典型人為干擾遙感識(shí)別與干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

劉曉娜，張景華，李 紅

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2. 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；3. 北京航天泰坦科技股份有限公司，北京 100070）

典型人為干擾遙感識(shí)別與干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

劉曉娜1,2，張景華3，李 紅1*

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2. 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；3. 北京航天泰坦科技股份有限公司，北京 100070）

以土地利用與土地覆被變化為視角，將人地關(guān)系歸納為城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化4種主要的人為干擾過(guò)程。在系統(tǒng)梳理城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化遙感識(shí)別內(nèi)涵與方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)構(gòu)建過(guò)程，指出當(dāng)前人為干擾研究主要存在干擾類(lèi)型、影響趨向、研究方法、切入角度、研究?jī)?nèi)容以及研究尺度6個(gè)方面的問(wèn)題。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能突出、人地關(guān)系矛盾劇烈的生態(tài)敏感區(qū)，以及城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)集約化與生態(tài)化3種典型人為干擾，開(kāi)展不同空間尺度上人為干擾強(qiáng)度積極與消極綜合的定量評(píng)價(jià)，以期為未來(lái)人為干擾定量識(shí)別與評(píng)價(jià)以及人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供支持和依據(jù)。

人為干擾；土地利用與土地覆被變化；遙感識(shí)別；城鎮(zhèn)化；農(nóng)業(yè)集約化；生態(tài)化

針對(duì)人類(lèi)活動(dòng)和全球變化之間的驅(qū)動(dòng)機(jī)制而開(kāi)展的土地利用與土地覆被變化（簡(jiǎn)稱(chēng)LUCC）研究，已成為全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域和前沿課題[1-2]。LUCC能夠很好的反映人為干擾的變化，基于LUCC的生態(tài)環(huán)境人為干擾度分析，能夠準(zhǔn)確地顯示出生態(tài)環(huán)境人為影響程度的空間分布和梯度變化特征[3]。目前，人為干擾研究主要以草地和森林生態(tài)系統(tǒng)為主，從綜合視角對(duì)整體生態(tài)環(huán)境人為干擾程度的評(píng)價(jià)研究案例較少，研究?jī)?nèi)容主要集中于干擾的生態(tài)效應(yīng)方面[4-5]，大多從傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)角度開(kāi)展人為干擾研究，對(duì)于LUCC的人為干擾遙感識(shí)別、人為干擾對(duì)LUCC的影響以及干擾強(qiáng)度的定量化及其空間異質(zhì)性格局變化研究明顯不足，未建立完善的針對(duì)整體生態(tài)環(huán)境的人為干擾強(qiáng)度綜合評(píng)價(jià)體系[6]。

城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化，是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)土地利用與土地覆被和生態(tài)系統(tǒng)格局與過(guò)程變化的4個(gè)主要人為干擾過(guò)程[7]。遙感作為當(dāng)前人地關(guān)系的主要監(jiān)測(cè)手段，可以識(shí)別城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化3種典型的人為干擾類(lèi)型。人為干擾強(qiáng)度可以反映人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)弱以及LUCC對(duì)人為干擾的響應(yīng)，在系統(tǒng)分析人為干擾強(qiáng)度空間格局與聚類(lèi)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人為干擾的積極干預(yù)，從而促進(jìn)區(qū)域人地關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展[8]。

本研究在文獻(xiàn)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，以LUCC為視角，以人為干擾為研究對(duì)象，在歸納4種主要人為干擾類(lèi)型和過(guò)程的基礎(chǔ)上，深入探討了“城鎮(zhèn)化”、“農(nóng)業(yè)集約化”、“生態(tài)化”3種典型人為干擾過(guò)程的遙感識(shí)別內(nèi)涵，梳理了“三化”遙感識(shí)別與評(píng)價(jià)的主要方法與技術(shù)，以及人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)的方法與指標(biāo)構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，指出當(dāng)前人為干擾研究中存在的主要問(wèn)題，并提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與研究方向，以期為未來(lái)人為干擾定量識(shí)別與評(píng)價(jià)以及人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供支持和依據(jù)。

1 人為干擾遙感識(shí)別

耕地、園地、建設(shè)用地等是可直接遙感識(shí)別的人為干擾類(lèi)型。林地和草地等自然植被遭受人類(lèi)活動(dòng)的影響，但并未發(fā)生類(lèi)型的轉(zhuǎn)變，則不能通過(guò)遙感影像直接識(shí)別，而是需要通過(guò)遙感反演植被生態(tài)參數(shù)來(lái)進(jìn)行判別[9]。

1.1 城鎮(zhèn)化遙感內(nèi)涵與定量識(shí)別

城鎮(zhèn)化作為一個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，包括人口流動(dòng)（人口城鎮(zhèn)化）、地域景觀（土地城鎮(zhèn)化）、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域（經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化）、社會(huì)文化（社會(huì)城鎮(zhèn)化）等方面的內(nèi)涵[10]。城鎮(zhèn)化引起的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展是人文因素對(duì)土地利用作用的一個(gè)重要方面。徐涵秋[11]基于Landsat ETM影像的可見(jiàn)光、中紅外、熱紅外波段，創(chuàng)建了快速提取城市不透水面的歸一化差值不透水面指數(shù)（NDISI）。王卷樂(lè)等[12]基于Landsat TM/ETM、CBERS多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建NDVI、NDWI、NDBI等指數(shù)，建立了城市綠化度、水體、城市建成區(qū)信息提取模型，有效利用城鎮(zhèn)地區(qū)特有的地物光譜特征，實(shí)現(xiàn)了定量化、自動(dòng)化的城鎮(zhèn)化遙感監(jiān)測(cè)。韓啟金等[13]和趙顏創(chuàng)等[14]利用HJ-1和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)的熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演開(kāi)展城市熱島效應(yīng)研究，通過(guò)地表溫度差異來(lái)提取城鎮(zhèn)用地。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)利用DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行城鎮(zhèn)用地提取進(jìn)行研究，結(jié)果表明利用燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)用地信息，是研究大區(qū)域城市空間擴(kuò)張有效的途徑[15]。

綜合考慮時(shí)間和空間精度，多光譜遙感數(shù)據(jù)是最經(jīng)濟(jì)可行的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源。遙感信息提取方法包括基于可見(jiàn)光波段（如NDBI、NDVI指數(shù)等）、熱紅外波段（地表溫度）、夜間燈光指數(shù)、紋理特征（如灰度共生矩陣）以及多分類(lèi)綜合法等。

1.2 農(nóng)業(yè)集約化遙感內(nèi)涵與識(shí)別

農(nóng)業(yè)集約化是指在單位農(nóng)業(yè)用地或耕地面積上，通過(guò)增長(zhǎng)物質(zhì)資本和人力資本的直接投入，以及農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的推廣應(yīng)用和農(nóng)業(yè)管理水平的提高，以增加單位面積產(chǎn)量的經(jīng)營(yíng)方式[16]。衡量農(nóng)業(yè)集約化程度的指標(biāo)目前主要有兩種觀點(diǎn)：①用直接投入的各種物質(zhì)技術(shù)費(fèi)用之和與耕地面積的比值來(lái)衡量；②通過(guò)單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)來(lái)衡量。農(nóng)業(yè)集約化程度可以從農(nóng)業(yè)投入強(qiáng)度、耕地利用程度、耕地產(chǎn)出效果和農(nóng)業(yè)持續(xù)狀況4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[17]。

孫丹峰等[18]在區(qū)域土地初級(jí)生產(chǎn)力構(gòu)成因素的理論分析基礎(chǔ)上，通過(guò)主成分分析建立不同作物種植模式下MODIS-NDVI 年序列與區(qū)域土地自然質(zhì)量和化肥投入的空間關(guān)系。利用時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)提取復(fù)種指數(shù)是監(jiān)測(cè)耕地利用強(qiáng)度的主要方法[19]。HJ-1 CCD遙感影像既具有MODIS數(shù)據(jù)的高時(shí)間分辨率特點(diǎn)，又具有Landsat數(shù)據(jù)高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為農(nóng)作物種植面積及其熟制監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源[20]。

目前對(duì)農(nóng)業(yè)集約化程度評(píng)價(jià)的特點(diǎn)：①時(shí)間尺度上，多屬于靜態(tài)評(píng)價(jià)，較少通過(guò)時(shí)間序列數(shù)據(jù)開(kāi)展動(dòng)態(tài)的集約經(jīng)營(yíng)評(píng)價(jià)；②采用的遙感數(shù)據(jù)源上，多為中低、中分辨率遙感影像，較少有中高分辨率的時(shí)間序列研究；③反映農(nóng)業(yè)集約經(jīng)營(yíng)的遙感識(shí)別指數(shù)主要是復(fù)種指數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)集約經(jīng)營(yíng)其他方面（種植作物類(lèi)型、土地利用強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)、化肥投入等）的遙感定量化研究較少。

1.3 生態(tài)化遙感內(nèi)涵與識(shí)別

本研究將生態(tài)化（土地生態(tài)化）定義為生態(tài)系統(tǒng)在人為干擾活動(dòng)下，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的演進(jìn)規(guī)律、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、功能等呈現(xiàn)出的自然質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的時(shí)空特征變化過(guò)程，主要表現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)比例、植被類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、功能等的變化。生態(tài)化的效果評(píng)價(jià)與指標(biāo)選擇可以參照生態(tài)恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)，二者在很多方面具有明顯的相通性。

基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)屬性的評(píng)價(jià)是目前生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)的主要途徑。選擇多樣性指標(biāo)（不同類(lèi)群的豐富度）[21]、植被結(jié)構(gòu)特征（植被覆蓋度、群落演替、原生物種的比例等）[22]、生態(tài)過(guò)程指標(biāo)（種子傳播、初級(jí)生產(chǎn)、養(yǎng)分循環(huán)等）[23]中的一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)，比較這些指標(biāo)與參考信息間的差異，據(jù)此評(píng)價(jià)恢復(fù)效果。NDVI因其簡(jiǎn)單性以及能反映植被的健康和壓力情況，常作為生態(tài)響應(yīng)的變量，應(yīng)用于植被干擾與動(dòng)態(tài)變化的研究[24]。此外，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）以及植被覆蓋度等生態(tài)參數(shù)也常用來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域植被生態(tài)化效果[25]。

2 人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)

人為干擾指標(biāo)主要分為單一型指標(biāo)和復(fù)合型指標(biāo)兩種。單一型指標(biāo)主要以反映人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)代替，如人為影響指數(shù)、道路密度、森林干擾度、人為干擾度等[7]。復(fù)合型指標(biāo)指基于多個(gè)變量構(gòu)建的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)人為干擾強(qiáng)度。Stein等[26]選取居民點(diǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、水庫(kù)、溝渠和堤壩分布、土地利用、點(diǎn)源污染等，構(gòu)建了“河流干擾指數(shù)”；曾智慧[8]從與人為干擾測(cè)度變化關(guān)系有正向關(guān)系和逆向關(guān)系的2個(gè)角度，選擇土地利用雙向變化率、土地利用強(qiáng)度、破碎度、分離度、人口密度5個(gè)指標(biāo)構(gòu)建人為干擾測(cè)度指數(shù)；Wang等[27]選用城鎮(zhèn)和農(nóng)用地比例、人口密度、道路密度、TN、TP及堤壩、采礦場(chǎng)分布等指標(biāo)構(gòu)建干擾指數(shù)；楊小林等[28]選取人工景觀數(shù)量、道路等級(jí)、物種來(lái)源、生物多樣性指數(shù)、植被覆蓋率、利用情況等8個(gè)變量構(gòu)建干擾度指數(shù)；Walz等[29]通過(guò)對(duì)“自然親近度”與人為干擾之間的映射關(guān)系，建立人為干擾強(qiáng)度模型，對(duì)不同土地利用類(lèi)型的人為干擾程度進(jìn)行分級(jí)；任艷敏等[30]從施工和運(yùn)營(yíng)兩方面，選取土地破損度、地塊切割度、交通系統(tǒng)阻斷度以及綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度變化率、景觀破碎度年變化率、周長(zhǎng)面積分維數(shù)年變化率、景觀分割指數(shù)年變化率，綜合評(píng)價(jià)高速公路建設(shè)對(duì)沿線(xiàn)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)。

為了使變量間能夠進(jìn)行運(yùn)算，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)變量賦予不同的權(quán)重。Zurlini等根據(jù)所選閾值確定判定像元是否被干擾，通過(guò)K-means算法對(duì)干擾類(lèi)型進(jìn)行聚類(lèi)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)干擾的數(shù)量和結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)；楊小林等[28]采用Delphi（專(zhuān)家咨詢(xún)法）和AHP（層次分析法）相結(jié)合的方法，確定各指標(biāo)因子的權(quán)重；James等[30-31]比較不同的變量組合、不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法以及不同的加權(quán)方法對(duì)干擾指數(shù)有效性的影響，指出應(yīng)當(dāng)選取相互獨(dú)立的變量構(gòu)建干擾指數(shù)。

3 問(wèn)題與展望

3.1 主要問(wèn)題

人為干擾相關(guān)研究較多，但存在以下不足與局限性：

1）在干擾類(lèi)型上，單一類(lèi)型人為干擾研究較多，區(qū)域人為干擾類(lèi)型全面揭示不足，無(wú)法對(duì)某特定區(qū)域所受人為干擾進(jìn)行全面了解和整體把握；

2）在影響趨向上，人為干擾所導(dǎo)致的消極影響研究較多，積極影響研究較少，無(wú)法綜合評(píng)價(jià)人為干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合效應(yīng)；

3）在研究方法上，人為干擾的靜態(tài)分析研究較多，對(duì)人為干擾的過(guò)程與格局動(dòng)態(tài)分析較少，難以反映出人為干擾在時(shí)間尺度上對(duì)LUCC影響和LUCC對(duì)人為干擾的響應(yīng)；

4）從切入角度上，人為干擾多為生態(tài)學(xué)范疇，強(qiáng)調(diào)人為干擾的生態(tài)效應(yīng)，較少?gòu)腖UCC的角度來(lái)分析人為干擾的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，弱化了人為干擾與LUCC的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究；

5）在研究?jī)?nèi)容上，人為干擾現(xiàn)狀及其生態(tài)效應(yīng)研究較多，而對(duì)人為干擾的遙感識(shí)別與干擾強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)略少，不利于及時(shí)動(dòng)態(tài)地掌握人為干擾的格局與過(guò)程，從而提出積極的人為干預(yù)策略；

6）在研究尺度上，人類(lèi)活動(dòng)干擾效應(yīng)研究主要集中于小尺度的案例研究，大尺度區(qū)域綜合研究仍較少見(jiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)人為干擾多尺度的效應(yīng)研究。

3.2 研究展望

在自然條件下，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的中小尺度干擾可以被大尺度下的系統(tǒng)所消化，但人為干擾因其具有同步性、廣泛性，會(huì)產(chǎn)生巨大的疊加效應(yīng)。因此，研究人為干擾的方式、機(jī)理和變化規(guī)律等不僅具有重大意義，而且具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性和緊迫性。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能突出、人地關(guān)系矛盾劇烈的生態(tài)敏感區(qū)作為研究區(qū)，以“3S”技術(shù)為支撐，以LUCC遙感信息提取與數(shù)字制圖為基礎(chǔ)，在遙感定量反演與地面實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上，厘清人為干擾的內(nèi)涵與遙感識(shí)別特征匹配，在生態(tài)要素定量反演與LUCC遙感信息提取基礎(chǔ)上，從不同地理空間尺度上，建立典型人為干擾（城鎮(zhèn)化、生態(tài)化、農(nóng)業(yè)集約化等）的遙感定量識(shí)別模型，構(gòu)建不同類(lèi)型與復(fù)合的人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開(kāi)展人為干擾強(qiáng)度（積極、消極以及綜合）的定量綜合評(píng)價(jià)；通過(guò)系統(tǒng)評(píng)估區(qū)域人為干擾強(qiáng)度的時(shí)空異質(zhì)性和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，提出積極的土地利用與土地覆被變化的人為干預(yù)策略，為促進(jìn)生態(tài)敏感區(qū)土地合理化利用、流域人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

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P237.9

B

1672-4623（2017）12-0080-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.025

2017-06-14。

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016M591112）；北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目。

（*為通訊作者）

劉曉娜，博士，研究方向?yàn)橥恋乩门c土地覆被變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)。