基于遙感的康巴什生態環境質量評價研究

孫小添* 陳睿 張彪

（內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

在信息化時代，衛星遙感技術廣泛的應用于人們生活，可以容易的獲得地理數據的遙感技術被應用于環境監測方面[1]。生態環境治理工作中更加注重生態環境監測結果，通常會用生態環境監測結果來制定后期的環境保護工作。國內外研究學者利用遙感對生態環境進行評價已做了大量的研究，生態環境評價不僅局限于植被、地表溫度等單一指標的評測，通過其不斷發展評價中加入了濕度、干度等多指標進行綜合評價[2-4]。康巴什是內蒙古自治區鄂爾多斯市所建立的新區[5]，如何客觀而有效的對康巴什進行評價是一個重要問題。本文對康巴什地區進行環境評價研究，展示綠色城市建設對環境變化的影響，研究對象為16 年和20 年的哨兵2[6]和Landsat8 衛星遙感圖像，構建RSEI 指數對環境質量進行評價，深入了解現代城市對環境的影響，為綠色城市建設提供更多的科學依據。

1 生態遙感指數的構建

本文所選取的RSEI（遙感生態指數）是通過Landsat8 所提供的LST（地表溫度）、和通過哨兵2 圖像經過纓帽變化得出的WET（濕度指數）、以及近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和所得出的NDVI（歸一化植被指數）和通過SI 與IBI 指數進行平均得出的NDSI 干度指數[7]所得到的的。各指標計算方法如下：

1.1 熱度指數

熱度指標通常通過陸地表面溫度計算，平均溫度可以使用從遙感衛星數據中反演出的地表溫度代替，地表溫度是衡量溫室效應的有效數據?？梢圆捎萌缦氯齻€公式來進行計算：

從上述公式中可知，變量L 代表在傳感器周圍，TM熱紅外波段所具備的輻射值；gain 變量是指紅外波段的增益值，變量bias 是指熱紅外波段的偏置值，變量DN 是指像元的灰度值；K1和K2分別為輻射標定參數，λ 為熱紅外6 波段或熱紅外10 波段的中心波長，這些參數可從影像頭文件獲得；T6/10為傳感器處的溫度值，LST6/10為地表溫度；ρ=1.438*10-2mK，ε 為地表比輻射率。

1.2 濕度指數

濕度分量能能夠直接反映出水體和土壤、植被等對象的濕度情況，能夠直接影響到生態環境的多樣化[8]，即濕度指標可以采用濕度分量來代表。其中，濕度計算公式為：

1.3 綠度指數

歸一化植被指數NDVI 能夠客觀、科學地描述植被指數，是與葉面積指數、植被覆蓋率、植物生物數量和其他重要值密切相關的最廣泛的植被指數之一[9]，可以選用將NDVI 作為綠度指標來衡量區域植被情況。

采用10 米多波段哨兵-2A 數據表觀反射率計算NDVI：

式中變量ρNIR和變量ρred代表不同的含義，分別為近紅外與紅光波段地表反射率。

1.4 干度指數

干度指標通常情況下可以選定裸土指數SI，同時，應該注意到實際環境中，該區域可能存在建筑用地，因此，兩者可以整合在一起作為地表的“干化”，那么需要對它們兩個不同特征的區域進行合成，即由裸土指數SI 和建筑指數IBI 合成：

1.5 標歸一化處理

通過計算可以獲得評價因子，并需要采用一定方法來統一這些量綱，對它們進行歸一化處理，確保所有指標數值范圍處于0 到1 之間，從而可以為開展生態指數計算創造條件[10]。歸一化的公式為：

2 數據分析與討論

2.1 環境質量評價

本文將生態環境評價分為10 個等級：通過RESI 指數的數值分為1～10 區間。9～10 區間，確定為優，環境質量優秀，綠化程度極高；值為6～8 區間，確定為良，環境質量良好，綠化程度較高；數值為3～5 區間，確定為中等，環境質量一般，綠化程度不高；數值為1～2 區間，環境質量較差，綠化程度較低。根據表1 顯示，康巴什區在16-20 年間生態環境質量較差的地區（1-2）從12%降低到了5%，而環境質量中等地區（3-5）從58%增加到了65%，環境質量等級1-3 的總面積從95km2下降到了62km2，環境質量等級4-7 的地區總面積從202 km2增長到了238 km2。而環境質量較高以及極高的總面并沒有太大差異，這證明康巴什區在建設初期進行的綠化經過4 年的成長已經初見規模，環境得到較大的改善（如圖1）。

圖1 不同年份環境等級面積

表1 環境質量等級表

2.2 RSEI 變化成因分析與討論（圖2）

圖2 康巴什環境質量

研究選取了2016 年-2020 年Sentinel-2A 和Landsat遙感影像數據，通過RSEI 模型并采用主成分分析方法得到康巴什地區近4 年的生態環境質量變化情況。結果表明不同指標對生態環境的影響具有復雜性。但是RSEI 模型依然能夠較好地模擬康巴什地區生態環境質量的情況。通過對影像數據進行分析，在2016-2020 年間，康巴什區的生態環境產生了明顯的變化，從空間角度分析，2016 年康巴什市區RESI指數并不是特別良好，生態環境優質地區主要集中于東部鄉村地區，而在2020 年，康巴什市區RESI 指數得到飛躍，甚至超過了周邊鄉村地區，總體來看康巴什區自然生態環境質量顯著變好的區域主要集中中部市區。由2016 年和2020 年自然生態環境質量指數對比來看，植被覆蓋指數大大提高，這為康巴什城區建設提供了正面的肯定。而東部鄉村植被覆蓋度稍有下降生態環境呈現惡化趨勢，這也是導致環境極高的地區面積有所下滑的主要原因，所以在進行城區綠化建設的過程中，也不能忽視周邊鄉村的環境質量，要綜合發展才能真正的改善一個地區的環境質量。

3 結論

通過運用RESI 指數和RS 技術手段，監測了康巴什區建設過程中的環境質量的現狀與動態變化情況，結果表明：

3.1 康巴什新區的建設給周邊環境帶來了極大的正面影響，這表明在有著良好的規劃下，新區的建設是有很大的積極影響的，綠色城市的建設就目前而言有著可觀的前景，不僅可以緩解大城市人口集中的現象，在有著規劃的條件下也對環境質量的提升有著很大的促進作用。

3.2 康巴什區東部的鄉村地帶環境質量呈惡化趨勢，原來表現環境質量極好的地區有所退化。

3.3 RESI 指數在各方面都體現出了其極高的性能，無論是獲取的便利程度，還是體現環境變化的準確度，都表現出色，RESI 的廣泛應用將給環境檢測方面的工作帶來極大的便利。