基于RSEI和MSPA模型的生境质量时空动态演变分析——以安徽金寨霍山两县为例.pdf
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1、西北林学院学报2 0 2 4,3 9(2):1 2 3-1 3 2J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-7 4 6 1.2 0 2 4.0 2.1 6基于R S E I和MS P A模型的生境质量时空动态演变分析 以安徽金寨霍山两县为例 收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 7 修回日期:2 0 2 3-0 8-1 5 基金项目:国家自然科学基金(4 1 6 0 1 4 5 5);安徽省高等学校科学研究重点项目(2 0
2、 2 2 AH 0 5 1 1 0 6);安徽省高等学校科学研究重点项目(2 0 2 2 AH 0 5 1 1 1 9);滁州学院省级大学生创新创业训练计划项目(2 0 2 2 C X X L 0 2 6)。第一作者:张亚丽,博士,助教。研究方向:林业遥感。E-m a i l:z y l 9 3 0 6 2 41 6 3.c o m张亚丽1,2,苏子浩1,王 妮1,王玉亮3(1.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 2 3 9 0 0 0;2.滁州学院 实景地理环境安徽省重点实验室,安徽 滁州 2 3 9 0 0 0;3.滁州学院 计算机与信息工程学院,安徽 滁州 2 3 9 0 0 0)
3、摘 要:随着城镇化进程的加快,人类社会与自然界联系日益密切的同时,生态环境问题也日趋显著。当前大多数基于遥感的生境研究都是只采用遥感生态指数(r e m o t e s e n s i n g e c o l o g y i n d e x,R S E I)评估生境质量,缺少对生境内部结构的评估。为此,提出一套完整的生境质量评估框架,将R S E I和形态学空间格局分析(m o r p h o l o g i c a l s p a t i a l p a t t e r n a n a l y s i s,M S P A)结合,从功能和结构2个角度综合对研究区进行生态环境监测和评价。以安徽省
4、的金寨、霍山2县为研究对象,选取3期L a n d s a t遥感影像,首先基于随机森林算法(r a n d o m f o r e s t,R F)进行土地利用分类,然后构建R S E I评估研究区生境质量,最后以生境质量最高的森林作为主体,采用M S P A识别不同景观类型评估森林的结构变化。结果表明,1)研究期间,金寨、霍山2县面积占比最大的林地面积其R S E I均值先增加后略微减少,建设用地和耕地的面积及其R S E I均值一直呈上升趋势;2)研究区的生境质量持续稳定以“优”“良”等级为主,“差”等级区域面积呈减少趋势;3)林地内部的核心区面积呈下降趋势,R S E I均值总体却呈上
5、升趋势。此外,孤岛、支线区面积增加的同时R S E I均值也在提高。据此,研究区的森林内部结构出现破碎化现象,但是生境功能总体呈上升趋势,这与合理的土地利用及森林内部结构的改变联系十分密切。研究结果可为与类似金寨县和霍山县的生态环境建设提供科学的参考价值。关键词:R S E I;M S P A;生境质量;L a n d s a t中图分类号:X 8 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 6 1(2 0 2 4)0 2-0 1 2 3-1 0S p a t i o t e m p o r a l D y n a m i c E v o l u t i o n o f E c o
6、l o g i c a l E n v i r o n m e n t Q u a l i t y B a s e d o n R S E I a n d M S P A M o d e l s:A C a s e S t u d y o f J i n z h a i a n d H u o s h a n C o u n t i e s i n A n h u i P r o v i n c eZ H A N G Y a-l i1,2,S U Z i-h a o1,WA N G N i1,WA N G Y u-l i a n g3(1.S c h o o l o f G e o g r a
7、 p h i c I n f o r m a t i o n a n d T o u r i s m,C h u z h o u U n i v e r s i t y,C h u z h o u 2 3 9 0 0 0,A n h u i,C h i n a;2.A n h u i P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f P h y s i c a l G e o g r a p h i c E n v i r o n m e n t,C h u z h o u U n i v e r s i t y,C h u z h o u 2 3 9
8、 0 0 0,A n h u i,C h i n a;3.S c h o o l o f C o m p u t e r a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,C h u z h o u U n i v e r s i t y,C h u z h o u 2 3 9 0 0 0,A n h u i,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e a c c e l e r a t i o n o f u r b a n i z a t i o n p r o c e s s,t h e r e l a
9、 t i o n s h i p b e t w e e n h u m a n s o c i e t y a n d n a t u r e i s g e t t i n g c l o s e r,w h i l e e c o-e n v i r o n m e n t p r o b l e m s a r e b e c o m i n g m o r e s e r i o u s.C u r r e n t l y,m o s t s t u d i e s b a s e d o n r e m o t e s e n s i n g o n l y u s e r e m
10、 o t e s e n s i n g e c o l o g y i n d e x(R S E I)t o a s s e s s e c o-e n v i r o n m e n t q u a l i t y(E Q),b u t t h e y a l w a y s l a c k e d t h e a s s e s s m e n t o f t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f e c o-e n v i r o n m e n t.U s i n g R E S I a n d m o r-p h o l o g i
11、c a l s p a t i a l p a t t e r n a n a l y s i s(M S P A),t h i s s t u d y p r o p o s e d a c o m p l e t e f r a m e w o r k f o r E Q a s s e s s m e n t,a n d c o m p r e h e n s i v e l y m o n i t o r e d a n d e v a l u a t e d E Q f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f f u n c t i o n a n
12、 d s t r u c t u r e.S p e c i f i c-a l l y,t h r e e L a n d s a t r e m o t e s e n s i n g i m a g e s w e r e s e l e c t e d f o r l a n d u s e c l a s s i f i c a t i o n i n J i n z h a i a n d H u o s h a n c o u n t i e s o f A n h u i P r o v i n c e b a s e d o n t h e r a n d o m f o r
13、 e s t a l g o r i t h m(R F),a n d t h e n t h e R S E I w a s c o n s t r u c t e d t o e v a l u a t e E Q.L a s t l y,t h e f o r e s t w i t h t h e h i g h e s t E Q w a s s e l e c t e d a s t h e m a i n b o d y,a n d M S P A w a s u s e d t o i d e n t i f y d i f f e r e n t l a n d s c a
14、p e t y p e s t o a s s e s s f o r e s t s t r u c t u r a l c h a n g e s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t 1)t h e R S E I m e a n v a l u e o f t h e f o r e s t l a n d w i t h t h e l a r g e s t a r e a p r o p o r t i o n i n c r e a s e d f i r s t l y a n d t h e n d e c r e a s e d
15、s l i g h t l y,w h i l e t h e a r e a a n d t h e R S E I m e a n o f c o n s t r u c t i o n l a n d a n d c u l t i v a t e d l a n d a l w a y s s h o w e d a n a s-c e n d i n g t e n d e n c y d u r i n g t h e r e s e a r c h p e r i o d i n t w o c o u n t i e s.2)E Q i n t h e s t u d y a
16、r e a a l w a y s d o m i n a t e d b y e x c e l l e n t a n d g o o d g r a d e s,a n d t h e a r e a o f p o o r g r a d e s h o w e d a d e c r e a s i n g t r e n d.3)T h e f o r e s t c o r e a r e a d e c r e a s e d,w h i l e t h e R S E I m e a n v a l u e i n c r e a s e d.I n a d d i t i
17、o n,R S E I m e a n v a l u e i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e a r e a s o f i s l a n d a n d b r a n c h r e g i o n.T h u s,t h e f o r e s t s t r u c t u r e i n t h e s t u d y a r e a i s f r a g m e n t e d,b u t t h e e c o-e n v i r o n m e n t f u n c t i o n w a
18、s o n t h e r i s e,w h i c h i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e r a t i o n a l l a n d u s e a n d t h e c h a n g e o f f o r e s t i n t e r n a l s t r u c t u r e.T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y c a n p r o v i d e s c i e n t i f i c r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e e
19、c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t c o n s t r u c t i o n o f H u o s h a n a n d J i n z h a i C o u n t y.K e y w o r d s:R S E I;M S P A;e c o-e n v i r o n m e n t q u a l i t y;L a n d s a t 生态质量状况良好是一个地方经济实现可持续发展的重要基础条件。进入2 1世纪以来,随着城镇化进程的加快,人类社会与自然界的联系日益密切的同时,人类与资源环境之间所存在的矛盾也逐渐被激化。绿水青山就是
20、金山银山,金寨、霍山2县位置相邻,位于大别山腹地,均拥有超过7 5%的森林覆盖资源,同时于2 0 1 8年列入国家重点生态功能区,该地区由森林资源所带来的生态环境效益十分明显,相较于周边其他地区,其地域独特性使得本研究选择金霍两县作为研究区,因此准确对其生境质量状况进行评估,对其城镇化进程的发展方向把握、实现社会经济健康持续发展具有十分重要的指导价值。遥感因为其可以快速、长时间进行大范围监测的优点,被广泛应用于生态环境监测方面。当前的大多数研究主要选取单一指标进行评价,如构建植被覆盖度对西安市的植被动态监测1、依据水体指数对柴达木盆地湖泊地区的气候进行分析2。针对此情况,生态环境部(原名:国家
21、环保总局)在2 0 0 6年向研究学者公布生态环境指数(e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i n d e x,E I)应用于生境质量评估,但是E I构成系数权重难以合理设置和可操作性低,因此适用性不强。为此,徐涵秋3于2 0 1 3年向广大研究学者提出R S E I指数,它是完全基于遥感图像信息,通过耦合绿度、湿度、干度、热度4大指标得来,且其所包含的主成分分析法(p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s,P C A)使得构成参数的权重设置是完全基于图像信息,避免了人的主观性。目前R
22、 S E I模型已在杭州湾南岸4、贺兰山5、祁连山自然保护区6等多地得到广泛应用。一个区域土地利用方式的转变过程中,高强度的开发模式除了改变生境质量的功能,也必然会使生境斑块得到破坏,变得破碎化、岛屿化7,使得生物多样性减少和生境质量状况下降。因此,分析生态网络的结构现状变得十分重要。构建生态网络的重点在于生态源地的选取。汉瑞英等8直接将生境质量较好的生态斑块或一些自然保护区作为生态源地,主观性偏强。朱捷等9以徐州为例,通过构建“属性功能结构”三位一体模式,从多个方面达到生态源地识别的目的。近期,M S P A在生态网络如何合理规划方面得到大量实践运用。M S P A主要用形态学原理,从结构角
23、度出发来定量识别生态源地中的核心区,因其具有兼容性及适应性等优点1 0,已在秦岭(陕西段)山地1 1、厦门市1 2、三峡库区林地1 3等多地得到应用。综上,目前的研究很少有结合R S E I和M S P A 2大模型对研究区的生境功能和结构同时评估。因此,本 研 究 基 于L a n d s a t 8遥 感 影 像 数 据,结 合R S E I和M S P A 2大模型,对研究区的生境功能及其结构实现量化和监测,为其生态建设和环境保护提供参考1 4。1 研究区概况金寨与霍山两县相邻,属于六安市,位于安徽省西部,大别山腹地。地理位置为3 1 0 3 -3 1 4 8 N,1 1 5 2 2 -
24、1 1 6 3 2 E(图1)。其中,金寨县总面积达3 8 1 4 k m2,地势主要自西南向东北倾斜。霍山县总面积达2 0 4 3 k m2,地势主要自东南向西北倾斜。研究区的气候类型属于北亚热带湿润季风气候,季风气候显著,全年降雨充足,冷热适中,动植物、矿产资源丰富。其中,金寨县林地面积占全县总面积7 6.3 7%,霍山县森林覆盖率达7 5.3 9%,这一丰富的森林资源既是二者实现绿色发展的重要资源,也是二者城市化进程中的重点保护对象。421西北林学院学报3 9卷 图1 研究区示意图F i g.1 S k e t c h m a p o f s t u d y a r e a2 数据来源及
25、预处理本研究使用的数字高程模型(D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l,D EM)下载于地理空间数据云的G D EMV 3 3 0 m分辨率数字高程数据集。对研究区的两幅D EM影像进行拼接,并使用研究区边界进行裁剪得到研究区地势示意图(图1)。遥感影像数据选择下载于美国地质勘探局的L a n d s a t 8地表反射率影像数据(已经经过辐射定标和大气校正)和热红外波段影像数据。为确保结果精度,所选取的3幅遥感影像季节相近,研究区域无云覆盖,获取日期分别为2 0 1 3年5月2 1日、2 0 1 8年5月3日、2 0 2 2年6月1 5日。3 研究
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