基于GIS和RS的沿海縣生態環境質量綜合評價
——以霞浦縣為例

林漳河

（福建省林業勘察設計院，福州 350003）

由生態環境的相關概念可知，人類活動與自然環境的相互作用影響著生態系統，而生態系統的變化對人類活動也具有反饋作用[1]。因此，人類健康的生產生活方式、適宜的生居住環境離不開對生態系統的保護。隨著全球化進程的加快，中國的經濟、社會正處于高速發展時期，城市高速發展給我們帶來的生活便利，帶來了繁榮的經濟，同時，過度的開發也給生態系統的內在本質進行干擾，加重其惡化[2]，地表環境的破壞、大氣污染、水污染、土地退化、森林覆蓋率下降等生態環境問題日益凸現，生態系統所要承受的壓力越來也大，尤其是以沿海城市生態系統更為嚴重。世界上約有三分之一的人口居住在距離海冰60 km以內的范圍，因此，沿海城市是人口密集區，人類活動相對比較頻繁，城市開發力度大，工業開發密集。回顧歷史，沿海地區開發基本上都是開發一片、污染一片，干擾當地景觀格局和生態系統，沒有協調好經濟與生態的發展，往往更加在注重經濟上增長，忽視了生態環境質量，這種不可持續的發展模式造成了嚴重的生態與環境問題。因此，如何在開發沿海區的同時保護生態環境質量，是一個亟需解決的問題。

生態環境質量是社會經濟發展的基礎，可持續發展的保證，是人口環境居住舒適度的重要指標。本次研究綜合運用GIS（地理信息系統英文Geographic information system的簡稱）和RS（遙感英文Remote sensing的簡稱）技術對霞浦縣生態環境質量現狀進行評價，結合地理信息系統技術，可以定量化分析霞浦縣生態環境質量現狀，能為霞浦縣生態規劃、生態經濟規劃、生態修復及生態建設提供重要的依據。基于生態環境質量評價結果，可以劃定霞浦縣的生態環境優劣度等級較差的區域為敏感區，進行重點保護，形成良好的生態環境保護體系。為其他相似研究區的生態環境質量評價提供參考模型、提供技術路線。十九大提出，要全面加強生態環境保護，打好污染防治攻堅戰，因此，對沿海地區生態環境進行評價是響應國家政策的重要舉措，可以實現生態環境的可持續發展，促進霞浦縣生態環境質量合理健康發展，對霞浦縣生態環境保護具有現實指導意義[3-10]。

1 研究區概況

霞浦縣，福建省寧德市轄縣，國務院批準的沿海經濟開放縣，是閩東最古老的縣城，也是閩東文化中心，位居臺灣海峽西北岸，地處福建省東北部，轄有2街道12鄉鎮，總人口53萬。霞浦山海資源豐富，海域占全省海域面積的21.76%。現有耕地面積1.8萬hm2，占陸地面積的12%；林地面積9.93萬hm2，森林覆蓋率36%。近年來，霞浦縣近海水質基本保持穩定，城市空氣質量尚屬清潔水平，生態環境總體上保持在較好狀態[11]。但是人類活動的加劇、粗放型的經濟增長方式尚未變動，對陸地生態系統造成了壓力，如養殖污染的增多，人為水土流失，局部環境破壞嚴重，森林遭受破壞、生物多樣性銳減等生態問題。發展沿海經濟是富民強國的重要措施，因此，對于沿海開發帶來的破壞，需要加強保護，這是區域經濟社會和諧發展、可持續發展的關鍵。

2 數據處理和土地利用專題信息提取

2.1 數據收集及處理

研究區遙感數據采用Landsat 8影像，拍攝時間均為2017年3月1日，影像云量較少，研究區內基本無云覆蓋，影像質量好，可以滿足研究需要。運用ENVI軟件對研究區Landsat 8影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌、裁剪等處理后得到研究區所需的遙感影像數據（見圖1）。

研究區DEM數據在地理空間數據云上下載，影像分辨率為30m。運用ENVI軟件對研究區影像進行鑲嵌、裁剪處理，并通過處理后的DEM數據提取高程和坡度。

研究區其它數據包括霞浦縣森林資源檔案的2016年林業基本圖、行政邊界圖、鄉鎮邊界圖、人口密度統計數據等統計資料。

2.2 土地利用專題信息提取

土地利用和生態環境存在著相互制約的作用，因此，本研究根據國土資源部劃分的土地分類系統，考慮到研究區區域范圍較小，結合研究目的，將該系統的土地利用類型確定為林地、耕地、建筑用地、水域、未利用地。本研究使用SVM模型（支持向量機）對遙感圖像分類，得到初步結果，對初步的分類結果進行聚類、過濾處理、分類統計等操作，得到滿足后續生態環境研究需要的分類結果（見圖2）:林地面積101135.52 hm2，占總面積的68.15%；耕地面積24274.89 hm2，占總面積的16.36%；建筑用地面積16561.62 hm2，占總面積的11.16%；未利用地面積4556.88 hm2，占總面積的3.07%；水域面積1871.64hm2，占總面積的1.26%。可知霞浦縣的土地利用類型以林地為主，建筑用地與未利用地的占比也比較大。

3 指標體系的設置和確定

3.1 指標體系的設置

指標是評價的基本尺度和衡量標準，區域生態環境質量評價有其特殊性，每個區域的特點和制約因素不同，研究區所處的背景不同，則評價的方法和所選擇的指標體系也就不同。基于GIS和RS技術，結合實地考察情況，查閱霞浦縣相關文獻、年鑒等資料，閱讀相關學者對于沿海地區相關指標體系情況，從社會因子、植被因子、地表因子、地形因子四個方面來進行因子的選取，選取人口密度、城市擴張強度、生態系統穩定性指數、植被覆蓋度、地表溫度、水體指數、高程、坡度8個參考因子來評估霞浦縣生態環境質量情況。建立了如表1的霞浦縣生態安全評價指標體系。

圖1 影像圖

圖2 研究區土地利用類型圖

表1 生態環境評價指標框架

3.1.1 人口密度

生態環境的壓力主要來源于人類的生產活動與自然災害，人類和自然都能促使景觀格局發生相應的變化。首先是城市化進程伴隨著人口的擴張，而人口的增長對土地資源、水資源、能源森林資源的需求上升，會加劇對這些資源的開發，因此，沿海城市發展過程中人口的迅速增長是生態環境所承受的主要壓力，可以選擇人口壓力作為生態環境的評價指標。人口密度代表著區域經濟的活躍程度，區域人口越密集，區域經濟活躍度起伏越大，進而生態環境質量就會受到強烈的干擾，甚至破壞。

3.1.2 城市擴張強度

人口的增長、經濟的發展極大擴大了城市用地需求，城市用地的擴張會給生態環境施加壓力，促使生態環境格局發生改變。霞浦縣生態環境受外界的干擾強度可以用人口密度和城市擴張強度來表示。

3.1.3 生態系統穩定性指數

參考石斌[13]，對蘭州新區的生態環境研究，本文選擇了生態系統穩定性指數作為評價指標。土地利用景觀存在相對穩定性，沒有絕對穩定性，也就是景觀其實經常變化的，其只會在一定的時期內保持相對穩定。景觀由不同的要素的構成，要素不同、要素的空間組合不同、空間組合的配置不同等都會影響景觀的生態系統的穩定性。而人類是景觀的一種組成成分，一種復雜并對景觀具有非常強改造能力的干擾要素。土地利用景觀是人類活動作用于自然環境的主要途徑之一，反映著人為因素和自然因素的綜合效應，不同的土地景觀類型在維護不同的土地景觀類型在維護生物多樣性、保護物種、完善整體結構和功能、促進景觀結構自然演替等方面的作用是有差別的，同時，其對于外界干擾的抵抗能力也不同[14]。

3.1.4 植被覆蓋度

植被覆蓋度在一定統計區內，植被在地面上的垂直投影面積占該統計區面積的比例，作為影響生態環境變化的重要指標[15]，在植被變化監測、生態環境調查與評價、干旱、沙塵暴等自然災害監測、氣候和水土保持等諸多研究領域都有廣泛的應用[16]。植被覆蓋度這一指標在研究水文、生態、植被覆蓋情況等都具有重要意義，可以作為描述生態環境變化的基礎指標數據，植被覆蓋度的大小嚴重影響著區域生態環境變化。植被覆蓋度在生態環境調查中具有廣泛的應用，可以初步擬定植被覆蓋度作為生態環境的指標。

3.1.5 地表溫度（城市熱島效應）

本研究基于地表溫度來研究霞浦縣的城市熱島效應，地表溫度是地表能量（熱量）平衡的表現形式，其蘊含了非常豐富的地學信息，直接影響著大氣、海、陸之間的潛熱交換，可作為生態環境分析的重要指標[17]。城市熱島效應是指一種由于城市建筑及人類活動導致熱量在城區空間范圍內聚集的現象，是城市氣候最顯著的特征之一[18]。伴隨著城市化進程的加劇，城市熱島的強度也會加強，而熱島的強度與下墊面性質，植被覆蓋度的情況，人口等又密切相關，這些必定會影響城市生態系統的結構和功能，影響著城市生態環境。

3.1.6 水體指數

水是自然界生命的源泉，對維持生物體的正常生理活動有著重要的意義，對生態環境監測具有重要意義，是反映生態環境中水源涵養量的一個重要指數。霞浦縣是沿海城市，水域分布較廣，因此選用水體指數作為生態環境質量評價的因子。

3.1.7 地形地貌（高程和坡度）

地形地勢特征影響著自然地理環境和社會經濟，影響著氣候、河流流向、植被、土壤、地質災害、對人類生產生活也有著重要的影響。霞浦縣是典型的山海結合的地形地貌，研究初步選用高程和坡度來參與生態環境評價。海拔反映了地表的起伏狀態，影響著植被種類的分布，影響著溫度、濕度的變化以及大氣的流通，是生態環境評價中的重要因素。坡度通常是指坡面的垂直高度和水平距離的比值，影響著地表物質流動和能量強度，是制約生態環境的重要因子。因此研究選用高程和坡度兩個地形地貌因子作為生態環境的評價指標。不同的地形因子對生態環境的影響不同，高程越大，生態環境質量更穩定，這兩者是正向關系，坡度越大，容易造成水土流失等不利的生態環境狀態，坡度和生態環境質量表現為正相關關系。

3.2 指標體系的確定

指標權重處理是一項及其重要的工作，指標權重的確定表明了各個指標對生態環境質量的不同影響程度，獲取指標權重的方法有很多。本次研究采用熵權法來獲取指標權重。通過遙感影像數據、DEM數據、土地利用信息數據及其它統計數據，運用ArcGIS 10.2、ENVI軟件提取生態環境評價指標專題信息，根據熵權法計算了各指標的信息熵和熵權值，計算結果見表2所示。

4 評價結果分析

本研究采用熵權法確定8個指標的權重，用ArcGIS 10.2統計分析工具計算出霞浦縣的生態環境質量平均值，生態環境綜合指數平均值為0.6682，參考《中華人民共和國環境保護行業標準》，依據生態環境評價的相關研究，將霞浦縣生態環境質量劃分為5個級別（具體分布詳見圖3），劃分的生態環境綜合指數閾值范圍和含義見表格3所示。霞浦縣的總體生態環境綜合質量等級為良，生態結構相對比較合理，穩定，生態系統自身功能和自我恢復能力較強。

表2 評價指標權重

表3 評價分級標準

圖3 生態環境質量綜合指數等級圖

5 結語

研究基于GIS、RS等信息技術，對霞浦縣生態環境進行評價分析，評價結果比較貼合實際，在一定程度上驗證了評價方法和模型的科學性和適用性，評價結果能夠為今后霞浦縣生態環境規劃提供科學依據。傳統的生態環境評價模型構建大多基于歷史數據、人文數據，可獲性較差，而本文選擇的指標大多數可運用GIS、RS技術進行獲取，能夠更加快速與準確。但由于作者水平有限，在某些數據、指標的選擇上還不盡完善，本文在研究過程中存在的主要不足之處，應該注意的問題主要有:

①生態環境指標的選擇應該是多方位的，多角度的，生態環境評價不僅包括自然生態環境評價，也包括社會生態環境評價，但是由于社會經濟數據的可獲性比較難，資料受到限制，本文沒有將社會經濟指標納入評價體系。社會經濟指標的加入是今后區域生態環境質量值得探討的問題。

②以后的研究中將更多結合GIS、RS、GPS等先進的信息技術，特別是對沿海地區生態環境質量的調查，可擴大研究范圍與信息的采集，文章以霞浦縣為例驗證了沿海地區生態環境的初步研究成果，今后將進一步充實沿海地區生態環境評價指標，不斷修正評價模型。