基于GF-1/WFV的北京市部分區縣生態環境評價

王義慧　侯盼盼　孫逢雨

摘要：區域生態環境對居民的生活質量和可持續發展發揮著至關重要的作用，本文利用GF-1/WFV3數據對北京市部分區縣進行土地利用分類并建立生物豐度指數、植被覆蓋指數、水體指數、污染負荷指數和人類活動指數，對五種指數加權求和得到生態環境狀況指數，以此定量描述北京市部分區縣的生態環境狀況。結果表明：研究區整體生態環境良好，生態環境優良的區域占55%，以林地和水域濕地為主;生態環境一般的區域占24%，以耕地為主;生態環境較差和差的區域占21%，以未利用地和建筑用地為主。

關鍵詞：GF-1/WFV;生態環境指數;NPP/VIRS;PM2.5

中圖分類號：X820.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.106

Evaluation of ecological environment in some districts and counties of Beijing based on GF-1 / WFV

Wang Yihui，Hou Panpan，Sun Fengyu

（School of Information Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Taian Shandong 271018，China）

Abstract：Regional ecological environment on the residents quality of life and play an important role in sustainable development， using the GF-1 / WFV data was carried out on the part of the district and county of Beijing land use classification and establish the biological abundance index， vegetation index and water index and pollution load index and the index of human activities， the five kinds of index weighted summation index of ecological environment， ecological environment to quantitative description of the part of the district and county of Beijing. The results show that the overall ecological environment of the study area is good， and the area with excellent ecological environment accounts for 55%. The area with general ecological environment accounts for 24%， and arable land is the main part. Poor ecological environment and poor areas accounted for 21%， mainly unused land and building land.

Key words：GF-1 /WFV;Ecological environment index;NPP/VIRS;PM2.5

區域生態環境綜合評價能夠協調區域經濟發展與環境保護之間關系，有助于區域可持續發展 [1]。由于遙感在定量描述生態環境質量方面具有范圍大、數據量大、信息豐富等優勢，因此，基于遙感數據反演生態環境狀況指數的研究有著重要意義和價值[2]。根據我國《生態環境狀況評價技術規范》（HJ 192—2015）[3]，生態環境狀況評價利用一個綜合指數（生態環境狀況指數，EI指數），包括生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數、污染負荷指數5個分指數和一個環境限制指數。本次研究，將評價指標進行改進，利用遙感數據直接提取各種環境評價指標，對區域生態環境質量進行評價?；谶b感數據將生物豐度指數、植被覆蓋指數、水體指數、人類活動指數[4]和污染負荷指數作為評價指標對北京市部分地區生態環境進行綜合評價。

1 數據來源及研究區概況

1.1 數據來源

高分1號衛星（Gaofen-1 satellite，以下簡稱GF-1）是我國高分專項的第一顆衛星，配置了2臺2m全色分辨率相機、8m分辨率多光譜相機以及4臺16m分辨率多光譜寬幅相機，GF-1/WFV多光譜數據由中國資源衛星應用中心下載，時相是2015年10月3號。其他輔助數據如表1所示。

1.2 研究區概況

本次研究區選擇了北京市的7個區，分別是延慶區、懷柔區、密云區、昌平區、平谷區、順義區、通州區。研究區域位于華北平原北部，毗鄰渤海灣，與天津、河北相鄰。地勢西北高，東南低，氣候以大陸性季風氣候為主，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。天然水道多發源于西北部山地，流經東南部平原地區，匯入渤海。

2 數據與方法

2.1 數據預處理

對GF-1/WFV數據的處理：首先將影像進行輻射定標和大氣校正，再根據Landsat8 OLI影像和已鑲嵌的ASTER GDEM數據進行正射校正，最后根據矢量數據進行裁剪，計算歸一化植被指數和歸一化水體指數。

對NPP/VIRS夜間燈光數據的處理：首先對影像進行投影轉換、重采樣，再進行空間裁切，統計研究區域的最大值和最小值。

對全球PM2.5格網數據的處理：該數據是基于MODIS、MISR、和SeaWiFS氣溶膠光學厚度的遙感產品，由于該數據存在異常值，比如負值，首先對影像進行壞值插補，將負值替換成0，再對影像進行投影轉換和重采樣，最后根據研究區域進行空間裁切。

2.2 評價指標體系的建立

2.2.1 生物豐度指數

生物豐度指數用來評價區域內生物的豐貧程度，根據區域內不同的土地利用類型的權值進行加權加和。首先根據預處理的GF-1/WFV數據計算植被指數和水體指數，進行主成分分析和灰度共生矩陣的生成，再將15個波段的數據進行波段疊加，利用支持向量機分類，將研究區用地類型分為5類[6]，分別是建設用地、未利用地、耕地、水體、林地。各類樣本的可分離性均在1.9以上，分類精度在86%以上，再根據各類用地權重計算研究區的生物豐度指數。由于綜合指數EI的范圍是1～100，為了統一各指數的數量級，需要對各指數進行拉伸，拉伸范圍是0～100。首先根據研究區域掩膜數據計算各個指數最大值和最小值，再利用波段計算進行數據的拉伸。

2.2.2 水體指數

歸一化水體指數NDWI（Normalized Difference Water Index）是表征地表水體信息的重要指標[7]，Green是影像的綠光波段的反射率或者DN值，Nir是影像近紅波段的反射率或者DN值。對GF-1數據進行波段運算，得到研究區的水體指數，再對水體指數進行拉伸。

2.2.3 植被覆蓋指數

基于像元二分模型和NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的植被覆蓋度是表征地表植被覆蓋程度的重要指數[8]，計算植被覆蓋指數的時候需要剔除水體的影響。首先，制作研究區內的水體掩膜，其次，統計研究區域內的最大值作為純植被的NDVI值（NDVIV）和最小值作為純裸土的NDVI值（NDVI0），在這里將置信區間設為5%～95%，取直方圖累計頻率為5%的NDVI值作為最小值，95%的NDVI值作為最大值，計算植被覆蓋指數fv，再對數據進行拉伸。

2.2.4 人類活動指數

人類活動指數用來評價人類活動對生態環境的影響，人類活動指數越高，表示環境的污染越重。本研究利用預處理的NPP/VIRS夜間燈光數據表征人類活動指數。首先基于研究區對預處理的NPP/VIRS影像統計最大值、最小值，將數據拉伸，得到人類活動指數。

2.2.5 污染負荷指數

污染負荷指數用來評價區域所承受的環境壓力，本研究用PM2.5全球格網數據表征污染負荷指數，此指數越高，表示環境污染越重。對預處理的數據進行拉伸，得到污染負荷指數。

2.2.6 生態環境狀況指數

生態環境狀況指數是評價區域內的生態環境質量的重要指標，即EI值，范圍是0～100。由前面得到的5種指數根據自身權重相加求和所得，各類指數權重由自身的標準差計算所得，wi是權重，σi是標準差，權重計算公式如下：

經計算得到5種指數的權重表，并得到各個波段得計算公式，見表3。

最終得到EI指數，根據生態環境狀況分級表，利用決策樹，將北京部分地區的生態環境狀況分為5級：優（EI>75）、良（55～75）、一般（35～55）、較差（20～35）、差（0～20）。

3 研究結果分析

3.1 對北京市7個區EI指數的研究分析

研究結果表明，研究區西部、北部EI指數最高，環境質量等級為優，植被覆蓋度相當高，土地類型以林地為主，具有相對豐富的生物種群，由于植被的凈化作用，空氣質量相對較好，PM2.5指數較低，人類活動少，經濟欠發達的郊區和農村多分布于此。研究區的南部生態環境最差，植被覆蓋度較低，土地類型多為建設用地，是人類活動密集地區，空氣質量相對較差，經濟較為發達。環境質量狀況為良好的地區多為水體;環境質量狀況一般的區域多為耕地;環境質量較差的地區多為未利用地區域，由于研究時間為10月份，大部分莊稼被收割，耕地成為休耕地，被分類成未利用地，植被覆蓋度接近0，生物種群極少。

3.2 對北京市7個區縣生態環境的總體評價

研究區域里的7個區均非市中心，人口不是極度密集，環境相對較好，總體上，環境質量為優的面積達到一半以上，高達53%，主要集中在懷柔區、延慶區和密云區;生態環境為良的為2%，主要分布在研究區的水域濕地;生態環境為一般的占比24%，主要分布在耕地區域;生態環境為較差的占比19%，主要分布在未利用地，在本研究中主要表現為休耕地和裸地;生態環境較差的只有2%，主要集中城鎮等建筑用地，表現為人口密集地區。

3.3 對北京市7個縣區EI指數的分別分析

分別計算研究區域內7個縣區的生態環境指數的平均值，結果表明，EI指數在70以上的有懷柔區和延慶區，EI指數在50以上的是密云區、昌平區、平谷區;EI指數在30以上的是順義區和通州區，生態環境質量最好的是懷柔區，最差的通州區。

4 結論

本研究以GF-1/WFV數據為主，輔以NPP/VIRS月合成夜光數據、全球PM2.5格網數據、ASTER GDEM數據和Landsat8 OLI數據，分別計算5種指數，加權求和得到生態環境評價指數（EI），結論表明，研究區內整體生態環境指數為59.9460，等級為良好。由于所選的研究區域大多位于北京的邊緣區縣，資源開發程度和經濟發展相對較弱，受人類活動影響較小，因此生態環境保持較好。7個區中，懷柔區、延慶區和密云區生態環境質量排前三，3個區的土地利用類型以林地為主，擁有數量眾多的公園和水域濕地，空氣質量優良，人口也相對較少;而環境較差的通州區和順義區是平原地區，地上植被以耕地為主，緊鄰市中心，人口密集，空氣質量較差。本次研究不足之處在于缺乏數據進行定量驗證和分析，總體上，研究結果符合實際情況，與其他學者做的相同年份的研究在數值上較為接近[9]。

參考文獻

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收稿日期：2020-07-21

作者簡介：王義慧（1999-），女，漢族，本科學歷，研究方向為遙感應用。