基于RSEI模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价.pdf

第 卷，第 期年 月湖南林业科技 ，：李永进，汤玉喜，黎蕾，唐洁基于 模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价 湖南林业科技，（）：，（）：收稿日期：基金项目：湖南省林业科技创新项目（）第一作者：李永进（），男，副研究员，研究方向为生态保护与修复；：通信作者：汤玉喜，研究员；：基于 模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价李永进，汤玉喜，黎蕾，唐洁（湖南省林业科学院，湖南 长沙 ）摘要：为快速、客观、定量地评价长江岸线湖南段生态环境质量变化，以 、年的 遥感影像为数据源，采用遥感生态指数（）模型对该区的生态环境质量进行监测与评价。结果表明：、年的遥感生态指数均值分别为 、，呈现先降后升的变化趋势，但 年 值的降低幅度小于 年 值的增加幅度。年长江岸线湖南段生态环境质量变好的区域面积最大，不变的区域面积次之，变差的区域面积最小，其面积占比分别为 、和 ；生态环境质量等级变化以上升 、个等级和下降 个等级的为主，且上升、个等级的区域面积之和比下降 个等级的区域面积增加了 ，区域面积占比增加了 。从整体上看，年长江岸线湖南段生态环境质量变化是一个渐变的过程，虽然在 年出现了生态退化现象，但 年后随着生态保护政策的实施，生态环境质量得到了显著改善。关键词：长江岸线；湖南段；遥感生态指数；生态环境质量；生态指标中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），湖南林业科技 卷 ，：；长江岸线作为整个长江经济带生态环境的重要组成部分和核心环节，是支撑长江经济带发展的重要资源和沿江重要国民经济设施建设的载体，在抵御洪水、蓄洪防旱、调节气候、美化环境、旅游休闲等方面有其他系统不可替代的作用 。长江岸线湖南段拥有优越的水运条件，岸线利用强度较高。年，习近平总书记在湖南省调研时强调，“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发”。近年来，由于气温变暖、水文条件的变化和长江岸线长期不合理的开发利用，使得该岸线部分区域产生了水生态污染、湿地资源破坏等问题。这些对长江岸线生态系统的结构和功能产生了较大影响 。因此，面对长江保护与修复的重大科技需求，合理评价长江岸线生态环境质量及其变化，对科学制定长江岸线资源空间功能区划和推进长江经济带高质量发展具有重要意义。目前，国内外学者从不同角度对区域生态环境质量评估开展了大量研究，并提出了很多的评价方法 。年国家颁布的 生态环境评价技术规程对生物丰富度指数、环境指数、植被覆盖度指数等生态环境质量指数（，）进行了规范，并得到了广泛应用。然而，存在计算权重的固定化、归一化系数的设定以及指标的可获取性等问题，对不同气候、立地条件区域生态环境质量的评价结果产生了一定的影响。为了能直观地评价区域生态环境质量，许多学者基于 和遥感（）技术，并借助数学方法对区域生态环境质量评估及监测开展了研究 ，尤其是徐涵秋 集成了以绿度、湿度、热度、干度等 个自然因子为主的指标，提出了一种新型遥感生态指数（，），实现了对区域生态环境质量状况的定量评价、时空性分析以及可视化显示，该评价方法得到了许多学者的认可 。本文拟利用 对长江岸线湖南段的生态环境质量变化情况进行综合评价，探讨其 年来的生态环境质量变化特征及其影响因素，以期为湖南省长江岸线生态环境保护修复提供支撑。研究区概况长 江 岸 线 湖 南 段 地 处 ，上起华容县五马口，下至临湘市铁山咀，全长 。其气候属亚热带季风气候，年降水量 ；夏季高温多雨，冬季温和湿润，四季分明。地貌类型多样，以平原、丘陵、沼泽为主。植 被 以 芦 苇（）、南 荻（）、川三蕊柳（）、水芹（）、藜蒿（）、?草（）、短尖苔草（）等为主 。数据来源与研究方法 数据来源基础数据选用 、年每年 月的 遥感影像和 年 月的 遥感影像，其空间分辨率均为 。影像的时相基本相同，植被具有相近的生长状态，避免了因季节差异造成的影响。研究方法 是基于遥感数据，采用主成分分析法并集成绿度、湿度、干度和热度等 个生态指标对生态环境质量进行定量、客观、可视化显示的评价方法 ，。数据预处理首先采用 软件对 幅影像进行辐射校正、几何校正和配准，并使用 等的模型和参数将原始影像的灰度值转换为传感器反射率，以减少不同时期影像因光照、大气和地形等不同所造成的差异；然后对影像进行配准，配准的均方根误差小于 个象元 。同时，采用 水体第 期李永进，等：基于 模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价指数掩膜掉水体信息的影响，最后利用长江岸线湖南段的矢量边界对影像进行裁剪 。主成分指标的构建（）绿度指标。绿度指标是反映植物生长状况的最佳指标。归一化植被指数（，）与植被盖度、生物量及叶面积指数有密切关系，能够量化反映地表植被生长状况。其表达式 为：（）（）（）式（）中：、分别为遥感影像近红外波段和红波段的反射率。（）湿度指标。湿度指标（）选用缨帽变换得到的湿度分量来表示。能较好地反映植被、地表水体、土壤中的湿度 。和 的湿度表达式分别为：（）（）式（）、（）中：为 遥感卫星的湿度分量；为 遥感卫星的湿度分量；、分别为 中第 、波段和 中第 、波段。（）干度指标。干度指标（）由土壤指数（）和建筑指数（）构成 ，其表达式为：（）（）式（）中 、的表达式分别为：（）（）（）（）（）()()（）（）热度指标。选用地表温度来表示热度指标（），通过 遥感数据的热红外波段的辐射值和最新修订的定标参数得到 ，其表达式为：（）（）式（）中 的表达式为：（）（）式（）中 的表达式为：（）式（）、（）、（）中：为传感器的温度值；为热红外波段的中心波长；为 ；为地表比辐射率；和 均为定标参数；为热红外波段的辐射值；、和 分别为热红外波段的增益值、像元灰度值和偏置值。遥感生态指数构建主成分分析是将多个变量通过线性变换集中到少数重要变量的多维压缩技术。的构建采用主成分分析法，变换后的数据根据各主成分的贡献率自动确定，将 个生态指标的信息集中于前 个主成分中，从而使单一变量耦合 个生态指标。在进行主成分分析前，由于 个生态指标量纲不统一，需要对各指标进行正规化处理，将其指标值限制在 之间。其表达式为：（）（）（）式（）中：为第 种指标归一化结果；为各个指标的像元值，为该指标的最小像元值，为该指标的最大像元值 。为了避免研究区内大片水域影响主成分分析的荷载分布，采用水体指数（，）进行水体掩膜处理，然后将正规化及水体掩膜后的指标合成新图像，并对新图像进行主成分分析。为了便于指标的对比和分析，对 进行正负值转置、正规化处理得到 ，其表达式为：（）（）（）式（）中 的表达式为：（）式（）、（）中：为遥感生态指数，取值范围介于 之间，值越大代表生态质量越好，反之则越差；、分别为初始生态指数的最大值、最小值 ；为初始生态指数；为第一主成分。结果与分析 生态指数主成分分析 年中的 个年度 个生态指标的主成分分析结果（表 ）表明：个年度 个生态指标的第一主成分（）和第二主成分（）的累积贡献率均超过了 ，、湖南林业科技 卷 、年 的 第 一 主 成 分 的 贡 献 率 分 别 为 、。个年度个生态指标中，第一主成分 的绿度指标（）和湿度指标（）值均为正值，说明二者对生态环境质量起正向作用，且 对 的影响大于 的；干度指标（）和热度指标（）值均为负值，说明二者对生态环境质量起负向作用，且 对 的影响大于 的。进一步对比 个生态指标对 的贡献率大小发现，是促进长江岸线湖南段生态质量变好的主要因素，是导致其生态质量下降的主要因素。从各主成分贡献率来看，在 、中，各项指标值忽正忽负、忽大忽小，规律不明显，难以确定影响生态环境质量的因素，而 明显集中了 个指标的大部分特征信息，因此，选用 来构建遥感生态指数。遥感生态指数变化从表可以看出：年，长江岸线湖南段的 值呈现出先降低后增加的趋势，总体上增加了 ，其中 年从 下降到 ，下 降 了 ；年 从 下降至 ，下降了 ；年 从 上 升 至 ，上 升 了 ；年 值的减少幅度小于 年的增加幅度。对比各年度 个生态指标对 的荷载值（见表 ）可以看出，年，绿度指标（）和湿度指标（）的荷载值绝对值之和均大于干度指标（）和热度指标（）的荷载值绝对值之和，表明 年长江岸线湖南段绿度和湿度对生态环境质量的正向作用大于温度升高、土壤干化和建设用地等对生态环境质量的负向作用，且该区整体生态环境质量得到了改善。表 年 个生态指标的主成分分析 年度生态指标第一主成分第二主成分第三主成分第四主成分绿度指标（）湿度指标（）干度指标（）热度指标（）特征值 特征值贡献率 绿度指标（）湿度指标（）干度指标（）热度指标（）特征值 特征值贡献率 绿度指标（）湿度指标（）干度指标（）热度指标（）特征值 特征值贡献率 绿度指标（）湿度指标（）干度指标（）热度指标（）特征值 特征值贡献率 第 期李永进，等：基于 模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价表 年 个生态指标和遥感生态指数（值）统计表 年度参数绿度指标（）湿度指标（）干度指标（）热度指标（）遥感生态指数（）最大值 最小值 平均值 标准差 最大值 最小值 平均值 标准差 最大值 最小值 平均值 标准差 最大值 最小值 平均值 标准差 生态环境质量等级特征为可视化、定量化分析 ，将 值以 为间隔将生态环境质量划分为优、良、一般、较差和差等 个等级 ，并对各等级的区域面积及其占比进行统计，结果见表 。结合实地调查结果，优等级生态环境区域主要为沼泽地和草地，良好等级生态环境区域主要为芦苇地，一般等级生态环境区域主要为林地，较差等级生态环境区域主要为近岸裸地，差等级生态环境区域主要为公路、建设用地。对 个年度 个生态环境质量等级的区域面积进行统计和检测，在计算 值时对水体进行掩膜处理。表 结果显示，由于水体面积没有计算在内，以致于各年度各等级的区域面积有所不同。由表 可以看出：长江岸线湖南段 、年的生态环境质量等级均以一般等级的区域面积 占 比 最 大，分 别 为 、和 ；其次为良好等级的，其区域面积占比分别为 、和 ；优等级的区域面积 占 比 一 直 呈 下 降 趋 势，分 别 为 、和 ；较差等级、差等级的区域面积占比均呈增加趋势，较差等级的区域面积占比分别为 、，差等级的区域面积 占 比 分 别 为 、和 。年长江岸线湖南段生态环境质量等级以良好等级的区域面积最大，达 ；一般等级区域面积次之，为 ；差等级的区域面积最小，仅为 。从 个年度的生态环境质量优等级和 良 好 等 级 的 区 域 面 积 占 比 的 变 化 来 看，、年的良好以上等级的区域面积占比分别为 、和 ，年良好以上等级的区域面积占比总体上呈上升趋势，说明 年长江岸线湖南段的生态环境质量得到了明显改善。生态环境质量变化对 年和 年的生态环境质量等级变化进行检测和统计，结果见表 。从实地核查结果来看，生态环境质量变差的区域主要集中在大堤岸线周边的建设用地、工业用地等人类活动较为密集的区域，变好的区域主要集中于长江堤岸垸外的中高程滩地，大部分区域生态环境质量保持不变。从表中可知：年生态环境质量变化面积从大到小依次为变好、不变、变差，其中，变好的区域面积为 ，面积占比为 ；不变的 区 域 面 积 为 ，面 积 占 比 为 ；变差的区域面积为 ，面积占比为 。生态环境质量等级变化以上升湖南林业科技 卷表 年长江岸线湖南段生态环境质量各等级区域的面积及其占比 年度生态环境质量等级（值）区域面积 区域面积占比优（，良好（，一般（，较差（，差 ，合计 优（，良好（，一般（，较差（，差 ，合计 优（，良好（，一般（，较差（，差 ，合计 优（，良好（，一般（，较差（，差 ，合计 表 年长江岸线湖南段生态环境质量等级变化面积及其占比 生态环境质量变化类别生态环境质量级差类面积 级面积 变化面积占比 变差 不变 变好 、个等级和下降 个等级的为主，上升 、个等级的区域面积之和比下降 个等级的区域面积增加了 ，面积占比增加了 。表明 年，长江岸线湖南段的生态环境质量变化是一个渐变的过程，虽然在一定时期出现了生态退化现象，但随着生态保护政策的实施，生态环境质量逐渐得到了改善。结论与讨论（）、年长江岸线湖南段 的 遥 感 生 态 指 数（）平 均 值 分 别 为 、，年和 年的 值一直降低，但其降低幅度小于 年的增加幅度，表明近 年来随着生态保护政策的实施，长江岸线湖南段的生态环境质量得到了明显改善，这与研究区气候变化密切相关。已有研究 表明，年来洞庭湖区平均气温上升速率为 ，降水量下降速率为 ，气温的升高和降水量的下降对植被生长有一定的影响，尤其是 年三峡蓄水前后年均流量降低了 ，这直接促进了岸线杨树、芦苇产业的发展，一定程度上加剧了湿地景观破碎化和湿地生境质量的退化，这与 、和 等研究得出的气温与降水等水热气候条件对植被覆盖空间格局驱动因素影响的结果相一致。（）从 个生态指标来看，绿度指标（）和湿度指标（）对研究区生态环境质量起正向作用，干度指标（）和热度指标（）起负向作用，且绿度和湿度对生态环境质量的正向作用大于温度升高、土壤干化和建设用地等对生态环境质量的负向作用。这表明江河岸线是生态风险较大的区域，具有较高的生物多样性和生态脆弱性，岸线周边村镇的城市化、工业建设用地增加以及围垦、养殖等人类活动对岸线交错带生态环境质量产生了重要影响 。（）年长江岸线湖南段生态环境质量状况得到了明显改善，其中优和良好等级的区域面积变化呈现先降低后增加的变化趋势，其 、年的区域面积占比之和分别为 、和 ，年的优和良好等级的区域面积占比之和比第 期李永进，等：基于 模型的长江岸线湖南段生态环境质量评价 年的增加了 ；生态环境质量变好的区域面积最大，不变的区域面积次之，变差的区域面积最小，其面积占比分别为 、和 ；生态环境质量等级上升 、个等级的区域面积之和比下降 个等级的区域面积增加了 ，面积占比增加了 。这主要是由于 年水利枢纽工程运行、年大规模人工植芦和造林、岸线周边村镇的城市化、工业建设用地的增加以及围垦、养殖等人类活动对岸线生态环境质量造成了严重威胁 ，年以来，随着 长江经济带生态环境保护规划 长江保护修复攻坚战行动计划以及 湖南省贯彻落实 长江保护修复攻坚战行动计划实施方案等一系列重大举措的相继实施，人类活动对岸线湿地生态系统和生物多样性的干扰程度大幅减少，使岸线生态环境质量得到了明显改善，为促进长江岸线经济可持续发展奠定了基础。参考文献：许学工，彭慧芳，徐勤政海岸带快速城市化的土地资源冲突与协调 以山东半岛为例 北京大学学报（自然科学版），（）：陈晔倩，李杨帆，祁新华，等基于栖息地风险评价模型的海岸带滩涂湿地风险评价 以闽三角为例 生态学报，（）：杨桂山，徐昔保，李平星长江经济带绿色生态廊道建设研究 地理科学进展，（）：廖迎娣，张欢，侯利军，等江苏长江岸线生态修复评价指标体系研究 生态学报，（）：李远华生态环境流量流向评价方法及其在西藏生态环境评价中的应用 长春：吉林大学，毛文永生态环境影响评价概论 北京：中国环境科学出版社，（）：，（）：，（）：，（）：杨时民，李玉文，吕玉哲扎龙湿地生态安全评价指标体系研究 林业科学，（）：李培军，杜世宏遥感与地理信息系统集成 理论、方法与应用 北京：科学出版社，廖彩艳基于遥感的赣江流域生态环境质量综合评价研究 赣州：江西理工大学，（）：，（）：，（）：，（）：张浩，杜培军，罗洁琼，等基于遥感生态指数的南京市生态变化分析 地理空间信息，（）：刘智才，徐涵秋，李乐，等基于遥感生态指数的杭州市城市生态变化 应用基础与工程科学学报，（）：王丽春，焦黎，来风兵，等基于遥感生态指数的新疆玛纳斯湖湿地生态变化评价 生态学报，（）：王志杰，代磊黔中喀斯特山地城市土地利用 覆被变化及其生态效应评价 以贵阳市花溪区为例 生态学报，（）：刘林甫，盛艳，秦富仓，等基于 模型的砒砂岩区生态环境质量演变研究 水土保持通报，（）：，乔敏，张永彬，宇林军基于遥感生态指数的北京市生态环境质量动态监测 华北理工大学学报（自然科学版），（）：徐涵秋城市遥感生态指数的创建及其应用 生态学报，（）：李凤莹，张饮江，赵志淼，等基于遥感生态指数的上海南汇东滩海岸带湿地生态格局变化评价 上海海洋大学学报，（）：张浩，杜培军，罗洁琼，等基于遥感生态指数的南京市生态变化分析 地理空间信息，（）：宋慧敏，薛亮基于遥感生态指数模型的渭南市生态环境质湖南林业科技 卷量动态监测与分析 生态学杂志，（）：杨江燕，吴田，潘肖燕，等基于遥感生态指数的雄安新区生态质量评估 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