基于RSEI的武夷山國家公園生態環境質量變化分析

李立 肖桂榮

摘 要：以1992-2018年的landsat系列遙感影像為數據源，分別計算綠度、濕度、熱度、干度等4個指標，通過主成分分析法合成遙感生態指數（RSEI），研究分析武夷山國家公園生態環境質量及變化特征，并對武夷山國家公園生態環境質量進行綜合分析評價。結果表明，綠度和濕度對區域生態環境起到正面作用，且濕度對環境的影響程度最大。研究區整體生態質量呈現先下降后上升的趨勢，在2008年RSEI值達到最低，后來逐漸有所改善，但是整體生態環境質量呈現略微下降的趨勢。

關鍵詞：武夷山國家公園;RSEI;主成分分析;生態環境質量

中圖分類號：TU 986.52?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：0253-2301（2021）05-0063-08

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.05.012

Analysis on the Change of Ecological Environmental Quality in Wuyishan National Park Based on RSEI

LI Li， XIAO Gui-rong*

（Institute of Digital China， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350003， China）

Abstract： By taking the landsat series of remote sensing images from 1992 to 2018 as the data source， four indicators of greenness， humidity， heat， and dryness were calculated respectively， and the remote sensing ecological index （RSEI） was synthesized through the method of principal component analysis to study and analyze the ecological environmental quality and change characteristics of Wuyishan National Park， and the ecological environmental quality of Wuyishan National Park was comprehensively analyzed and evaluated. The results showed that the greenness and humidity had positive effects on the regional ecological environment， and the humidity had the greatest effect on the environment. The overall ecological quality of the study area showed a downward trend and then an upward trend. The RSEI value reached the lowest in 2008 and then gradually improved， but the overall ecological environmental quality showed a slight downward trend.

Key words： Wuyishan National Park;RSEI;Principal component analysis;Ecological environmental quality

國家公園作為一種嚴格保護并合理利用自然文化資源的可持續發展理念和舉措在全球得到普遍認可和蓬勃發展，建立國家公園體制試點也是我國生態文明制度建設的重要內容[1-2]，對于促進人與自然和諧相處，推進美麗中國建設，具有極其重要的意義。武夷山國家公園是我國首批10個試點公園之一，但其原生生態系統比較脆弱，而且近年來受到人類活動的干擾也在與日俱增，不合理的開發建設活動如茶園、竹林的開采以及生態旅游的興起，造成了一系列的生態環境問題，保護與發展矛盾日益突出，增加了對該區域的生態環境的壓力。此外，在近20年來，研究區受全球溫室效應的影響，極端氣候事件頻發[3]，區域滑坡、泥石流以及洪水等自然災害頻發。因此需要對武夷山國家公園生態環境質量進行客觀評價并掌握時空變化趨勢，從而為管理部門制定研究區域環境保護措施提供依據，以更好地實現區域可持續發展。

早期對生態系統的評價研究多集中在單一生態指標上，如利用植被指數來評價生態環境狀況[4]、利用地表溫度來監測城市熱島效應[5]、利用水體指數來評估水環境質量[6]等，這種評價方法往往只能反映研究區某一方面的生態特性，不能全面客觀地反映區域生態環境質量。徐涵秋等提出了新型遙感生態指數（remote sensing based ecology index，RSEI）[7-8]，克服了以往單一生態指標的局限性，能夠更加客觀、全面地反映生態環境變化，目前已經被大家廣泛運用在城市[9]、流域[10]、礦區[11]、自然保護區[12]，作為快速、客觀、定量地評價研究區生態環境質量的方法。

當前人們對國家公園的生態環境的研究較少，多是針對單一指標對生態環境的監測，或者是針對其他某一特定區域如風景名勝區或者是自然保護區，而對武夷山國家公園整體生態環境的研究較少。因此本文基于1992、1998、2003、2008、2013和2018年6期landsat系列遙感影像，對武夷山國家公園運用主成分分析法構建遙感生態指數（RSEI），對研究區的生態環境質量變化情況進行評價，旨在為武夷山國家公園的生態文明建設提供依據，提升“美麗中國”建設在國家公園試驗區的生態服務價值。

1 研究區概況

武夷山國家公園位于武夷山脈的北部，涵蓋福建省的武夷山市、邵武市、建陽區和光澤縣的9個鄉鎮（街道），29個行政村，范圍內有人口約3000人，總面積1001.41 km2。試點范圍包括武夷山國家級自然保護區、武夷山國家級風景名勝區和九曲溪上游保護地帶等。研究區內群山起伏，北部的黃崗山海拔2160.8 m，是國家公園的最高處，也是大陸東南第一峰。研究區總體年均氣溫17～19℃，屬于典型的亞熱帶季風氣候，年均降水量1684～1780 mm，年均相對濕度為78%～84%，擁有豐富的水文資源。獨特的地理位置和氣候條件，鑄就了武夷山豐富的森林資源、動植物資源。公園內保存了世界同緯度帶最完整、最典型、面積最大的中亞熱帶原生性森林生態系統，是全球生物多樣性保護的關鍵地區，也是珍稀、特有野生動物的基因庫，具有極高的保護、科研和開發價值。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

為盡可能降低不同時相數據對最終評價結果的干擾，選擇云量較少且植被生長發育狀況較為良好的1992、1998、2003、2008、2013、2018年共6個年份的10月至11月份的landsat系列影像。遙感影像數據來源于美國地質勘探局（https：∥www.usgs.gov），利用ENVI 5.3對影像進行預處理操作，主要包括輻射校正（輻射定標和大氣校正）、幾何校正以及影像裁剪，將波段的DN值轉換成反射率。具體步驟為：采用輻射定標將影像的灰度值（Digital Number，DN）轉化為反射率;再利用ENVI自帶的大氣校正工具來進行校正;最后對研究區影像進行裁剪。

2.2 研究方法

遙感生態指數（RSEI）集成了歸一化植被指數、濕度指數、地表溫度以及建筑裸土指數，分別表示了綠度（NDVI）、濕度（WET）、熱度（LST）、干度（NDSI）。采用主成分分析法能夠自動確定各指標的權重值，減少人為因素的干擾，以此來構建遙感生態指數，以定量表示區域生態環境質量的時空分布特征。即：

RESI=f（NDVI，WET，LST，NDSI）（1）

2.3 指標的構建

（1）綠度指標：采用最廣泛的歸一化植被指數（NDVI），能夠反映植被覆蓋度、葉面積指數以及植物生物量等[13]，其計算公式為：

NDVI=（ρNir-ρRed）/（ρNir+ρRed）（2）

其中，ρNir為近紅外波段，ρRed為紅波段，NDVI的值介于0～1。

（2）濕度指標：通過纓帽變化（K-T變化）的濕度分量指標計算，具有一定的代表性，能夠反映土壤和植被的濕度狀況，對于Landsat TM影像數據和OIL數據[14-15]，計算公式分別是：

WETTM=0.0315 ρBIue+0.2021 ρGreen+0.3102 ρRed + 0.1594 ρNir-0.6806 ρSWIR1-

0.3109 ρSWIR2（3）

WETOIL=0.1511 ρBIue+0.1972 ρGreen+0.3283 ρRed +0.3407 ρNir-0.7117 ρSWIR1-0.4559 ρ

SWIR2（4）

其中： ρBIue、ρGreen、ρRed、ρNir、ρSWIR1 、ρSWIR2 分別為遙感影像的藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段、短波紅外2波段的反射率。

（3）熱度指標：一般用地表溫度來表示熱度，本文采用簡化的大氣校正法來反演地表溫度[16-17]，具體計算公式如下：

LST=T1+〔λT/ξ〕Lnε-273（5）

T=K2LnK1L6+1（6）

εsuface=0.9625+0.0614Fv-0.0461Fv2（7）

εbuilding=0.9589+0.0860Fv-0.0671Fv2（8）

Fv=（b1 gt 0.7）×1+（b1 lt 0.05）×0+（b1 ge 0.05 and b1 le 0.7）×（b1-0.05/0.7-0.05）（9）

其中：T為傳感器處溫度，L6為遙感影像熱紅外波段輻射定標后的反射率，K1和K2是衛星發射前預設的常量，對landsat TM影像以及landsat-OIL影像來說，K1和K2值是不同的，λ是熱紅外波段中心波長，ξ為比輻射率[18]。

（4）干度指標：干度因子NDSI，通常將建筑物指數[19]（Index-based Built-up Index， IBI）和裸土指數[20]相結合（Soil Index，SI），具體公式為：

IBI=

2ρSWIR1ρSWIR1+ρNIR-ρNirρNir+ρRed+ρGreenρGreen+ρSWIR1

2ρSWIR1ρSWIR1+ρNIR+ρNirρNir+ρRed+ρGreenρGreen+ρSWIR1（10）

SI=（ρNir+ρRed）-（ρNir+ρBlue）

（ρNir+ρRed）+（ρNir+ρBlue）（11）

NDSI=（IBI+SI）2（12）

其中，ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNir、ρSWIR1、ρSWIR2 分別為遙感影像的藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段、短波紅外2波段的反射率2.4遙感生態指數。

（5）RSEI指數：分別計算出上述4個分量以后，將其歸一化到[0，1]之間，對這4個分量指標利用主成分分析法計算第一主成分（PC1），然后在對其進行歸一化處理到[0，1]，得到最終所需的RSEI值，值越大，代表生態質量越好，反之則越差，歸一化公式如下：

NI=（I-Imin）/（Imax-Imin） （13）

其中：NI為標準化后的指標值;I為該指標的數值大小;Imax/Imin分別表示該指標的最大和最小值。

3 結果與分析

3.1 武夷山國家公園生態環境質量時空變化

采用第一主成分法構建的RSEI，圖1為1992-2018年武夷山國家公園的各項環境指標以及RSEI值的變化情況。在時間尺度上，武夷山國家公園的RSEI值整體呈現先下降后上升的“V”字形分布，整體略有下降。研究區的RSEI值在1992-2008年間一直持續下降，2008年為最低值0.5849，2008年后RSEI值在持續增加，但截至2018年與1992年相比，還是略有降低，整體呈現下降的趨勢。綠度指標NDVI在時間尺度上的變化規律與RSEI保持一致;而熱度指標LST呈波動上升后下降的趨勢，在2003年和2013年分別達到高值0.431和0.544;WET指標與呈“上升-下降-上升”的“M”型軌跡，干度指標NDSI指標波動變化不明顯，直到2018年數值才略有下降。

3.2 分級和變化檢測

為了進一步分析研究區的RSEI的空間分布及變化情況，根據已有的生境質量分級標準，將各個年份的RSEI值以0.2為間隔進行等級劃分，分為極差[0，0.2）、差[0.2，0.4）、中等[0.4，0.6）、良[0.6，0.8）、優[0.8，1）等5個等級，每個等級所占總面積比例如圖2所示。

從整體來看，武夷山國家公園1992-2018年的RSEI為優和良等級，在不同年份占總面積的比例分別為81.3%、61.84%、58.8%、45.23%、67.95%和66.86%，在2008年降到最低值，整體呈現先下降后上升的趨勢。說明在1992-2018年間研究區的生態環境質量先下降然后又緩慢回升，但是整體生態環境質量仍然呈現略微下降的趨勢。

從單一年份上看，1992年研究區良和優等級占總面積的80%以上，中等、差和極差所占比例較小，生態環境狀況較好。1998-2008年研究區RSEI中等、差和極差面積占比總和分別為38.16%、41.20%和54.77%，生態環境質量呈下降的趨勢，到2008年中等及以下等級面積占比達到最高，生態環境狀況最差。2013年，中等級面積相比2008年面積占比下降15%，優、良等級面積占比增加，總體生態環境狀況有所改善。2018年與2013年相比，優等級的區域面積進一步上升，良等級減少，其余等級面積與2013年相比變化不大，生態環境質量進一步提高，說明武夷山在成為國家公園試點區后在環境保護方面的措施有明顯效果。從變化情況來看，1992-2018年，差和極差所占比例不大，但是一直處在上升趨勢，所占面積總體上升;優和良所占比例較大，總體表現出先下降后上升的趨勢;說明武夷山國家公園的RSEI等級由良和優向差和極差轉移，整體生態環境質量有所下降。

從空間分布（圖3）來看，RSEI在不同的年份等級分布略有差異，在1992-2003年，研究區RSEI等級極差和差的區域主要分布在東南部，即武夷山風景名勝區附近，主要是因為當地居民想要發展經濟，部分林地被開發成旅游服務區、建設用地以及茶園，人類干擾活動嚴重，因此造成了武夷山國家公園東南部生態環境差的空間格局[21];等級為優的區域主要分布在自然保護區境內，該區域植被覆蓋度較高，植被類型多樣且沒有人類干擾，是園內核心部分，因此生態環境質量較高[22-23];RSEI中等等級區域主要在分布在河流以及建筑物周圍。

同時，如圖3所示，在2008-2018年，RSEI等級為差和極差的區域在研究區范圍內零散分布，主要分布在河流匯水區或者海拔較高的邊緣地帶。2008年研究區大面積呈現中等及以下等級，其主要原因是受到當年百年一遇的冰雪災害的影響，對園區內植被特別是闊葉林和毛竹林產生嚴重影響和損害，尤其是在高海拔地區以及山坡的背面，受到雪災的影響更為顯著[24-25]，因此2008年是生態質境狀況是最差的一年。2008年以后，研究區整體生態環境狀況在逐漸恢復，RSEI等級極差和差的區域向自然保護區轉移，一方面，是因為這些區域受特殊地理環境的影響，造成區域降水量大;另一方面，是因為地勢陡峭的地方容易受強降水的影響，造成山體滑坡以及泥石流，對區域生態環境質量產生負面影響，導致生態環境質量下降[3]。

3.3 生態環境質量的差值分析

為了分析研究區生態環境質量隨時間的分布及變化情況，參照《生態環境狀況評價技術規范》[26]中的生態質量變化分級標準，選取1992、2008和2018年的遙感生態指數進行差值處理。將差值結果分為7個級別（表1），分別是1級顯著變差[-1.0，-0.3]、2級中等變差（-0.3，-0.15]、3級輕微變差（-0.15，-0.05]、4級基本不變（-0.05，0.05]、5級輕微變好（0.05，0.15]、6級中等變好（0.15，0.3]、7級顯著變好（0.3，1.0]。

從表4可以可看出，武夷山國家公園從1992-2008年，生態環境狀況變差的的面積為550.49 km2，總面積的54.97%，遠高于生態環境變好的區域，整體上生態環境是往差的方向發展，生態環境有遭到一定的破壞。從2008-2018年的RSEI等級變化可以看出，生態環境變好的區域面積為578.52 km2，占總面積的57.77%，而生態環境變差的面積為131.88 km2，占總面積的13.17%。生態等級變好的區域面積比變差的面積多，說明研究區生態環境在逐漸改善;研究區在1992-2018年，生態環境變好的區域與生態環境變差的區域面積差不多，但是等級為顯著變差的區域面積占比較多，因此在整體上生態環境質量是略有下降。

從空間變化情況來看，如圖4所示，研究區在1992-2008年生態環境質量退化明顯，尤其在西部和南部地區;在2008-2018年，生態環境大幅度提高的原因是當地積極開展環境保護工作有關，當地積極開展九曲溪水源及源頭保護工作以及違規茶山的生態恢復工作等，頒布了《福建武夷山國家級自然保護區總體規劃（2011-2020）年》以及《武夷山國家公園體制試點區試點實施方案》（2016年）等政策，使得研究區的生態環境得以恢復。

總的來看，研究區從1992-2008年整體生態質量略有下降，主要集中在自然保護區境內，生態環境質量下降的原因主要與自然保護區的生態系統脆弱性有關，自然氣候因素以及人類活動的干擾容易對自然保護區造成長久傷害，因此要格外重視保護自然保護區的生態環境。

4 建模與預測

為了進一步描述和刻畫武夷山國家公園的生態環境質量，建立該區域的生態環境質量模型，用來模擬和預測該區域的生態環境變化。將研究區劃分成研究區500 m×500 m的小方格，選取4000個樣點，對其進行分析。分別做RSEI的樣點關于正向指標WET、NDVI以及負向指標LST、NDBSI的三維坐標展示，如圖5所示，其中靠近圖底端的區域代表生態質量較差的樣點。頂端則代表了生態環境較好的樣點。將RSEI作為因變量，NDVI、WET、LST、NDBSI作為自變量進行逐步回歸分析，得到回歸方程（R2=1）如下：

RESI=0.01+0.987 WET+0.019 NDVI-0.033 LST-0.02 NDBSI

從公式可以看出，所有的指標都被保留，說明所選指標較為合理。其中WET、NDVI的系數都是正值，說明對生態環境起了正面的促進作用。而LST、NDBSI則相反，這與主成分分析的結果一致。而且正向指標WET的占比較大，說明武夷山國家公園在水源的重要性，應用該模型進行預測，假定在其他指標不發生變化的情況下，如果要使RSEI每提高1個單位，相應的WET需要提高1.01個單位。

5 研究結論與政策建議

5.1 研究結論

本文通過利用1992-2018年的遙感影像，通過主成分分析法能夠客觀的反映區域生態質量狀況，研究結果顯示：

（1）武夷山國家公園在1992-2018年，區域RSEI值從1992年0.6686下降到2008年最低值0.5849，再逐漸上升到2018年的0.6569，呈“V”字形分布規律，但是整體生態環境質量仍然呈現略微下降的趨勢。

（2）綠度NDVI和濕度WET指標對研究區的生態環境起到正面的促進作用，而熱度LST和干度指標NDBSI則對生態環境起到負向作用，且WET對環境的影響較大。

（3）研究區在1992-2018年間，引起武夷山生態環境變化的原因是不同時期也是不同的，在1992-2003年，人類活動加劇是造成武夷山國家公園生態環境質量下降的主要因素，因此在風景名勝區附近生態質量表現較差的水平，到2008年以后人們逐漸意識到保護環境的重要性，以及相關政策法規的實施，風景名勝區的環境在逐漸改善，但是整體因為受到年初雪災的影響，2008年是整體生態環境在所有年份中是最差的一年。2013-2018年生態環境質量較差的區域轉移到自然保護區境內，主要是受到區域氣候和地形條件的雙重影響，表現出慢慢退化的狀態，因此更要保護好生態環境。

（4）通過選取樣本點進行逐步回歸分析，建立回歸模型可知，其中濕度WET對環境的影響作用最大，且起到正向促進作用。

5.2 政策建議

對武夷山國家公園的生態環境進行分析可知，生態環境質量較差的區域分布在海拔較高的河道周圍，這些區域植被覆蓋度較低，地表裸露面積較大，因此要格外重視這些區域的生態環境保護工作。盡量避免不合理的人類活動對這些區域生態環境的破壞，促進研究區生態環境質量的進一步改善，完善研究區的開發與管理制度，同時要切實推進對這些區域生態環境的恢復與重建工作。在保護環境的同時，對武夷山國家公園的生態環境資源也要充分利用起來，真正做到綠水青山就是金山銀山。

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（責任編輯：陳文靜）

收稿日期：2021-03-08

作者簡介：李立，女，1996年生，碩士研究生，主要從事網絡地理信息共享與服務。

通信作者：肖桂榮，男，1972年生，博士，研究員，主要從事地理系信息系統、空間信息網絡服務研究（E-mail：xiaogr@fzu.edu）。

基金項目：中國科學院戰略性先導科技專項課題（XDA23100500）;中央引導地方科技發展專項（2020L3005）。