基于遙感生態指數的焦作市生態環境動態監測與評價

張 娟, 文廣超, 王恩營, 謝洪波, 劉正疆

(河南理工大學 資源環境學院, 河南 焦作 454000)

資源枯竭型城市是指礦產資源開發已進入晚期階段，資源型城市生態環境問題—土地資源濫用[1]、水資源破壞[2]、大氣污染[3]、城市熱島效應等[4]逐步凸顯，是我國城市發展過程中不可避免的問題。中國先后于2008，2009，2012年分3批確定資源枯竭型城市，焦作市作為首批資源枯竭型城市，是中部地區資源枯竭型城市的典型代表[5]。近年來，隨著焦作市生態環境建設力度的加大，其生態環境明顯改善，“國家森林城市”、“全國水生態文明城市”和“國家文明城市提名城市”等一系列稱號的獲得，充分印證了其生態環境建設的成效。研究焦作市生態環境演化特征對未來生態環境改善具有重要的現實意義，也可以為其他資源枯竭型城市的轉型升級提供建設參考。隨著遙感技術的發展，監測城市生態環境的方法逐漸增多，學者開始將多個遙感指數耦合監測生態環境質量。王萬同[6]通過對多源遙感數據在生態系統服務價值遙感模型中分析，對中原城市群實現了逐年逐像元的動態監測；徐涵秋[7]首次提出遙感生態指數(RSEI)，其綜合考慮植被覆蓋、城市建設和地表溫度等因素，采用遙感手段可獲取的因子，客觀評價區域生態狀況；茹克亞·薩吾提[8]采用遙感解譯指標對新疆天山北坡經濟帶的阜康市進行了生態環境監測；魏力輝[9]基于遙感生態指數對礦區生態環境進行了有效評價；魏偉[10]在綜合考慮武威市土地實際狀況的基礎上，利用遙感數據，借助GIS和RS技術，選取土壤侵蝕、土壤荒漠化、土壤含水量和土壤鹽漬化4個指數，構建武威市土地生態敏感性評價體系；白培勛[11]提出了一種基于無人機遙感技術的監測方法，通過規劃無人機飛行航線、原始航拍數據獲取及處理、水土保持生態建設基本監測信息提取等步驟可實現快速有效監測；王俊華[12]采用人機交互解譯方法提取多龍礦集區有關人類活動、水文、荒漠化、金屬氧化物污染及草地覆蓋等信息，分析研究區生態環境現狀。前人在生態環境評價與動態監測方面做了大量工作，但是針對資源枯竭型城市開展生態環境動態監測與評價相關研究的報道還不多見。為此，本研究選取典型資源枯竭型城市—焦作市為研究區，選用Landsat的5期影像數據，耦合綠度、濕度、溫度及干度指標，基于RSEI模型定量得到了焦作市近20 a的生態環境動態變化特征，結合人類活動脅迫綜合指數剖析了社會經濟強度對生態環境的影響規律，分析得到了不同生態指標對生態環境影響的重要程度，以期為進一步改善焦作市生態環境現狀提供參考，同時為其他資源型城市生態環境監測與評價提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區面積為4 071 km2，地理位置為35°10′—35°21′N，113°4′—113°26′E，位于河南省西北部，與山西省晉城市接壤，北依太行山，南臨黃河。地貌分為山區和平原兩大部分，總體北高南低，由西北向東南呈階梯式遞減，天然形成的平均坡度為2‰，由南部平原到北部山區，高程為80～1 200 m之間，高差起伏較大。焦作市轄沁陽、孟州市兩市，修武、武陟、溫縣、博愛4縣及市區。沁陽、博愛縣、市區、修武縣北部均為高山，生態環境質量較好，其中修武縣經過治理，部分村莊成為集旅游、休閑于一體的模范村莊；黃河流域橫穿孟州市、溫縣、武陟縣南部，生態環境質量近幾年有所好轉；中部區域受人類活動影響最大，生態環境質量較差。

1.2 數據源

本文數據來源包括遙感數據和基礎地理信息數據兩部分，數據來源表述為：①焦作市行政區劃圖：來自國家基礎地理信息中心，用于分析研究區范圍；②Landsat系列影像數據：來源于美國地質勘探局官方網站(https:∥www.usgs.gov)，影像數據清晰，覆蓋區云量較少。影像數據產品類型為Level 1T地形矯正影像，為提高不同時相研究結果的準確性，對遙感數據進行輻射定標、大氣校正等[13]預處理。影像數據詳見表1。③人口、經濟數據：來源于2000，2006，2009，2014和2019年的《焦作市統計年鑒》。

表1 Landsat系列影像數據介紹

1.3 研究方法

1.3.1 因子介紹 在反映生態環境質量諸多因素中，綠度、濕度、熱度、干度是人類直觀感知生態環境優劣的重要因素，常被用于評價生態環境。

(1) 綠度指標：歸一化植被指數(NDVI)是表征植被生長情況的因子，廣泛應用于監測植被和生態環境狀況[14]。

(1)

式中：ρRed，ρNIR分別為TM，ETM，OLI數據中紅、近紅外波段的反射率。

(2) 濕度指標：植被種類、分布狀況及地表土壤中的水分均和濕度指標緊密相關[15]，本文濕度指標[16]用纓帽變換中的濕度分量WET表示。

TM：WET=0.031 5×ρBlue+0.202×ρGreen+0.310 2×ρRed+

0.159 4×ρNIR-0.680 6×ρSWIR1-0.610 9×ρSWIR2

(2)

ETM：WET=0.262 6×ρBlue+0.214 1×ρGreen+0.092 6×ρRed+

0.065 6×ρNIR-0.762 9×ρSWIR1-0.538 8×ρSWIR2

(3)

OLI：WET=0.151 1×ρBlue+0.197 2×ρGreen+0.328 3×ρRed+

0.340 7×ρNIR-0.711 7×ρSWIR1-0.455 9×ρSWIR2

(4)

(3) 干度指標：裸露地和建筑用地會造成地表的“干化”，生態環境受二者面積及分布情況影響較大，所以干度指標(NDSI)綜合考慮裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)。

SI=〔(ρSWIR1+ρRed)-(ρNIR+ρBlue)〕/〔(ρSWIR1+ρRed)+(ρNIR+ρBlue)〕

(5)

IBI={2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-〔ρNIR/(ρNIR+ρRed+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1〕}/

{2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)+〔ρNIR/(ρNIR+ρRed+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1〕}

(6)

NDSI=(SI+IBI)/2

(7)

(4) 熱度指標：采用地表溫度表示，本研究采用大氣校正法反演LST。選擇影像的熱紅外波段進行輻射定標后求得黑體輻射亮度，再利用普朗克函數求出LST[19]。

Lλ=〔εB(LST)+(1-ε)L↑〕τ+L↓

(8)

B(LST)=〔Lλ-L↓-τ(1-ε)L↑〕/τε

(9)

LST=K2/ln〔K1/B(Ts)+1〕

(10)

式中：ρRed，ρGreen，ρBlue，ρNIR，ρSWIR1，ρSWIR2分別為TM，ETM，OLI數據中紅、綠、藍、近紅外、短波紅外1，短波紅外2波段的反射率；Lλ為熱紅外輻射亮度值；B(LST)為黑體輻射亮度； LST為地表真實溫度；ε為地表比輻射率；τ，L↓，L↑為大氣剖面參數。

1.3.2 遙感生態指數 遙感生態指數由徐涵秋提出，可用來定量化評價區域生態環境質量，分析其時空變化情況。計算遙感生態指數時需要對各因子歸一化，其目的是減少量綱不統一造成的誤差，使指標具備時空一致性。因子歸一化時，可能會受到個別極端值的影響，使歸一化結果產生誤差。本文采取方法是選取累積5%，95%的DN值作為置信區間，且將區間外的數據設置為最值，這樣可以有效避免極端值對歸一化的影響[20]。研究區有大片水域時會影響濕度指標結果，從而影響試驗數據的準確性。焦作市除黃河、沁河兩條大型河流，還有丹河、大沙河等水域，因此需對研究區的水域做掩膜處理。提取水體信息方法為改進歸一化水體指數[21]，結合Google Earth選擇合適的閾值提取水體。

4個因子歸一化后耦合進行主成分變換，將獲取的PC1做減法運算，得到初始生態指數RSEI0。為便于比較不同年份間的RSEI0，對RSEI0進行歸一化處理。

RESI0=(1-PC1)

(11)

RSEI=(RSEI0-RSEIMin)/

(RSEIMax-RSEIMin)

(12)

式中：RSEI值在0～1之間； RSEI值越高,表示生態質量越好。

主成分分析的優點是根據4個指標對主成分(PC)的貢獻率確定權重，減少主觀性，各年份主成分分析結果詳見表2。第一主成分(PC1)具有以下特征：PC1的貢獻率均大于75%，PC1包含了4個指標中大部分特征，可用于創建遙感生態指數RSEI。

表2 研究區2000-2019年遙感生態指數主成分分析結果

1.3.3 人類活動脅迫綜合指數 人類活動強度對城市生態環境變化起著重大影響，而人類活動脅迫[22]是指人類活動使生態環境朝著不好方向演變的各種因素，分析人類活動脅迫綜合指數將生態環境優劣與社會經濟、人口等信息相關聯，可彌補遙感生態指數未考慮經濟、人口等因素的不足。本文選取城鎮人口密度、第一產業增加值密度、第二產業增加值密度及第三產業增加值密度來衡量人類活動強度。

城鎮人口密度：單位國土面積內年末城鎮人口總數，宏觀上評估人口給焦作市生態環境帶來的壓力，計算公式為：

UPDi,t=(UPi,t×10 000)/A

(15)

式中：UPDi,t為第i個縣(區)第t年人口密度(人/km2); UPi,t為第i個縣區第t年年末常住城鎮人口總數(萬人);Ai為第i個縣(區)國土面積(km2)。

產業增加值密度：單位國土面積內GDP產業增加值數據，從宏觀層面評估產業結構對焦作市生態環境的影響。

DGDPi,t=GDPi,t/A

(16)

式中：DGDPi,t代表了第i縣(區)第t年GDP密度(萬元/km2); GDPi,t為第i縣(區)第t年份GDP萬元。

人類活動脅迫綜合指數：采用主成分分析法定量化評估焦作市不同時段社會經濟活動強度，計算城鎮人口密度及各個產業增加值密度參量，據此計算人類活動脅迫綜合指數。

(17)

式中：HPI指人類活動脅迫綜合指數;λg指特征根;Fg指主成分分量(特征根和主成分分量可使用SPSS軟件計算得到)。

2 結果與分析

2.1 焦作市遙感生態指數

根據遙感生態指數計算公式，可得2000，2006，2009，2014和2019年中RSEI均值分別為0.607，0.651，0.447，0.348和0.370，2000—2014年焦作市生態環境呈倒“U”形變化，2014—2019年焦作市生態環境逐步好轉。將各年份生態指數以0.2為間隔分為5級[23]，統計結果如圖1所示。從圖1可以看出，較差(0.2～0.4)面積先降后升，優等(0.8～1)面積先升后降，拐點均發生在2006年；差等(0～0.2)面積先升后降，良(0.6～0.8)面積先降后升，拐點發生在2014年；中等(0.4～0.6)面積2006占比最低，為12.6%，2000—2019年由34.1%降到20.8%。較差面積和優面積的變化使得2006年RSEI值最高，差等面積下降和良面積、中等面積上升使得2014—2019年RSEI值上升，生態環境質量得以改善。

從圖2可以看出，2000—2006年生態環境質量差的區域集中在北部山區，2000年以前北部山區缺乏統一規劃，被肆意開采，生態環境質量差。2000年以后，政府開始對北部山區礦山進行整治，如焦作市關停北山采石場，并將采石場打造成一處綜合性公園——縫山針公園，生態環境質量得以改善[24]；2009—2019年期間，焦作市出臺首部地方性法規——《焦作市北山生態環境保護條例》，焦作市政府投入了資金支持、加大了管理力度，對北山生態環境保護范圍、保護管理體制、保護規劃、保護區進行了明確規定，生態環境質量由差、較差轉變為良、優。2006—2009年期間，城區由于人類活動強度增大，生態環境質量發生惡化趨勢。環境治理過程中焦作市政府針對城區不斷加強治理力度，多措并舉，大力推動焦作市自資源型城市向生態型旅游城市轉變，主要體現在： ①根據《河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程實施方案》確定的“一山一渠兩流域”的總體布局，將黃河流域保護區及北部山區作為重點修復區域，采取管控、修山、治水、護渠、復綠、整地、擴濕等綜合性治理措施，按照“一區一策”方案，焦作市相關部門從自身實際情況出發，開展了大量的生態保護工作，包括北部山區歷史遺留礦山生態恢復治理、流域水生態環境治理； ②焦作市近年來不斷加大對南水北調中線工程總干渠生態帶、山區生態體系、生態廊道網絡建設等重點生態工程的投入。例如，南水北調沿線50 m綠化帶、黑臭水體改造工程和中原沿線太極養生綠化等工程，生態環境保護與建設取得一定成效。

圖1 焦作市生態質量環境分級

焦作市各縣區RSEI變化如圖3所示。分階段來看，2000—2014年期間，除溫縣，其余縣區在2006年RSEI值最高，和焦作市整體變化規律一致，符合倒“U”形變化。2014—2019年，除博愛、修武縣及市區，其余縣區RSEI值均增加。市區、修武、武陟縣高于2019年RSEI均值，沁陽市、溫縣遙感生態指數值較低，應重點治理，以提高焦作市整體生態環境質量。

圖2 焦作市生態環境質量等級分布

圖3 焦作市各縣區2000-2019年RSEI指數變化

2.2 焦作市生態環境質量變化分析

將RSEI進行差值運算，得到2000—2019年焦作市生態環境變化動態圖(圖4)，其中紅色代表生態環境質量惡化，綠色代表生態環境質量好轉，黃色為生態環境質量穩定。變化區域分為北部山區和南部平原，自焦作市轉型以來，焦作市政府不斷加強對北部山區環境治理，因此北部山區生態環境質量不斷提高，呈現好轉。2000—2006年期間，沁陽、博愛、市區、修武、武陟等區域好轉，在此期間大力實施天然林保護、退耕還林、北山綠化等工程，5 a完成造林6.06×105hm2，關閉污染嚴重企業357家，2005年市區空氣質量優良以上天數達286 d，比2000年增加近200 d；省控出境河流斷面水質平均達標率達到91%；2006—2009年期間，南部平原地區出現大面積惡化情況，原因是焦作市作為全國老工業城市，轉型初期工業布局不合理，城區產業結構存在不足，城鎮化率達到45.3%，未利用土地大幅減少，建設用地急劇增加；2009—2014年期間整體惡化區域明顯變少，經濟結構調整升級，示范區和產業集聚區規模不斷擴大，關閉污染企業104家；自2014—2019年以來，焦作市生態環境質量呈上升趨勢，主要歸功于政府對生態環境治理的重視以及有力的政策支持，如焦作市根據“創建國家生態園林城市”的戰略部署，建設了如焦作森林動物公園、大沙河濕地公園等生態公園，同時制定了《焦作市黃河灘區開發整理規劃和實施方案》，將武陟縣、孟州、溫縣境內的黃河灘地規劃建設為4大生態農業園區，使該地區生態環境得以改善。

2.3 人類活動脅迫綜合指數對生態環境影響

由人類活動脅迫綜合指數公式可得2000—2019年焦作市人口、經濟因素占比變化情況(表3)，分析人類活動綜合脅迫指數可得到，2000—2006年期間增幅最小，僅為3.05%，生態環境質量提高；2006—2009年增幅為82.71%，生態環境大面積惡化；2009—2014年增幅變緩，為37.45%，生態環境面積惡化變緩；2014—2019年，脅迫增幅較2009—2014年變低，為35.43%，加上政府對生態環境的重視，生態環境好轉。2006—2009年第二產業占比增加，同期生態環境大面積惡化，第二產業的工業“三廢”便是導致環境污染的重要原因；2009年之后，焦作市政府大力支持旅游產業，第一、二產業占比下降，以旅游業為主的第三產業占比上升，產業結構的調整使得焦作市由“黑色印象”向“綠色主題”轉變，極大地改善了生態環境。城鎮人口占比在2000年最低，此時中部縣(區)生態環境質量好；隨著城鎮人口占比不斷增加，使得中部區域環境質量不斷變差；2014年中共中央、國務院頒布了《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》，在此期間焦作市城鎮人口占比僅提高1%，速度變緩，生態環境好轉。

圖4 焦作市2000-2019年生態環境變化

表3 焦作市2000-2019年社會經濟強度因素占比變化情況

2.4 建模與驗證

利用RSEI建立生態模型，可明確不同指標的重要程度，對生態環境變化趨勢進行分析與驗證。提取各年份指標及RSEI的DN值，將RSEI作因變量，綠度、濕度、干度、熱度4個相關因子作自變量進行逐步回歸分析。共取16 342個樣點，貫穿全影像的采點可保證回歸分析結果具有代表和客觀性，避免樣本數量過少和取樣不均而導致結果產生誤差。

2000年回歸方程為：

RSEI=0.468+0.252×NDVI+0.296×WET-

0.327×NDSI-0.191×LST (R2=0.998)

(18)

2006年回歸方程為：

RSEI=0.478+0.263×NDVI+0.306×WET-

0.311×NDSI-0.110×LST (R2=0.998)

(19)

2009年回歸方程為：

RSEI=0.479+0.287×NDVI+0.308×WET-

0.319×NDSI-0.191×LST (R2=0.998)

(20)

2014年回歸方程為：

RSEI=0.499+0.260×NDVI+0.316×WET-

0.350×NDSI-0.207×LST (R2=0.998)

(21)

2019年回歸方程為：

RSEI=0.325+0.325×NDVI+0.345×WET-

0.416×NDSI-0.111×LST (R2=0.998)

(22)

結果分析可知，指標均參與運算未被剔除，可證明所選指標的合理性。系數表示不同因子對遙感生態指數的影響，系數值越大，影響程度越深。從回歸系數來看，4個指標對焦作市生態環境變化影響的重要程度表現為：干度>濕度>綠度>熱度。未利用地大幅減少，建設用地面積較快增長，人類活動強度增加，使得焦作市受干度指標影響最大。當因子系數為正，遙感生態指數隨因子增大而增大，反之相反。NDVI和WET系數為正，說明植被和水域的增加可以對生態環境起正面影響，LST和NDSI系數為負，說明地表溫度升高及建筑物增加會破壞生態環境。不同年份正負回歸系數分別為：+0.548，-0.518；+0.569，-0.421；+0.595，-0.530；+0.576，-0.557；+0.670，-0.527。對比不同年份正負回歸系數可知，2000—2006年，正回歸系數增加，負回歸系數絕對值減少，生態環境質量好轉；2006—2009年，正回歸系數增加，負回歸系數絕對值減少，負回歸系數值變化幅度遠大于正回歸系數，生態環境質量惡化；2009—2014年，正回歸系數減少，負回歸系數絕對值增加，生態環境質量惡化；2014—2019年，正回歸系數增加，負回歸系數絕對值減少，生態環境質量好轉。模型預測與主成分分析結果相符，驗證了該方法的可靠性。

3 討 論

(1) 生態環境變化趨勢。王冠等[25]運用三維生態足跡模型，以焦作市為例研究資源型城市轉型發展過程中生態環境變化，其認為2000—2014年焦作市生態環境總體呈現倒“U”形變化趨勢，與本文利用RSEI模型評價結果基本一致，區別在于本文分析結果中倒“U”形峰值出現時間不同，造成差異的原因是受遙感影像時間分辨率、云量等因素影響，導致選取的影像時間間隔較大。因此客觀認識遙感技術對于生態環境評價及其可應用范圍，區域生態環境動態監測與評價的具體問題具有重要的現實意義。

(2) 指標因子排序。指標因子權重受所評價地區地理、人類活動、經濟等因素綜合影響，因此對不同區域生態環境質量評價，指標因子的排序也會不同，需要遵循“因地制宜”的原則。張元培[26]在對鐘祥市作為研究區時得出植被對生態指數貢獻度最大；張乃明[27]研究新疆干旱區時指出干度指數、濕度指標對RSEI指數的貢獻度中最??；程志峰[28]對蘇錫常城市群進行逐步回歸方程中得出綠度在4個指標中所占權重最大。焦作市北部山區植被覆蓋度較高，但曾經歷多年的礦山開采活動導致生態環境較為脆弱[29]，水土流失比較嚴重，且面積只占焦作市總面積的20.22%，近年來伴隨南部平原地區城市化進程加快，人類活動強度和城市建設用地占比激增，因此綜合分析認為干度指標對焦作市整體生態環境變化的影響最大。

(3) 脅迫綜合指數。本文選取人類活動強度中的城鎮人口及產業結構增加值密度占比來計算脅迫綜合指數，進而對焦作市生態環境變化進行定量分析，前人尚未考慮加入脅迫綜合指數對遙感生態指數模型進行分析。謝正觀[30]指出焦作市產業結構不合理限制了焦作市生態環境的進一步發展。崔木花[31]以安徽省為例，指出產業結構優化升級對生態環境質量改善有著重要促進作用。因此針對焦作市的具體情況，應該科學、合理地調整產業結構，大力發展第三產業。

4 結論及建議

4.1 結 論

(1) 2000，2006，2009，2014年焦作市遙感生態指數分別為0.607，0.651，0.447和0.348，生態環境處于先上升后下降趨勢；2014—2019年焦作市遙感生態指數上漲幅度為63.22%；

(2) 2000—2019年期間，焦作市生態環境轉變與社會經濟強度、政策支持有關，第二產業占比降低及城鎮人口占比穩定均有助于改善焦作市生態環境；

(3) 焦作市生態環境質量受干度影響最大，濕度次之，綠度和熱度影響最小。干度對生態環境變化影響最大，主要原因是城市化進程中建設用地不斷提高；

4.2 建 議

(1) 2019年沁陽市、溫縣遙感生態指數低于焦作市遙感生態指數均值，治理重點應在沁陽市、溫縣，以期提高焦作市整體生態環境質量；

(2) 在焦作市未來發展過程中應注意合理規劃、利用土地，恢復植被，減輕地表干化的程度；

(3) 應注意焦作市流域水環境問題，打好“碧水藍天”保衛戰；武陟縣、沁陽市、溫縣旅游資源豐富，例如太行山獼猴自然保護區、神農山、青天河等，應大力發展旅游業，增加第三產業占比，提高生態環境質量。