向萬淋 姬翠翠 周 偉

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院,北京 102600;2.重慶交通大學智慧城市學院,重慶 400074;3.西南大學地理科學學院,重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站,重慶 400715)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)和功能綜合特征的表現(xiàn),生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好壞與人類活動、經(jīng)濟社會發(fā)展和自然環(huán)境變化有著密切關(guān)聯(lián),因此,對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及時評價可為生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和自然資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)[1]。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的限制,以前只能采用單一評價因子進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[2]。2006年,原國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)通過集成5個指數(shù)和1個約束性指標提出了生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EI)的概念,考慮了自然因素和人為因素兩個方面,能較為全面地反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,但EI存在數(shù)據(jù)不易獲取等問題[3]。遙感可為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供海量數(shù)據(jù)[4-7],特別是遙感云計算平臺(如Google Earth Engine(GEE)平臺)的發(fā)展,為大尺度長時間序列地表信息監(jiān)測與評價提供了可能[8]。由此,徐涵秋[9]提出了遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI),并得到廣泛應(yīng)用。如農(nóng)蘭萍等[10]運用RSEI對昆明市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)測與評價,研究結(jié)果能較好地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。然而,RSEI又把人為因素排除在外了。

三峽庫區(qū)是典型的生態(tài)敏感和脆弱地區(qū),特別是三峽工程建成后,產(chǎn)生了水土流失、土地退化、水體污染、生態(tài)失衡等問題,因此定期評價三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對三峽庫區(qū)未來生態(tài)環(huán)境的治理和利用具有重要指導作用。 本研究為了更全面、更精準地評價三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,基于GEE平臺,在沿用EI中相關(guān)指標的基礎(chǔ)上結(jié)合RSEI,形成由植被覆蓋度(FVC)指數(shù)、生物豐富度指數(shù)、水體密度指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)、人類活動指數(shù)、地表溫度(LST)指數(shù)、地表濕度(WET)指數(shù)和干度指數(shù)構(gòu)成的三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價體系,對2000—2020年三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行全面評價。

1 研究方法

1.1 指數(shù)計算

1) FVC指數(shù)

用像元二分模型來反演研究區(qū)的FVC指數(shù),先計算出歸一化植被指數(shù)(NDVI)(計算方法見式(1)),再利用NDVI計算研究區(qū)的FVC指數(shù)(計算方法見式(2)),反射率數(shù)據(jù)可從Landsat系列遙感數(shù)據(jù)中獲取,下同。

(1)

(2)

式中:N為NDVI;ρRed、ρNIR分別為TM影像中第3、4波段的反射率或OLI影像中第4、5波段的反射率;F為研究區(qū)的FVC指數(shù);N總、N裸、N全分別為全部的、完全是裸土的和完全被植被覆蓋的像元NDVI。

2) 生物豐富度指數(shù)

生物豐富度指數(shù)可用來評價研究區(qū)內(nèi)生物數(shù)量及種類的多少[11],因此本研究用生物豐富度指數(shù)來反映三峽庫區(qū)的生物多樣性,計算公式如式(3)所示,歸一化系數(shù)參照HJ/T 192—2006計算,下同。

(3)

式中:B為生物豐富度指數(shù);Abio為生物豐富度指數(shù)的歸一化系數(shù);S林地、S草地、S水域、S耕地、S建設(shè)用地、S未利用地、S區(qū)域分別為林地、草地、水域、耕地、建設(shè)用地、未利用地和整個區(qū)域的面積,km2,可從土地利用遙感數(shù)據(jù)中獲取。

3) 水體密度指數(shù)

采用水體密度指數(shù)來反映研究區(qū)的水資源狀況,計算公式如式(4)所示。

(4)

式中:W為水體密度指數(shù);Awat為水體密度指數(shù)的歸一化系數(shù)。

4) 土壤侵蝕指數(shù)

土壤侵蝕是當今世界資源和環(huán)境問題研究中的重點[12]。土壤侵蝕強度與FVC存在密切的關(guān)系[13],根據(jù)水利部公布的土壤侵蝕強度評價表,其評價標準如表1所示。按照不同的土壤侵蝕強度計算得出研究區(qū)的土壤侵蝕指數(shù),計算公式見式(5)。

表1 土壤侵蝕強度評價標準Table 1 Criteria for evaluating the degree of soil erosion

(5)

式中:S為土壤侵蝕指數(shù);Aero為土壤侵蝕指數(shù)的歸一化系數(shù);S微、S輕、S中、S強、S極強、S劇烈分別為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈侵蝕類型土壤的面積,km2。

5) 人類活動指數(shù)

人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要影響,土地利用類型基本上就反映了人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響,因此人類活動指數(shù)按式(6)計算。

(6)

式中:H為人類活動指數(shù);Apop為人類活動指數(shù)的歸一化系數(shù)。

6) LST指數(shù)

LST是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要因子[14],所以LST指數(shù)也是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價中的一個重要指標,本研究采用LST遙感數(shù)據(jù)中的地表平均溫度作為LST指數(shù)。

7) WET指數(shù)

WET反映了水體、土壤和植被的濕度,與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān),在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中有廣泛應(yīng)用。Landsat系列遙感數(shù)據(jù)中TM、OLI影像的WET指數(shù)分別可按式(7)和式(8)來計算。

WTM=0.315 0×ρBlue+0.202 0×ρGreen+0.310 2×
ρRed+0.159 4×ρNIR-0.680 6×ρS1-0.610 9×ρS2

(7)

WOLI=0.151 0×ρBlue+0.197 2×ρGreen+0.328 3×
ρRed+0.340 7×ρNIR-0.711 7×ρS1-0.455 9×ρS2

(8)

式中:WTM、WOLI分別為TM、OLI影像的WET指數(shù);ρBlue、ρGreen、ρS1、ρS2分別為TM影像中第1、2、5、7波段的反射率或OLI影像中第2、3、6、7波段的反射率。

8) 干度指數(shù)

干度指數(shù)通常用裸土指數(shù)表示,但建筑用地也會造成地表干化,因此本研究選用裸土指數(shù)和建筑指數(shù)的平均值來表示干度指數(shù),裸土指數(shù)和建筑指數(shù)的計算分別參見文獻[15]和文獻[16]。

以上8個指標由于單位不同,需要進行無量綱化處理,處理公式如下:

(9)

式中:M為歸一化后的指數(shù);I為原始指數(shù);Imin、Imax分別為原始指數(shù)的最小值和最大值。單位根據(jù)實際情況而定。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究中所需的遙感數(shù)據(jù)包括2000、2010、2020年3期的Landsat系列遙感數(shù)據(jù)、土地利用遙感數(shù)據(jù)、LST遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)遙感數(shù)據(jù),分別來源于https://code.earthengine.google.com、http://www.globallandcover.com/、https://code.earthengine.google.com、https://code.earthengine.google.com,LST遙感數(shù)據(jù)的分辨率為1 km×1 km,其余為30 m×30 m。

1.3 層次分析法確定指數(shù)權(quán)重

根據(jù)層次分析法對專家打分構(gòu)建綜合評估判斷矩陣,通過計算判斷矩陣的特征向量及特征根,得到權(quán)重(見表2),并且隨機一致性指標=0.080 2<0.1,滿足一致性檢驗,說明所得權(quán)重可靠。

表2 各指數(shù)權(quán)重Table 2 Weights of each index

1.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)

根據(jù)上面得到的各個指數(shù)及其權(quán)重通過取加權(quán)平均值計算得到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)分析

由表3可見,2000年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)平均值為0.52,2010年為0.46,并且2010年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)最小值和最大值也均小于2000年,因此2010年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相較于2000年有所退化。2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)平均值為0.53,相較于2010年增加0.07,相較于2000年增加0.01,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善。三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的地區(qū)主要分布于長江沿岸地城市化進程較快的地區(qū),比如重慶市主城區(qū)及萬州區(qū)等;而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的地區(qū)主要分布于各大山區(qū),如武隆區(qū)、石柱縣、宜昌縣等?？傮w來說,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,2000—2020年,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體有所改善。

表3 三峽庫區(qū)2000—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)Table 3 Ecological environment quality comprehensive index in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級評價

參考文獻[9],將各期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)按差[0,0.20]、較差(0.20,0.35]、一般(0.35,0.55]、良(0.55,0.75]、優(yōu)(0.75,1.00] 5個等級進行分級評價,結(jié)果如表4所示。總體而言,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為“差”和“較差”的面積比例較小,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為“良”的面積比例最大。2020年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為“良”和“優(yōu)”的面積比例為63.73%,明顯高于2010年的57.14%和2000年的59.10%,進一步證明三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體趨向于改善。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為“差”和“較差”的地區(qū)多分布于三峽庫區(qū)的西南部,因為西南地區(qū)以城區(qū)為主,人口密集,人類活動頻繁,并且植被較少,土壤侵蝕相對嚴重。

表4 2000—2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級Table 4 Ecological environment quality grade in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)轉(zhuǎn)移分析

進一步統(tǒng)計分析得到三峽庫區(qū)2000—2010、2010—2020、2000—2020年3個階段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況(見表5)。2000—2010年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上有所退化,變差的面積比例達到30.37%,而變好的面積比例只有22.29%。2010—2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上有較大提升,變差的面積比例只有19.08%,而變好的面積比例達到了33.17%。2000—2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先下降再上升,整體呈現(xiàn)上升趨勢,變差的面積比例為20.68%,變好的面積比例為27.35%。

表5 2000—2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)變化Table 5 Dynamic changes of ecological environment quality in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.4 精度驗證

由于三峽庫區(qū)的研究尺度較大,難以進行實地調(diào)查驗證。本研究采用高分辨率Landsat系列遙感數(shù)據(jù)結(jié)合Google Earth高分辨率影像數(shù)據(jù),隨機選取了研究區(qū)內(nèi)50個點,對照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況級別,得到精度驗證結(jié)果如表6所示,總體精度可靠。

表6 精度驗證結(jié)果Table 6 The accuracy verification result

3 討 論

本研究結(jié)合EI和RSEI構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系,對三峽庫區(qū)長時間序列的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了評價,從時間和空間兩個維度分析了三峽庫區(qū)整體與局部的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及變化特征。總體上,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2000—2010年有所退化,2010—2020年整體有所改善,與申文明等[17]、周諧等[18]、田培等[19]研究的結(jié)論基本一致。在空間格局上,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域位于三峽庫區(qū)的東部、北部和東南部的山區(qū),如巫溪縣、宜昌縣、興山縣、石柱縣和巴東市等。劉春霞等[20]對三峽庫區(qū)進行生態(tài)敏感性綜合評價也表明,山區(qū)植被覆蓋良好,生態(tài)系統(tǒng)多樣,物種豐富,生物多樣性價值高,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好。土地利用類型變化是揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化比較直觀的指標[21]。在三峽工程建設(shè)前期(1990—2002年),三峽庫區(qū)土地利用類型耕地占主導;而2002年以后,林地、水體、建設(shè)用地等土地利用類型比例逐漸提高,耕地面積下降,這與國家在三峽庫區(qū)采取退耕還林還草、封山育林和建設(shè)庫區(qū)多功能生態(tài)防護林等政策[22]有關(guān),加強了水土保持能力,改善了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,但效果的顯現(xiàn)有一定的滯后性。

EI和RSEI是最常見的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)。EI主要在權(quán)重合理設(shè)置、指標容易獲取方面存在問題,還有一個明顯不足是無法可視化,空間分析方面的能力較弱。RSEI雖然彌補了EI的一些不足,但存在只考慮自然因素的問題,而且評價結(jié)果以主成分表示,不能保證較高的準確性[23-24]。本研究選取EI中部分人為因素指數(shù),結(jié)合RSEI中的自然因素指數(shù),采用層次分析法客觀準確地確定各指數(shù)權(quán)重,得到三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù),可以定性和定量地反映三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布及其變化情況,并且精度可靠。

由于三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的模型不統(tǒng)一,因此不同研究者對三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價結(jié)果難以進行橫向比較[25]。因此,建立一個合適的三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系及評價標準還有待進一步研究。在今后的研究中還應(yīng)加強對三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的影響因素研究,從根源上找出影響三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素,同時應(yīng)深入分析三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的驅(qū)動力和驅(qū)動機制,針對庫區(qū)當前的主要生態(tài)環(huán)境問題采取科學合理的應(yīng)對方案,從而為三峽水庫的長久運行和庫區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供支持[26]。

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合EI和RSEI形成的三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價體系可有效實現(xiàn)三峽庫區(qū)大尺度長時間序列的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。

2) 2000—2010年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢,而2010—2020年呈現(xiàn)上升趨勢,2000—2020年整體上表現(xiàn)為上升趨勢。2020年三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級表現(xiàn)為“良”和“優(yōu)”的面積比例高于2010、2000年。

3) 從空間分布上看,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要分布在東部、北部和東南部,如巫溪縣、宜昌縣、興山縣、石柱縣和巴東市等,這些地區(qū)以山區(qū)為主,植被豐富。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布在西南部和長江沿岸城市化進程較快的地區(qū),如重慶市主城區(qū)和萬州區(qū)等。