多時相遙感數(shù)據(jù)在四川省茂縣景觀生態(tài)安全格局評價中的應用

楊 斌,李茂嬌,程 璐,高桂勝,李 丹,陳 財

(西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010)

景觀作為人類資源利用和開發(fā)的對象，是研究人類活動對生態(tài)環(huán)境影響的適宜尺度，區(qū)域型景觀生態(tài)安全問題一直成為國內(nèi)外廣泛關注的熱點[1-2]。對于景觀生態(tài)安全評價研究，旨在如何定量評估人類化進程中該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全水平，現(xiàn)已成為研究者們關注的重要問題[3]。近年來，國內(nèi)學者在生態(tài)安全評價方面進行了大量探索性研究，主要集中于評價方法[4]、指標體系[5]、等級劃分[6]和定量化[7]等方面，研究結果在區(qū)域空間化方面的表達存在一定的缺陷，對于時空變化規(guī)律研究方面也存在模糊性等問題[8]。隨著各類遙感數(shù)據(jù)源大量免費應用，將RS和GIS技術應用到區(qū)域景觀生態(tài)安全評價領域具有較大尺度的研究范疇和快捷的時空變化分析等優(yōu)勢。

四川省干旱河谷區(qū)域在景觀生態(tài)安全方面一直成為國內(nèi)外針對于生態(tài)安全研究的焦點，茂縣地處四川省西北部，地勢西北高、東南低，區(qū)域內(nèi)大量分布著干旱河谷這一獨特的生態(tài)景觀，同時也具有典型的山地景觀特點。因此，選取茂縣行政單元作為研究區(qū)域，以Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為重要的數(shù)據(jù)基礎，利用遙感與GIS技術，引用景觀生態(tài)學方法，基于“壓力-狀態(tài)-響應”( PSR)模型，構建茂縣景觀生態(tài)安全評價指標體系，將評價指標進行空間量化，歸一化權重，再利用ArcGIS進行空間疊加與統(tǒng)計分析，分析出2000年、2007年、2015年3個不同時期的景觀生態(tài)安全變化過程及規(guī)律，為該區(qū)域的景觀生態(tài)安全評價提供科學的參考依據(jù)與應用模式。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

茂縣位于四川省西北部，地勢西北高、東南低，南有龍門山脈、北有岷山、西有邛崍山脈。經(jīng)緯度范圍：東經(jīng)102°56′～104°10′，北緯31°25′～32°16′，平均海拔約2 000 m，相對高度1 500～2 500 m。地理位置上該區(qū)是青藏高原過渡到四川平原的地帶，地形地質(zhì)結構均比較復雜，地貌主要為中、高山地，這對于區(qū)域型景觀研究具有一定的代表性[9]。在汶川“5·12”特大地震擾動影響下，該區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生頻繁，水土流失加劇，生態(tài)安全遇到嚴峻考驗。研究區(qū)內(nèi)不僅有岷江和涪江兩條主河流穿越，還存在大小河流共計170多條，湖泊25個。同時，由于受西風環(huán)境外加印度洋西南季風影響，形成獨特的高原性季風氣候，該區(qū)域河谷內(nèi)分布著大量的干旱河谷地貌景觀，隨著海拔高低變化，景觀類型呈現(xiàn)出垂直分布[10]。

1.2 遙感圖像選取與處理

由于研究區(qū)屬于中尺度研究范疇，因此，遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率精度為30 m足以保證評價結果的科學性。基于此，選取Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，經(jīng)過對年份(間隔7年)、時間(8—9月)和含云量(整幅20%之內(nèi))等指標的篩選，挑選出研究區(qū)范圍內(nèi)3景質(zhì)量較佳的遙感數(shù)據(jù)，分別是2000年8月Landat 5-TM數(shù)據(jù)、2007年9月Landat 5-TM數(shù)據(jù)和2015年8月的Landat 8-OLI數(shù)據(jù)(詳見表1，數(shù)據(jù)來源于美國USGS網(wǎng)站)。

表1 研究中選取的遙感數(shù)據(jù)信息

遙感數(shù)據(jù)處理采用ENVI 5.3 SP1專業(yè)軟件平臺，首先將研究區(qū)內(nèi)的3景不同時期的遙感數(shù)據(jù)導入到ENVI中，利用已配準好的1∶10萬DRG(數(shù)字柵格地圖)分別對其進行幾何精校正(L2級數(shù)據(jù)需進行幾何精校正，L4級數(shù)據(jù)可忽略這個步驟)，再利用研究區(qū)的矢量圖層(ROI，感興趣區(qū))進行圖像裁剪，然后通過輻射定標模塊對遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標，再利用FLAASH大氣校正模型進行大氣校正，最后根據(jù)研究需求選擇合適的波段組合，在圖像增強的效果下進行信息提取與解譯分析(見圖1)。景觀格局的變遷研究，需結合不同時期土地利用類型轉換作為評判基礎，參考國土資源部發(fā)布的土地利用現(xiàn)狀分類標準(GBT 21010-2007)，結合研究區(qū)實際需求和數(shù)據(jù)精度將研究區(qū)土地利用類型分為林地、耕地、水域、建設用地和未利用地5種基本地類，并采用最大似然法監(jiān)督分類法與目視修改相結合的方法，分別提取2000年、2007年和2015年的土地利用類型分布數(shù)據(jù)，該結果還在評價模型的景觀狀態(tài)層中充當基礎因子指標。

圖1 遙感數(shù)據(jù)處理流程

2 評價體系與方法分析

2 .1 景觀生態(tài)安全評價體系構建

景觀生態(tài)安全評價方法構建以景觀生態(tài)學為理論基礎，遵循一定的科學評價指標體系原則，結合GIS空間分析技術，對研究區(qū)進行安全評價等級劃分及動態(tài)變化過程分析。在此過程中，還需要對研究范圍內(nèi)的景觀空間格局變化情況進行動態(tài)表述，研究過程中采用的評價方法與思路則是在運用聯(lián)合國經(jīng)濟開發(fā)合作署(OECD)提出的 P-S-R 概念模型的基礎上[11]，選取層次分析評價方法構建研究區(qū)景觀生態(tài)安全評價體系，其評價體現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 評價體系流程

評價體系中包含目標層、準則層及指標層3個層次，其中，準則層引入了壓力層、狀態(tài)層及響應層分層模型，且每個準則層中還包含若干個指標，指標的選取從研究區(qū)景觀格局背景出發(fā)，盡可能的易獲取、可量化，指標之間還具有相互獨立性等特點(見表2)。通過對表2中的指標進行分析，得出人口壓力C1、城市擴展強度C2、坡度C3、熱島效應強度C8和溝壑密度C9其安全呈現(xiàn)逆向型，亦是指標數(shù)值越大，安全情況越差；植被指數(shù)C4、生態(tài)彈性度C5、生物豐富度C6、景觀結構指數(shù)C7呈現(xiàn)正向型，其指標數(shù)值越大，安全情況越好。

表2 景觀生態(tài)安全評價體系框架

2 .2 景觀生態(tài)安全評價指標分析

1)景觀壓力層(B1)。隨著人類進化發(fā)展與自然環(huán)境之間的平衡關系是景觀壓力層所關注的重點要素。通過對研究區(qū)內(nèi)自然景觀和人類活動的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域類自然災害頻發(fā)，人類工程活動較多(如修建梯級水電站、道路修建等)特點，給自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定的壓力，這些壓力表現(xiàn)出的潛在因素，可以通過人口迅猛增長、城市用地擴張和山地地形坡度來定量表征。因此，選用人口壓力C1、城市擴展強度C2、坡度C3代表景觀生態(tài)系統(tǒng)安全受到外界壓力干擾強度的評價指標。

①人口壓力(C1)：以研究區(qū)聚落為面源的壓力中心，通過遙感圖像的目視解譯獲取聚落聚集范圍并做緩沖區(qū)分析，得到人口壓力分布圖。

②城市擴展強度(C2)：城市的擴展情況可以結合建筑用地指數(shù)進行定量獲取，建筑用地指數(shù)(NDBI)其計算式為：NDBI=(BMIR- BNIR)/(BMIR+ BNIR)，式中BMIR、BNIR分別為中紅外波段和近紅外波段圖像像元的反射率或亮度值，研究過程中BMIR和BNIR可用TM的Band5、Band4波段、OLI的Band6、Band5波段的像元亮度值。

③坡度(C3)：地形坡度決定地表起伏程度，也能表征坡面的傾斜程度。對生態(tài)安全而言，坡度大小嚴重影響斜坡表面的土體承受的重力、斜坡表面的徑流量等，對區(qū)域地表的穩(wěn)定性起著關鍵性的作用。

2) 景觀狀態(tài)層(B2)。景觀生態(tài)安全狀態(tài)從景觀的表現(xiàn)形式、組織結構和生物貢獻度角度進行定量評價，因此，選取植被指數(shù)C4、生態(tài)彈性度C5和生物豐度指數(shù)C63個指標來反映。

① 植被指數(shù)(C4)：植被指數(shù)常用于表達對區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況定量分析，本文評價指標中運用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來定量表達研究區(qū)的植被覆蓋度及其植被生長活力對安全狀態(tài)的影響程度。

② 生態(tài)彈性度(C5)：生態(tài)彈性度(ECO)用來描述當生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)外干擾或所受壓力不超過其自身彈性限度時，系統(tǒng)在偏離原來的狀態(tài)后又可恢復到原有狀態(tài)的程度，常用于體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)與自我恢復能力[12]。生態(tài)彈性度的定量分析表述為

式中：Si為第i類土地利用類型面積百分比；Pi為第i類土地利用類型的彈性分值；n為土地利用類型數(shù)。此指標的提取用到不同時期的土地利用類型基礎數(shù)據(jù)。

③生物豐度指數(shù)(C6)：生物豐度指數(shù)表征單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，能間接反映被評價區(qū)域內(nèi)生物豐度的豐貧程度。常用于評價區(qū)域里生物多樣性的豐貧程度[13]，其算式為

式中：Si為第i類土地利用類型面積；Pi為第i類土地利用類型的生物豐度權重；S為區(qū)域總面積；n為土地利用類型；Abio為歸一化系數(shù)，其可用Abio=100 /Amax來求取，Amax為某指數(shù)歸一化處理前的最大值。可根據(jù)2000、2007、2015三年研究區(qū)土地利用類型狀況，計算得到該指標因子數(shù)據(jù)。

3)景觀響應層(B3)。景觀響應是指景觀對當前生態(tài)環(huán)境壓力所產(chǎn)生的反映情況。景觀結構指數(shù)能定量描述研究區(qū)景觀空間格局結構組成和配置特征；熱島效應強度能客觀真實的表現(xiàn)景觀在人類與自然災害活動下的響應關系；溝壑密度能定量界定出地形變化起伏情況對景觀生態(tài)環(huán)境的響應情況，因此，選取景觀結構指數(shù)C7、熱島效應強度C8和溝壑密度C9。

①景觀結構指數(shù)(C7)：景觀結構指數(shù)既可以定量描述研究區(qū)的景觀空間格局結構組成，亦能反映景觀空間格局的配置特征。不同的土地利用方式、開發(fā)強度，產(chǎn)生的生態(tài)影響具備區(qū)域性、累積性的特點，能夠直觀的反映在生態(tài)系統(tǒng)的結構組成上。另外，景觀結構還能夠準確的體現(xiàn)出各生態(tài)影響的空間分布和梯度變化規(guī)律，使得各空間分析手段成為可能[14]。景觀結構綜合指數(shù)計算：以遙感影像為基礎數(shù)據(jù)源，確定茂縣2000、2007和2015年土地利用變化分類圖，使用ArcGIS10.2將分類結果轉化為ArcGrid格式，獲取不同時期景觀類型圖(共5類，分別是耕地、建設用地、林地、水域和未利用地)，再應用景觀生態(tài)學專用軟件FRAGSTATS4.2.1計算三個不同時期景觀格局指數(shù)。

②熱島效應強度(C8)：熱環(huán)境的空間分布是人類活動與景觀生態(tài)環(huán)境相互作用的結果。在景觀生態(tài)學理論中，引入城市熱環(huán)境，能夠間接反映出區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況[15]。城市熱環(huán)境的研究側重于利用溫度相對強弱反映其空間分布情況，因此，可以采用地面溫度來表達熱島效應強度指標，研究過程中采用覃志豪的單窗算法進行求取其指標。

③溝壑密度(C9)：溝壑密度是指單位面積內(nèi)溝壑的總長度，該指標與區(qū)域降水和徑流特征、地形坡度、巖性、土壤的抗侵蝕性能、植被狀況、土地利用方式等因素有關，溝壑密度常用于衡量地表破碎度的定量評價指標。ARCGIS軟件中能快遞求取出溝壑密度定量分析指標。

2.3 評價指標權重確定

評價指標權重的確定，運用層次分析法建立層次結構模型、構造互反判斷矩陣、計算權向量、結果的一致性檢驗4個步驟，其中通過構建目標層與準則層(A與B)、準則層與指標層(B1與C1、C2、C3，B2與C4、C5、C6，B3與C7、C8、C9)之間的互反判斷矩陣來確定此次研究中的生態(tài)安全評價指標因子的權重(見表3)。通過計算，得出判斷矩陣目標層的隨機一致性比率為0.064 8(小于0.1)。

2.4 評價指標歸一化處理

上述分析和求取評價指標過程中，評價指標因子的評價值量綱存在不統(tǒng)一性等問題，無法直接進行柵格數(shù)據(jù)處理與分析，因此，采用極差標準化法對各指標數(shù)據(jù)及評價指數(shù)進行無量綱化處理[16]。運用此公式計算過程中，還存在正向指標和逆向指標的差異性，其中正向指標是指數(shù)值越大越安全，逆向指標則相反，其算式為

式中：Xij為第j類景觀的指數(shù)i，maxXj和minXj為景觀類型j的最大景觀指數(shù)值和最小景觀指數(shù)值；Gij為歸一化后的景觀指數(shù)指標。經(jīng)過歸一化處理后，所有的評價指標最終的量化值在(0，1) 之間。

表3 評價指標權重

3 景觀生態(tài)安全評價結果

3.1 景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)與分級

通過對景觀生態(tài)安全評價指標權重提取、分析及標準化處理后，將各指標因子加權求和獲取各時期不同景觀生態(tài)安全綜合評價指數(shù)，其算式為

式中：Ai為評價年份景觀生態(tài)安全綜合評價指標值；Wj為第j個指標的權重值；Pj為第j個指標的歸一化結果。由于此結果并不易定量地判別其安全等級高低，故而需要引入評判標準，劃分研究區(qū)內(nèi)不同時期的景觀生態(tài)安全等級。參考國內(nèi)同領域相關資料和標準，結合景觀生態(tài)安全等級劃分方法[17-18]，采用非等間距劃分，將景觀生態(tài)安全指數(shù)值和安全等級進行如下關聯(lián)(見表4)。

表4 景觀生態(tài)安全評價指數(shù)分級標準

3.2 評價結果分析

通過對景觀生態(tài)安全評價綜合指數(shù)及分級標準分析，可在ArcGIS軟件支持下提取2000年、2007年、2015年3個不同時期的景觀生態(tài)安全綜合評價指數(shù)和景觀生態(tài)安全綜合評價分級結果(圖3中，A、B、C為景觀生態(tài)安全綜合評價指數(shù)，D、E、F為景觀生態(tài)安全綜合評價分級結果)。

對不同時期的景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)和評價分級結果空間格局分析可以得出，2000—2015年時期內(nèi)研究區(qū)東部(光明鄉(xiāng)、富順鄉(xiāng)、土門鄉(xiāng)和東興鄉(xiāng))，生態(tài)安全狀況始終保持良好穩(wěn)定狀態(tài)；而研究區(qū)南部(南新鎮(zhèn)和鳳儀鎮(zhèn))，2000—2015年期間景觀生態(tài)安全狀況變化較小，此外，研究區(qū)干旱河谷地帶景觀生態(tài)安全狀況變化較為明顯，尤其表現(xiàn)在黑水河流域。利用統(tǒng)計分析模塊，對這三個不同時期的安全級別統(tǒng)計，結果如表5所示。

圖3 景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)和評價分級結果圖

表5 2000年、2007年、2015年景觀生態(tài)安全級別狀況統(tǒng)計 hm2

從上述統(tǒng)計結果可以得出：2000—2015年期間，研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)安全情況具有逐步趨于穩(wěn)定的變化趨勢。研究表明：安全區(qū)域所占比重均達到60%以上(僅2000年差2個百分點)，2000—2015年期間茂縣整體景觀生態(tài)安全狀態(tài)比較好，但危險區(qū)域面積有所增加，仍然需要加大對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與景觀治理工作，如圖4所示。

圖4 景觀生態(tài)安全評價等級百分比變化圖

4 景觀生態(tài)安全轉移分析

僅通過上述圖表統(tǒng)計和定性分析，還不能全面定量發(fā)映出研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)安全變遷格局，因此，借鑒研究學者對土地利用變化的研究方法，運用轉移矩陣全方位剖析2000—2015年茂縣景觀生態(tài)安全演變過程，表6、表7、表8描述了2000—2007年期間，2007—2015年期間以及2000—2015年期間研究區(qū)景觀生態(tài)安全級別轉移變遷情況，此分析結果能客觀全面反映研究區(qū)在不同時期內(nèi)各安全級別之間的流動過程。

表6中顯示出2000—2007年期間，研究區(qū)景觀生態(tài)安全狀況變化較為平穩(wěn)，主要表現(xiàn)在良好級別與安全級別、危險級別與風險級別之間的轉換，其中良好級轉為安全級面積最大，約16 176.53 hm2，占比4.20%；安全級轉為良好級約13 161.67 hm2，占比3.41%。危險級轉為風險級面積約6 231.34 hm2，占比1.62%，由此可見，2000—2007年期間，研究區(qū)景觀生態(tài)狀態(tài)有所好轉。

表6 2000—2007年景觀生態(tài)安全級別轉移統(tǒng)計

表7 2007—2015年景觀生態(tài)安全級別轉移統(tǒng)計

從表7可以得出，2007—2015年期間研究區(qū)景觀生態(tài)安全狀況有所下降，但整體依然比較穩(wěn)定。其中主要表現(xiàn)在安全級別轉為良好級別51 527.81 hm2，占比13.36%，而良好級別轉為安全級別的僅7 775.85 hm2，占比2.02%，其余安全級別之間的轉換可以忽略不計。從這段期間分析可以得出，研究區(qū)在汶川特大地震擾動和自然災害(山洪、泥石流等)侵蝕下，景觀生態(tài)安全受到一定程度的破壞，但隨著近7年的長效建設和災區(qū)重建，整個區(qū)域內(nèi)景觀生態(tài)依然維持在安全級別和良好級別范疇。

表8 2000—2015年景觀生態(tài)安全級別轉移統(tǒng)計

從表8分析得出，2000—2015年期間研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)安全整體較為穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在安全區(qū)和良好區(qū)、危險區(qū)和風險區(qū)之間的互相轉換，但安全級別的面積仍然在減少，而敏感區(qū)和良好區(qū)轉移到安全區(qū)的面積較少。這對于該區(qū)域依然需要加大景觀格局的整體規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境的長效治理，除在技術資源投入以外，還需要加強當?shù)鼐用駥坝^生態(tài)環(huán)境的保護程度。據(jù)野外實地詳查，該區(qū)域存在藏族、羌族、回族等少數(shù)民族，大部分居民依然采用原始的山坡耕作方式，廣泛集中在山地主河道進行集中采伐與耕地建設，雖地震過后進行了有效的規(guī)劃與治理，但還需要加強科學引導與有效規(guī)劃。

5 結 論

通過2000年、2007年、2015年3個不同時期相同季節(jié)Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結合景觀生態(tài)學理論與“壓力-狀態(tài)-響應”評價模型方法，選取景觀壓力層的人口壓力、城市擴展強度、坡度，景觀狀態(tài)層的植被指數(shù)、生態(tài)彈性度、生物豐富度，以及景觀響應層的景觀結構指數(shù)、熱島效應強度和溝壑密度這9個指標，利用層次分析法確定指標因子權重，并在ArcGIS軟件平臺下通過疊加統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)景觀生態(tài)安全綜合指數(shù)評價分布圖，再根據(jù)國內(nèi)外生態(tài)安全等級劃分標準及研究區(qū)實際情況，將區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況劃分為危險級、風險級、敏感級、良好級、安全級這5個等級。主要研究結論如下：

1)2000—2015期間研究區(qū)茂縣東部(包括光明鄉(xiāng)、富順鄉(xiāng)、土門鄉(xiāng)和東興鄉(xiāng))，生態(tài)安全狀況始終保持安全穩(wěn)定狀態(tài)；而茂縣南部地區(qū)(包括南新鎮(zhèn)和鳳儀鎮(zhèn))，景觀生態(tài)安全狀況變化較小，此外，研究區(qū)干旱河谷地帶景觀生態(tài)安全狀況變化較為顯著，尤其在黑水河流域，需重點關注此段景觀生態(tài)環(huán)境的變化情況。而整個茂縣范圍其景觀生態(tài)安全狀態(tài)雖受到汶川特大地震的重大影響，逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)通過設置時間斷點，引入轉移矩陣方法，分別計算出2000—2007年、2007—2015年和2000—2015年3個不同節(jié)點范圍內(nèi)茂縣景觀生態(tài)安全變化情況。研究表明，2000—2015年研究期間，茂縣景觀生態(tài)安全之間的轉換平穩(wěn)，且僅限于低級別與低級別、高級別與高級別之間的轉換，且轉換面積和比重均保持在一定的范圍。在2000—2007年期間，茂縣景觀生態(tài)狀態(tài)有所好轉，而2007—2015年期間茂縣景觀生態(tài)安全狀況又有所下降，這主要由于汶川特大地震擾動和自然災害(山洪、泥石流等)侵蝕所致。

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