基于RSEI的庫車縣林果特色種植區生態環境質量時空變化分析研究

郝應龍 王慶軍 陳琪樂 關偉 夏靜福

摘? 要：快速準確地掌握某一地區生態環境質量及變化分布對區域生態環境監測與治理、優化土地利用結構、合理配置利用土地資源等問題具重要參考價值。以庫車縣林果特色種植區2009、2019年2期遙感影像為基礎，采用新型遙感生態指數RSEI評價模型，定量地對區內生態環境質量時空變化進行快速評價及分析。結果表明：基于濕度、綠度、干度和熱度4個自然指標建立的RSEI指數可快速較好地反映庫車縣林果特色種植區生態環境質量狀況及時空變化。2009—2019年，庫車縣林果特色種植區生態環境質量總體正向著好的方向發展，但生態環境質量“不變”的區域仍居于主導地位，且生態環境質量變好的區域遠大于生態環境質量惡化區域。土地利用變化對生態環境質量影響呈改善與惡化并存趨勢，但改善明顯大于惡化。

關鍵詞：遙感生態指數;生態環境質量;時空變化;土地利用變化

近年來，衛星遙感以宏觀、快速、實時的優點被廣泛應用于生態環境領域，利用遙感指數對森林、草地、城市、河流乃至整個流域生態系統進行監測和評價，已是生態環境保護領域的重要組成部分[1-4]。國家環境保護部于2006年發布，并于2015年進行第一次修正的《生態環境狀況評價技術規程》中基于遙感技術的生態環境狀況評價指數EI[5]，在國內得到廣泛應用，但規范中EI方法在實際應用中存在諸如權重的合理性、歸一化系數的設定、指標的易獲取性等一系列問題[6]，且EI指數只是一個數值，只能籠統地說明一個地區的生態狀況，無法可視化，無法說明該地區中不同生態環境狀況的空間分布情況，無法對不同期間生態環境進行空間變化分析。徐涵秋于2013年提出的新型遙感生態指數（RSEI）[7]，完全基于遙感信息，集成反映生態環境最直觀的多重指標，被廣泛應用于可對區域生態環境的快速監測與綜合評價中[8-10]。本文以庫車縣林果特色種植區2009、2019年成像時間均為7月的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI遙感影像為基礎，采用RSEI評價模型定量地對區內生態環境質量時空變化進行快速評價及分析，以期為區內生態環境監測與治理、優化土地利用結構、合理配置利用土地資源等提供科學依據。

1? 研究區概況

研究區位于塔里木盆地北緣阿克蘇地區庫車縣南部鄉鎮，特殊的自然地理位置決定了其生態環境的脆弱性，該區域屬中-高生態風險區[4]。區內以小白杏、核桃、香梨、棗等特色林果業種植為主，棉花、小麥等農作物種植為輔，面積約480.58 km2。區內屬典型暖溫帶大陸性干旱氣候，地形北高南低，自西北向東南傾斜，土地利用類型以水澆地、果園為主（圖1），2009—2019年間，研究區果園、鹽堿地面積較明顯增加，草地、沼澤地、沙地明顯減少，耕地、林地面積呈略減少態勢，建設用地、水域、其他用地面積呈略增加態勢。

2? 研究方法

2.1? 遙感生態指數分量指標計算

遙感生態指數（RSEI）評價法是一種直接從遙感影像中獲取生態環境質量相關指標，對某一地區生態環境質量進行綜合評價的新方法[7]。通過選取與人類生活關系最密切的植被覆蓋度（綠度）、濕度狀況（濕度）、土壤退化程度（干度）、地表溫度（熱度）4個貼近人類日常生活的指標，進行研究區生態環境質量評價。該方法可直觀、清楚地從RSEI值分級圖上看出研究區生態環境質量優劣程度變化與分布情況。通常來說，區域內植被覆蓋度越高，水資源越豐富，濕度越大，生態環境質量越好;地表裸露越嚴重，地表溫度越高，生態環境質量越差。RSEI計算公式如下：

[RSEI=fNDVI，WET，LST，NDSI]…（1）

式中：[NDVI]為綠度;[WET]為濕度;[LST]為熱度;[NDSI]為干度。

（1）濕度指標（[WET]）計算：

[WET=C1bB+C2bG+C3bR+C4bNIR+C5bSWIR1+C6bSWIR2]…（2）

式中：[bB]、[bG]、[bR]、[bNIR]、[bSWIR1]、[bSWIR2]在TM影像中分別對應第1、2、3、4、5、7波段的地表反射率，在OLI影像分別對應2、3、4、5、6、7波段的地表反射率;[C1]、[C2]、[C3]、[C4]、[C5]、[C6]為系數[10]。

（2）綠度指標（[NDVI]）計算：

[NDVI=bNIR-bR/bNIR+bR]…（3）

（3）干度指標（[NDSI]）計算：

[NDSI=IBI+SI/2]…（4）

[IBI=2bSWIR1bSWIR1+bNIR-bNIRbNIR+bR-bGbG+bSWIR1×]

[2bSWIR1bSWIR1+bNIR+bNIRbNIR+bR+bGbG+bSWIR1]

…（5）

[SI=bSWIR1+bR-bNIR+bB/bSWIR1+bR+bNIR+bB]? ? ?…（6）

（4）熱度指標（LST）計算：

[L熱=gain×DN+bias]…（7）

[T=K2/InK1/L熱+1]…（8）

[L=T/1+λT/zInε]…（9）

式中：[L]熱為TM或OLI影像熱紅外波段在傳感器處的輻射值;[DN]為灰度值;[gain]和[bias]為TM或OLI影像熱紅外波段的增益與偏置值;[K1]、[K2]為定標參數。

通常TM影像中[K1]=607.76、[K2]=1 260.56 [11]，OLI影像中[K1]=480.89、[K2]=1 201.14[12];[T]為亮溫;[λ]為TM或OLI影像熱紅外波段的中心波長;[z]=1.438×10-2 mK;[ε]為地表比輻射率，計算比輻射率可反演地表的真實溫度，主要通過地表的覆被情況進行取值[13]。

2.2? 遙感生態指數評價模型構建

各分量指標的標準化處理? 為避免上述4個分量指標量綱不一致，需在計算遙感生態指數前進行標準化處理。處理公式如下：

[NIi=Ii-Imin/Imax-Imin]…（10）

式中：[NIi]為標準化處理后某一指標值;[Ii]為對應指標在[i]像元處的值;[Imax]、[Imin]分別為對應指標的最大值和最小值。

計算遙感生態指數（RSEI）：將經標準化處理后的4個指標重新組合成一幅新的影像，然后計算主成分，計算公式如下：

[RSEI=RSEI0-RSEI0-min/RSEI0-max-RSEI0-min]…（11）

[RSEI0=1-PC1]…（12）

式中：[RSEI]為標準化處理后遙感生態指數值，介于[0，1]之間，越接近1代表生態環境質量越好;[RSEI0]為[i]像元處的原始生態指數值;[RSEI0-max]、[RSEI0-min]分別為原始生態指數最大值和最小值;[PC1]為第一主成分載荷值。

3? 研究區生態環境質量綜合評價

3.1? 生態環境質量評價

為使遙感生態指數對生態環境質量評價結果更清晰，參考《生態環境狀況評價技術規范》中的劃分方法[5]，本次研究把[RSEI]I從0～1分為5個級別（表1）。[RSEI]值越大，表示生態環境質量越好。

基于上述建立的遙感生態指數模型和分級標準進行圖像空間數據運算，生成研究區2009年、2019年生態環境質量分級圖和生態環境質量等級劃分面積統計結果（圖2，表2）。

從圖1、圖2看出，生態環境質量界定為“優”、“良”的區域主要集中于研究區大片耕地區域、東北部和東部中高植被覆蓋度草地、零星林地等區域;生態環境質量處于“一般”的區域主要分布在區內各村鎮附近、部分低植被覆蓋度草地、低-中植被覆蓋度草地過度帶、草地與鹽堿地過度帶等區域;生態環境質量為“差”、“較差”的區域主要分布于區內東北部、東部低植被覆蓋度草地、鹽堿地和中部、東南部沙地及其他未利用地等區域。

表2統計結果表明，研究區2009—2019年生態環境質量差、較差區域面積占比從20.31%變為4.44%，呈明顯減少;生態環境質量一般區域面積占比從11.96%變為11.11%，呈略微減少;生態環境質量優、良好區域面積占比從67.73%變為84.45%，呈明顯增加。上述結果說明研究區2009—2019年生態環境質量明顯變好。

3.2? 生態環境質量變化程度分析

為對研究區生態環境質量變化程度進行分析，對研究區生態環境質量優、良好、一般、較差、差5個級別分別賦值為5、4、3、2、1，并對2019年和2009年生態質量進行疊加差值分析，將研究區生態環境狀況變化程度分為3個類別：變差（級差：-4、-3、-2、-1）、不變（級差：0）、變好（級差：1、2、3、4），最終得出研究區2009—2019年生態環境質量變化程度圖（圖3）及變化程度統計表（表3）。

從表3、圖3可知，2009—2019年間，41.93%區域生態環境質量總體保持不變;生態環境質量變好的區域面積達188.06 km2，占總面積的39.13%，生態環境質量改善以增加一級和二級為主，增加一級和二級面積為146.33 km2，主要分布于研究區東北部、東部、東南部大面積區域;生態環境質量惡化區域面積為91.00 km2，占總面積的18.94%，生態環境質量惡化以降低一級為主，降低一級的面積達68.65 km2，空間上分布較分散?？傮w上，研究區生態環境質量“不變”區域仍居主導地位，生態環境質量變好區域面積明顯高于生態環境質量惡化面積，總體呈變好趨勢。

4? 土地利用變化對生態環境質量影響

土地利用變化客觀記錄了人類生產生活對生態環境的改變過程，土地利用變化不僅改變地表覆被變化情況，同時對生態環境也有一定影響[14]。土地利用變化對生態環境影響主要表現在土地利用方式的轉變及結構變化兩個方面。土地利用發生變化的同時也伴隨生態環境因子的改變，生態環境因子發生變化會引起生態環境質量狀況的改變，從而對區域生態環境產生改善或惡化作用。將研究區2009—2019年生態環境質量變化圖與土地利用的時空變化進行關聯耦合分析，結果顯示：

正面效應（生態環境改善）? 主要為研究區鹽堿地及大片中輕度鹽漬化的低覆蓋度草地被開墾為耕地及果園，少部分沙地及其他用地被改造為耕地、林地，低覆蓋度草地修建排堿渠等，導致區內整體生態環境質量明顯改善。

負面效應（生態環境惡化）? 主要為部分較好耕地被改造為果園導致生態環境降低一級，原因是改造后的果園內果樹均較小，植被覆蓋度低于改造前耕地;少部分耕地荒廢及鹽漬化程度的加深和極少部分耕地蓋房、沙化，部分中高植被覆蓋度草地變為耕地及鹽堿地等，導致區內局部生態環境明顯惡化。

總體來看，在自然因素較穩定情況下，人類活動對土地利用類型的改造間接對研究區內生態環境具重要影響，土地利用變化對生態環境質量的影響主要呈改善和惡化并存趨勢，但改善明顯大于惡化。

5? 結論及建議

（1）濕度、綠度、干度和熱度是生態系統重要組成部分，基于此建立的RSEI指數可快速反映庫車縣林果特色種植區生態環境質量狀況及時空變化。該方法基于自然指標，沒有人為權重、閾值干擾，計算簡單快速，可用于對區域生態環境質量狀況空間分布進行可視化顯示。

（2）2009—2019年間，庫車縣林果特色種植區生態環境質量“差”、“較差”區域明顯減少，生態環境質量“優”、“良好”區域明顯增加，生態環境質量總體向好的方向發展，但生態環境質量“不變”區域仍居主導地位，生態環境質量變好的區域遠大于生態環境質量惡化區域。

（3）土地利用變化對生態環境質量影響呈改善和惡化并存趨勢，但改善明顯大于惡化。這與庫車縣政府這些年改造河道周邊環境、修建引水渠、排堿渠、大力治理鹽漬化等措施密切相關。本次研究結果與前人預測的區內生態環境將趨于惡化的結果不同[4]，主要原因是前人研究尺度較小、精度較低，且對農業生產區生態環境未進行單獨的具體分析。

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Analysis on the Temporal and Spatial Changes of Eco-environmental Quality in Forest and Fruit Characteristic Planting Areas of Kuche County Based on RSEI

Hao yinglong;Wang Qingjun; Chen Qile; Guan Wei;Xia Jingfu

（Geological Research academy of Xinjiang， Urumqi 830000，China）

Abstract：Quickly and accurately grasping the quality of an area's ecological environment and its change distribution have important reference values for regional ecological environment monitoring and management， optimization of land use structure， and rational allocation and use of land resources. Based on the remote sensing images of 2009 and 2019 in Kuche County's forest and fruit planting areas， a new type of remote sensing ecological index RSEI evaluation model was used to quantitatively evaluate and analyze the temporal and spatial changes of the ecological environment quality in the area. The results show that： The RSEI index established by the four natural indicators of humidity， greenness， dryness， and heat can quickly and better reflect the ecological environment quality status and temporal and spatial changes of Kuqian forest and fruit characteristic planting areas; from 2009 to 2019，the ecological and environmental quality of the forest and fruit characteristic planting areas in Kuche County are generally developing in a good direction， but the areas with “unchanged” ecological and environmental quality still dominate the area， and the areas with better ecological and environmental quality are far larger than ecological Areas with deteriorating environmental quality; the impact of land use change on the quality of the ecological environment shows a trend of both improvement and deterioration， but the improvement is significantly greater than the deterioration.

Key words： Remote sensing based ecological index（RSEI）;Ecological environment quality; Temporal and spatial changes ; Land use change