基于RSEI的漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測

魏雨涵, 錢建平?, 范偉偉， 李 彭

(1.桂林理工大學地球科學學院，541006,廣西桂林；2.東北林業(yè)大學工程技術學院，150040,哈爾濱)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與人類生存和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展息息相關，反映特定的時間和空間范圍內(nèi)的生態(tài)優(yōu)劣程度，受到自然和人為因素的共同干擾，單一要素難以全面客觀地反映生態(tài)環(huán)境狀況。新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index, RSEI) 能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜生態(tài)環(huán)境進行高效快速大范圍的定量統(tǒng)計和數(shù)字成圖。它基于遙感影像數(shù)據(jù)集成了綠度、濕度、干度和熱度4個生態(tài)環(huán)境影響因素，很好的解決了傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境指數(shù)(ecological index, EI)中土地退化指數(shù)計算復雜，環(huán)境質(zhì)量指數(shù)應用受限等問題[1-2]。目前基于RSEI的研究內(nèi)容主要分為：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化分析、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化驅(qū)動力機制研究和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化和各指標因子關系模型與預測分析3方面[3-5]。宋慧敏等[6]對渭南市1995年至2015的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行研究發(fā)現(xiàn)，除渭南市周邊和部分礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降外，整體生態(tài)環(huán)境得到改善；朱青等[7]綜合地形因子、氣候因子、土地利用類型和社會經(jīng)濟4方面發(fā)現(xiàn)，坡度因子是影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最重要指標因子；楊鳳海等[8]對東北黑土流失區(qū)的建模和預測發(fā)現(xiàn)，綠度指標是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的關鍵指標因子，當綠度指標增加0.26時RSEI會增加0.1。以上研究均是圍繞上述3個內(nèi)容的某一方面或者2個方面展開，缺乏基于RSEI的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的全面評價與驅(qū)動力機制分析。

漓江流域是是桂林市旅游資源開發(fā)的核心區(qū)域。自1998年以后，流域的溫度受氣候變暖的影響尤為明顯，冬季0 ℃以下的天氣基本為零，且近年來流域枯水期逐年增加，土壤含水量下降，水源林面積不斷減少等環(huán)境問題突出[9-10]。漓江兩岸的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，已經(jīng)影響到桂林市的生態(tài)文明建設；因此，針對漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的科學評估研究對流域的生態(tài)環(huán)境保護意義重大。

目前針對漓江流域環(huán)境問題的研究大部分是在上游、下游、市區(qū)等局部區(qū)域進行實地采樣獲取數(shù)據(jù)建模，分析土壤、水、植被等單一要素的環(huán)境變化情況[11-13]。然而漓江流域?qū)儆诘湫偷目λ固氐孛矃^(qū)，峰叢林立，洼地眾多，植被茂密，人工調(diào)查難度極大且成本高、效率低，很難全面反映流域環(huán)境質(zhì)量狀況。為了準確客觀地獲取漓江流域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)變化，本研究基于Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，利用主成分分析法計算RSEI指數(shù)，并構造多元回歸模型判斷影響流域環(huán)境質(zhì)量的主要因子，對漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行時空變化分析、驅(qū)動力機制分析以及預測，掌握影響漓江流域環(huán)境質(zhì)量變化的內(nèi)在因素，以期為區(qū)域環(huán)境保護工作和決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江流域位于廣西東部桂林市境內(nèi)(E 110°07′39″～110°42′57″，N 24°38′10″～25°53′59″)，涉及桂林市區(qū)及漓江周邊5縣的部分地區(qū)(圖1)，擁有聞名中外的漓江風景名勝區(qū)，以及1個國家級自然保護區(qū)2個自治區(qū)級自然保護區(qū)。流域總面積為5 585 km2，呈現(xiàn)出中部為低山地，北部和東西部較高的地形分布特征，具有典型的喀斯特地貌，氣候特征為亞熱帶季風氣候，夏長冬短，雨量充沛，光熱強度大，年均氣溫為19.3 ℃，年降雨量為1 838～1 941.55 mm。

圖1 漓江流域研究區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of Lijiang River Basin research area

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

漓江流域的氣候特征使其雨季和旱季的水量差異明顯，不同季節(jié)地表覆被及干濕度和溫度情況不同，使得傳感器探測到的波譜數(shù)值有所差異。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在較短年限內(nèi)不易看出差別，且基于同源遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的定量評價能夠更準確地說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的真實變化情況。因此本研究為了排除雨量不同對結果的影響，以10年左右為1個周期分別選取了1991年11月15日(TM)、2001年11月18日(ETM+)、2009年11月13日(ETM+)和2019年11月12日(OLI/TIRS)的Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，云量均<5%。對各年份影像進行的數(shù)據(jù)預處理主要包括對各年份影像進行幾何校正、輻射定標、Flaash大氣校正[14]、高程校正、鑲嵌和裁剪，以減少不同時相的影像在地形、光照、大氣等方面的差異。不同年份的影像通過二次多項式和最鄰近象元法進行影像配準，均方根誤差均<0.5個象元；最后為了避免大面積水域?qū)μ崛〉腞SEI指數(shù)造成影響，研究基于自動水面提取指數(shù)(automated water extraction index, AWEI)[15]提取研究區(qū)水體，并對水體進行掩膜。

2.2 研究方法

生態(tài)環(huán)境與植被、干、濕、熱等密切相關，這4個因素能夠直觀反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣。NDVI(normalized difference vegetation index)為歸一化植被指數(shù)[16]，可以對植被長勢進行估算，代表綠度；濕度(WET)采用纓帽變換提取[17]；選用建筑指數(shù)(index-based built-up index, IBI)[18]和裸土指數(shù)(soil index, SI)[19]的平均值作為干度指標(normalized difference soil index, NDSI)，可以更好的反映城市用地面積和地表裸露造成的干化情況；為了消除研究區(qū)域不同溫度反演方法對結果造成的影響，統(tǒng)一采用輻射傳輸方程法來計算熱度指標((land surface temperature, LST)[1-2,20]。根據(jù)式(1)，將這4個指標值范圍歸一化至0和1之間，排除指標量綱影響，再將歸一化后的4個新指標重新組合成一幅新的影像數(shù)據(jù)。利用主成分分析將新影像的主要光譜特征集中在第1主成分中，達到隔離噪聲與減少數(shù)據(jù)冗余的效果，選擇第1主成分(PC1)作為初始生態(tài)指數(shù)RSEI0[1-2]，再根據(jù)公式(2)獲得像元的RSEI指數(shù)值。主成分分析結果如表1所示。主成分分析的最大優(yōu)點是根據(jù)累積方差百分比(貢獻率)來確定各個主成分的排序，排除常規(guī)指標耦合方法對權重確定的人為干擾和單一因素片面性的缺點，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的衡量更為客觀準確。

Ni=(I-Imin)/(Imax-Imin)；

(1)

RSEI=(PC1-PC1min)/(PC1max-PC1min)。

(2)

式中：Ni為上述4個指標因子經(jīng)過歸一化后的數(shù)值；I為該指標在某一象元處的數(shù)值；Imin為該指標的最小值；Imax為該指標的最大值；PC1min為第1主成分的最小值；PC1max為第1主成分的最大值。

表1 主成分分析結果

從表1可以看出：1)4年中各指標第1主成分的貢獻率分別為83.31%、80.28%、82.70%和77.90%，表明第1主成分集中了4個指標因子的大部分信息；2)在第1主成分中，綠度和濕度指標因子始終呈正值，熱度和干度指標因子始終呈負值，說明綠度和濕度對漓江流域的生態(tài)環(huán)境改善有促進作用，干度和熱度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善有抑制作用，這與實際情況相符；3)其他主成分指標有正有負，結果解釋力較弱，說明基于第1主成分構建的RSEI模型能夠定量解釋漓江流域的生態(tài)質(zhì)量變化情況，其值越大表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化

圖2a為研究區(qū)各年份遙感生態(tài)指數(shù)圖。基于RSEI指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分原則[1]，將RSEI數(shù)值從低到高，以0.200為間隔將漓江流域生態(tài)質(zhì)量劃分為差、較差、中、良、優(yōu)5個生態(tài)環(huán)境等級，統(tǒng)計各年份不同生態(tài)環(huán)境等級所占面積(表2)及其比例(圖3)。

圖2 漓江流域各年份遙感影像圖和遙感生態(tài)指數(shù)圖Fig.2 Remote sensing image map and RSEI map of Lijiang River Basin in different years

表2 生態(tài)環(huán)境等級面積統(tǒng)計

圖3 各年份生態(tài)環(huán)境等級所占比例Fig.3 Proportion of ecological environment grade in each year

利用ENVI軟件統(tǒng)計功能對圖2a的RSEI指數(shù)值進行統(tǒng)計得出，漓江流域1991、2001、2009和2019年的RSEI均值分別0.534、0.530、0.662和0.625。根據(jù)表2和圖3和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分原則可知，流域1991和2001年的生態(tài)環(huán)境等級均為“中”，2009和2019年的生態(tài)環(huán)境等級均為“良”。

從表2及圖3分析得出，流域生態(tài)環(huán)境變化分為3個階段，第1階段為1991—2001年，此期間流域生態(tài)環(huán)境等級處于“中”等水平，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化平緩。第2階段為2001—2009年，此時段內(nèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境等級由“中”變?yōu)椤傲肌保兒泌厔菝黠@；“中”等級以下(包括“中”)的生態(tài)環(huán)境面積減小2 078.772 km2；“良”及“優(yōu)”的生態(tài)面積增加2 070.192 km2。第3階段為2009—2019年，此期間流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較為穩(wěn)定，處于“良”水平。

綜合圖2b遙感原始影像和實地考察分析得出，“差”和“較差”等級生態(tài)環(huán)境主要分布在漓江周邊地區(qū)，位于流域中部和南部，土地利用類型主要為居民地和耕地，“中”等級生態(tài)環(huán)境主要分布漓江流域中部，土地利用類型主要為耕地，“良”及“優(yōu)”等級生態(tài)環(huán)境主要分布在漓江流域北部和邊緣地區(qū)，主要土地利用類型為林地[21-22]，可以說明漓江流域不同生態(tài)環(huán)境分布與土地利用類型有密切聯(lián)系。

為了動態(tài)分析漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況，根據(jù)等級差大小將RSEI差值變化分為9個級別，獲得漓江流域不同時間段RSEI變化統(tǒng)計表(表3)和不同變化類別面積及所占比例(圖4)。

表3 RSEI變化統(tǒng)計

由表3及圖4分析得出：漓江流域生態(tài)環(huán)境變化級別最明顯的是“-1”和“1”級，表明各時間段內(nèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化不鮮明。1991—2001年間流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持穩(wěn)定狀態(tài)，2001—2009年生態(tài)環(huán)境得到改善，此時間段內(nèi)“變好”類別的生態(tài)面積達到3 933.274 km2,較1991—2001年多了3 447.986 km2，增幅達到710.50%，其中“1”級的面積為3 620.012 km2，占整體面積的63.70%。整體時間段上流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善明顯，“變好”的生態(tài)面積達到2 707.809 km2。

圖4 生態(tài)環(huán)境變化柱狀圖Fig.4 Histogram of ecological environment change

3.2 回歸模型建立和預測

本研究將4類指標和RSEI按1%的比例隨機抽樣獲得約6萬5 000個訓練樣本點，對4類訓練樣本抽樣點與RSEI指數(shù)樣本點進行回歸分析并建立各個年份的回歸模型[5]，見式(3)～(6)。由于RSEI是通過4個指標因子主成分分析變化獲得，本質(zhì)上是原始指標因子的線性組合，因此各年份回歸模型具有較好的擬合度，相關系數(shù)R2均接近1，且模型均通過了1%的顯著性檢驗，說明RSEI模型能夠科學表示4個原始指標的綜合信息，具有較高的精度和可靠性。

1991年：RSEI=0.383+0.726NDVI+0.138WET-0.329NDSI-0.346LST；

(3)

2001年：RSEI=0.309+0.733NDVI+0.104WET-0.278NDSI-0.440LST；

(4)

2009年：RSEI=0.289+0.666NDVI+0.119WET-0.389NDSI-0.106LST；

(5)

2019年：RSEI=0.407+0.726NDVI+0.126WET-0.478NDSI-0.628LST。

(6)

由回歸模型(3)～(6)指標系數(shù)分析可知，干度、熱度指標系數(shù)為負，與RSEI指數(shù)呈現(xiàn)負相關關系，對生態(tài)環(huán)境改善具有抑制作用，濕度、綠度指標系數(shù)為正，與RSEI指數(shù)呈現(xiàn)正相關關系，對生態(tài)環(huán)境改善具有促進作用。4年回歸模型中綠度、濕度、干度和熱度指標的系數(shù)絕對值的平均值分別為0.713、0.122、0.368和0.380，表明正相關指標(綠度、濕度)對RSEI的綜合影響程度大于負相關指標(干度、熱度)。查閱資料[23-24]發(fā)現(xiàn)，桂林市森林覆蓋率從1990年39.40%、2001年的57.00%、2009年的66.50%提升到現(xiàn)在的71.62%，使得近30年綠度指標系數(shù)變化較為穩(wěn)定，對漓江流域的生態(tài)環(huán)境影響最大。查閱歷史天氣數(shù)據(jù)[25]發(fā)現(xiàn)1991、2001、2009和2019年桂林市11月份的降雨量分別為98.80、38.51、52.80和70.12 mm，與濕度指標系數(shù)變化規(guī)律基本一致，而漓江流域是典型的喀斯特地貌區(qū)域，流域內(nèi)裸露的石灰基巖較多[26]，導致濕度指標對漓江流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響最小。

以2019年為例(圖5)，將抽樣點的各指標因子與RSEI指數(shù)進行相關性分析。圖5a、圖5d分別是RSEI與正相關指標和負相關指標的三維散點圖，其頂端為生態(tài)環(huán)境好的散點聚集區(qū)，代表區(qū)域濕度大植被多，底端為生態(tài)環(huán)境差的散點聚集區(qū)，代表區(qū)域地表裸露熱量多。圖5b、圖5c、圖5e和圖5f分別是RSEI與濕度、綠度、熱度和干度的二維散點圖，從中可以看出：RSEI與濕度、綠度呈現(xiàn)明顯的正線性相關關系，與熱度、干度呈現(xiàn)明顯的負線性相關關系，同主成分分析結果和多元回歸模型分析結果一致。NDSI歸一化后數(shù)值集中在0.2～0.6之間，WET經(jīng)過歸一化后的數(shù)值主要集中在0.40～0.55之間，表明漓江流域土壤偏干，但沒有大面積石漠化區(qū)域，姚月峰等[22]通過溫度-植被干旱指數(shù)對漓江流域的研究發(fā)現(xiàn)林地為主的上游區(qū)域土壤濕度高于下游區(qū)域，整體以干旱為主，與本研究結果基本一致，說明本模型適宜漓江流域的環(huán)境狀況研究。

圖5 2019年RSEI與各指標分量間的散點圖Fig.5 Scatter diagram between RSEI and each index component in 2019

保持WET、NDSI和LST這3個因子不變的前提下，選取4年的RSEI回歸模型，對2021年漓江流域的生態(tài)環(huán)境進行預測進行綜合預測。預測表明若2021年漓江流域的RSEI值提升0.100，相應的綠度因子需要增加0.140。然而在實際情況中，4個指標因子相互關聯(lián)，共同影響著漓江流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，因此在環(huán)境治理過程中不應該只重視綠度因而忽略其他指標，應當統(tǒng)籌兼顧、科學系統(tǒng)地治理生態(tài)環(huán)境。

3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動力機制

不同植被長勢下NDVI值和植被覆蓋度值會有一定的差異，為了深入地分析植被對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響程度，本研究采用三波段梯度差法[27]求出植被覆蓋度(vegetation coverage, VC)，見式(7)。計算1991—2019年內(nèi)4個時間段內(nèi)的植被覆蓋度變化和RSEI變化，對其進行抽樣并對抽樣數(shù)據(jù)進行回歸分析，結果如圖6所示。

圖6 漓江流域RSEI變化與植被覆蓋度變化散點圖Fig.6 Scatter diagram of RSEI change and vegetation coverage change in Lijiang River Basin

(7)

式中：ρ2、ρ3、ρ4分別為綠、紅、近紅外波段反射率；λ2、λ3、λ4分別為綠、紅、近紅外波段中心波長，μm；d為象元梯度差；dmax為象元梯度差最大值。

由圖6可以看出除2001—2009年時間段R2為0.489以外，其余時間段植被覆蓋度變化和RSEI指數(shù)值變化的R2均在0.650以上，近30年的R2達到0.890，表現(xiàn)出來明顯的正向線性相關性，說明漓江流域植被覆蓋情況與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有緊密的聯(lián)系，當植被覆蓋度減小時，RSEI值減小，生態(tài)環(huán)境等級由“優(yōu)”向“差”方向轉(zhuǎn)化，植被覆蓋度增加時，RSEI值增大，生態(tài)環(huán)境等級由“差”向“優(yōu)”方向轉(zhuǎn)化。

4 結論

1)漓江流域1991、2001、2009和2019年的生態(tài)環(huán)境等級分別為“中”“中”“良”和“良”。從1991年至2019年間，RSEI數(shù)值從0.534增至0.625，“變好”的生態(tài)面積達到2 707.809 km2，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，改善的土地類型主要為居民地及耕地，集中在漓江流域的中部和南部地區(qū)，其間2001—2009年“變好”類別的生態(tài)面積達到3 933.274 km2，是改善最為明顯的時間段。

2)構建RSEI的4個指標因子中，熱度和干度對生態(tài)環(huán)境改善起抑制作用，綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境改善起促進作用，其中綠度指標對漓江流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響最大，濕度指標對漓江流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響最小，4個指標相輔相成，共同影響漓江流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

3)漓江流域近30年植被覆蓋變化和RSEI變化的回歸系數(shù)R2達到0.890，呈現(xiàn)出明顯的正向線性相關性，說明植被覆蓋度是影響漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的關鍵因素。

綜上可知：漓江流域生態(tài)環(huán)境的科學治理需要重視植被的重要影響，同時不可忽視其他指標的影響，統(tǒng)籌兼顧、科學治理方可使漓江流域的生態(tài)環(huán)境持續(xù)保持良好水平。