融合多感知的鄉鎮生態環境質量綜合評價*

余 鴿 李 妍 劉玉琴 李方芳 楊葉群 張國欽

0 引言

《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》指出，建設和維持良好的生態環境是農村最大優勢和寶貴財富[1]，是決勝全面建成小康社會、全面建設社會主義現代化國家的重大歷史任務[2]。因此，在我國推進鄉村振興戰略的大背景下，面向鄉村生態宜居狀態與建設要求，借鑒先進生態學理論，融合多種感知手段特點，構建適合鄉村聚落特點的簡便快捷的鄉村聚落生態環境監測與體系，對鄉村生態環境狀況的變化趨勢和影響因素進行分析、預測和評估，識別造成生態環境質量惡化的原因，提出相應的政策和建議，不僅可以為當地鄉村相關部門的生態規劃和建設提供科學依據，對改善和維持良好的鄉村人居環境、促進我國鄉村可持續發展和生態文明建設也有重要意義。

然而，我國的鄉村生態環境評價工作起步較晚[3]，前期相關學者開展了相關研究。但是最初的研究大多套用城市、省域等較大尺度的評價模式[4]，另外部分研究則針對全國、全省或全市等較大尺度整體農村環境質量進行評價[5-10]。盡管有學者提出了農村環境質量綜合評價的指標體系并開展了針對單個鄉鎮或村莊生態環境質量綜合評價的研究，但也存在評價周期長、評價指標繁多、數據獲取難度大、缺乏居民參與、難于大面積推廣等問題[11-12]。同時，不同學科所采用的手段與方法也存在較大差異，地理學者偏重于應用遙感和地理信息系統等手段進行大范圍的空間分析[13-15]；生態環境學者則偏重于在一定數量的點位進行采樣并實驗分析或布設傳感器采集典型鄉村的生態環境要素數據[16-17]；社會學者則偏重于對典型鄉鎮進行抽樣調查或田野訪談，以此獲取對鄉村生態環境的主觀評價[18-20]。基于遙感的方法盡管可以對大范圍生態狀況進行分析，但是缺乏對典型環境要素和居民環境感知的深入研究；而環境學和社會學的方法盡管可以對環境要素和居民環境感知進行深入調查，但是其樣本量小、覆蓋范圍小，又難于進行大范圍的推廣[21-22]。

因此，對于鄉鎮生態環境狀況的評價與管理需要融合多學科的多種感知手段，充分利用各個學科的優勢與現代互聯網等新興信息技術，才能實現對鄉鎮生態環境質量及其較大范圍內空間分布特征的分析。本研究試圖通過多種感知的手段構建融合多源數據的鄉鎮生態環境評價體系，以天津市薊州區為例對鄉鎮生態環境狀況進行全面的評價與分析，為鄉村振興中生態宜居要求的實現提供更為精準和系統的信息支撐和決策依據。

1 研究區概況

本文以薊州區26個鄉鎮為基本研究單元（如圖1所示，不包含于橋水庫和青甸洼泄洪區）。薊州區，原為天津市薊縣，2016年撤縣設區。全區總面積1590 km2，位于天津市最北部，地處北京市、承德市、唐山市、廊坊市中央，位于39°45′N～40°15′N，117°05′E～117°47′E，地勢北高南低，呈階梯分布，北部主要為山地，南部主要為平原，農耕發達[23]。薊州區下轄25個鎮、1個鄉，949個行政村。根據天津市第七次全國人口普查主要數據公報，薊州區總戶數28.68萬戶，戶籍人口87.85萬人，常住人口80萬人，其中鄉村人口60.97萬人，鄉村人口占全部人口的69%。

圖1 薊州區和行政區劃圖Fig.1 administrative map of Jizhou District

作為京津冀地區重要的生態功能區和美麗鄉村建設的重要基地，薊州區在十三五期間建成美麗鄉村595個，人居環境示范村52個，西井峪、小穿芳峪、郭家溝等12個村入選全國鄉村旅游重點村名錄，成為首批國家全域旅游示范區，游客數量和旅游收入年均增長10%以上。鄉村旅游業等經濟產業的快速發展，對薊州區維護和改善鄉村生態環境質量、推動生態農村建設提出了更高的要求，選擇薊州區開展融合多感知的鄉村生態環境質量綜合評價具有較強的示范意義[24]。

2 研究方法與數據

2.1 鄉鎮遙感生態指數

遙感技術由于其快速、便捷、準確和數據獲取相對容易的特性[25]，可以大大縮短工作周期，近年來開始頻繁地與傳統評價手段相結合，應用在生態環境評價工作中[26]。遙感生態指數（remote sensing ecological index, RSEI）由徐涵秋教授提出[27]，用4個指標來表示生態環境質量變化，即綠度、濕度、熱度、干度，這4個指標的信息都可以通過遙感影像獲取[28-29]，再通過主成分分析得到綜合指數。由于計算過程避免了人為主觀因素的影響，最終得到的結果比較客觀[30]，可以比較客觀地對研究區生態環境質量進行評價。

本文所用遙感數據為從美國地質勘探局官網上獲取的研究區2020年的Landsat-8遙感影像數據，基于該數據的遙感生態指數計算公式及說明如表1所示。

表1 Landsat遙感生態指數計算公式Tab.1 remote sensing ecological index calculation equation based on Landsat

2.2 鄉鎮傳感生態指數

基于研究區及周邊區域2020年現有傳感器監測站點的空氣質量數據，運用數據易獲取、模擬精度較高的土地利用回歸模型（LUR）模擬研究區空氣質量空間分布數據。北京、天津、唐山、承德和廊坊五市2020年的省控空氣質量監測站點的二氧化氮（NO2）年均濃度數據來源于真氣網，從該網站上獲得2020年該五市84個省控空氣質量監測站點的空氣質量年均值濃度數據，經過篩選獲得薊州區周邊33個站點的空氣質量監測數據用于本文的土地利用回歸模型模擬。模型中自變量土地利用數據來源于中科院資源環境科學數據中心，電子地圖興趣點數據和路網數據來源于高德地圖，高程數據、夜晚燈光等遙感數據均來源于美國地質勘探局。

經過前期對各項空氣質量監測站點的相關分析、共線性診斷以及模型驗證，在各項顆粒物、臭氧、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮空氣質量指標中僅有二氧化氮（NO2）模擬效果較好（最終模型R2=0.607，回歸方程，其中LIGHT是指去除了月光、云、光火和油氣燃燒等偶然噪聲的影像，NYD指站點所在網格內的水田和旱地所占的面積，POIE1類電子地圖興趣點指以站點所在的網格內的小學和幼兒園的數量）。根據上述模型模擬了薊州區級周邊2020年NO2濃度數據集和該區域2020年高分辨率的NO2濃度空間分布。

2.3 鄉鎮人感生態指數

生態環境評價需要引入不同的主體。在評價工作中，應通過民意調查、問卷發放、平臺收集等方式，將居民對周邊生態環境的感知融入到生態環境研究中[28]，讓居民參加到整個工作中來，使評價工作更貼合當地實際情況，更具有重要的現實意義。由于調查難度、樣本回收等各種條件限制，大部分生態環境評價工作中存在居民參與性不足的問題。在鄉鎮生態環境評價中，可以通過與當地政府合作，開展問卷調查和回收工作，獲取居民滿意度和感知度數據。根據李克特量表[31]設計滿意度和感知度等級以及相應的分值（表2），所有選項分值相加后除以總調查樣本數，得到單項分值。每一大項的分值為所有下屬單項問題分值的平均值。鄉鎮居民生態環境感知指數為兩項感知度和滿意度指數的平均值。

表2 鄉鎮生態環境滿意度和感知度調查結果計分標準Tab.2 scores of satisfaction and perception survey results of ecological environment in villages and towns

圖2 基于土地利用回歸模型的空氣質量空間分布模擬技術路線圖Fig.2 roadmap for spatial distribution simulation of air quality based on land-use regression model

圖3 薊州區周邊傳感監測站點分布圖Fig.3 distribution of sensing monitoring sites around Jizhou District

本文突出“人感”在鄉鎮生態環境評價中的重要性和作用，通過互聯網問卷調查平臺在天津市薊州區全區范圍內的行政村投放問卷，獲取樣本共847份，以此收集生態環境評價人感數據。以薊州區鄉鎮問卷調查中對村里周邊生態環境質量相關部分計算生態環境質量評價指數，包括生態環境質量水平（水體環境、土壤環境、空氣環境、生態狀況、空氣質量主觀感知）和污染源污染排放水平（農業面源、生活污水、生活垃圾、畜禽養殖、鄉村工業）。

鄉鎮人感生態指數最終指數值為鄉鎮生態環境質量水平人感指數和鄉鎮居民生態環境感知指數的均值。計算公式（1）如下：

式中：Q3為鄉鎮人感生態指數；Q31為鄉鎮居民生態環境滿意度指數；Q32為鄉鎮居民環境質量感知度指數；Q33為鄉鎮居民污染排放感知度指數。

2.4 綜合指數計算與分級方法

由于本文研究的基本單元為薊州區26個鄉鎮，對上述三種感知指數進一步統一空間尺度，其中遙感和傳感手段獲取的兩類指數為柵格數據，在ArcGIS空間分析模塊中使用分區統計工具計算每個鄉鎮的平均值；對于人感手段獲取的問卷調查數據，則計算每個鄉鎮內所有調查行政村的平均值。

由于不同指標的量綱和數值范圍有差異，為消除指標量綱影響和便于比較，對各指標值進行歸一化處理，使每一個指數值都處于[0,100]之間。其中，遙感生態指數和人感生態指數為正向指標，按公式（2）標準化：

傳感生態指數為負向指標，按公式（3）標準化：

式中，NX為各指數歸一化值；X為各指數原始值；Xmax為各指數所有原始值的最大值；Xmin指數所有原始值的最小值。

根據各指標在鄉鎮生態環境評價中的重要程度，設置指標權重。通過文獻計量法和專家咨詢法，確定各指標權重為：鄉鎮遙感生態指數0.4，鄉鎮傳感生態指數0.4，鄉鎮人感生態指數0.2，并以各指標值數值及其權重按照公式（4）進行加權計算得到鄉鎮生態環境質量綜合指數：

式中：Q為鄉鎮生態環境質量綜合指數；wi為基于傳感、遙感、人感的鄉鎮生態指數分別對應的權重；Qi為基于傳感、遙感、人感的鄉鎮生態分指數。

由于各分指數經標準化后數值都在0～100之間，且數值越大，該生態指數所代表的生態環境要素質量越好。

3 研究結果與分析

3.1 鄉鎮遙感生態指數

如圖5所示，2020年薊州區遙感生態指數介于55～87之間，生態環境質量好的區域集中在北部山區、泄洪區、水庫等水域區域以及南部的農業用地；而生態環境質量相對較差的區域集中在中部和水庫周邊的人口密集區域，尤其是人口最多且分布較為集中的漁陽鎮附近。總體上來看，鄉鎮生態遙感指數呈現為以薊州區中部漁陽鎮、洇溜鎮、邦均鎮為中心向南北兩部降低的趨勢。

圖4 薊州區鄉鎮2020年遙感生態四指數空間分布圖Fig.4 spatial distribution of four remote sensing indexes of towns in Jizhou District in 2020

圖5 薊州區鄉鎮2020年遙感生態指數空間分布圖Fig.5 spatial distribution of remote sensing ecological index of towns in Jizhou District in 2020

圖6 薊州區2020年NO2模擬濃度空間分布圖Fig.6 spatial distribution map of NO2 simulated concentration in Jizhou District in 2020

3.2 鄉鎮傳感生態指數

從NO2濃度均值來看，2020年薊州區26個鄉鎮NO2污染狀況整體上較為輕微，各鄉鎮NO2年均濃度未見超標現象；26個鄉鎮中，洇溜鎮NO2平均濃度最高，為34 ug/m3；濃度最低的為下營鎮，NO2平均濃度為14 ug/m3，國家級重點保護區于橋水庫NO2平均濃度為17 ug/m3，為薊州區除下營鎮外濃度最低的區域；其次，從各鎮的NO2濃度最值來看，漁陽鎮內存在本次模擬的濃度最大值，為52 ug/m3；NO2濃度最低值出現在州河灣鎮，為13 ug/m3。薊州區內對NO2濃度分布影響最大的是城鎮人類活動和農用地的使用。總體上來看，北部山區鄉鎮的空氣環境質量優于南部平原地區的鄉鎮，同時漁陽鎮和洇溜鎮的空氣質量為較低水平的中心。

3.3 鄉鎮人感生態指數

從鄉鎮人感生態指數上來看，總體上薊州區各項人感生態指數基本在65分以上，生態環境主觀感知水平和滿意度水平均相對較高。漁陽鎮以北的山區以及于橋水庫周邊的生態環境質量感知度、污染排放感知度和生態環境滿意度總體上均高于薊州區南部各鄉鎮。與另外兩類指數的空間分布對比可以發現，通過客觀手段感知的鄉鎮生態環境質量水平不盡一致，總體上來看北部山區的三種感知手段的評價結果基本一致，但是中部的漁陽鎮、官莊鎮、許家臺鎮等遙感生態指數相對較低的鄉鎮其主管感知的生態環境質量和滿意度反而較高；而南部楊津莊鎮、下倉鎮和桑梓鎮等遙感生態指數相對較高的鄉鎮其人感生態指數反而較低。

3.4 融合多感知的薊州區2020年鄉鎮生態環境綜合評價

融合上述三類指數計算得到薊州區2020年各鄉鎮生態環境綜合指數（以下簡稱多感知指數，如圖8所示）。從圖上來看，洇溜鎮、漁陽鎮、邦均鎮和禮明莊鎮的多感知指數均低于27，與這四個鎮以南與之接壤的鄉鎮多感知指數稍高但均低于50，薊州區南部的鄉鎮基本在50～60之間，多感知指數60～75之間的鄉鎮有穿芳峪鎮、官莊鎮、許家臺鎮和洲河灣鎮，高于75的僅有下營鎮和羅莊子鎮。各鄉鎮的多感知指數總體上呈現出以洇溜鎮為中心向外圍逐步增高的趨勢。

圖7 薊州區鄉鎮2020年人感生態指數空間分布圖Fig.7 spatial distribution of human sensing ecological index in Jizhou District Townships in 2020

圖8 融合多感知的薊州區2020年鄉鎮生態環境綜合指數分布圖Fig.8 distribution of the comprehensive eco-environment index integrating multiple perceptionsof townships in Jizhou District in 2020

總體上來看，這種分布趨勢與薊州區各鄉鎮的人口活動與產業分布有關。漁陽鎮等中部地區為薊州區新城地區，是人口集中和產業活動較為頻繁的地區，經濟相對發達，盡管客觀的生態環境遙感指數和傳感指數相對較低，但是可能由于生態環境基礎設施相對較為完善，因此環境滿意度相對較高；而南部地區盡管客觀感知的生態環境相對較好，但是經濟發展水平相對較低，基礎設施環境可能難與中部地區相比擬，導致其滿意度相對較低。

4 結論與討論

本文以天津市薊州區鄉鎮為研究對象，融合多感知手段進行鄉鎮生態環境質量綜合評價。結果表明，融合多種感知手段特點，將遙感、傳感和人感三種感知手段融合構建生態環境質量綜合評價體系，可以很好地實現三種手段的時空互補和屬性互補，構建適合鄉鎮特點的簡便快捷的鄉鎮生態環境監測與體系，實現快速、全面、科學的鄉鎮生態環境質量評價。同時，通過上述結合客觀與主觀感知的評價我們可以發現，主觀感知和客觀感知存在不一致的現象，在生態環境管理與鄉鎮人居環境整治中需要進一步分析其原因，在改善生態環境質量的同時提高居民對生態環境的滿意度；此外，也不能因為鄉鎮居民的滿意度較高而忽視了客觀存在的鄉鎮生態退化的現象。

上述模式可以總結為基于“三感六度天地人一體化”的鄉鎮生態環境質量評價體系（圖9）。在這種評價模式中，“三感”即遙感手段基于多光譜遙感影像計算遙感生態指數；傳感手段通過傳感器獲取環境要素監測數據；人感手段通過問卷調查獲取居民生態環境滿意度與感知度數據。“六度”即遙感手段中的干度、濕度、綠度、熱度，傳感手段中的氣度和人感手段中的感知度。其中“氣度”指物聯網傳感器的空氣質量監測結果，為了與遙感中的干度、濕度、綠度、熱度和人感中的感知度對應，故簡稱為“氣度”。

圖9 融合多感知的鄉鎮生態環境質量評價模式Fig.9 eco-environment quality of villages and towns evaluation model integrating multiple perceptions

同時，本文存在以下不足：第一，由于各種現實因素限制，傳感手段中只考慮了空氣質量，沒有考慮鄉鎮聲環境、水環境、土壤環境等因素的監測。更加全面、完善的傳感評價應該考慮到鄉鎮生態環境要素的各個方面，后續可以考慮適當補充這部分內容并嘗試將景觀指數和生態系統服務價值評估納入評價體系。第二，對于空氣質量的模擬采用了生態環境部門公布的傳感器監測數據，作者所在團隊在薊州區布設的環境物聯網監測設備數據采集稍有滯后，從2020年12月才開始數據采集，今后可將這部分實際監測數據與生態環境管理部門發布的數據結合起來進行空氣質量空間分布的模擬。第三，在確定鄉鎮生態環境質量多感知綜合指數各分指數指標的權重中，采用了文獻計量法和專家咨詢法，存在一定的主觀性。

未來通過豐富傳感器監測數據的種類和數量，逐步完善多感知評價體系，并嘗試將此模式逐步推廣到其他鄉鎮的生態環境質量評價工作中，為我國鄉鎮生態環境質量監測與評價工作提供新的視角和科學支撐。同時，本文也可為其他地區和尺度的分析提供借鑒，未來相關研究可以進一步納入對鄉鎮自然資源占用、生態環境基礎設施等方面的評價，并開展相關環境要素對鄉鎮生態環境影響機制機理的實證調查與研究，為鄉村生態文明建設和鄉村振興提供科學支撐。融合多感知的鄉鎮生態環境質量評價經過不斷補充和完善，在未來會有廣闊的應用前景。

圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1：李妍, 張國欽, 吝濤, 等. 鄉鎮遙感生態指數時空變化及影響因子研究——以天津市薊州區為例[J]. 生態學報, 2022, 42(2): 474-486.

表2：作者繪制