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      基于GIS和RS的沿??h生態(tài)環(huán)境質量綜合評價
      ——以霞浦縣為例

      2019-10-18 08:14:30林漳河
      中國林業(yè)經(jīng)濟 2019年5期
      關鍵詞:霞浦縣植被景觀

      林漳河

      (福建省林業(yè)勘察設計院,福州 350003)

      由生態(tài)環(huán)境的相關概念可知,人類活動與自然環(huán)境的相互作用影響著生態(tài)系統(tǒng),而生態(tài)系統(tǒng)的變化對人類活動也具有反饋作用[1]。因此,人類健康的生產(chǎn)生活方式、適宜的生居住環(huán)境離不開對生態(tài)系統(tǒng)的保護。隨著全球化進程的加快,中國的經(jīng)濟、社會正處于高速發(fā)展時期,城市高速發(fā)展給我們帶來的生活便利,帶來了繁榮的經(jīng)濟,同時,過度的開發(fā)也給生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在本質進行干擾,加重其惡化[2],地表環(huán)境的破壞、大氣污染、水污染、土地退化、森林覆蓋率下降等生態(tài)環(huán)境問題日益凸現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)所要承受的壓力越來也大,尤其是以沿海城市生態(tài)系統(tǒng)更為嚴重。世界上約有三分之一的人口居住在距離海冰60 km以內(nèi)的范圍,因此,沿海城市是人口密集區(qū),人類活動相對比較頻繁,城市開發(fā)力度大,工業(yè)開發(fā)密集?;仡櫄v史,沿海地區(qū)開發(fā)基本上都是開發(fā)一片、污染一片,干擾當?shù)鼐坝^格局和生態(tài)系統(tǒng),沒有協(xié)調(diào)好經(jīng)濟與生態(tài)的發(fā)展,往往更加在注重經(jīng)濟上增長,忽視了生態(tài)環(huán)境質量,這種不可持續(xù)的發(fā)展模式造成了嚴重的生態(tài)與環(huán)境問題。因此,如何在開發(fā)沿海區(qū)的同時保護生態(tài)環(huán)境質量,是一個亟需解決的問題。

      生態(tài)環(huán)境質量是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎,可持續(xù)發(fā)展的保證,是人口環(huán)境居住舒適度的重要指標。本次研究綜合運用GIS(地理信息系統(tǒng)英文Geographic information system的簡稱)和RS(遙感英文Remote sensing的簡稱)技術對霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀進行評價,結合地理信息系統(tǒng)技術,可以定量化分析霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀,能為霞浦縣生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)經(jīng)濟規(guī)劃、生態(tài)修復及生態(tài)建設提供重要的依據(jù)?;谏鷳B(tài)環(huán)境質量評價結果,可以劃定霞浦縣的生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣度等級較差的區(qū)域為敏感區(qū),進行重點保護,形成良好的生態(tài)環(huán)境保護體系。為其他相似研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量評價提供參考模型、提供技術路線。十九大提出,要全面加強生態(tài)環(huán)境保護,打好污染防治攻堅戰(zhàn),因此,對沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價是響應國家政策的重要舉措,可以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,促進霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量合理健康發(fā)展,對霞浦縣生態(tài)環(huán)境保護具有現(xiàn)實指導意義[3-10]。

      1 研究區(qū)概況

      霞浦縣,福建省寧德市轄縣,國務院批準的沿海經(jīng)濟開放縣,是閩東最古老的縣城,也是閩東文化中心,位居臺灣海峽西北岸,地處福建省東北部,轄有2街道12鄉(xiāng)鎮(zhèn),總人口53萬。霞浦山海資源豐富,海域占全省海域面積的21.76%?,F(xiàn)有耕地面積1.8萬hm2,占陸地面積的12%;林地面積9.93萬hm2,森林覆蓋率36%。近年來,霞浦縣近海水質基本保持穩(wěn)定,城市空氣質量尚屬清潔水平,生態(tài)環(huán)境總體上保持在較好狀態(tài)[11]。但是人類活動的加劇、粗放型的經(jīng)濟增長方式尚未變動,對陸地生態(tài)系統(tǒng)造成了壓力,如養(yǎng)殖污染的增多,人為水土流失,局部環(huán)境破壞嚴重,森林遭受破壞、生物多樣性銳減等生態(tài)問題。發(fā)展沿海經(jīng)濟是富民強國的重要措施,因此,對于沿海開發(fā)帶來的破壞,需要加強保護,這是區(qū)域經(jīng)濟社會和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

      2 數(shù)據(jù)處理和土地利用專題信息提取

      2.1 數(shù)據(jù)收集及處理

      研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 8影像,拍攝時間均為2017年3月1日,影像云量較少,研究區(qū)內(nèi)基本無云覆蓋,影像質量好,可以滿足研究需要。運用ENVI軟件對研究區(qū)Landsat 8影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌、裁剪等處理后得到研究區(qū)所需的遙感影像數(shù)據(jù)(見圖1)。

      研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)在地理空間數(shù)據(jù)云上下載,影像分辨率為30m。運用ENVI軟件對研究區(qū)影像進行鑲嵌、裁剪處理,并通過處理后的DEM數(shù)據(jù)提取高程和坡度。

      研究區(qū)其它數(shù)據(jù)包括霞浦縣森林資源檔案的2016年林業(yè)基本圖、行政邊界圖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界圖、人口密度統(tǒng)計數(shù)據(jù)等統(tǒng)計資料。

      2.2 土地利用專題信息提取

      土地利用和生態(tài)環(huán)境存在著相互制約的作用,因此,本研究根據(jù)國土資源部劃分的土地分類系統(tǒng),考慮到研究區(qū)區(qū)域范圍較小,結合研究目的,將該系統(tǒng)的土地利用類型確定為林地、耕地、建筑用地、水域、未利用地。本研究使用SVM模型(支持向量機)對遙感圖像分類,得到初步結果,對初步的分類結果進行聚類、過濾處理、分類統(tǒng)計等操作,得到滿足后續(xù)生態(tài)環(huán)境研究需要的分類結果(見圖2):林地面積101135.52 hm2,占總面積的68.15%;耕地面積24274.89 hm2,占總面積的16.36%;建筑用地面積16561.62 hm2,占總面積的11.16%;未利用地面積4556.88 hm2,占總面積的3.07%;水域面積1871.64hm2,占總面積的1.26%??芍计挚h的土地利用類型以林地為主,建筑用地與未利用地的占比也比較大。

      3 指標體系的設置和確定

      3.1 指標體系的設置

      指標是評價的基本尺度和衡量標準,區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價有其特殊性,每個區(qū)域的特點和制約因素不同,研究區(qū)所處的背景不同,則評價的方法和所選擇的指標體系也就不同?;贕IS和RS技術,結合實地考察情況,查閱霞浦縣相關文獻、年鑒等資料,閱讀相關學者對于沿海地區(qū)相關指標體系情況,從社會因子、植被因子、地表因子、地形因子四個方面來進行因子的選取,選取人口密度、城市擴張強度、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)、植被覆蓋度、地表溫度、水體指數(shù)、高程、坡度8個參考因子來評估霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量情況。建立了如表1的霞浦縣生態(tài)安全評價指標體系。

      圖1 影像圖

      圖2 研究區(qū)土地利用類型圖

      表1 生態(tài)環(huán)境評價指標框架

      3.1.1 人口密度

      生態(tài)環(huán)境的壓力主要來源于人類的生產(chǎn)活動與自然災害,人類和自然都能促使景觀格局發(fā)生相應的變化。首先是城市化進程伴隨著人口的擴張,而人口的增長對土地資源、水資源、能源森林資源的需求上升,會加劇對這些資源的開發(fā),因此,沿海城市發(fā)展過程中人口的迅速增長是生態(tài)環(huán)境所承受的主要壓力,可以選擇人口壓力作為生態(tài)環(huán)境的評價指標。人口密度代表著區(qū)域經(jīng)濟的活躍程度,區(qū)域人口越密集,區(qū)域經(jīng)濟活躍度起伏越大,進而生態(tài)環(huán)境質量就會受到強烈的干擾,甚至破壞。

      3.1.2 城市擴張強度

      人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展極大擴大了城市用地需求,城市用地的擴張會給生態(tài)環(huán)境施加壓力,促使生態(tài)環(huán)境格局發(fā)生改變。霞浦縣生態(tài)環(huán)境受外界的干擾強度可以用人口密度和城市擴張強度來表示。

      3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)

      參考石斌[13],對蘭州新區(qū)的生態(tài)環(huán)境研究,本文選擇了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)作為評價指標。土地利用景觀存在相對穩(wěn)定性,沒有絕對穩(wěn)定性,也就是景觀其實經(jīng)常變化的,其只會在一定的時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定。景觀由不同的要素的構成,要素不同、要素的空間組合不同、空間組合的配置不同等都會影響景觀的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而人類是景觀的一種組成成分,一種復雜并對景觀具有非常強改造能力的干擾要素。土地利用景觀是人類活動作用于自然環(huán)境的主要途徑之一,反映著人為因素和自然因素的綜合效應,不同的土地景觀類型在維護不同的土地景觀類型在維護生物多樣性、保護物種、完善整體結構和功能、促進景觀結構自然演替等方面的作用是有差別的,同時,其對于外界干擾的抵抗能力也不同[14]。

      3.1.4 植被覆蓋度

      植被覆蓋度在一定統(tǒng)計區(qū)內(nèi),植被在地面上的垂直投影面積占該統(tǒng)計區(qū)面積的比例,作為影響生態(tài)環(huán)境變化的重要指標[15],在植被變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評價、干旱、沙塵暴等自然災害監(jiān)測、氣候和水土保持等諸多研究領域都有廣泛的應用[16]。植被覆蓋度這一指標在研究水文、生態(tài)、植被覆蓋情況等都具有重要意義,可以作為描述生態(tài)環(huán)境變化的基礎指標數(shù)據(jù),植被覆蓋度的大小嚴重影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。植被覆蓋度在生態(tài)環(huán)境調(diào)查中具有廣泛的應用,可以初步擬定植被覆蓋度作為生態(tài)環(huán)境的指標。

      3.1.5 地表溫度(城市熱島效應)

      本研究基于地表溫度來研究霞浦縣的城市熱島效應,地表溫度是地表能量(熱量)平衡的表現(xiàn)形式,其蘊含了非常豐富的地學信息,直接影響著大氣、海、陸之間的潛熱交換,可作為生態(tài)環(huán)境分析的重要指標[17]。城市熱島效應是指一種由于城市建筑及人類活動導致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象,是城市氣候最顯著的特征之一[18]。伴隨著城市化進程的加劇,城市熱島的強度也會加強,而熱島的強度與下墊面性質,植被覆蓋度的情況,人口等又密切相關,這些必定會影響城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能,影響著城市生態(tài)環(huán)境。

      3.1.6 水體指數(shù)

      水是自然界生命的源泉,對維持生物體的正常生理活動有著重要的意義,對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義,是反映生態(tài)環(huán)境中水源涵養(yǎng)量的一個重要指數(shù)。霞浦縣是沿海城市,水域分布較廣,因此選用水體指數(shù)作為生態(tài)環(huán)境質量評價的因子。

      3.1.7 地形地貌(高程和坡度)

      地形地勢特征影響著自然地理環(huán)境和社會經(jīng)濟,影響著氣候、河流流向、植被、土壤、地質災害、對人類生產(chǎn)生活也有著重要的影響。霞浦縣是典型的山海結合的地形地貌,研究初步選用高程和坡度來參與生態(tài)環(huán)境評價。海拔反映了地表的起伏狀態(tài),影響著植被種類的分布,影響著溫度、濕度的變化以及大氣的流通,是生態(tài)環(huán)境評價中的重要因素。坡度通常是指坡面的垂直高度和水平距離的比值,影響著地表物質流動和能量強度,是制約生態(tài)環(huán)境的重要因子。因此研究選用高程和坡度兩個地形地貌因子作為生態(tài)環(huán)境的評價指標。不同的地形因子對生態(tài)環(huán)境的影響不同,高程越大,生態(tài)環(huán)境質量更穩(wěn)定,這兩者是正向關系,坡度越大,容易造成水土流失等不利的生態(tài)環(huán)境狀態(tài),坡度和生態(tài)環(huán)境質量表現(xiàn)為正相關關系。

      3.2 指標體系的確定

      指標權重處理是一項及其重要的工作,指標權重的確定表明了各個指標對生態(tài)環(huán)境質量的不同影響程度,獲取指標權重的方法有很多。本次研究采用熵權法來獲取指標權重。通過遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用信息數(shù)據(jù)及其它統(tǒng)計數(shù)據(jù),運用ArcGIS 10.2、ENVI軟件提取生態(tài)環(huán)境評價指標專題信息,根據(jù)熵權法計算了各指標的信息熵和熵權值,計算結果見表2所示。

      4 評價結果分析

      本研究采用熵權法確定8個指標的權重,用ArcGIS 10.2統(tǒng)計分析工具計算出霞浦縣的生態(tài)環(huán)境質量平均值,生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)平均值為0.6682,參考《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》,依據(jù)生態(tài)環(huán)境評價的相關研究,將霞浦縣生態(tài)環(huán)境質量劃分為5個級別(具體分布詳見圖3),劃分的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)閾值范圍和含義見表格3所示。霞浦縣的總體生態(tài)環(huán)境綜合質量等級為良,生態(tài)結構相對比較合理,穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復能力較強。

      表2 評價指標權重

      表3 評價分級標準

      圖3 生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)等級圖

      5 結語

      研究基于GIS、RS等信息技術,對霞浦縣生態(tài)環(huán)境進行評價分析,評價結果比較貼合實際,在一定程度上驗證了評價方法和模型的科學性和適用性,評價結果能夠為今后霞浦縣生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供科學依據(jù)。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境評價模型構建大多基于歷史數(shù)據(jù)、人文數(shù)據(jù),可獲性較差,而本文選擇的指標大多數(shù)可運用GIS、RS技術進行獲取,能夠更加快速與準確。但由于作者水平有限,在某些數(shù)據(jù)、指標的選擇上還不盡完善,本文在研究過程中存在的主要不足之處,應該注意的問題主要有:

      ①生態(tài)環(huán)境指標的選擇應該是多方位的,多角度的,生態(tài)環(huán)境評價不僅包括自然生態(tài)環(huán)境評價,也包括社會生態(tài)環(huán)境評價,但是由于社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的可獲性比較難,資料受到限制,本文沒有將社會經(jīng)濟指標納入評價體系。社會經(jīng)濟指標的加入是今后區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量值得探討的問題。

      ②以后的研究中將更多結合GIS、RS、GPS等先進的信息技術,特別是對沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的調(diào)查,可擴大研究范圍與信息的采集,文章以霞浦縣為例驗證了沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境的初步研究成果,今后將進一步充實沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指標,不斷修正評價模型。

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