基于遙感生態指數的衡水市生態環境質量評價*

劉馨，江亞軍，李月英

1.饒陽國家氣候觀象臺；2.深州市氣象局；3.衡水市氣象局/饒陽國家氣候觀象臺

衡水市屬于首都經濟圈的京南區，是首都和雄安新區的南大門。2022年衡水市政府工作報告指出：十四五時期，是衡水市加快建美麗衡水的關鍵階段[1]。實踐證明，人類活動和城市擴張會對區域生態質量產生較大影響，應用遙感影像評價分析生態質量能直觀展示區域內生態質量等級分布和動態變化情況，對生態文明建設具有重要參考意義。

目前，遙感技術已廣泛應用于生態研究中，其中徐涵秋提出遙感生態指數（RSEI）評價法[2-3]已得到廣泛應用。RSEI各指標均可通過遙感影像反演得到，適用于對研究區的生態環境質量進行客觀評價與分析。本研究選取2000～2021年間四期遙感影像構建RSEI指數，分析衡水市生態環境質量等級分布和變化情況，為當地可持續發展和生態文明建設提供參考意見。

一、研究區概況及數據源

衡水市位于黑龍港流域，地處于河北省東南部，地形平原，總面積8836km2，屬大陸性季風氣候，四季分明。全市以農業產業為主，農業用地占土地總面積的78.65%。

選用Landsat系列遙感影像，時間分別為2000.8.28、2007.9.9、2014.9.4、2021.9.7，所選影像時間相近，具有較高的代表性和可比較性。

二、分析方法

RSEI以綠度（NDVI）、濕度(Wet)、干度(NDSI)、熱度（LST）4個指標作為評價指標,通過主成分分析法（PCA）將第一主成分歸一化處理生成RSEI指數。各指標計算方法如下：

（1）綠度：以歸一化植被指數（NDVI）表示,表達式為：

（2）濕度：以纓帽變換中的濕度分量表示。本研究應用到ETM和OLI兩種影像，分別為：

（3）干度：以建筑指數(IBI)和裸土指數(SI)均值表示：

（4）熱度：本文應用大氣校正法反演的地表溫度作為熱度指標[4]，具體公式為：

式中：LST為地表溫度（℃）；T為黑體輻射亮度；Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；τ為大氣透過率；L↑和L↓分別為大氣上行和下行輻射亮度；K1和K2為定標參數常量。

（5）RSEI指數構建

通過NDWI指數[5]將大型水體去除，對四個指數歸一化處理后進行主成分分析，得到第一主成分PC1，對PC1進行歸一化處理即可得到遙感生態指數，取值范圍為［0,1］,結果越接近“1”表示生態環境質量越好，接近“0”為差。

三、結果與分析

（一）主成分分析結果

各年度指標特征值見（表1），結果顯示，第一主成分（PC1）的貢獻率都大于85%，表明第一主成分已經集中了4個分量的絕大部分特征。四個年份中的NDVI和NDSI特征值貢獻率高于WET和LST，表明植被和城市建設對生態質量影響最大。

表1 主成分分析結果

從表2看出，2000～2014年間RSEI指數變化不大，2021年提升至0.75，增幅7%，表明近幾年衡水市生態環境質量有了明顯改善。單一指標中NDVI在2007年下降15%，隨后升高；WET呈升高趨勢；NDSI和LST在2014～2021年間有較大幅度下降；說明近幾年雖然城鎮化進程加快，但同時加強城區綠化率提升，總體上抵消了城市建設和氣候變暖帶來的不利影響，使區域內生態環境質量水平不斷提高。

表2 各年度各指標歸一化均值統計

表4 2000～2021衡水市RSEI等級變化情況（單位：km2）

（二）RSEI空間變化和時間變化

為研究生態質量的分布情況，將RSEI指數以0.2為間隔等分為差、較差、中等、良、優5個等級（圖1），并對各等級面積進行統計(表3)。從空間分布來看，全市生態等級以良至優區域為主，各年度優良等級之和占比均在70%以上，這是由于衡水地處平原，區域內以耕地為主，植被覆蓋度較高；差和較差區域主要為城市區域。

圖1 2000～2021衡水市RSEI等級分布圖

表3 2000～2021年衡水市RSEI等級面積及占比

2007年因夏季降水偏少導致當年植被生長狀況較差，等級優區域比例降低；四個時相分RSEI布圖中，建筑用地面積逐年增加，表明城鎮化進程加快，城鎮區域向外擴張，但近幾年同時加強城區綠化和裸地植被修復工作，使等級差和較差區域比例反倒減少。

為研究各年度間生態環境質量變化程度，對各年度RSEI指數進行差值計算，根據結果分為變差、無變化、變好3個類別，面積變化情況見圖2和表3。從圖2可以看出2000～2007年因夏季降水偏少生態變差區域較多，2007～2014年和2014～2021年隨著植樹造林力度加強生態逐漸變好。整體來看2000～2021年生態變差區域主要為城市周邊新開發區域，主要因建成時間短，綠化力度不足導致；饒陽、阜城南部因發展設施農業，溫室大棚較多，也使當地生態質量變差；部分城區中心生態質量變好，表明隨著城區綠化力度加強，城市生態環境質量有了極大改善。

圖2 2000～2021年衡水市RSEI變化圖

四、結論

（1）RSEI生態指數模型能夠較好地反映衡水市生態環境質量空間和時間變化，4個生態因子中主要影響因素為綠度（正反饋）和干度（負反饋）。

（2）衡水市生態環境質量水體總體處于較高水平，2007年因氣候原因略有下降，2014年后隨著園林城市建設生態環境質量有了大幅提升。

（3）從空間格局上看，衡水市區域內主要為農業用地，生態質量好的區域占比較高，生態質量差區域主要為城市，其中城市周邊新建成區最差，城市中心隨著綠化力度加強生態質量逐漸變好。