典型入海口海岸带生态环境质量遥感评价研究——以宝山区为例

范小安，王金辉，徐美娜，邓艳芬

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2.自然资源部 东海局，上海 201306；3.自然资源部 东海海洋环境调查勘察中心，上海 201306)

0 引言

随着滨江、滨海城市相继建立，入海口海岸带区域人口急剧聚集，高强度的经济开发活动日益增多，在产生社会经济效益的同时，也给海岸带资源造成了严重损失，甚至影响到生态环境及其生态服务功能[1]。正确衡量入海口海岸带生态环境质量，可以为政府决策提供理论支持，实现入海口海岸带环境、城市经济和社会的可持续发展[2]。

生态环境质量评价通常以若干个生态环境状况因子为基础，确定各个因子的贡献度来建立评价体系，如自然因素中的气候、土壤、生物多样性、植被覆盖等，社会因素中的绿化水平、人口数量、污染排放、人均GDP等，许多学者选择其中一部分因子建立生态环境综合评价体系[3-8]。值得注意的是，土地利用类型对生态环境质量的影响较高，是使用最为广泛的评价指标[9]。土地利用类型与环境状况的关系紧密，FANG et al[10]研究表明建设用地的变化会影响天山北坡城市群的生态价值，揭示了不同土地利用方式对生态环境的影响不同；POUREBRAHIM et al[11]强调了土地利用类型变化对于城市生态环境的驱动；陈万旭等[12]根据土地利用类型变化，研究了1995—2015年中国生态环境重心的转移；巩彩兰 等[5]首次从城市生态环境评价入手，将土地利用类型细分为多种因子，评价了南汇东滩3个不同时期的生态环境状况。土地利用作为环境评价最基础的评价指标之一，很大程度上反映了区域生态环境质量。

生态环境遥感评价是根据遥感影像信息，对研究区域的生态环境质量[13]、生态环境健康[14]或生态环境脆弱性[15]等方面进行评价，近年来由于3S(GPS、GIS、RS)技术的发展和革新，使得遥感评价更具精确性和时效性[16]。本研究采用遥感技术，从土地利用的角度出发，对宝山区入海口海岸带进行了生态环境质量评价，该研究可为宝山区入海口海岸带的综合管理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域

上海市宝山区位于上海市北部，长江三角洲冲积平原之东南前缘，地面标高仅为2.2～4.5 m(吴淞高程)，是典型的入海口海岸带，上海的大工业基地之一[17]。通过分析遥感图像发现，该区北部主要是农业用地和村庄，东南部以工业和城镇用地为主，土地利用类型纵向变化大。本文以宝山区入海口岸线向陆方向5 km为研究区域，以3条入江河流(新川沙河、练祁河和马路河)的中间线，将区域划分为4块：G1区、G2区、G3区和G4区(图1)。

图1 研究区域Fig.1 Research area

1.2 数据处理

本研究所用影像为全色航空遥感影像，由上海市海洋局信息中心提供，拍摄时间为2017年1月，分辨率约为0.2 m，影像经过几何精校正和拼接。研究区域由入海口岸线向陆域建立5 km的拓扑缓冲区，采用自动分类加人工判读的方法进行解译。成图比例尺为1∶2 000，最小上图面积为100 m2，选择部分解译图斑进行了实地验证。利用ArcGIS 10.3.1软件的空间分析工具建立土地利用图斑并进行统计分析。

1.3 土地利用分类

建立土地利用分类体系不仅有助于了解区域用地类型的基本属性、区域用地结构特点，而且可以为进一步实施土地动态监测，实现土地资源的有效调控和合理利用提供借鉴[18]。现有的《土地利用现状分类》国家标准发布于2017年，从资源利用角度，将我国土地分为12个1级类，73个2级类[19]。 IGBP(国际地圈生物圈计划)与 IHDP(全球变化人文计划)两大国际项目于1996年联合提出的LUCC分类系统，共包括6个1级类，25个2级类，有力地推动了全球的区域土地利用/土地覆被研究的纵深发展[20]。吴传钧 等[21]在20世纪80年代从中国海岸带土地利用类型角度，将海岸带土地类型划分为10个1级类型和42个2级类型。各种土地利用分类系统如表1所示。

表1 国内外土地利用分类系统Tab.1 Land use classification system at home and abroad

根据表1可知，各种土地利用分类的详细程度、侧重点及应用领域皆不相同[22]，其中区别较大的在于建设用地方面。由于建设用地与人类生产生活关系密切，本文参照GB/T 21010—2017 《土地利用现状分类》标准[19]，从生态角度，将建设用地分为住宅区、公共管理与服务用地、商服用地和绿化用地。其中绿化用地包括公园、动植物园、陵园、风景名胜、防护林、水源保护林等公共绿地，不同于耕地、林地及园地。借鉴国内外研究成果，开展专家咨询与研讨，最后建立了由6个大类、17个小类组成的分类体系(表2)。

1.4 指标权重赋值

目前获取权重的方法有专家咨询法、熵值法和层次分析法等，其中专家咨询法操作简单，但受主观因素影响较大[23]；熵值法是一种客观赋值方法，不能体现专家经验知识，因此难以表征指标的相对重要性，有时得到的权重与实际重要程度完全不符[24]。层次分析法是目前被广泛使用的确定权重的方法，操作难度适当，既考虑到专家意见，又有严密的统计学基础[25]。本文采用层次分析法和专家咨询法相结合的方式，使之能更好地反映客观实际情况。邀请海洋、环境、遥感等学科的20位专家进行打分，统计打分结果，构建各评价指标权重库。在打分表中，对于有利于入海口海岸带生态环境质量提高和改善的评价因子，赋予“+”号，如绿化用地、水体、草滩等；对入海口海岸带生态环境质量有负面影响的评价因子赋予“-”号，如工业用地、道路交通用地、住宅区等。将分值的绝对值大小规定为0～10区间。相同面积的评价因子，绝对值分值越高，对生态环境产生的影响越大。

同等看待专家打分结果，每个评价因子去掉1个最高分和1个最低分，取算术平均值得到每个评价因子的分值：

Gi=Hi/18

(1)

其中：Gi为第i个因子的算术平均值，Hi为第i个因子的18位专家打分之和。

根据专家咨询法得到评价因子的分值，判断各个因子对于提高典型入海口海岸带生态环境质量的相互重要性，如因子a=-5，b=5，c=1，则重要性b>c>a。采用层次分析法, 在专家咨询法基础上进行定性和定量的分析，将指标体系分为目标层、准则层、方案层，进行矩阵计算，在通过一致性检验后，得到每个评价因子的权重Qi(表2)。

1.5 评价方法

典型入海口海岸带生态环境质量的评价值计算公式为：

(2)

式中：P为生态环境质量的综合评价值，n为评价因子的数量，Qi为第i个评价因子的权重，Si为第i个评价因子所占的面积比重。综合评价时，不单看各评价因子面积的互相比较，同时还考虑到各评价因子面积在区域中所占的比例。

表2 宝山区入海口海岸带生态环境质量评价指标体系和权重Tab.2 Evaluation index system and weight of ecological environment quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

1.6 评价标准

为了进行环境质量定量及定性研究，需对综合评价结果进行分级处理，将评价等级划分为4个级别，参考综合评价值之差，采用等间距法，取其25%，50%，75%作为划分界线。将宝山区入海口海岸带生态环境质量评价标准划分为4个等级，即1级(良好)、2级(一般)、3级(较差)、4级(很差)，详见表3。

2 结果与讨论

2.1 土地利用分布特征

通过自动分类与人工判读得到研究区土地利用分布，见图2，其中共有6个大类，17个小类，1 608个图斑。各类图斑面积见表4。

表3 宝山区入海口海岸带生态环境质量遥感评价等级划分Tab.3 Classification of remote sensing assessment of eco-environmental quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

表4 各类图斑面积Tab.4 Area of various patches

图2 宝山区入海口海岸带土地利用现状Fig.2 Land use status in the estuarine coastal zone of Baoshan District

图2经过实地验证，验证了150个图斑，错标11个，精度达93%。对宝山区入海口海岸带土地利用类型进行统计，得到上海市宝山区海岸带的不同土地利用类型属性信息。为了表征各类型土地所占面积与各区域面积的比值，计算各准则层指标面积，与各区域总面积相比，得到各准则层指标所占面积的比重(图3)。

从图3可知，G1区域中农业用地面积占比最高，为36.3%，其次是城镇建设用地、水域和湿地。G2区域中工矿仓储用地面积占比最高，达43.7%，农业用地面积占比居第二，达24.7%。G3区域的工业仓储用地面积占比为所有区域中最高，达57.5%。G4区域中工矿仓储用地面积占比最高，为40.1%，其次是城镇建设用地，占比达35.1%。这4块区域中面积占比最低的用地类型都为其他用地。

2.2 综合评价

根据公式(2)计算得到宝山区海岸带4块区域和总体海岸带区域生态环境质量的综合评价值，结合表3中的标准划分，得到宝山区入海口海岸带生态环境遥感质量综合评价结果(表5)。

图3 各类型土地在不同区域所占比重Fig.3 The proportion of each type land in each region

表5 宝山区入海口海岸带生态环境质量遥感评价综合结果Tab.5 Remote sensing evaluation result of the eco-environment quality in the estuarine coastal zone of Baoshan District

表5直观显示了4块区域的生态环境质量综合评价值，其中G1区值最高，G3区值最低， G2区、G4区和总体区域的综合评价值介于区域G1和G3之间，都处于3级状态。对比宝山区2017年环境质量状况公报中的PM2.5、PM10、SO2、NO2和降尘分布图[26]，可以发现，除了NO2之外，其他参数分布图都和评价结果大致相同。环境质量状况公报中G4区域的年平均NO2含量最高，NO2气体来源于汽车尾气、各类燃烧气体，在G4区域住宅区占比最高，人口众多，由此会产生大量NO2气体。

G1区综合评价结果为1级(良好)，土地利用类型以耕地为主，该区域内水体纵横交错，并且包含宝钢-陈行水库生态敏感区域，农业发达，村落零星分布。G2区综合评价结果为3级(较差)，其西南区域以农业和住宅区为主，其他部分以工业为主，存在一部分的草滩和裸滩。G3区综合评价结果为4级(很差)，该区域内有宝钢产业和工业园区，工业比较发达，但是绿化程度也处于较高水平。G4区综合评价结果为3级(较差)，该区域紧邻黄浦江，运输业发达，港口码头和集装箱仓储较多，东北靠江部分以住宅区为主，有着上海淞沪抗战纪念公园和吴淞炮台湾湿地公园两大绿化用地，各类学校、海关等公共管理与服务用地较多，同时商服用地类型占比也处于较高水平。总体来说，宝山区海岸带生态环境质量综合评价等级为3级(较差)，该区工业占比达36%，由于城市人口的汇聚效应和工业园区工作人员的需求，宝山区海岸带范围的住宅区面积占比也是处于较高水平。

3 结论与建议

本文基于土地利用类型分类，结合专家咨询讨论，构建了6个大类，17个小类的典型入海口海岸带生态环境质量遥感评价指标体系，运用专家咨询法和层次分析法确定了各评价指标的权重，并对宝山区入海口海岸带生态环境质量进行了评价。结果显示，宝山区入海口海岸带生态环境质量总体处于较差状态；从划分的4个区域来看，G1区为1级(良好)，G3区为4级(很差)，G2区和G4区为3级(较差)。从整体来看，宝山区入海口海岸带生态环境质量自西向东逐渐下降，在G3区域到达最低点，向东开始回升。针对宝山区入海口海岸带存在的生态环境问题，提出以下建议：

(1)总体上，宝山区入海口海岸带应当坚持可持续发展，坚持人与自然和谐共生，注重城乡统筹。落实主体功能区(如确立工业开发区、主城区等)，扩大生态空间(如建立宝山区滨江景观带)，保障农业空间(如维持和保障罗泾镇现有的农业范围)，优化城镇空间(如对友谊路街道拆除违章建筑)。

(2)对于G1区域，其农业用地和水域用地面积较大，应当划定永久基本农田保护红线，实现农业农村现代化。逐步提升水域对江南水乡风貌的保持作用和城乡防汛安全的保障能力，减少城市建设对水系结构的破坏和阻隔。

(3)对于G2和G3区域，其工业用地面积占比最高，应当严格控制滨江沿岸产业，严格限制新增钢铁、重化等高耗能与污染型工业，完善污染企业的退出机制，促进工业区转型升级，培育科技创新产业功能，提升城市活力和就业服务。

(4)对于G4区域，应当合理布局内河港区，建立黄浦江和吴淞江的区域生态廊道。提升街道绿化品质，兼顾生态效益、公共活动和景观需求。强化土地用途管制，降低建设用地面积，在人口聚集处推进公园、植物园建设。开展城市修补和生态修复，提高城市的承载力、包容度和宜居性。