貴州赤水河流域生態環境狀況遙感監測分析

李慧璇,黃林峰,胡 鋒,宋善海,劉 蕓

(貴州省生態氣象和衛星遙感中心,貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著我國對生態文明建設的高度重視,全社會對生態環境保護的認識不斷加深,諸多學者也在該研究領域進行了積極的探索。進一步加大區域生態環境全方位監測和綜合治理力度,利用衛星遙感技術對區域生態環境進行全天候、精準、快速和廣視域的環境監測是各監管部門區域生態保護和生態文明建設的主要措施和手段,也是當今社會的重點研究課題[1-3]。

區域生態環境狀況遙感監測是生態環境治理的一項重要工作。目前,各界學者對生態環境的評價技術方法已從20世紀60年代初對生態環境的單要素調查發展為綜合多源數據、多環境要素指標評價[4-9]。此外,生態環境遙感監測已成為區域生態環境評價的重要手段之一,被廣泛應用于城市、森林、沙漠、草地和濕地等區域,取得顯著成效[10-14]。赤水河流域作為貴州省重要的生態水源涵養地、生態屏障和經濟地帶,由于流域內喀斯特地貌廣泛分布,生態敏感性和脆弱性并存,其生態環境保護問題長久以來備受關注。隨著國產高分辨率衛星遙感數據自給率大幅提升,為貴州赤水河流域土地利用分類信息提取提供了可靠的數據支撐。且利用衛星影像對生態環境進行監測的技術方法在我國環境治理中已經越來越成熟,能更好地對流域生態環境狀況進行高效判讀[15-19]。

以高分一號和高分二號衛星影像為主要數據源,通過對影像進行輻射定標、大氣校正、正射校正、融合、鑲嵌和波段運算等預處理,運用面向對象圖像分類法中基于規則的面向對象分類法與基于樣本的面向對象分類法進行流域土地利用分類的提取,并依據國家生態環境部發布的《生態環境狀況評價技術規范(HJ192-2015)》[20](以下簡稱《規范》),利用生物豐度、植被覆蓋、水網密度、土地脅迫和污染負荷等多個指數對研究區的生態環境狀況進行綜合評估,以期為赤水河流域生態環境保護和綜合治理提供科學依據和數據支撐。

1 研究區概況

赤水河屬中國長江上游的一級支流,全流域覆蓋云南、貴州和四川3省的4個地區級和13個縣級行政單位。貴州境內赤水河流域地理位置為26°49′～28°54′N、104°09′～107°10′E,主要分布于播州、七星關、大方、金沙、仁懷、習水、赤水、桐梓等多個縣區。

本次監測流域面積13 926.09 km2,流域海拔在211～2213 m之間,高度落差>2000 m。研究范圍、地理位置以及區域DEM如圖1所示。

圖1 赤水河流域監測范圍及地理位置圖

流域上游所在的畢節市七星關區、大方縣和金沙縣平均海拔最高,低海拔的區域基本都是河谷地帶。流域下游赤水市平均海拔最低,呈現出較大面積的平緩河谷。流域整體水能豐富,年均降水1090 mm,降雨多集中在6—9月,降水量約占全年的75%。降水量在上游七星關區偏低,在下游赤水市偏高,分別為974.7 mm和1289.8 mm。

2 資料方法

2.1 數據來源與預處理

監測區資源和環境數據主要來源于中國環境監測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺、貴州省宏觀經濟數據庫和《貴州統計年鑒2021》。流域監測矢量范圍來源于貴州省環境科學研究設計院。遙感影像數據為國家資源衛星中心提供的貴州省區域高分一號和高分二號影像資料,融合后影像分辨率分別為1 m、2 m。此外,影像處理過程中采用的DEM數據空間分辨率為12.5 m。

通過中國資源衛星與應用中心獲得原始影像后,利用Titan批量處理軟件進行數據預處理,處理過程包括影像解壓、選片、建立金字塔、區域網平差像點量測、輻射定標、正射校正、融合、波段運算、勻色、鑲嵌、裁剪等。

2.2 研究區生態環境狀況評價方法

2.2.1 指標體系構建及計算方法 根據《規范》和流域特點,構建研究區生態環境狀況的綜合評價指標體系,最終利用生態環境EI指數來反映研究區生態環境現狀,數值范圍取值0～100。文章所構建的5個指標體系共有和具體計算方法如下。

生態環境狀況指數(EI)=0.35×生物豐度指數+0.25×植被覆蓋指數+0.15×水網密度指數+0.15×(100-土地脅迫指數)+0.1×(100-污染負荷指數)+環境限制指數。各項指標的權重以及歸一化系數如表1所示。

表1 流域生態環境狀況指標體系及指標權重

2.2.2 生態環境狀況分級 在分析過程中,結合生態環境狀況指數計算結果,參考現有研究[22],將生態環境分為優、良、一般、差4個等級。4個等級的分級標準分別為EI≥75、55≤EI<75、35≤EI<55、EI<35。

3 結果及分析

3.1 流域地類提取及結果分析

得到研究區全域預處理結果影像后,進一步借助ENVI影像處理平臺,采用面向對象法,根據高分辨率影像的光譜統計特征、紋理特征和形狀大小特征等和實地采集的地類樣本,對流域的林地、草地、水域濕地、耕地、建設用地和未利用地等6大地類進行地類分割和提取。

人工修正和檢驗過程中,結合前期無人機外業采集的多個植被、建筑和水體等樣本,使用人機判讀法進一步完成流域空間分布信息提取,得到的地類分布結果如圖4所示。

圖4 2021年赤水河流域土地利用信息

根據提取得到的圖斑類型,利用ArcGIS軟件進行統計,得到流域監測范圍內各地類的土地面積及土地利用類型占比(圖略)。

赤水河流域貴州段的土地利用類型主要以林地和耕地為主,占總面積的93.7%。其中,林地占63.28%,包括灌木林、有林地、疏林地和其他林地,耕地占30.26%。建設用地、草地、未利用地次之,分別占總面積的3.94%、1.45%、0.007%。

3.2 評價指數計算及結果分析

3.2.1 生物豐度指數 本次赤水河流域監測區內生物豐度指數主要通過計算林地、草地、水域濕地、耕地、建設用地和未利用地等不同生態因子所占區域的面積比重,并作歸一化處理得到。根據地類面積提取結果,計算得到流域監測區內生物豐度指數為134.14。

根據劉華等[23,24]研究,把生境質量IRHQ最終的評價結果劃分為優、良、一般、差、極差5個等級。5個等級的分級標準分別為IRHQ≥75、60≤IRHQ﹤75、45≤IRHQ﹤60、30≤IRHQ﹤45、IRHQ<30。

結果可見,赤水河流域監測區內生境質量等級為優,生物多樣性豐富,以流域西北部的赤水市為最佳。

3.2.2 植被覆蓋指數 結合高分遙感全年影像,計算監測區NDVI值,計算結果值中,巖石或裸土用0值表示,有植被覆蓋的,數值越大,表示該地的植被覆蓋情況越好。計算監測區NDVI結果如圖5所示。其中,最大值為0.67,平均值為0.42。

圖5 赤水河流域(貴州段)2021年NDVI計算結果

結果可見,流域植被覆蓋度高,固土護坡、涵養水源能力較強,流域西北及西南部植被覆蓋能力最強,森林多保持原始狀態,人類活動干擾少。

3.2.3 水網密度指數 結合高分遙感影像和統計資料可知,赤水河流域貴州段多年平均降雨量約1100 mm,多年平均蒸發量為456 mm,多年平均徑流量56.23億m3,多年平均地下水資源量15.72億m3,多年平均地表水資源量約為70.76億m3。此外,赤水河流域河網密布,三省范圍內面積超過1000 km2的河流便有5條之多,其中二道河、桐梓河和習水河3條支流分布于貴州段的上中下游。

提取水域信息后,利用ArcGIS計算得到監測區的大小河流的總長度達2403.58 km,其中赤水河長度約300 km,水域面積127.06 km2。從研究區總面積基數大的角度看,河網整體面積占比少,計算得到水網密度指數結果為6.81,但從圖6可見,流域河網密布,水系相對發達。

圖6 赤水河流域(貴州段)河流分布

3.2.4 土地脅迫指數 根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007),將土壤侵蝕強度分為輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈5級(表2),把強烈、極強烈和劇烈侵蝕認為是重度侵蝕,利用土地類型提取信息、監測區坡度信息和植被覆蓋指數,完成土壤侵蝕面積的計算。

表2 土地侵蝕強度分級

計算流域坡度,結果如圖7所示。

圖7 赤水河流域(貴州段)坡度信息提取結果

赤水河流域的地帶性土壤類型以石灰土、紫色土和粗骨土為主,土質整體透水性雖強,但由于土層較薄,加之地形起伏大,流域整體相對容易被侵蝕。利用AcrGIS的空間分析模塊得到監測區中度侵蝕面積4025.39 km2,占總面積28.9%,重度侵蝕面積2915.7 km2,占總面積20.9%。通過計算,土地脅迫指數計算結果為35.34。

土地脅迫指數與生態環境狀況評價指數呈負相關,計算得到的土地脅迫指數值越大,代表流域內的土地質量受脅迫程度越大,對應的流域生態環境狀況越差。

3.2.5 污染負荷指數 近年來,政府監管部門對赤水河流域水污染、土壤污染、固體廢物污染和空氣質量等的監管力度不斷加大,且數據開放渠道越來越規范化。據地方相關資料,赤水河流域釀酒、煤礦等主要工業企業和現有規?；男笄蒺B殖業相對較多,存在一定數量的點污染源。以區縣為單位,監測區總磷、SO2排放量、氨氮排放量和固體廢物排放量均可從地方公開數據獲取。但在計算過程中,因檢測區域范圍較大,受專業資料限制,監測區污染數據無法全面獲取,根據可獲取的數據,得到的流域污染負荷指數計算結果值為0.53。

4 結論與討論

綜合各指標計算結果,得到赤水河流域生態環境狀況EI指數為68.15,生態環境狀況評價為良。可見,流域整體森林保護能力和水源涵養能力都比較強,主要表現為以下4點:生境質量優,生物多樣性豐富;植被覆蓋率高,固土護坡、水源涵養能力強;水資源豐富,生態水景好;生態區監測區污染防治成效顯著,流域生態環境良好。

文章依托現有遙感在生態保護中的監測能力,收集GF系列衛星遙感數據,結合赤水河的區域特點及環境保護要點確定了基于高分衛星數據的流域地類分類提取方法。采用面向對象分類方法,通過構建研究區光譜特征、紋理特征及形狀特征,完成研究區地類分類提取和地類面積計算。進一步利用地面數據和生態環境狀況指數EI客觀、真實地反映反映了貴州赤水河流域生態環境的整體狀況,并制作了相應的專題圖。該方法可有效提升流域生態環境感知和生態環境數據標準化水平,也能客觀衡量生態環境保護工作的狀況和水平。但是,貴州赤水河流域的生態環境是復雜的系統性問題,流域生態環境遙感監測也面臨著諸多難題,比如EI指數綜合評價中污染負荷指數的計算容易受監測范圍和專業資料限制,無法全面獲取數據。此外,由于數據時間域較窄,本文只能對流域生態環境現狀進行評價,后續研究將進行多方位、多時相、長時序、多數據源的綜合監測,關注流域生態環境的變化規律和區域經濟的和諧可持續發展。