基于遙感與GIS技術的生態環境動態監測研究
——以汾河流域為例

□喬玉良

（太原理工大學，山西 太原 030024）

基于遙感與GIS技術的生態環境動態監測研究
——以汾河流域為例

□喬玉良

（太原理工大學，山西 太原 030024）

以汾河流域為實驗區，首先利用GIS與地形分析方法將其分為21個小流域；然后基于1978年的Landsat MSS、1993年和2009年的Landsat TM遙感影像，通過歸一化植被指數、歸一化差異水體指數、閾值法、譜間關系法、監督分類與非監督分類相結合的方法對汾河流域信息進行提取，選擇生物豐度指數、水網密度指數、植被覆蓋度、土壤退化指數與環境質量指數對汾河流域進行生態環境質量評價，得到汾河流域1978年、1993年和2009年3個時期不同小流域的生態環境質量分布。對不同時期的生態質量進行動態監測，結果表明：汾河流域生態環境質量在任何時期均為一般或較差；從1978年到1993年生態環境質量降低，1993年到2009年流域生態環境質量開始改善。本研究對汾河流域生態環境保護和治理提供指導。

動態監測；生態環境；汾河流域；遙感影像；GIS技術

1.引言

流域是一個社會、經濟、自然的復合生態系統，它是一個獨立的地貌單元，具有生態的完整性。由于人類社會經濟的發展，流域生態環境的負荷愈來愈重，流域生態環境的自我調節和恢復功能大幅下降，引起了日益嚴重的流域生態環境質量問題。

國外上世紀80年代初期正式開始生態環境質量評價，在上世紀90年代初由美國環保局所提出的環境監測與評價項目（EMAP）是這一時期比較有影響的研究。1998年Campbell K R[1]通過研究已有的環境模型及當前環境所面臨的問題，對生態環境模型的建立及生態環境風險的評價方法做了分析與總結。此外，一些組織和人們將景觀生態學和RS、GIS技術運用到生態環境的監測與評價之中，例如 1999年 Wynet Smith et al[2]利用遙感、GIS地圖制圖技術和數學統計分析方法對Batemi河谷的土地利用狀況和生態環境狀況進行了監測與評價研究。2009年 Bushra Waheed.al[3]，利用DPSEEA模型對環境的可持續發展評價進行了研究。我國的環境質量評價工作是于1978年逐步發展起來的，生態環境質量評價研究開始于80年代。毛文永[4]在《生態環境影響評價概論》中，選取了景觀優勢度指數、多樣性指數、生態環境綜合指數（植被覆蓋率、土地生態適宜性、恢復能力賦值、抗退化能力賦值）對生態環境進行了評價。劉建軍[5]選擇小流域為評價單元，采用以壓力-狀態-響應（PSR）反映指標為概念框架，將流域生態系統的功能和結構結合起來，通過遙感和GIS技術獲得生態環境變化信息，通過監測和評價小流域單元的健康狀況，對巢湖流域的生態系統健康狀況進行了評價。

汾河流域的生態環境質量日益引起社會各界的注意，但以往的研究缺少專門針對流域且從多角度進行的生態環境質量調查與評價，本文借助遙感與地理信息系統技術，以汾河流域為研究對象，將汾河流域分為不同的小流域，并對不同小流域的生態環境質量進行了動態監測，為各級部門進行生態環境治理提供依據。

2.研究區概況

汾河流域范圍為東經110°28′02″－113°32′38″，北緯35°19′19″－39°04′00″，面積約3 9471 km2。汾河流域處于山西省中南部，海拔一般在1 500m以上，流域內包含山地、丘陵和盆地。汾河流域屬大陸性半干旱季風氣候，春冬兩季常受蒙古高原干燥風的襲擊，雨雪稀少，干旱而寒冷，夏季多雨而炎熱。年平均氣溫自北向南相差較大，大致在6～13℃之間。年平均降水量也是北少南多，山區相對多，盆地相對少；大致在300～700mm之間，平均約500mm；降雨年內分配不均，6～9月降雨占全年的60%以上；年際變化也大，最大年降水量為最小年降水量的3.5倍。

汾河是中國黃河的第二大支流，作為山西母親河的汾河流域，如今的水資源依然十分有限，流域內有農業、工業，煤炭資源豐富，近幾年來，由于社會對能源的需求增大，導致煤炭的大量開采，使得流域內環境承載壓力更大，生態環境面臨的壓力也更大[6]。

3.數據與方法

3.1數據源選擇與影像處理

本次研究選擇數據有1978年的Landsat MSS數據、1993年的 Landsat TM數據和2009年Landsat TM數據，遙感影像的時間均為9、10月份。汾河流域1∶10萬地形圖，ASTER GDEM（數字高程模型）、汾河流域地貌數據、野外考查數據、環境統計數據及一些與流域相關的統計資料。遙感影像與ASTER GDEM均來源于美國NASA數據共享網站。

根據項目精度要求，對遙感影像進行了輻射校正、幾何校正與配準，幾何校正的誤差在0.5個像元之內；因為研究區包含多幅影像，影像間存在色差，在拼接前需要勻色，在此利用直方圖匹配來實現影像間的勻色；之后進行研究區遙感影像的拼接；同時對遙感影像各個波段進行參數統計，為后面土地利用信息的提取進行參數準備。圖1為本次研究的技術流程圖。

3.2研究方法

3.2.1基礎信息的提取

依據流域生態環境質量評價所需要的數據，在此首先進行研究區植被覆蓋度[7-9]的計算，分別提取林、灌、草、水體、居民地、耕地等專題信息，具體方法如下：

圖1 基本工作流程圖Fig．1 Diagram of work flow

（1）植被指數法[9]和閾值法提取流域林、灌、草信息；

（2）歸一化差異水體指數法、閾值法[10-13]及監督分類等方法分別初步獲取流域內的水體、居民地、道路信息；獲取一類地類信息后，制作掩模裁剪影像，提高下一類的分類精度，在此基礎上，結合非遙感資料進行目視解譯，最終獲得研究區水體、居民地、道路信息；

（3）利用以上獲得的林、灌、草、道路、河流、居民地、水體信息裁剪遙感影像，減少分類時的地類數，提高解譯精度，利用監督分類與非監督分類相結合的方法，初步獲得研究區耕地信息，以此為基礎，結合非遙感資料，進行目視解譯，獲得研究區耕地信息；

（4）利用具有 30米分辨率的 ASTER GDEM數據，結合研究區的土地利用、植被覆蓋數據，在ArcGIS的空間分析中生成研究區的土壤侵蝕圖，表1是汾河流域土壤侵蝕強度分級表[14]。

3.2.2生態環境質量評價指標提取

生態環境質量評價指標主要有：生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數、環境質量指數[15]，表2為評價指標因子與權重。

（1）生物豐度指數（Biological Abundance Index,BAI）

通過單位面積上不同生態系統類型在生物物種數量上的差異，間接地反映被評價區域內生物多樣性的豐貧程度。生物豐度指數中的因子從遙感影像上獲取。

BAI,生物豐度指數；Abio,生物豐度指數的歸一化系數；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S水域濕地,水域濕地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設用地,建設用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區域,研究區域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。

（2）植被覆蓋指數（Vegetation Index,VI）

VI,植被覆蓋指數；Aveg,為植被覆蓋指數的歸一化系數；S林地,林地的面積；S草地,草地的面積；S耕地,耕地的面積；S建設用地,建設用地的面積；S未利用地,未利用地的面積；S區域,研究區域的面積；面積的單位為平方千米（km2）。

植被覆蓋指數分權重見表2，植被覆蓋指數因子信息從遙感影像上獲取。

表1 土壤侵蝕強度分級標準Tab．1 Classification standard of the soil erosion intensity

（3）水網密度指數（Water Network DensityIndex,WNDI）

WNDI,水網密度指數；Ariv,河流長度的歸一化系數；Alak,湖庫面積的歸一化系數；Ares,水資源量的歸一化系數；L河流,河流長度；S湖庫（近海）,湖庫（近海）的面積；M水資源量,水資源量；S區域,研究區域的面積；面積的單位為平方千米（km2），長度的單位為千米（km）；水資源量的單位為百萬立方米（百萬m3）。

水網密度指數中的河流長度和湖庫面積從遙感影像上獲取，水資源量從《汾河志》[6]和《中國環境統計年鑒》獲取[16-17]。

（4）土地退化指數（Land Degradation Index,LDI）

土地退化指數分權重見表2。

LDI,土地退化指數；S輕度侵蝕,輕度侵蝕面積；S中度侵蝕,中度侵蝕面積；S重度侵蝕,重度侵蝕面積；Aero,土地退化指數的歸一化系數；S區域,研究區域的面積；。

在計算汾河流域土壤侵蝕度時，將侵蝕強度分為6個級別：微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕，在此計算汾河流域土地退化指數時，土地退化指數中的輕度侵蝕即對應前面計算得到的微度侵蝕和輕度侵蝕，土地退化指數中的中度侵蝕對應前面計算得到的中度侵蝕，土地退化指數中的強度侵蝕對應前面計算得到的強度侵蝕、極強度侵蝕、劇烈侵蝕。

表2 評價指標因子與權重Tab．2 Factors and weights of evaluation indexes

（5）環境質量指數（Environment Quantity Index，EI）

ASO2,SO2的歸一化系數；Asol,固體廢物的歸一化系數；ACOD,COD的歸一化系數；MSO2,SO2的排放量；M固體廢物,固體廢物的排放量；MCOD,固體廢物的排放量；R區域,區域年均降水量；排放量的單位為噸（t），降水量的單位為毫米（mm）。

環境質量指數的分權重見表2。環境質量指數中的因子量從《中國環境年鑒》[16-17]和《山西國土資源》獲取。

3.2.3流域生態環境質量綜合評價原則

生態環境質量指數（Ecological Quality Index,EQI）計算方法如下：

EQI,生態環境質量指數；BAI,生物豐度指數；VI,植被覆蓋指數；WNDI,水網密度指數；LDI,土地退化指數；EI,環境質量指數。

根據生態環境質量指數，將生態環境質量分為五級，即優、良、一般、較差和差。具體分類見表3。

4.汾河流域生態環境質量的動態分析

利用DEM（數字高程模型）數據，在ArcGIS軟件水文分析模塊下，提取出汾河流域的小流域，設定一定比例，將汾河流域分為21個小流域，通過對汾河流域小流域1978年、1993年、2009年三期進行生態環境質量評價。1978年有20個小流域的生態環境質量為一般，1個小流域的生態環境質量為較差；1993年有14個小流域的生態環境質量為一般，但分值都不高，接近一般與較差的臨界值，7個小流域的生態環境質量為較差；2009年有16個小流域生態環境質量為一般，說明流域生態環境質量有稍微的改善，有5個小流域的生態環境質量為較差。

從時序的角度來看，汾河小流域從1978年到1993年生態環境質量降低，其主要原因為工業發展迅速，濫砍濫發嚴重，水土流失嚴重，人類在發展的同時，沒能協調好發展與生態環境的關系，導致生態環境質量降低；1993年到2009年，汾河小流域生態環境質量變化不大，主要是因為人類開始意識到生態環境的重要性，在進行社會發展的同時，開始注意生態環境的保護，及時對已破壞的生態環境進行治理與恢復，特別是近幾

年效果顯著，但對于已破壞的生態環境，其治理與恢復需要較長的時間、較大的人力與物資的投入，短期內是無法將生態環境質量提高到一個高的檔次。表4為汾河小流域生態環境質量評價表。

表3 生態環境質量分級Tab．3 Eco－environmental quality classification

表4 小流域生態環境質量評價Tab.6 The eco-environmental quality evaluation in different small drainages

圖2 汾河流域多時序生態環境質量等級圖Fig．2 Classifying map of eco－environmental quality for Fen River Basin

5.結論

利用遙感與GIS技術，參考統計數據，依據《生態環境狀況評價技術規范（試行）》，通過獲取不同小流域對汾河流域進行生態環境質量的動態監測，使得對流域生態環境質量狀況有不同程度的了解，對于流域生態環境保護和治理有指導意義

圖3 小流域生態環境質量時序變化圖Fig．3 The time sequential change map of eco－environmental quality in different small drainages

研究表明：通過對汾河流域1978年、1993年和2009年三個時期的生態環境質量進行動態監測，得知從1978年到2009年，汾河流域生態環境質量為一般和較差，不容樂觀，從1978年到1993年生態環境質量降低，1993年到2009年生態環境質量開始改善，究其原委是因為人們開始注意到生態環境重要性，在社會發展與能源開采的時候，注重生態環境的保護，并對已破壞的生態環境進行治理，但治理非一朝一夕可得，而且恢復速度緩慢，主要原因是研究區蘊含大量的能源，能源開采與社會經濟發展需要進一步協調。

【1】Campbell K R，Bartell S M．Ecological Models and ecological Risk Assessment[M]．Michigan：Ann Arbor Press，1998．

【2】Wynet Smith et al,Exploring methods for rapid assessment of woody vegetation in the Batemi Valley,North-central Tanzania[J].Biodiversity and Conservation 1999,8:447-470.

【3】Bushra Waheed,Faisal Khan and Brian Veitch.Linkage-Based Frameworks for Sustainability Assessment:Making a Case for Driving Force-Pressure-State-Exposure-Effect-Action (DPSEEA)Frameworks[J].Sustainability,2009,1,441-463.

【4】Mao Wenyong.Introduction of environmental impact assessment[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,2003:1-45.[毛文永.生態環境影響評價概論[M].北京:中國環境科學出版社,2003:1-45.]

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【15】HJ/T192-2006,Technical Criterion for Eco-environmental Status Evaluation[S].Bei Jing:State Environmental Protection Administration,2006.[HJ/T192-2006,生態環境狀況評價技術規范（試行）[S].北京:國家環保總局,2006.]【16】《China Environment Yearbook》Editorial Board.China Environment Yearbook[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,1994:276-300.[《中國環境年鑒》編委委員會.中國環境年鑒［M］.北京:中國環境科學出版社,1994:276-300.]

【17】《China Environment Yearbook》Editorial Board.China Environment Yearbook[M].Bei Jing:China Environmental Science Press,2010:280-300.[《中國環境年鑒》編委委員會.中國環境年鑒［M］.北京:中國環境科學出版社,2010:280-300.]

喬玉良（1951年8月——），女，太原理工大學測繪科學與技術系教授，兼任山西農業大學博士生導師、北京師范大學珠海分校教授，主要從事地球信息科學、航測與遙感技術應用研究，獲國家、省部委科技進步獎15項，多次受邀赴美國、德國、英國、日本、波蘭、法國等國家和地區出席國際會議，山西省委聯系的高級專家。

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2095-7319（2014）01-0043-10