基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數研究

鄧瑜兵，李德平，易 敏，李 毅

（1.湖南師范大學 資源與環境科學學院GIS研究中心，湖南 長沙 410081；2.湖南省環境監測中心站，湖南 長沙 410004；3.湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128）

基于RS的湖南省生物豐度歸一化系數研究

鄧瑜兵1，李德平1，易 敏2，李 毅3

（1.湖南師范大學 資源與環境科學學院GIS研究中心，湖南 長沙 410081；2.湖南省環境監測中心站，湖南 長沙 410004；3.湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128）

利用Landsat5 TM遙感影像對湖南省2011年的地表覆蓋信息進行提取，計算出2011年湖南省的生物豐度歸一化系數及各地州市的生物豐度指數，繪制2011年湖南省的生物豐度指數分縣分布圖，反映湖南省不同區域的生物豐度指數的差異，為湖南省生態環境質量評價提供數據支持。

生態環境質量評價；生物豐度指數；歸一化系數

2006年國家環保總局制定的《生態環境狀況評價技術規范》（試行）（HJ/T192-2006）（以下簡稱《規范》）中，生態環境質量的評價因子選定為生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數和環境質量指數。生物豐度指數是權重值最大的指標，對區域的生物豐度指數進行評價是區域生態環境質量評價的重要一環。由于區域之間土地利用方式的多樣性與差異性，生物豐度指數存在較大的差異，為了統一尺度，引入生物豐度歸一化系數對不同區域的生物豐度指數進行無量綱化處理[1]。《規范》為地區生態環境質量評價提供了一個科學的定量計算模型，用生態環境狀況指數的值（IE）來定量評價生態環境質量能夠直觀具體地反映研究區域的生態環境質量狀況。生態環境質量指數的計算用了9個歸一化系數來對指標進行無量綱化處理，而《規范》并沒有提供相應的數值[1]。《規范》對歸一化系數進行了簡單的描述：歸一化系數=100 / A最大值，A最大值是指某組數據在進行歸一化處理時的最大值。各歸一化系數是因尺度而異的系數，正確計算歸一化系數是客觀科學地評價區域生態環境的首要問題[2]。

對生物豐度歸一化系數和生物豐度指數的研究大多包含在區域生態環境質量的評價研究中[3-10]。本研究利用Landsat5 TM數據、全國生態環境10 a（2000～2010）變化遙感調查與評估項目數據對湖南省生物豐度歸一化系數及指數進行客觀、準確的定量計算，對湖南省縣級行政單元的生物豐度指數的時空分布規律進行科學總結，為湖南省生態環境保護工作提供科學數據。

1 研究區域概況

湖南省位于中國東南部的長江中游地區，東接江西，西臨重慶、貴州，南毗廣東、廣西，北與湖北相連。土地面積21．18萬km2，面積居全國第十位。屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，光、熱、水資源豐富，全省東、西、南三面山地環繞，逐漸向中部及東北部傾斜，形成向東北開口不對稱的馬蹄型地貌形態，全省地形以山地和丘陵地貌為主，合占總面積的66．62%。以山地丘陵為主以及降水豐富的氣候使湖南省生態環境具有一定的脆弱性，水土流失等生態環境問題比較突出。因此，正確計算湖南省生物豐度指數歸一化系數，把握湖南省生物豐度指數，從而對湖南省內各區域進行客觀科學的生態環境質量評價是正確把握湖南省生態脈搏、維持生態平衡必須要解決的問題。

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

矢量數據大都從“全國生態環境10 a（2000～2010）變化遙感調查與評估項目”中整理得到，部分缺失的縣級行政單元土地利用數據則采用基于像元的監督分類與基于人工目視的手段獲取。土地利用分類采用中國科學院資源環境數據庫的土地利用分類系統所建立的兩級土地利用分類標準，共分6個一級類型、25個二級類型[1]。在此分類基礎上對湖南省省級生物豐度指數進行計算，并對縣級評價單元的生態環境質量進行評價。這樣既能避免采用其他土地利用分類系統造成的解譯效率與解譯精度不高的問題，也方便生態環境質量指數的計算，有利于生態環境質量評價工作的進行。

2.2 數據處理

數據處理包括遙感影像處理和地面信息的提取，主要利用Erdas9．2及ArcGIS10．0實現對地面信息的初步獲取和精度校正，再通過數據分析軟件實現對數據的計算與分析[11-12]。

3 生態環境結果分析

3.1 湖南省生物豐度指數歸一化系數分析

通過對湖南省122個縣級行政單位的生物豐度指數進行計算，得出湖南省生物豐度指數分縣統計表（表1）。經計算得出，邵陽市的城步縣是2011年湖南省生物豐度指數最高的縣，故可由公式：歸一化系數 = 100 / A最大值計算出湖南省2011年生物豐度指數的歸一化系數為560．818 87。

區域生態環境質量的評價必然會涉及到尺度的問題，通過計算得出的湖南省2011年生物豐度指數歸一化系數能較為客觀地導出湖南省內縣級行政單位的生物豐度指數，為區域的生態環境質量評價提供數據支持。

放大尺度來對比全國的生物豐度指數歸一化系數，湖南省的生物豐度指數略大于全國的400．62。如果通過全國的歸一化指數進行計算，則湖南省縣級行政區中最大的生物豐度指數值是城步縣的71．434 8，最小值為芙蓉區的8．98。如果不進行無量綱化處理，則不僅不利于縣級行政區之間的對比，還會由于尺度的不同影響評價工作的準確性，如果用更小行政單位的生物豐度進行計算則可能出現大于100的情況，影響評價工作的進行[2]。

3.2 湖南省生物豐度指數分析

生物豐度指數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豐度的豐貧程度。參考國家環保總局提出的生態環境狀況分級表，并根據湖南省區域內部的生物豐度指數值進行適當修正，可將湖南省122個縣級行政區的生物豐度指數分為5個等級（表2）。

表2 湖南省生物豐度指數狀況分級

從整體上看，分級表中處于良和優的縣級行政單位達到了77個，占到總數的63．1%（圖1），總面積在整個省域內也處于絕對優勢。這表明在湖南省范圍內，生物豐度指數等級處于良和優的占到了大多數，生物豐度狀況處于一個相對穩定且良好的水平。

圖1 湖南省2011年生物豐度等級圖

3.2.1 湖南省生物豐度指數的空間差異

通過生物豐度指數的計算和可視化表達（圖2）可以看出，2011年湖南省生物豐度指數在整體良好的情況下呈現較為明顯的區域特征。

圖2 湖南省2011年生物豐度指數分縣分級圖（審圖號：湘S（2004）04號）

1）整體呈現南高北低、西高東低的分布特征。湖南省生物豐度指數分布的特點與地形有著密切關系。從計算方法上看，影響生物豐度指數值大小的因子主要有林地面積、草地面積和水域濕地面積。湖南省地表植被以地帶性的常綠闊葉林為主，缺少草地，所以草地面積在整個生物豐度指數的計算中影響十分有限。水域濕地的二級指標中，灘涂用地的權重達到了0．6，而這一地類在湖南省的分布也十分有限。所以對湖南省的生物豐度指數起決定性作用的便是林地的面積，特別是有林地的面積。

湖南省地形呈西高東低、南高北低的特點。南部有南嶺，西部有雪峰山和武陵山，北部和中東部以平原和低山丘陵為主。與地形相對應的便是不同的地表覆蓋。山地地表覆蓋以林地為主，處于亞熱帶季風氣候區的湖南省以地帶性的亞熱帶常綠闊葉林為主，故而生物豐度指數相對較大。北部和中部地區由于以平原和低山丘陵為主，地表植被覆蓋較低，故而生物豐度指數較低。

2）局部呈現散點塌陷分布的特征。塌陷點主要分布在長株潭城市群和經濟較為發達的縣級行政單位。由于經濟較為發達，建設用地占整個用地類型的比重較大，而在生物豐度指數的計算中建筑用地的權重僅有0．04，很難對生物豐度的大小產生實質性的影響，故造成經濟發達的地區生物豐度指數呈現塌陷的特點。

3.2.2 湖南省生物豐度指數的時間差異

根據《規范》計算出湖南省2005年分縣生物豐度指數，通過與2011年的計算數據進行對比，研究湖南省生物豐度指數的時間變化規律（表3）。

表3 2005～2011年湖南省生物豐度指數分縣變化表

從表3可以看出，湖南省縣級行政區生物豐度指數變化最大的為赫山區，增長了3．594 2。變化幅度在2以上的有13個縣級行政區，整體上無論從位次還是生物豐度指數的數值都維持一個相對穩定的狀態。華容縣、靖州縣、南縣、南岳區等縣級行政區在省內屬于生物豐度指數下降較快的地區，建設用地和耕地侵占林地導致林地面積銳減是生物豐度指數下降的主要原因。采取措施保護現有林地并擴大林地面積、保護區域內的生物多樣性成為這些縣市今后生態工作的主要方向。

4 結 語

通過對湖南省2011年生物豐度指數歸一化系數的計算，為客觀準確計算湖南省的生物豐度指數提供了信息支持，為清晰了解湖南省的生物多樣性現狀及時空規律提供了數據支持。經研究可以得出如下結論：

1）湖南省生物豐度指數整體較高，生物多樣性處于一個良好并且動態穩定的狀態。

2）在空間上，南部和西部地區生物多樣性較為豐富，而東部和北部生物多樣性較為單一，經濟發達地區的生物多樣性較為單一，經濟相對落后地區的生物多樣性較為豐富。

3）利用RS和GIS技術對湖南省生物豐度歸一化系數進行計算，快速準確地計算出湖南省122個縣級行政單元的生物豐度指數。實踐證明，基于RS的生物豐度歸一化系數及指數的更新，能有效利用RS技術快速準確獲取地面信息，減少地面調查的人力、物力投入，提高生物豐度指數獲取的效率及精度，結合現勢性強的遙感數據更能實現生物豐度指數的快速更新。應用更合適的RS數據參與生態環境的評價成為生態工作不可或缺的一環。

本文利用RS和GIS可視化相結合的方法，提出了一種快速更新省級生物豐度指數的工作思路。然而，由于研究區域的復雜性，針對湖南省實際生物豐度指數計算模型的修正十分有限，加之人工目視解譯精度的可控性也可能存在不足。因此，如何改進湖南省的生物豐度指數計算模型，應用更為精確的地面信息對生物豐度指數進行計算，以及如何選取精確化因子對生物豐度指數的準確性進行驗證等，還有待于進一步思考與論證。

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P237

B

1672-4623（2016）12-0048-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.016

鄧瑜兵，碩士研究生，研究方向為GIS應用。

2015-09-11。

項目來源：全國生態環境十年（2000～2010）變化遙感調查與評估項目（STSN-05-18）；湖南省普通高等學校重點實驗室開放基金資助項目（09K020）。