基于遙感解釋的重慶市重要生態空間質量評價

周啟剛,李 劍,孟浩斌,張曉媛,龐 敏

(1.重慶工商大學 公共管理學院,重慶 400067; 2.生態環境空間信息數據挖掘與大數據集成重慶市重點實驗室,重慶 401320;3.重慶市生態環境局, 重慶 401147;4.重慶工商大學 環境與資源學院,重慶 400067;5.重慶市規劃和自然資源調查監測院,重慶 401121)

生態空間是指以提供生態系統服務為主要目標的地域范圍，確定生態空間范圍是協調保護與發展、保障生態服務持續供給的基礎[1]，其因18世紀60年代工業化發展引發的城市問題而最早在歐洲興起[2]。生態空間具有廣義和狹義之分，廣義的生態空間不單是動植物棲息、代謝的自然生態空間，還包括了具有社會屬性的生產空間和生活空間[3]；狹義的生態空間是指生態用地所在的空間范圍[4]。伴隨經濟和社會發展，快速城鎮化地區建設用地擴張對生態系統格局產生重大影響，改變生態系統服務功能、影響人類的福祉[5]，“生產、生活、生態”空間矛盾不斷加劇。

目前，國外的學者對生態空間的研究主要集中于生態空間分類、綜合評價及優化等方面[6-8]，國內的研究則主要集中在格局演變、結構優化、重構等[9-11]。由于近年來人為活動對生態空間的影響日趨嚴重，大氣污染、土壤污染、水體污染、生物多樣性銳減等問題逐漸突顯，生態空間評價及其優化領域正日益受到重視[12]。生態質量狀況是衡量生態環境好壞的尺度，對其進行綜合評價有利于把握生態空間整體現狀，決定著人類與自然的可持續發展[13]。當前評價生態質量較為常見的模型包括InVEST模型[14]、SolVES模型[15]和maxEnt模型[16]等，但單一模型得出的結果較為簡單，且研究大多局限于某一特定年份，不能夠綜合反映研究區域質量，因此在現有研究基礎上開展長時間序列上的生態質量綜合評價將是研究的重點和熱點[17-19]，其不僅是對重要生態空間生境質量評價體系的完善，也是對生態質量評價方法的進一步補充。

位于四川盆地與長江中下游平原過渡地帶的重慶市，是中國經濟發達的東部地區與資源富集西部地區的結合部[20]，產業和經濟的發展使得厘清生態環境現狀、構建生態環境保護和建設方向對于重慶市國土空間規劃與整治、區域自然資源與生態環境保護具有重要意義[21]。同時，依據《生態保護紅線劃定指南》(環辦生態[2017]48號)和《生態文明建設標準體系發展行動指南(2018—2020年)》，生態保護紅線是在生態空間范圍內劃定的、具有特殊重要生態功能、必須強制性嚴格保護的區域，自然保護地是生態空間最重要、最精華、最核心的組成部分。基于此，本文以重慶市生態保護紅線與各類自然保護地組成的重要生態空間作為研究區，采用由美國陸地衛星(Landsat)系列所拍攝的遙感影像，從自然生態、人為影響和景觀格局3個方面分別選擇歸一化植被指數模型、歸一化建筑指數模型、圖斑破碎度模型構建生境質量快速評價模型，對重慶市重要生態空間2002年、2006年、2010年、2014年、2018年的歸一化植被指數、歸一化建筑指數及圖斑破碎度進行計算，分析不同指標的時空變化并綜合評價生境質量，為重慶市重要生態空間的生境質量評估和進一步保護與修復方向提供指導建議。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

重慶市地處中國西南、長江上游地區，位于105°11′—110°11′E，28°10′—32°13′N，屬亞熱帶季風濕潤性氣候，氣候溫和，降水豐富，位于“一帶一路”和長江經濟帶的重要聯結點[22]。重慶市生態保護紅線面積為20 446.69 km2，占重慶市行政區總面積的24.81%；自然保護地由國家級自然保護地和市級自然保護地組成，包括自然保護區、風景名勝區、森林公園、濕地公園、地質公園、生態公園等，面積11 526.8 km2，占重慶市行政區總面積的13.99%。兩類區域疊合形成重慶市重要生態空間，總面積為23 765.80 km2，占重慶市行政區總面積的28.84%。重要生態空間在重慶市38個區(自治縣)、萬盛經開區均有一定分布(圖1)。

圖1 重慶市重要生態空間分布

1.2 數據來源與預處理

本研究基于Landsat衛星搭載的TM傳感器和OLI_TIRS傳感器獲取2002年、2006年、2010年、2014年、2018年的重慶市遙感影像，覆蓋整個重慶市需要8景影像，5 a共需40景影像。由于衛星所采集到的影像數據會受到諸如氣候、地貌、太陽高度角以及傳感器內部結構等的影響而引起遙感影像失真，因此影像數據在使用前須進行預處理[23]。預處理過程主要通過ArcMap 10.3，ERDAS 9.1和ENVI 5.3軟件進行，主要預處理過程包括對影像進行波段合成、輻射定標、大氣校正、影像裁剪等處理。

重慶市重要生態空間以2018年7月發布的《重慶市人民政府關于發布重慶市生態保護紅線的通知》(渝府發[2018]25號)和重慶市認定的各類自然保護地作為矢量范圍，采用30 m×30 m的柵格作為評價單元，通過計算和評價重要生態空間相關指標及生境質量，進而得到重慶市重要生態空間現狀。

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數模型

歸一化植被指數能夠反映區域覆被情況，一般來說，在不受其他因子影響的情況下，歸一化植被指數高的區域，其生態環境質量較好，反之，生態環境質量較差[24-25]。運用Landsat影像的歸一化植被指數反映植被覆蓋度，計算公式為：

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

(1)

式中：對于Landsat 4～5衛星，NIR為第4波段，Red為第3波段；對于Landsat 8衛星，NIR為第5波段，Red為第4波段。NDVI范圍介于[-1,1]，其中NDVI≤0時，通常表示地表由水、雪、巖石和裸地等非植被覆蓋，NDVI為>0時,通常表示地表有一定數量的植被覆蓋。

2.2 歸一化建筑指數模型

歸一化建筑指數是用于反映區域內建設用地信息的指標，其可以準確地反映建筑用地信息，建筑指數低的區域，其生態環境質量較好，反之建筑用地比例越高，建筑密度越高，生態環境質量越差[26-27]。計算公式為：

NDBI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR)

(2)

式中：NIR為近紅外波段的反射率；MIR為中紅外波段的反射率。NDBI值范圍分布在[-1,1],高值區反映的是建筑物和硬化路面,建筑密度高,中低值區一般表示為林地,水域和耕地表現為低建筑指數。

2.3 圖斑破碎度模型

圖斑破碎度指數可用于反映區域內斑塊的破碎化程度，其數值的高低對重要生態空間質量有較為明顯的影響。當重要生態空間斑塊破碎度指數越大時，表示該區域的圖斑越呈長條狀，生態質量較差，當破碎度指數越小時，表示該區域的圖斑較大塊，生態質量較好。計算公式為[28]：

FI=C/S

(3)

式中：C為圖斑的周長；S為圖斑面積。

2.4 生境質量評價模型

對歸一化植被指數、歸一化建筑指數和圖斑破碎度進行標準化，使其取值范圍處于[0，100]。具體方法如下：

(4)

式中：NDVI分數為對植被覆蓋度的評分，植被覆蓋度越高得分越高；NDVI像元值為柵格的植被覆蓋度原始值。

(5)

式中：先對建筑指數正向化，NDBI分數為對歸一化建筑指數的評分；NDBI像元值為柵格的歸一化建筑指數原始值。

(6)

式中：首先對破碎度值進行正向化；FI分數為對圖斑破碎度的評分；FI破碎度值為重要生態空間每個圖斑的破碎度值。

通過對植被覆蓋度、歸一化建筑指數和圖斑破碎度的評分，認定3個指標值對重要生態空間生境質量同樣重要，分別對其賦予相同的權重(表1)。

表1 重要生態空間生境質量指標權重

EI分數=(NDVI分數×Wi)+(NDBI分數×Wi)+

(FI分數×Wi)

(7)

式中：EI分數為區縣最終生境質量評價分數；NDVI分數為歸一化植被指數分數；NDBI分數為歸一化建筑指數分數；FI分數為圖斑破碎度分數；Wi為指標權重,Wi=0.333。

根據生境質量模型計算出的分數運用自然斷點法進行等級劃分，總共將其劃分為4個等級，見表2。

表2 重要生態空間生境質量等級劃分

3 結果與分析

3.1 重要生態空間生境質量指標時空變化

3.1.1 歸一化植被指數 重慶市重要生態空間2002—2018年5期NDVI狀況見圖2。

圖2 重慶市重要生態空間植被指數空間分布

總體來看，重慶市重要生態空間植被覆蓋度在2002—2018年呈波動變化，但整體良好，2018年較2002年提高了5.04%。植被覆蓋最好的區域為彭水縣、酉陽縣等渝東南地區，其2006年、2014年、2018年NDVI數值均為全市最高。其次是重要生態空間分布最為密集的渝東北，可從圖中看出該區域植被覆蓋整體較好。重慶市城區的重要生態空間主要集中在“四山”(中梁山、縉云山、銅鑼山、明月山)的山體范圍內和城市組團間的非建設用地隔離帶，呈明顯條帶形態，由北向南倒指狀貫穿主城區，城區主要的森林、綠地資源基本上均分布于此，植被覆蓋度同樣較高。NDVI數值低值區主要分布在長壽區、長江和嘉陵江干支流兩側(主要位于江津區、合川區與巫山縣)。

從各年份的空間格局變化來看，2002—2006年，重慶城區和江津區重要生態空間NDVI略微上升，城口縣部分區域NDVI大幅降低，其余區域變化較小。2006—2010年，重慶城區及城市擴展區NDVI數值出現明顯劇烈下降，渝東北地區NDVI出現上升趨勢，渝東南地區未發生明顯變化。2010—2014年，重慶城區及城市擴展區主要以“四山”山體范圍內NDVI呈明顯正向變化，尤其北碚區的縉云山山脈NDVI明顯提高，渝東南地區中彭水縣出現NDVI退化趨勢，渝東北地區則以城口、巫溪的重要生態空間為中心的向外擴散性降低變化。2014—2018年，重慶城區生態空間內的NDVI變化不明顯，江津區、綦江區及萬盛經開區出現了較為明顯的降低，渝東南地區的生態空間內的NDVI幾乎沒有發生變化，渝東北地區則出現了以城口、巫溪等地的生態空間為中心向四周輻射的NDVI正向變化。

3.1.2 建筑指數 重慶市重要生態空間2002—2018年5期建筑指數空間分布和均值統計見圖3和表3。

表3 重慶市重要生態空間建筑指數

圖3 重慶市重要生態空間建筑指數空間分布

可以看出，重慶市重要生態空間NDBI均值呈現“降—升—降”的變化趨勢，多年均值為0.073，說明總體而言研究區受人類影響的程度偏低。具體來看，城口縣、巫溪縣、豐都縣和武隆區常年較低，巫山縣中部、奉節縣、云陽縣、開州區和長壽區常年處于高值區，說明該區域建筑密度較大，人類活動頻繁。剩余區域NDBI則處于中值區，該部分區域受到一定程度的人類活動影響，但影響程度不高。

從各年份的空間格局變化來看，2002—2006年，長壽區的低值區轉化為中值區，渝東南地區的彭水縣、黔江區、酉陽縣和秀山縣由中值區轉化為低值區，重要生態空間全域NDBI均值極大降低。2006—2010年，長江干流兩側區縣內的NDBI數值上升，全域均值又出現大幅回升。2010—2014年，渝東北區域NDBI數值出現上升，但重要生態空間其他區域NDBI有一定程度的降低，整體均值再次下降。2014—2018年城口縣、巫溪縣和石柱縣NDBI數值明顯降低，重要生態空間全域均值繼續下降至0.062。

3.1.3 斑塊破碎度 重要生態空間圖斑數量、圖斑的平均面積及圖斑破碎度在重慶市各區縣的分布呈現出較大的差異性(圖4)。具體來看，重要生態空間圖斑個數由1～118個不等，其中重要生態空間圖斑個數最多的是渝北區118個，最少的是渝中區，僅1個，多數縣區的圖斑個數為30～70個。從各區縣重要生態空間圖斑的總面積來看，總面積最大的是巫溪縣2 100.48 km2，總面積最小的是渝中區0.25 km2。從圖斑的平均面積來看，重要生態空間平均圖斑面積最大的是巫山縣，平均圖斑面積為516.44 km2，平均圖斑面積最小的是渝中區0.25 km2。通過對全市各圖斑的破碎度進行計算統計，全市各區縣的圖斑破碎度主要集中分布在0～4，其中重要生態空間圖斑破碎度最大的是梁平區，圖斑破碎度為9.44，破碎度最小的是渝中區，僅為0.02。

圖4 重慶市重要生態空間圖斑數量和破碎度空間分布

3.2 重要生態空間生境質量評價結果

重慶市重要生態空間生境質量評價結果見表4。2002—2018年整體變化中，全市重要生態空間生態環境質量整體上呈波動上升趨勢，由85.10分上升至86.24分，而北碚區、奉節縣、江北區、南川區、沙坪壩區、萬盛經開區、巫山縣、武隆區和渝中區9個區縣(開發區)2018年生境質量分數較2002年出現降低，剩余區縣均有一定程度的提高。具體來看，2002年、2006年、2010年、2014年、2018年5個時期中，評分最低的均位于梁平區，多年平均值僅有64.66分，各年份評分最高的分別位于秀山縣、綦江區、城口縣、綦江區和城口縣，其得分保持在97分以上。

通過對重慶市各個區縣重要生態空間生境質量等級研究結果(表4，圖5)來看，2002—2018年生境質量各個等級之間的波動較小，各區縣生態空間大多數處于生境質量Ⅱ級和Ⅲ級。

圖5 2002-2018年各區縣重要生態空間生境質量等級空間分布

表4 重慶市各區縣重要生態空間生境質量評分及等級

2002年生境質量Ⅰ級的區縣有10個，分別是萬盛經開區、黔江區、綦江區、城口縣、武隆區、巫山縣、巫溪縣、石柱縣、秀山縣、南川區，生境質量Ⅱ，Ⅲ級的區縣分別有14個和11個，生境質量Ⅳ級的區縣有4個，分別是梁平區、大足區、合川區、渝北區。2006年生境質量Ⅰ級的區縣有10個，較2002年增加了潼南區，而石柱縣下降至Ⅱ級，生境質量Ⅱ級的區縣有13個，較2002年減少1個，生境質量Ⅲ級的區縣12個，較2002年增加1個，生境質量Ⅳ級的4個區縣沒有變化。

2010年生境質量Ⅰ級的區縣有7個，分別是黔江區、綦江區、城口縣、巫山縣、巫溪縣、秀山縣、南川區；生境質量Ⅱ，Ⅲ級的區縣分別有14個和13個；生境質量Ⅳ級的區縣的5個，較2006年增加了渝中區。2014年生境質量Ⅰ級的區縣有9個，分別是黔江區、綦江區、潼南區、城口縣、墊江縣、武隆區、巫山縣、秀山縣、南川區；生境質量Ⅱ級的區縣有13個；生境質量Ⅲ級的區縣12個；生境質量Ⅳ級的區縣有5個，分別是梁平區、大足區、合川區、渝北區、渝中區。2018年生境質量Ⅰ級的區縣有11個，分別是大渡口區、黔江區、綦江區、城口縣、墊江縣、巫山縣、巫溪縣、石柱縣、秀山縣、南川區；生境質量Ⅱ級的區縣有14個；生境質量Ⅲ級的區縣10個；生境質量Ⅳ級的區縣有4個，依舊是是梁平區、大足區、合川區、渝北區。

4 討 論

4.1 重慶市重要生態空間質量單指標時空變化分析

重慶市重要生態空間歸一化植被指數呈現“升—降—升”的變化趨勢，2018年NDVI較2002年提高了5.04%，增幅較大，這與葉勤玉[29]、張蘭[30]等分別對重慶市三峽庫區植被覆蓋的研究結論較為一致。2010年研究區全域NDVI的下降可能由于2009年秋季至2012年春季西南地區連續干旱抑制了植被生長[31]。2010年后因重慶市實行的“退耕還林”和各項環境工程的逐漸顯現，加之重慶市重要生態空間大多位于海拔較高、地形起伏大的區域，受自然地形條件制約的影響，此類區域受人類影響程度低，林、草地等植被覆蓋區生態結構穩定，因此重慶市重要生態空間植被覆蓋度均值逐漸得到改善。從5期的時空變化角度而言，重慶市主城區生態空間的植被覆蓋度變化最大，這與區域人類活動及相關建設活動頻繁有關，因此主城區附近生態空間的生態質量出現波動變化。渝東南地區是重慶典型喀斯特地貌，生態環境雖然較脆弱，但原生生態保持較好，生態空間內部植被生態穩定。渝東北區丘陵多山，原生生態環境同樣良好，生態空間分布密集，分布面積廣，具有較強的抗干擾能力。

重慶市重要生態空間歸一化建筑指數2018年NDBI數值較2002年降低了52.67%，呈現“降—升—降”的變化趨勢，高值區主要存在于重慶市主城區范圍附近，這主要是由于主城區經濟發展迅速，以各行政區建成區中心向外擴展，建設用地面積急劇增加[32]，會不可避免地影響到周邊的重要生態空間。2011年后國家水利局、林業局、環保局劃定了各自職能范圍內的紅線，將資源的利用置于在可控的范圍內，2013年黨的十八屆三中全會正式提出“劃定生態保護紅線，改善環境質量”的要求，2014年研究區生態空間建筑指數出現大幅降低，重慶市在2016年11月正式印發了《生態保護紅線劃定方案》，重要生態空間歸一化建筑指數進一步降低。

破碎度與地塊完整性相關聯，通常比較完整的大規模生態空間地塊更能發揮其重要生態功能。大足區、合川區、梁平區、渝北區生態空間地塊破碎，完整性低，生態功能發揮效果較差。城口縣、綦江區、潼南區、巫山縣、秀山縣、渝中區破碎度較低，生態功能發揮效果較好。這說明重慶市各區縣的圖斑破碎度具有明顯的區域異質性，因此區域在調整或新增生態紅線時，需考慮斑塊的完整性，從而降低圖斑破碎度，提升生態功能發揮效果。

4.2 重慶市重要生態空間質量時空變化分析

研究年限間重要生態空間生境質量評分雖在波動變化，但全市生境質量呈現波動上升趨勢。根據重要生態空間質量的變化情況來看，發現其存在較為明顯的規律性：城口縣、巫山縣、秀山縣、南川區、綦江區、黔江6個區縣的生境質量研究年限內一直處于生境質量Ⅰ級，而渝北區、大足區、梁平區、合川區4個區縣的生境質量一直處于生境質量Ⅳ級，剩余Ⅱ級和Ⅲ級的各區縣則反復出現上升或下降的情況，這可能與該區域持續波動的生態空間穩定性有關，說明這些區域內部的生境質量仍存在一定的退化可能。而從重要生態空間生境質量不同級別的空間分布來看，其也具有一定的規律性：在主城區和渝西區域的各區縣中，每個年份均至少存在3個Ⅳ級生境質量區，這說明重慶市主城區的快速發展影響到了周邊區縣生境質量，導致部分區縣出現生境質量退化甚至惡化的情況，渝東北和渝東南區域生境質量變化則較為穩定。因此，亟需采取相關措施以控制和提升主城區周邊范圍的重要生態空間生態環境質量。

4.3 重慶市重要生態空間生態保護建設與環境管理對策及建議

目前重慶市生態空間分布存在一定的失衡，區縣間生態空間數量差異較大。因此，為了更好地協調部分區縣因為保護生態空間而制約經濟發展的情況，可按照 “誰開發、誰保護，誰破壞、誰恢復，誰受益、誰補償，誰污染、誰付費”的原則建立生態補償機制，保障因保護生態空間而受到經濟發展限制的區縣能夠進一步發展。同時，建立起一套政策、法律法規、公眾參與、技術支撐全方位生態空間監控體系，形成 “市縣鎮三級聯動”，清晰定位各級組織的職能分工，科學制定業務發展考核方式，合理調整工作模式，實行生態空間管理流程的優化重組。充分發揮“天—空—地”一體化技術優勢，對生態空間進行時間和空間上全方位、多層次監控，切實掌握對生態空間管控策略落實情況，及時發現問題，解決問題。

本研究通過選取歸一化植被指數模型、歸一化建筑指數模型、圖斑破碎度模型以及生境質量評價模型，對重慶市重要生態空間植被覆蓋、建筑指數、圖斑破碎度進行分析，在此基礎上再通過生境質量評價模型進行評分定級，以總結重慶市重要生態空間的空間分布特征和變化規律，并提出了重慶市重要生態空間生態保護建設與環境管理對策。由于可利用的數據和技術限制，本文選用了3種指標對研究區生境質量進行評價，存在一定的不全面性。因此在后續研究中，可根據不同的實地情況適當增選影響因子(如生態系統服務功能和自然生態指標)，在更長的時間尺度上綜合評價生態空間質量，從而實現對生態空間的精準把控和預測，為重慶及其他城市重要生態空間生態保護提供決策支持。

5 結 論

(1)重慶市重要生態空間2018年NDVI數值較2002年提高了5.04%，呈波動上升趨勢，具有明顯的地域性：主城區和渝西各區縣NDVI波動變化幅度大，呈現“降低—升高—穩定”的趨勢；渝東北地區NDVI變化以城口、巫溪的重要生態空間為中心向四周擴散；渝東南各區縣重要生態空間內的植被覆蓋幾乎都沒有出現變化，在小幅波動中穩定提高。

(2)重慶市重要生態空間2018年NDBI數值較2002年降低了52.67%，呈“降—升—降”的趨勢，說明區域受人類的影響越來越低。具體來看，渝東南區域2002—2018年內各區縣建筑指數均較低，主城區和渝西各區縣范圍內也在逐年減小，但巫山縣、云陽縣和奉節縣等區縣建筑指數仍較高。

(3)重要生態空間圖斑個數最多的是渝北區，共118個，最少的是渝中區，只有1個。圖斑總面積最大的是巫溪縣，達到2 100.48 km2，總面積最小的是渝中區，僅0.25 km2。全市各區縣的圖斑破碎度主要集中分布在0～4，梁平區重要生態空間圖斑破碎度最大，為9.44，渝中區破碎度最小，僅0.02。

(4)2002—2018年期間重慶市重要生態空間生境質量總體較好，呈現波動上升趨勢，各區縣重要生態空間大多數處于生境質量Ⅱ級和Ⅲ級。城口縣、巫山縣、秀山縣、南川區、綦江區、黔江區6個區縣的生境質量始終位于生境質量Ⅰ級，渝北區、大足區、梁平區、合川區4個區縣的生境質量始終位于Ⅳ級，剩余區縣則在各質量等級中反復上升或下降。