现剧烈变化。②区内生态环境评价等级对应的面积呈现“两头增加，中间减少”的变化。即评价为“差”的面积由2013年的4572.8051 km2增加到2017年的5156.7885 km2，2017年评价为“优”的面积也增长了2.91%;而中间部分评价结果为“中、良”区域的面积则从2013年的合计近60%的占比下降到2017年的合计约54%。

分析以上现象的原因，评价为“差”的面积增长应与期间进行的重大工程建设项目如兴赣高速公路、宁定高速公路、赣瑞龙铁路、昌赣高铁等，以及城镇化本身导致的土地利用扩张等因素相关。而居民生活水平的提高、农村地区电力基础设施的优化以及封山育林等政策的实施，改变了广大农村地区传统的向山要薪柴作为能源的生活方式，在较大程度上减少了林木植被的砍伐，利于以低山丘陵地形为主的赣州市辖区内的生态环境质量恢复。

从生态环境评价结果看，赣州市辖区内生态环境质量可以通过前述的方法、模型得到较好的定性、定量评价，与实际情况也是相符的，表明利用RS技术对赣州市辖区开展自然生态环境评价是可行的。本研究中由于选取的影像数据在时间跨度上还不够大，因此对比之下生态环境质量变化不十分明显，应考虑增加对更多时相的影像调查结果进行对比，以更加准确地把握其变化趋势。同时，还应结合实地数据进行比对，以获取更为准确的调查评价结果。

参考文献

[1] 宋跃华，左爱国，宋子萱.GIS和RS在生态地质环境调查中的应用——以松嫩平原水土流失调查为例[J].水利科技与经济，2007（7）：507-509.

[2] 王振华，马海州，周篤珺，等.Rs和Gis支持下的自然生态环境评价——以南水北调雅砻江工程区为例[J].盐湖研究，2007，15（1）：1-4.

[3] 况润元，罗卫，张萌，等.基于遥感的赣江源地区地表生态环境评价[J].江西理工大学学报，2014，35（5）：34-39.

[4] 周国林，袁正科.常用林业技术术语[M].长沙：湖南科学技术出版社，1982：72.

[5] 李苗苗，吴炳方，颜长珍，等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算[J].资源科学，2004（4）：153-159.

[6] 张源，张文博.京港澳高速长潭段路域生态环境质量遥感评价[J].黑龙江科技信息，2013（9）：16.

[7] 叶亚平，刘鲁君.中国省域生态环境质量评价指标体系研究[J].环境科学研究，2000（3）：33-36.

[8] 毕晓丽，洪伟.生态环境综合评价方法的研究进展[J].农业系统科学与综合研究，2001（2）：122-124.