基于面向對象理論的區域生態環境綜合評價

劉 洋,呂建樹,吳泉源,孫 翔 (.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 0046；.南京大學海岸與海島開發教育部重點實驗室, 江蘇 南京 0093；3.山東師范大學人口?資源與環境學院,山東 濟南 5004)

生態環境由自然環境與人為環境構成,通常是指生態系統與環境系統的有機結合體[1].近年來,在全球氣候變化的背景下,濱海地區作為海洋和陸地交互作用的過渡區域,自然、人為的綜合作用使其成為生態環境脆弱帶.因此,對濱海地區生態環境的優劣程度進行科學地評價,了解其現狀、掌握其演化規律,并分析其發展趨勢及變化原因,可為區域生態系統風險預警、結構調整和功能優化奠定基礎,為生態環境的管理與規劃提供理論依據.

生態環境評價總體上分為所處狀態和服務功能兩類,主要集中在生態環境的脆弱性、生態風險、生態退化、生態健康及生態系統服務價值評價等方面[1-3].國外相關研究始于20世紀60年代,側重從不同角度和等級尺度進行研究,如以可持續發展為標準建立指標體系的綜合評價、以景觀生態學為理論的評價研究、以環境資源價值為主的評估,以及運用RS、GIS等技術的動態評價等[4-6].國內研究主要涉及評價類別、指標體系、評價方法、研究手段等方面,研究區域突出生態環境脆弱帶和人類活動干擾強烈的地區[7-9].

然而,過去開展的研究工作多側重于災害、污染的分析及治理,對區域生態環境的整體評價和綜合分析仍不充分,欠缺統一的原理指導和完善的指標體系,且評價手段和精度有待提高[9-11].本研究在梳理國內外生態環境評價理論和實踐的基礎上,選取山東省典型的濱海地區——龍口市,嘗試采用面向對象的原理及方法,結合遙感、地理信息系統、計算機技術以及相關數學方法對研究區生態環境進行綜合評價,宏觀地認識人類活動造成的生態破壞和環境影響,整體上把握生態環境變化趨勢,為濱海地區的生態建設和環境規劃與管理提供依據.本研究的主要貢獻在于應用面向對象的原理建立評價系統,以此選取評價因子,并將景觀地類的種類和面積作為表現生態環境狀況的一種量化方式;同時,強調面向對象原理的技術應用,即以面向對象的圖像分析方法提取地物因子.由此,全面應用面向對象理論,探索分析環境問題的技術手段.

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

龍口市(120°13′20"E～120°44′45"E,37°27′45"N～37°47′30"N)位于山東半島北部,隸屬于煙臺市;西北瀕臨渤海,南與棲霞市和招遠市毗鄰,東與蓬萊市接壤,總面積 901.05km2.研究區地處北溫帶東亞季風型大陸性氣候區,年溫適中,四季分明.因瀕臨渤海,受海洋調節和影響,易出現溫帶風暴潮災害;冬季受蒙古高壓控制,呈現干冷氣候特征.年平均降水量624.9mm,年均蒸發量 1900mm,年際變化較大,且境內水資源分布不均,屬嚴重缺水地區[12-13].地勢南高北低,呈臺階式下降,西部和北部為濱海平原,是重要的農業耕作區,東部和南部為低山丘陵地帶,有水源保護地和生態控制區.西北平原擁有國內第一個濱海煤礦,豐富的礦產資源帶動了全市的工業發展,同時也給生態環境帶來了壓力.土地利用類型復雜多樣且地域分異明顯,沿岸地帶以港口建設用地、濕地和沙地為主;濱海平原以耕地、園地等農用地為組成部分;南部山區多為林地、草地、園地等植被類型和河流、坑塘等眾多水域,有全市重要的水源保護地.龍口市現轄東萊、龍港、新嘉3個街道,及徐福鎮、東江鎮、北馬鎮等10個鎮(圖1).全市以砂質海岸為主,僅屺姆島有不長的基巖海岸,海岸帶有灘涂面積約300hm2,漁業、旅游資源豐富.2010年GDP位列全國百強縣第11名,山東省第1名.良好的區位優勢使其成為資源產業密集區,人類經濟活動對區域環境干擾程度劇增,研究區土地利用/覆被狀況發生了劇烈變化,面臨著土壤鹽漬化、灘涂濕地銳減、水環境惡化、植被覆蓋度下降、采煤塌陷等生態環境問題,是濱海地區生態與環境效應較典型的區域.

圖1 研究區行政區劃Fig.1 Administrative divisions of study area

1.2 數據來源

研究數據包括遙感影像,專題圖件及統計調查資料,GPS控制點數據.遙感影像選擇 1996年,2002年和2008年的Landsat TM影像和中巴衛星影像(CBERS),同時以航片、SPOT5影像作為參考數據,成像時間均為4～7月;專題圖件和統計調查數據用于檢驗結果的準確性及相關評價因子的提取,包括評價年份的土地利用現狀圖、行政區劃圖和地形圖,以及降雨量、風暴潮、水文、土壤、統計年鑒等自然與社會經濟統計數據;GPS控制點數據用于遙感影像的幾何校正和矢量圖像的配準糾正,根據研究區情況確定了40個控制點.

2 主體思想與研究方法

2.1 面向對象的思想

面向對象理論起源于20世紀60年代的信息系統工程,現已發展成一套完整方法論和圖示記號體系[14].該理論將客觀世界中的任何事物都視為一個對象,擁有自己的靜態特征和動態特征,各個對象間通過組合及相互作用構成客觀世界.目前面向對象思想已用于闡述地學問題或現象,研究地理空間實體的位置、狀態、時空變化等[15-16].本研究采用面向對象的理論構建評價系統.以往的生態環境綜合評價主要采用聯合國經濟合作開發署(OECD)建立的PSR(壓力-狀態-響應)模型或進一步修正的DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應)模型構建評價指標體系[17];也有參考我國的《生態環境狀況評價技術規范(試行)》,根據研究區實際情況選擇指標,并結合各自權重構建生態環境指數模型[18];抑或采用層次分析法,通過計算生態環境質量指數進行評價[19]等等.總的來看,以PSR模型為代表的研究,側重生態環境變化的驅動機理、過程的描述;由于生態環境是一個復雜的非線性系統,各組成要素之間的相互作用過程和程度相當復雜,以線性的模型模擬其內部機理及變化必然會產生偏頗;通常所遴選的指標之間具有相似性,且需要豐富的數據來源,有時指標屬于狀態還是壓力指標難以界定;同時眾多的指標之間組合較為牽強,缺乏邏輯上的必然聯系,這都對研究結果帶來了一定的不確定性.

基于面向對象理論的區域生態環境綜合評價將研究問題作為復合系統,通過劃分問題域來認知系統(即建立基于問題域的子系統),通過抽象事物為對象來反映系統(即確定基于個體的評價因子),從而建立基于個體對象的指標體系,并側重分析對象的屬性和行為,而非考慮具體的分析步驟和作用機理,從而使系統直接地映射問題,確保問題域中事物及相互關系的本來面貌[20].因此,基于該理論的研究針對性強,直接著眼于區域生態問題,進行問題域和個體對象的劃分,而不是遵循著因果關系進行建模,可以抓住主要矛盾;所遴選的指標均為表現性因子,能全面、直接的體現區域生態環境問題的主要方面,減少了評價結果的不確定性;特別的,對于缺少豐富數據源和作用機理不明確的綜合評價研究具有較大的優勢[21],可操作性較強.值得注意的是,面向對象理論并不是弱化了生態環境的驅動力-響應等機理研究,通過分析系統的問題域和對象,可以還原其驅動力,進而提出調控政策.

2.2 評價系統的構建

面向對象的區域生態環境綜合評價系統結構框架如圖 2所示.該框架的第一級為總系統,即研究的綜合系統,表現為研究區整體的生態環境狀態;第二級按照生態與環境特征和組分,劃分為5個子系統(問題域),以各自相應的方式反映總系統的生態環境綜合狀況,體現了面向對象理論的多態性;第三級是對第二級的進一步細分,可以理解為濱海地區典型的生態環境評價因子(個體對象),是各子系統典型的景觀地類和表現因素.景觀地類因子包括退化地類、水域地類、植被類型和塌陷地面;其中,退化地類包括裸地、沙地和鹽堿地,水域地類則有河流、水庫、坑塘(含養殖水面)及灘涂濕地,植被類型分為林地、草地及耕作植被.研究選取景觀地類作為評價因子衡量子系統的優良狀態,其原因是地類變化能最直接反映自然環境和人類活動共同作用的結果,反映生態環境狀況的發展趨勢,即將研究問題的本質特征抽象為問題域對象,集中表現時空變化特征.此外,根據研究需求,考慮到區域生態環境的本底差異和人類對其適應及影響程度,選擇各問題域下的典型表現因子,從而確定植被覆蓋度、水網密度、年降水量、環境可持續度等評價因子.

圖2 研究區生態環境綜合評價系統框架Fig.2 Index system of comprehensive assessment on ecological environment in study area

面向對象原理是根據問題域劃分系統的對象,直接針對區域生態環境問題的表現形式進行建模,將驅動機制產生的結果地類作為評價因子,而非選取驅動因素,避免了問題或現象的誘發因素.例如,土地退化性子系統中選擇的評價因子是土壤侵蝕、沙化產生的結果地類,而非土壤侵蝕、沙化等誘發因素.該方法的特點是對象的選取具有指向性和典型性,對象間通過共同作用顯示外部特征,其內部本質屬性通過封閉機制加以隱藏,使研究問題具有針對性,便于實際應用.

2.3 評價因子的提取

研究借助RS和GIS技術獲取生態環境評價因子,再按照相關屬性值轉化為30m×30m的柵格圖像.具體提取方法如下:

龍口市屬于缺水較嚴重地區,年降水量作為氣候要素的重要因子影響著區域生態系統的物質流動,維持水資源環境的狀態和生態系統平衡發展,提取過程為:根據區域氣象站點各年份的降水量數據,采用克里金插值法得到研究區降水分布圖,再通過ArcGIS的柵格計算器進一步得到年降水距平值分布圖.風暴潮作為渤海灣沿岸較為嚴重的氣象災害之一,顯著影響濱海地區的生態環境狀況和社會經濟發展,該因子的提取過程為:根據研究年份的氣象災害資料,模擬山東半島北部沿岸風暴潮過境曲線,考慮到地形的阻擋作用和不同年份風暴潮的影響強度,找出影響范圍,作緩沖區分析,并賦予影響強度值,得到風暴潮影響范圍分布圖;同時以萊州灣羊角溝水文站為中心進行點緩沖,輔助分析.

氣候變化和人類活動干擾導致生態功能用地逐漸減少,土地退化問題出現.系統中主要的退化地類為裸地、沙地和部分鹽堿地,采用面向對象的圖像分析方法,結合土地利用圖計算退化面積,作為評價土地退化性的定量元素.根據相關統計資料、塌陷地實地調查及影像地物判讀,將煤礦塌陷地分為深度、中度和輕度塌陷區.由于3m以下的塌陷地不穩定,易發生進一步的塌陷,需結合統計數據和以往測定的塌陷地變化速率進行緩沖區分析,并確定重度和輕度影響區,賦予相應屬性值,以表示塌陷地對不同距離的影響程度.

水環境狀況影響生態系統的納污能力和自凈能力,關系到系統的生態循環及安全性.研究選用的評價因子為水域地類和河網密度.水域地類以各自其所具有的生態功能和地類面積來衡量環境狀況的影響程度.通過面向對象的圖像分析方式,以eCognition為平臺進行提取.河網密度的提取則以ArcGIS為技術平臺,將研究區等高線生成數字高程模型(DEM),通過水文分析模塊的洼地填平、水流方向計算、水流積聚計算,提取河網柵格和子流域,并將兩者均轉化為矢量數據,計算各子流域河網密度.

植被具有調節氣候、涵養水源、保持水土等許多良好的生態環境效應,是衡量區域生態環境狀況的重要標準.根據研究區不同植被地類的光譜、紋理、影像特征,結合歸一化植被指數(NDVI)、比值植被指數(RVI)及 DEM 專題信息建立分類規則,采用面向對象的圖像分析方式進行自動分類,再將結果導出,對照土地利用圖進行手工修改,確定最終的植被類型.植被覆蓋度提取則采用較為常用的歸一化植被指數(NDVI),通過TM影像生成,再進行極差標準化后得到.

社會經濟發展對生態環境產生壓力,表現為人類分布聚集,資源開采利用、工業生產排放、環境污染治理等行為對生態環境的影響.環境可持續度是通過選取一定環境要素及污染源監測因子(包括污染物排放量控制度、污染防治程度、生態環境保護與建設、城市環境保護度、農村環境保護度、社會可接受性6大類18個因子), 采用 TOPSIS法[22]對研究區各鄉鎮環境質量及動態變化情況進行定量評價.人口密度反映人類的聚集狀態、分布情況及對生態環境的干擾程度,根據鎮駐地和轄區行政界限,通過ArcView軟件密度計算工具,選取核心計算法(Kernel)進行柵格計算.

2.4 評價模型的建立

生態環境評價系統涉及自然、社會、經濟等多方面,具有一定的模糊色彩,且提取的評價因子多為柵格數據,因此選取基于GIS柵格數據的模糊綜合評判,結合加權求和法集成各個子系統的評價因子,得到評價因素集,再根據隸屬度函數和評價等級標準計算隸屬度層,以最大隸屬度原則求取生態環境質量等級圖,分析研究區生態環境狀況.綜合評價過程如下:

首先對各子系統的評價因子進行標準化處理:對于等級遞變性因子(如降水變化、人口密度等)采用極差標準化,并將結果乘以100,將數值范圍擴展到0～100,便于比較計算;對于經驗性因子,如塌陷地程度、植被類型等,難以直接量化,可采用專家分級標準化.其次,考慮到單一的賦權方法可能會產生一定誤差,利用熵權法和層次分析法相結合的組合賦權法[23]確定各因子及評價因素集的權重,并將標準化的因子與相應權重進行加權求和運算,得到基于各子系統的評價因素集模 糊 權向 量 的合成運 算[24-26],即:=? R.其中,為模糊評價結果,是一個多維向量,采用最大隸屬度原則進行處理,得到單個柵格的唯一隸屬度值;為模糊權向量,r為m×n階的模糊關系矩陣,ij表示評價因素集U中第i個因素Ui相對于評價等級集合V中第j個等級Vj的隸屬度.根據隸屬度函數確定每個柵格單元隸屬于不同等級的程度,組成具有空間分布特征的隸屬度圖層[25].

3 結果與分析

3.1 綜合評價結果

按照模糊綜合評價原理將提取的評價因子進行集成運算,得到模糊關系矩陣 R,并確定評價權向量為= ｛0.212, 0.213,0.185,0.213,0.177｝;B,形成綜合評價系統的4個隸屬度層;按照最大隸屬度原則,由CON條件函數計算評價結果,如圖 3.再統計各評價等級的柵格數、面積及比例,見表1.在ArcGIS軟件中通過空間疊置分析和空間運算功能,得到模糊評價結果.再次,根據龍口市實際情況和評價需要,將研究區生態環境評價等級分為優、良、中、差 4個級別,即建立評語集:= { 優,良,中,差},采用等間距法確定評價等級標準.最后進行模糊關系矩陣與

圖3 研究區2008年模糊綜合評價等級Fig.3 Grade map of fuzzy synthetic assessment in study area in 2008

由圖3和表1可見,研究區2008年生態環境狀況的等級分布具有較明顯的區域性.生態環境質量優級面積為22296.15hm2,占研究區總面積的24.75%,主要分布在龍口市東南部的黃水河沿岸和南部林地繁茂的山區;良級的面積占總面積的41.78%,且分布范圍較廣,從東北到西南均有所分布;中級僅占總面積的5.29%,主要分布在北部易受風暴潮影響的沿海地帶和中部一些工業地區;差級的面積為25391.25 hm2,占總面積的28.18%,集中分布于西部的沿海地帶與西北部的煤礦塌陷地,中心城區及東部一些地區也存在零散分布.總體來看,2008年各等級分布狀況與研究區實際環境情況較為符合,研究區整體生態環境狀況良好,各等級面積比例差別較大.

表1 研究區2008年模糊綜合評價結果統計表Table 1 Statistical result of fuzzy comprehensive assessment in study area in 2008

3.2 空間分布及成因分析

根據2008年綜合評價結果來看,龍口市生態環境狀況的空間分布特征是從西北沿海到東南內陸逐漸變好,沿岸地帶和中心城區的生態環境狀況較差,南部山區與海島內部的狀況最好,其余地區則處于中間水平.按照自然條件、土地利用狀況、資源開發利用及產業發展等因素對其典型分區進行分析.

中心城區是人類活動干擾強烈的地區,生態環境狀況較差,主要原因是人口壓力的逐年增加和開發建設的不斷加強.隨著城鎮化進程的加快,大量農村人口向城市轉移,人口密度不斷增加[27],環境污染和資源浪費程度逐漸加大;作為工商業聚集區,其產業發展迅速,土地利用變化大,農用地多轉為城鎮建設用地,中心城區建設用地密集(圖4),產生許多城市不透水面,造成植被銳減,生態環境負荷增強.

沿岸地帶是海-陸-人交互作用最明顯地區,在大氣、海洋和陸地的強烈作用下,具有明顯的邊緣效應[28],生物群落結構復雜,港口、城鎮等人工建筑面積大,人類活動干擾較強,生態環境脆弱.該區處于渤海灣沿岸,易遭受溫帶風暴潮侵襲,1996年渤海灣出現 3次較強的溫帶風暴潮[29],2008年夏季煙臺沿海地區經歷了大風暴雨過程,龍口海域產生風暴潮高達 225cm[30].龍口經濟開發區和徐福鎮廣泛分布著采煤塌陷地,土壤貧瘠,植被多以雜草和蘆葦為主;開采時間較長的深度塌陷區常年積水,原有地類破壞嚴重,地表出現深坑和堆積地貌;3m以下的輕度塌陷區存在一定的季節性積水,地表不穩定,植被覆蓋低,易發生進一步塌陷(圖5).

圖4 2008年龍口市及中心城區建設用地Fig.4 Construction land of Longkou and its central area in 2008

圖5 2008年龍口市及沿海地帶采煤塌陷地Fig.5 Coal mining subsidence district of Longkou and its littoral zone in 2008

南部山區是自然環境保持較好的地區,以石良鎮最突出,其質量等級為"優"的面積為9348.03hm2,占整個研究區優等面積的41.93%,占石良鎮總面積的73.29%.歸結其原因主要是林地、園地等有利于改善自然環境的植被覆蓋度高,且黃水河流經該處,在此有較多的河流分支,形成眾多子流域,河流的納污能力較強;同時該處的王屋水庫水源保護區是龍口市面積最大的一級飲用水源保護區(圖6),人類活動受到一定程度的控制.

3.3 動態演變分析

根據實地調查、專家評定及研究區的資料查詢,可以確定該方法能有效評價研究區生態環境狀況,因此采用該方法進一步評價研究區2002和1996年的生態環境狀況,以實現生態環境動態演變分析.通過ArcGIS計算匯總的結果見表2.

圖6 2008年龍口市及南部山區水域地類Fig.6 Water types of Longkou and its southern mountains in 2008

表2 研究區生態環境動態變化統計表Table2 Dynamic statistics of ecological environment in study area

從評價等級面積來看,研究區除2008年外均以優等級面積最大,其次是差等級.其中,1996年優級面積占區域總面積的52.08%,2002年有所下降,占總面積的42.50%,2008年優級面積進一步減少,僅占 24.74%,而良等級成為該年份的最大面積.與該變化趨勢相反的是差等級,其面積比例由1996年的24.53%上升到2008年的28.18%.從隸屬度均值來看,高級別的隸屬度均值逐年降低,低級別的隸屬度均值逐漸升高,與等級面積的變化趨勢較為吻合.可見,研究區生態環境狀況以優或良為主,但呈現逐年下降趨勢.濱海地區處于海洋和陸地的交錯地帶,具有本底的脆弱性;加之人類活動加劇,土地覆被的非自然變化,生態系統的平衡性受到破壞,生態環境負荷逐漸增加.另外,濱海地區特殊的地理位置使其生態環境因子的空間異質性較高,成為全球變化的敏感區域,其中氣候變化異常突出,頻繁出現旱澇、低溫等極端氣候現象,進而引起植被覆蓋度、河流流通性的變化以及風暴潮、干旱等自然災害的發生,影響濱海地區的整體生態環境狀況.

在綜合評價的基礎上進一步分析全市典型分區的變化情況(圖7).其中,中心城區評價等級的隸屬度均值和面積的變化特征與全市較為相似,隸屬情況由優變為良,優等級面積逐年減少,農村人口的大量遷移與城鎮建設用地的不斷增加成為該變化的主要原因.沿岸地帶的變化情況較為復雜,呈現先上升后下降的倒“V”型變化,2002年的隸屬等級最高,其原因可能為該年份風暴潮災害發生次數少、強度低、影響范圍小,對生態環境破壞性不強,氣候環境相比之下較為適宜;其他年份則隸屬于差等級,但狀況有所緩解,除自然因素影響外,企業環保意識的加強也成為生態環境改善的推動力,尤其是龍口市污水處理廠的建成運行,減少了排入海域的污水,使沿岸水污染有所緩解.南部山區的變化情況較為穩定,以優、良為主,但其隸屬度均值逐漸下降,等級面積逐漸減少;隨著人類的開發利用與盲目建設,使有利于涵養水源、保持水土的林地面積逐漸減少,水土流失日益加重,生態承載力下降,原生態環境 逐漸發生改變.

圖7 龍口市3個典型分區生態環境動態變化示意Fig.7 Dynamic change of ecological environment in 3 typical partitions

3.4 研究結果驗證

表3 研究區城市熱島效應遙感監測統計表Table 3 Urban heat island of RS monitoring in study area

城市熱島效應是城市生態環境質量優劣的綜合表現形式之一,熱島效應的強度與分布,可以從一定程度上反映評價結果的合理性[31].根據2002年7月和2008年7月的遙感監測結果,計算統計研究區內各等級熱島效應影響值(表3).可見龍口市生態環境綜合狀況為優等級的熱島效應最弱,良等級的熱島效應較弱,差等級的熱島效應最強.與城市熱島效應遙感監測結果的對比分析表明,研究區生態環境綜合狀況與熱島效應的強度和分布有較好的一致性.

4 結語

本文嘗試以面向對象的原理為指導,結合區域生態環境特點建立綜合評價指標體系,同時采用面向對象方法和GIS空間分析法提取指標因子,在數學建模與GIS技術的支持下建立基于柵格數據的模糊評價模型,對龍口市生態環境狀況進行評價.

以2008年為例,計算出從高到低4個等級面積占總面積的比例分別為24.75%、41.78%、5.29%、28.18%,優級區主要分布在龍口市東南部的黃水河沿岸和南部山區,多是面積較大的坑塘、林地、園地等生態用地;良級區從東北到西南均有較廣泛的分布;中級區與差級區集中分布于西北部及西部沿海地區,主要為煤礦塌陷地、人類活動干擾強烈的港口和工業建設用地;整體上表現為從西北沿海到東南內陸逐漸變好的空間分布特征,這與不同地區的自然條件、土地開發利用和社會經濟發展狀況等因素有很大的相關性.從動態演變分析來看,1996～2008年研究區整體生態環境狀態呈下降趨勢,其主要原因是人類活動的干擾性與地理位置的特殊性;典型分區中,南部山區狀態略微下降,沿岸地帶呈倒"V"型變化,中心城區則與全市變化情況相似.

由于研究時間、數據資料等方面的限制,一些內容有待進一步加深,如數據收集的渠道不一,轉換過程均按統一的尺度進行,尤其是屬性數據的空間化,忽略了行政單元與柵格尺度的差異,使研究結果存在一定的誤差,今后可探索更為合理的方法進行數據轉化.由于區域地理環境和社會發展程度不同,該方法能否較好的應用于其他地區,還有待進一步實證研究.

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