基于遥感生态指数的城市生态环境质量评价——以贵阳市为例

文诗雅，朱大明，付志涛，菅永胜，江佳雯

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

0 引言

鉴于信息技术的急速发展和社会医疗水平的提升，人口总数大幅增长。人类为了探求高品质的美好生活，不断开发和利用丰富的自然资源，引导经济增长的同时，对生态环境产生了巨大破坏，使生态环境越来越脆弱。生态环境指影响人们赖以生存和发展的各类自然资源的总量和品质的总称。人类文明的所有生产活动都与生态环境的发展变化相互依赖又相互影响，因此对生态环境质量的评价与研究既是生态学研究领域的热点话题，又是推动生态文明发展建设的迫切需求[1]。

从20 世纪70 年代的斯德哥尔摩“联合国人类环境会议”，全球各地政府代表首次就生态环境问题进行探讨以来，生态环境质量的研究不断成熟。学者通过构建评价指标体系，选用主成分分析法、层次分析法、模糊综合评价法、灰色关联度法、综合指数法等方法来研究区域生态环境质量的变化特征[2-7]。事实上现阶段国内外仍未有一套标准的评价指标体系，指标的选取具有一定的不全面性和局限性。在现代遥感技术的支撑下，徐涵秋[8]提出了以绿度、湿度、热度、干度四项指数为代表的遥感生态指数（RSEI）对城市展开生态环境质量评价。该方法完全基于遥感技术，不但能够更加全面、精确、直观地评估研究区域生态环境质量，还能够将评价结果加以高精度的可视化表达，因而得到了广泛的应用[9-13]。

贵阳市是我国第一个国家森林城市，作为“中国十大避暑旅游城市”之首，具有温度适宜、湿度适中、水质优良等优点。是一座山中有城、城中有山、绿带环绕的高原现代化城市，也是大数据聚集区的“中国数谷”。评价贵阳市的生态环境质量演化特征能为我国省会城市及其他地区的环境保护综合治理工作，以及实现可持续发展战略目标提供科学依据。因此，研究基于landsat 5 TM、landsat 8 OLI 遥感影像建立遥感生态指数并结合主成分分析法来探究贵阳市2008、2018年的生态环境质量演变特性，力求为贵州省的生态环境治理和维护工作提供参照。

1 研究区概况

贵阳市（图1）位于贵州省中部、云贵高原东部，市域总面积8 034 平方千米，地势总体上西南高、东北低，位于黔中山原丘陵中段，长江与珠江分水岭地带，地貌以山区、丘陵居多。贵阳市海拔1 100 米左右，属于亚热带湿润温暖型气候，年均气温15.3℃，年均总降水量1 129.5 毫米，夏无酷暑冬无严寒，降雨充裕湿润舒适，具有“上有天堂，下有苏杭，气候宜人数贵阳”之美称。贵阳市植物资源丰富，森林覆盖率达到55%，拥有唯一的花溪青岩油杉自然保护区。

图1 研究区示意图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

研究所用遥感图像数据主要来源于国家地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）的2008 年4 月8号Landsat 5 TM 影像和2018 年6 月7 号Landsat 8 OLI影像，选取的时段云量比较低，均在5%以下。将遥感影像在ENVI 5.3 软件中完成辐射定标、大气校正、镶嵌、裁剪等预处理步骤后开始计算RSEI。

2.2 遥感生态指数模型

遥感生态指数分为绿度（NDVI）、湿度（Wet）、热度（LST）、干度（NDBSI）四种指数，不但能够直观判别区域生态环境质量的优劣，还降低了研究中的主观性和指标的提取难度[14]。为避免研究区内水体对RSEI 计算的影响，在ENVI 中利用掩膜工具剔除水体后计算四个指数。

2.2.1 绿度指标。归一化差值植被指数（NDVI）是反映植物生长发育状态的最佳因子，还在一定程度上与植被覆盖度等因子息息相关，是代表绿度指标的最佳选择因子，计算公式如下[15]：

式中，ρNIR为近红外波段反射率；ρRED为红波段反射率。

2.2.2 湿度指标。缨帽变换可通过数据压缩，消除冗余，从而提取出能够反映土壤情况的湿度因子（Wet），计算公式如下[16]：

式中，ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分别是蓝波段反射率、绿波段反射率、红波段反射率、近红外波段反射率、短波红外1 波段反射率、短波红外2 波段反射率；对Landsat 5 影像来说，α1、α2、α3、α4、α5、α6分别为0.031 5、0.202 1、0.310 2、0.159 4、0.680 6、0.610 9，对Landsat 8 影像来说，α1、α2、α3、α4、α5、α6分别为0.151 1、0.197 3、0.328 3、0.340 7、0.717 1、0.455 9。

2.2.3 热度指标。研究通过计算传感器温度以及使用热红外波段进行地表温度反演的结果来代表热度指标（LST），计算公式如下[17]：

式中，T 为传感器温度；λ 为热红外波段中心波长；ρ=0.014 38；ε 为地表比辐射率。

2.2.4 干度指标。建筑指数（IBI）和裸土指数（SI）都能够反映城市土壤干化状况，因而选用其平均值来表示干度指标（NDBSI），计算公式如下[14]：

式中，ρSWIR1、ρSWIR2、ρNIR、ρRED、ρGREEN、ρBLUE分别为中红外1 波段反射率、中红外2 波段反射率、近红外波段反射率、红波段反射率、绿波段反射率、蓝波段反射率。

2.2.5 RSEI 计算。在计算RSEI 之前，因为四种指数间存在着量纲不统一无法进行比较的问题，于是通过归一化公式[18]将四种指标进行标准化处理，使其值在0～1 之间，继而消除对实验中指标赋权结果的影响。在ENVI 中将归一化后的四个指标融合为一幅影像，接着使用主成分分析工具进行计算，提取第一主成分作为初始RSEI值，记为RSEI0[19]。计算公式如下：

为了便于分析，将RSEI0值同样进行归一化处理，使其取值范围在0～1 之间，得到最终的RSEI。RSEI 的值越大，代表该地区生态环境质量越好，反之RSEI 值越小，代表该地区生态环境质量越差。根据规范，在ArcGIS 中把RSEI 分为五个等级，包括极差（0～0.2）、差（0.2～0.4）、一般（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、优（0.8～1.0）。

3 结果与分析

3.1 生态指数时间变化分析

研究计算出的绿度、湿度、热度、干度四个生态指数结果分布情况如图2 所示，均值大小统计如表1 所示。

表1 生态指数均值

图2 各生态指数归一化图

2008—2018年，绿度指标均值由0.362 799 增长至0.434 172，湿度指标均值由0.686 646 增长至0.791 502，热度指标均值由0.524 512 下降至0.222 790，干度指标均值由0.298 486 增长至0.391 325。表示生态环境好的绿度、湿度指标均值有所增加，表示生态环境差的热度指标均值有所下降，表明近年来，贵阳市生态文明建设取得成效，贯彻发展绿色经济理念，植被覆盖度逐渐增加，土壤水分充足，气候适宜，生态环境变好。而代表生态环境差的干度指标均值有所增加，表明贵阳市具有一定程度的不合理人为建设开发活动。但由于绿度和湿度指标对生态环境质量的影响比热度和干度更大，因此热度和干度的变化可以忽略不计。

3.2 主成分结果分析

第一主成分分析结果（表2）可以看出，2008 年、2018 年的第一主成分贡献率分别为89.78%、88.35%，均在85%以上，能够代表四个指数绝大部分信息进行计算。绿度指标和湿度指标在第一主成分中的特征向量值为正，热度指标和干度指标的特征向量值为负，表明绿度和湿度对贵阳市生态环境质量的影响是正向的，而热度和干度对贵阳市生态环境质量的影响是负向的，与实际情况相符。

表2 第一主成分分析结果表

3.3 贵阳市生态环境质量时空变化评价

2008 年、2018 年贵阳市生态环境质量等级分布如图3 所示，为更好地分析贵阳市生态环境质量变化特征，统计不同质量等级区域所占面积比例及两期RSEI均值，如表3 所示。2008 年代表生态环境质量不好的极差和差等级区域主要在贵阳市中部向西部和南部扩散随机分布，总面积为3 686.847 9 平方千米。代表生态环境质量好的良好和优等级区域主要在贵阳市北部集中分布，往南部方向扩散随机分布，总面积为2 849.967 9平方千米。生态环境质量等级为一般的区域主要在贵阳市中部向四周扩散随机分布，总面积为1 418.251 5平方千米。2018 年代表生态环境质量不好的极差和差等级区域主要在贵阳市中部和南部集中分布，总面积为1 573.449 3 平方千米。代表生态环境质量好的良好和优等级区域主要在贵阳市北部、西部、东部集中分布，总面积为5 309.078 4 平方千米。生态环境质量等级为一般的区域主要在贵阳市中部往南和西部扩散随机分布，总面积为1 072.539 9 平方千米。

表3 贵阳市RSEI 均值及各等级面积所占比例

图3 贵阳市RSEI 等级分布图

贵阳市的RSEI 均值由2008 年的0.544 0 增长至2018年的0.759 1，表明生态环境质量呈现提升趋势。2008年，生态环境质量等级为差的区域面积所占比例最高，为23.78%，其次是良好、极差等级区域，面积所占比例分别为22.68%、22.56%。生态环境质量等级为优的区域面积所占比例最低，为13.15%，生态环境质量等级为一般的区域面积所占比例为17.83%。到2018年，生态环境质量等级为优的区域面积所占比例最高，为37.53%，比2008 年提高了13.75%，其次是良好、一般等级区域，面积所占比例分别为29.21%、13.48%，比2008 年分别提高和下降了6.53%、4.35%。生态环境质量等级为极差的区域面积所占比例最低，为7.28%，比2008 年下降了15.28%，生态环境质量等级为差的区域面积所占比例为12.50%，比2008 年下降了11.28%。

3.4 贵阳市生态环境质量变化因素

贵阳市从2008 年到2018 年生态环境质量持续变好归功于近年来的生态文化广泛普及，创建了一系列生态文明机关、学校、企业等，加之绿色经济的发展壮大，成为中国绿色发展优秀城市。同时采取了机动车污染防控、城市清洁能源使用、实施重大产业环境污染整治、加大植树造林力度等措施，有效降低了人类活动对自然环境的直接影响，截至2018年，贵阳市森林覆盖率达48.66%，建成区绿化覆盖率达41.13%，饮用水质100%达标，空气质量优良率保持95%以上，促进了生态-经济良性循环发展，生态环境质量得到提升。

4 结论

研究使用遥感生态指数来分析贵阳市2008、2018年生态环境质量变化特征，研究结论如下：

（1）2008—2018年，RSEI 均值由0.544 0 增长至0.759 1，生态环境质量变好。绿度和湿度指标对生态环境的影响是正向的，热度和干度指标对生态环境的影响是负向的，且湿度的影响效果最大。

（2）贵阳市西部如清镇市、南部的市辖区以及东部的开阳县的生态环境质量都有改善，得益于贵阳市科学的生态规划建设。

（3）较之2008年，代表生态环境质量不好的等级为极差和差的区域面积所占比例共下降了26.56%，而代表生态环境质量好的等级为良好和优的区域面积所占比例共增长了30.91%。