基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究.pdf

江西农业学报 2023，35（11）：150158ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.11.022基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究王首锋，陈前利*，刘慧聪，张丁嘉（新疆农业大学 公共管理学院（法学院），新疆 乌鲁木齐 830052）摘 要:以2001、2011、2021年Landsat系列影像数据为基础，通过构建遥感生态指数（RSEI）模型探究了昌吉市生态环境质量变化情况，并结合土地利用变化特征，分析了其生态环境质量变化特点和影响因素。研究表明：（1）20012021年研究区RSEI平均值由0.6658升至0.6736；RSEI高值区主要分布在中部平原与南部山区、低值区主要分布在北部沙漠与中南部山区；（2）20012021年研究区生态环境质量总体呈上升的趋势，生态环境质量差和较差等级的区域主要分布在北部和中南部，生态环境质量中、良、优等级的区域主要集中在中部与南部，20112021年相比于20012011年生态环境质量明显提升；（3）20012021年研究区各地类转移过程中超过90.86%的生态环境变化等级集中于-11之间，草地（除转向未利用地）、未利用地的转出有利于生态环境质量水平的上升，林地和耕地的转出导致生态环境质量的下降。关键词:遥感生态指数；土地利用；生态环境质量；昌吉市 中图分类号：F301 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）11-0150-09Evaluation of Land Use Ecological Environment in Changji City Based on Remote Sensing Ecological Index WANGShou-feng,CHENQian-li*,LIUHui-cong,ZHANGDing-jia(SchoolofPublicAdministration(LawSchool),XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)Abstract:BasedontheLandsatseriesimagedatain2001,2011and2021,theremotesensingecologicalindex(RSEI)modelwasconstructedtoexploretheecologicalenvironmentqualityofChangjiCity.Combinedwiththecharacteristicsoflandusechange,thechangecharacteristicsandinfluencingfactorsofecologicalenvironmentqualitywereanalyzed.Theresultsshowedthat:(1)TheaverageRSEIinthestudyareaincreasedfrom0.6658to0.6736during20012021.ThehighvalueareasofRSEIweremainlydistributedinthecentralplainsandsouthernmountainousareas,andthelowvalueareasweremainlydistributedinthenortherndesertandthecentralandsouthernmountainousareas.(2)From2001to2021,theecologicalenvironmentqualityinthestudyareagenerallyincreased.Theareaswithpoorandpoorecologicalenvironmentqualityweremainlydistributedinthenorthernandcentral-southernregions.Theareaswithmedium,goodandexcellentecologicalenvironmentqualityweremainlyconcentratedinthecentralandsouthernregions.Comparedwiththepreviousdecadein20012011,theimprovementofecologicalenvironmentqualityinthelatterdecadein20112021wasmoreobvious.(3)From2001to2021,morethan90.86%oftheecologicalenvironmentchangesinthestudyareawereconcentratedin-11.Thetransferofgrassland(exceptforturningtounusedland)andunusedlandisconducivetotheincreaseofecologicalenvironmentquality,whilethetransferofforestlandleadstothedecreaseofecologicalenvironmentquality.Key words:Remotesensingecologicalindex;Landuse;Ecologicalenvironmentquality;ChangjiCity0 引言生态环境是关系到社会和经济可持续发展的复合生态系统，包括影响人类生存与发展的水资源、土地资源、生物资源等1，作为人类生存的基本保障和社会赖以发展的物质基础，它不仅影响着社会的发展以及人们的日常生活，而且关系着收稿日期：2023-09-17基金项目：新疆维吾尔自治区科技厅自然科学基金一般项目（2022D01A86）；新疆农业大学2023年度校级大学生创新项目（dxsex2023287）。作者简介：王首锋（2001），男，重庆人，研究方向为土地资源管理。*通信作者：陈前利。11 期王首锋等：基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究151整个人类社会的生存问题2。伴随人类对土地的不断利用改造以及城市化进程的不断加快，导致人类活动对生态环境的破坏日益加剧，大气污染、水污染、土地退化、植被覆盖率下降等生态环境问题日益严重3，尤其是降水稀少、水资源缺乏、生态环境极其脆弱的干旱、半干旱区的生态环境问题更加突出和严峻4-5。学者们6-8研究认为，影响生态环境变化的一个重要因素就是土地利用与土地覆被变化。党的二十大报告指出，“要推进美丽中国建设，统筹生态保护，应对气候变化，推进生态优先以及提升生态系统多样性、稳定性、持续性”。新疆生态环境保护“十四五”规划 指出，新疆生态系统脆弱，环境质量持续改善难度大，全疆上下要牢固树立绿水青山就是金山银山的理念，全方位推进高质量发展，深入打好污染防治攻坚战，持续改善生态环境质量，建设天蓝地绿水清的“美丽新疆”。因此，科学地评价和分析土地利用与土地覆被变化所引起的生态环境问题及其变化趋势对于推进生态文明体系建设与国土空间优化设计具有十分重要的意义。随着空间与信息技术的飞速发展，地理信息技术为生态系统监测提供了大量的地表数据，遥感技术可以快速、客观、定量地评价生态环境变化9。有学者提出并利用主成分分析法构建了一种新型遥感生态指数（RSEI）10，该指数所需的全部指标均来源于遥感影像，不仅能定量评价区域生态环境质量，还可以在时间、空间上对生态环境质量评价结果进行高精度的可视化表达11-12。近几十年来，昌吉市作为典型干旱区的绿洲城市，受到自然环境变化和人类活动干扰的影响日益严重，生态环境脆弱。为能够快速、清晰地了解昌吉市生态环境变化以及土地利用变化对其生态环境的影响，本文基于RSEI对昌吉市20012021年生态环境变化及其土地利用变化情况进行了系统分析，以期为昌吉市生态保护与环境治理提供科学依据。1 研究区概况昌吉市取“昌盛吉祥”之意，为新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州下辖县级市，昌吉州府所在地，位于天山北麓、准噶尔盆地南缘，地处亚欧大陆中心，南北长260km，东西宽30km，全市总面积约8000km2。如图1所示，昌吉市地貌类型大体分为山地、平原、沙漠三大部分，南部山地为天山山区，中部为冲积平原，北部沙漠属古尔班通古特沙漠一部分，整体地势为南高北低，呈阶梯状。昌吉市生态环境脆弱，干旱少雨多风沙，天然植被稀少，主要形成了沿头屯河与三屯河流域分布的绿洲农业区，与北部沙漠区域形成显著反差。87 E44 N45 Nkm02550图例河流行政边界高：4494低：38640 N45 N50 N80 E90 E图1 研究区地理位置及其高程2 数据来源与研究方法2.1 数据来源本研究遥感数据来源于“美国地质调查局”网站（https:/glovis.usgs.gov/app），主要以昌吉市2001、2011和2021年共3期Landsat5/Landsat8共6景遥感影像为数据源，其云量均小于5%；行政区数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https:/ 土地利用现状分类 确定研究区土地利用类型为耕地、林地、草江 西 农 业 学 报35 卷152地、水域、建设用地、未利用地6类。使用ENVI5.6软件对影像进行监督分类，存在不确定的地物，采用谷歌高清影像与实地调查对比分析的方法，以提升土地利用数据解译的准确性。利用ENVI5.6软件对2001、2011、2021年3期遥感影像进行分类，Kappa系数分别为0.8375、0.8124、0.8468，达到研究所需精度。2.2 研究方法2.2.1 评价指标的选取与计算 生态环境质量优劣是多种因素共同作用的结果，在进行生态环境质量评价时要综合考虑，具体指标包括绿度、湿度、干度、热度13。本研究通过构建遥感生态指数模型，并进一步反演各指标进而应用主成分变换得到遥感生态指数，从而分析昌吉市20012021年生态环境质量时空演变过程。计算公式为：RSEI=f（NDVI,WET,NDBSI,LST）（1）式（1）中：NDVI为 绿 度，WET为 湿 度，NDBSI为干度，LST为热度。各指标的具体计算公式如下14-17：NDVI=RNIR-RNEDRNIR+RNED （2）WETTM=0.0315RB+0.2021RG+0.3102RR+0.1594RNIR-0.6806RSWIR1-0.6109RSWIR2 （3）WETOLI=0.1511RB+0.1973RG+0.3283RR+0.3407RNIR-0.7117RSWIR1-0.4559RSWIR2 （4）NDBSI=SI+IBI2 （5）SI=（RSWIR1+RR）-（RSWIR1+RB）（RSWIR1+RR）+（RSWIR1+RB）（6）IBI=2RSWIR1RSWIR1+RNIR-（RNIRRNIR+RR+RNIRRG+RSWIR1）2RSWIR1RSWIR1+RNIR+（RNIRRNIR+RR+RNIRRG+RSWIR1）（7）L610=gainDN+bais （8）FVC=NDVI-NDVISOILNDVIVEG-NDVISOIL （9）=0.004FVC+0.986 （10）B=L610-L-T（1-）LT （11）LST=K2ln（K1B+1）-273 （12）式（2）式（12)中，RI表示相应的遥感波段；L610为TM/OLI影像热红外辐射亮度值，gain为增益，bais为偏置；FVC为植被覆盖度，NDVISOIL为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，取经验值0.05，NDVIVEG为完全植被覆盖区域的NDVI值，取经验值0.7；是地表比辐射率；B为同温度下黑体辐射亮度值，L、L、T分别为大气向上、向下辐射亮度和热红外波段的透过率，由美国国家航空航天局（NASA）公布网站（https:/atmcorr.gsfc.nasa.gov/）查询所得；LST为地表温度，K1/K2为定标参数，TM影像分别取606.76、1260.56，OLI影像分别取774.89、1321.08，其值由影像头文件查询所得。2.2.2 标准化处理 在对各指标进行主成分分析前，首先对各指标进行标准化处理，为使其值介于0,1 之间，需要对其量纲进行统一。各指标标准化公式为：XNI=XI-XminXmax-Xmin （13）式（13）中：XNI为标准化处理后的值，XI为指标数值，Xmax为指标最大值，Xmin为指标最小值。对所有指数进行标准化处理之后，再对各指标进行合成，使用ENVI5.6软件中的PCA工具进行主成分分析。主成分分析法是一种从多个变量中选择几个重要变量的方法，它利用降维法把多维数据集中到一些特征分量上。计算后同样进行归一化处理，计算公式为：RSEI=RSEII-RSEIminRSEImax-RSEImin （14）式（14）中：RSEI为标准化处理后的值，RSEII为指标数值，RSEImax为指标最大值，RSEImin为指标最小值。3 结果与分析3.1 RSEI有效性检验采用ENVI5.6、ArcGIS10.8等软件进行数据处理与分析，主成分分析结果如表2所示。由表1可知，2001、2011、2021年第1主成分的特征值分别为0.3368、0.3458、0.2938，其贡献率分别为85.56%、81.59%、86.45%，均超过80%，说明各指标信息都已集中于第1主成分。代表绿度的NDVI值与湿度的WET值系数都为正值，说明其对昌吉市生态环境起正向作用，代表干度的NDBSI值与热度的LST值系数都是负值，说明其对昌吉市生态环境起负向作用。11 期王首锋等：基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究153表1 各指标在第1主成分的贡献度年份第1主成分NDVIWETNDBSILST特征值贡献度/%2001PC10.2490.267-0.383-0.3410.336885.562011PC10.2530.272-0.368-0.3480.345881.592021PC10.2510.190-0.379-0.3340.293886.453.2 生态环境状况分析通过构建遥感生态指数模型对昌吉市近20年来生态环境质量变化状况进行分析，原始生态指数经归一化处理后得到01范围的RSEI空间分布特征。由图2可以看出，RSEI高值区主要分布在中部平原与南部山区，低值区主要分布在北部沙漠与中南部山区，RSEI均值相近的区域更为集中。昌吉市各时期RSEI值经标准化处理后统计（表2）可知，2001、2011、2021年RSEI的平均值分别为0.6658、0.6643、0.6736，20012021年RSEI的平均值增长了1.17%，表明昌吉市的生态环境质量总体向好的方向发展。87 E87 E87 E43 N44 N45 N43 N44 N45 N43 N44 N45 N2001年2011年2021年RESI值高：1低：0RESI值高：1低：0RESI值高：1低：002550km02550km02550km图2 20012021年昌吉市遥感生态指数空间分布特征表2 20012021年昌吉市遥感生态指数及各指标的变化年份NDVIWETNDBSILSTRSEI20010.44460.50750.77080.49100.665820110.46730.52310.75530.43190.664320210.48300.53730.75290.42260.67363.3 生态环境质量时空分异分析3.3.1 时间变化特征 为了更好地描述昌吉市生态环境质量，据现有研究将RSEI的平均值分为5个生态环境质量等级：00.2为差、0.20.4为较差、0.40.6为中、0.60.8为良、0.81.0为优。由表3可知，昌吉市生态环境质量差和较差等级的面积占比较大，2001、2011、2021年分别占74.68%、71.30%、61.53%；生态环境质量良和优等级的面积占比较少，2001、2011、2021年分别占3.21%、2.25%、14.90%。从生态环境质量变化趋势来看，20012021年差、中、良和优等级的面积分别增加了252.27、113.29、884.27、31.43km2，较差等级的面积减少了1281.26km2。总体来看，20012021年这20年间昌吉市的生态环境质量逐步提升，且20112021年生态环境质量状况的改善程度优于20012011年的，说明近10年来昌吉市生态环境质量的改善更加显著。江 西 农 业 学 报35 卷154表3 20012021年昌吉市遥感生态指数等级变化面积统计结果等级2001年2011年2021年20012021年面积变化/km2面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%差2607.3733.312849.8136.402859.6436.53252.27较差3238.4741.372732.2734.901957.2125.00-1281.26中1731.2822.122069.7026.441844.5723.56113.29良249.643.19152.641.951133.9114.48884.27优1.410.0223.760.3032.840.4231.433.3.2 空间分布特征 由图3可知，研究区生态环境质量差和较差等级的区域主要分布在北部和中南部，北部区域主要为沙漠地区，植被稀少，干旱缺水。生态环境质量中、良、优等级的区域主要集中在中部与南部，中部区域主要是城市、村庄和农田，南部区域主要是山区且受人类活动影响较小。20012021年，中部平原和南部山区其生态环境质量有所改善，说明农田建设与草原生态修复工程卓有成效，北部沙漠有所降低，该区域水资源匮乏是其主要原因之一，但北部沙漠化问题并未向南蔓延，这得益于近年来昌吉市大力推进北部荒漠退耕还林等工作取得了一定成效。总的来说，昌吉市生态环境质量总体向好的方向发展，生态等级相似的地方更为集中，说明昌吉市在社会经济发展过程中不断重视与加强生态环境的保护与治理。87 E87 E87 E43 N44 N45 N43 N44 N45 N43 N44 N45 N2001年2011年2021年02550km02550km02550km差较差中良优差较差中良优差较差中良优图3 20012021年昌吉市不同等级遥感生态指数空间分布为便于探究不同环境等级面积变化情况，对昌吉市20012021年遥感生态指数进行差值分析。由表4可知，20012011年间昌吉市生态环境质量不变的区域面积为5000.97km2，占比为63.88%；生态环境质量改善的区域面积为1373.19km2，占比为17.54%，以提高1个级别为主，面积为1246.32km2；生态环境质量恶化的区域面积达1454.02km2，占比为18.58%，以降低1个级别为主，面积为1361.83km2，说明昌吉市在这10年间的建设发展对生态环境的影响较大。20112021年间昌吉市生态环境质量不变的区域面积为4950.64km2，占比达63.24%；生态环境质量改善的区域面积为2125.74km2，占比为27.16%，改善23个等级的面积变化明显增多；生态环境质量恶化11 期王首锋等：基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究155的区域面积达751.79km2，以降低1个级别为主，面积为669.6km2，进一步说明昌吉市在这10年间的建设发展注重生态环境的保护与治理且已颇具成效，明显优于上1个10年。表4 20012021年遥感生态指数面积变化统计结果类别变化级别20012011年20112021年20012021年面积/km2占比/%总占比/%面积/km2占比/%总占比/%面积/km2占比/%总占比/%恶化-40.000.0018.580.000.009.600.020.0014.40-33.310.045.700.076.390.08-288.881.1476.490.9887.251.11-11361.8317.40669.608.551033.1513.20不变05000.9763.8863.884950.6463.2463.244449.9456.8556.85改善11236.4215.7917.541744.9322.2927.161620.5920.7028.752128.191.64293.333.75562.797.1938.580.1186.961.1167.630.8640.000.000.520.010.410.01由图4可以看出，生态环境质量改善区域主要集中在北部荒漠屏障带以南平原以及南部山区，这些区域集中分布有耕地和草地，这得益于近年来昌吉市全力推进防沙治沙、水利设施建设、加强草原生态保护修复、推动落实草原生态补奖政策以及退牧（耕）还草、退化草原修复治理等一系列重大工程。生态环境质量恶化区域主要集中在北部沙漠与城镇扩张地带，主要由于退耕引起的植被覆盖变化与城市扩张的裸露地问题。总体来讲，虽有部分地区生态环境质量有所降低，但其改善效果更为明显，表明了昌吉市生态环境质量持续改善。87 E87 E87 E43 N44 N45 N43 N44 N45 N43 N44 N45 N02550km02550km02550km-4-3-2-101234图例-4-3-2-101234图例-4-3-2-101234图例20012011年b.2011202120112021年20012021年图4 20012021年昌吉市各期遥感生态指数空间分布3.4 土地利用变化对生态环境质量的影响分析3.4.1 土地利用变化特征 由图5可以看出，20012021年昌吉市耕地主要分布于中部平原周围且较为集中连片；林地主要分布在南部山区；草地分布最为广泛，且随季节改变最为明显；水域主要包括三屯河、头屯河流域、灌溉沟渠以及养殖水江 西 农 业 学 报35 卷156塘；建设用地主要分布在以交通网联结城市大核心、乡镇小核心的中部平原；未利用地以北部古尔班通沙漠边缘地带为主。87 E87 E87 E43 N44 N45 N43 N44 N45 N43 N44 N45 N图例耕地林地草地水域建设用地未利用地图例耕地林地草地水域建设用地未利用地图例耕地林地草地水域建设用地未利用地02550km02550km02550km2001年2011年2021年图5 20012021年昌吉市各期土地利用现状昌吉市土地利用类型转移如图6所示，耕地、草地、未利用地3类土地利用类型面积占昌吉市总面积的88.75%94.05%；其次为林地与水域，两者面积之和占研究区总面积的3.44%10.27%；建设用地面积占研究区总面积的0.98%2.51%。20012021年间，研究区耕地、草地、建设用地、未利用地面积均有所增加，分别增加了233.60、105.77、120.15、75.27km2，而林地和水域面积有所减少，分别减少了366.30、168.50km2。昌吉市土地利用转移主要包括：林地转为草地380.83km2、草地转为未利用地249.70km2、草地转为耕地198.2km2、未利用地转为草地174.89km2、未利用地转为耕地143.24km2。研究期内，草地与未利用地变化较为显著，建设用地增幅显著，耕地面积有所增加，水域与林地面积有所减少。20012011年20112011年20012011年A 耕地，B 林地，C 草地，D 水域，E 建设用地，F 未利用地；1 前1研究年，2 后1研究年图6 20012021年昌吉市土地利用类型转移11 期王首锋等：基于遥感生态指数的昌吉市土地利用生态环境评价研究1573.4.2 土地利用生态环境质量变化分析 为进一步了解昌吉市土地利用对生态环境质量的影响，以20012021年土地转移情况与RSEI变化等级空间叠加求得不同土地利用类型转移的变化情况。如表5所示，20012021年各地类转移过程中超过90.86%的生态环境变化等级集中在-11之间，草地和未利用地的转出伴随着生态环境质量上升的趋势，林地和耕地的转出伴随着生态环境质量下降的趋势；在地类不发生变化的情况下，草地和耕地对生态环境质量水平影响最显著、上升最明显。表5 20012021年昌吉市主要转移地类与遥感生态指数变化统计%2001年2021年20012021年RSEI变化率-4-3-2-101234草地草地/0.063.9822.019.111.520.09/耕地/0.040.220.670.650.820.15/建设用地/0.050.260.270.060.01/未利用地/0.061.271.550.290.03/耕地耕地/0.441.523.834.632.330.33/林地草地/0.011.462.270.780.35/林地/0.060.690.900.20/未利用地草地/0.030.281.060.490.310.09/耕地/0.010.120.260.380.940.13/未利用地/0.233.6521.090.420.03/土地利用方式的改变是人类活动的重要表现，土地利用与生态环境质量水平之间存在一定的关系18。由图7可以看出，草地、未利用地转为植被覆盖度高、水利设施完善的耕地后其生态环境质量水平明显上升。在城市扩张中，耕地、林地和草地转为建设用地，但开发建设程度的不同对生态环境质量的影响和程度也有所不同；高度开发的城市形成了良好的生态格局，城市绿化配备充分，其生态环境质量得到不断提升，如公园、滨河等地类提升明显；开发建设过程中使得地表裸露，生态环境质量降低。从努尔加水库库区可以看出，水利设施完善的水库坑塘与河流等水资源充足区域生态环境质量明显提升。南部山区林地向草地的转移较为明显地降低了该地的生境质量。总的来说，人类活动对土地利用方式的影响愈加显著，以土地为载体的生态系统，其质量变化愈加明显。20012021年87 E（20012021年）（20012021年）（2001年）（2011年）（2021年）43 N44 N45 N图7 20012021年昌吉市局部土地利用生态环境质量江 西 农 业 学 报35 卷1584 结论本文基于2001、2011、2021年3期遥感数据，反演了昌吉市绿度、湿度、干度、热度4个指标，通过构建RSEI模型，对其进行了时空变化分析，进而探索昌吉市生态环境和土地利用的变化情况。研究表明，2001、2011、2021年RSEI的平均值分别为0.6658、0.6643、0.6736，20012021年RSEI的平均值增长了1.17%，表明昌吉市的生态环境质量总体向好的方向发展。RSEI高值区主要分布在中部平原与南部山区，低值区主要分布在北部沙漠与中南部山区，RSEI均值相近的区域更为集中。昌吉市生态环境质量差和较差等级的区域主要分布在北部和中南部，生态环境质量中、良、优等级的区域主要集中在中部与南部。中部平原和中南、南部山区其生态环境质量有所改善，北部沙漠地区有所减少，北部荒漠屏障带分界更为明显，且20112021年相比于20012011年生态环境质量明显提升。20012021年研究区各地类转移过程中超过90.86%的生态环境变化等级集中于-11，草地（除转向未利用地）、未利用地的转出有利于生态环境质量水平的上升，林地和耕地的转出导致生态环境质量的下降。草地、未利用地转为耕地其生态环境质量上升明显，耕地、林地和草地转为建设用地往往由于开发建设程度的不同而对生态环境质量的影响和程度也有所不同。总体来说，近20年来昌吉市生态环境改善态势良好，今后应注重土地利用方式对生态环境的影响，继续加强生态环境治理与保护，助力“天蓝地绿水清”美丽昌吉建设。参考文献：1 徐燕,周华荣.初论我国生态环境质量评价研究进展J.干旱区地理,2003,26(2):166-172.2 赵其国,黄国勤,马艳芹.中国生态环境状况与生态文明建设 J.生态学报,2016,36(19):6328-6335.3 李尧,袁红,罗建松,等.基于RSEI模型的生态环境质量评价研究 J.测绘与空间地理信息,2021,44(4):117-119,124.4 李新武,张丽,郭华东,等.“丝绸之路经济带”干旱半干旱区生态环境全球变化响应的空间认知 J.中国科学院院刊,2016,31(5):559-566.5 王杰,马佳丽,解斐斐,等.干旱地区遥感生态指数的改进:以乌兰布和沙漠为例 J.应用生态学报,2020,31(11):3795-3804.6 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