徐景豐,周 磊,竇世卿,韋凱耀

(桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0 引言

2021年1月20日媒體報(bào)道了敦煌防護(hù)林被毀事件，引起了全國(guó)人民的高度關(guān)注。敦煌市是我國(guó)西北的歷史文化名城，氣候環(huán)境干燥，年平均降水量?jī)H39.9 mm，生態(tài)脆弱，易受到人類活動(dòng)的影響，對(duì)其進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)工作十分緊迫。

遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)可以定量地評(píng)價(jià)和對(duì)比城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析[1]。應(yīng)用非常廣泛，茹克亞·薩吾提等[2]、任彥霓等[3]、陳曉輝等[4]和杭鑫等[5]利用RSEI模型分別探究阜康、昆明、南京和福州等城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。潘洪義等[6]引入增強(qiáng)型建筑指數(shù)和增強(qiáng)型裸土指數(shù)構(gòu)建RSEI，評(píng)價(jià)汶川“5·12”地震對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的破壞程度。王志杰等[7]基于RSEI模型監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)城市土地利用/覆被格局變化及其生態(tài)效應(yīng)。目前利用RSEI指數(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)主要適合城市區(qū)域，西北干旱區(qū)大部分是沙漠和裸巖，基于RSEI指數(shù)對(duì)干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)不夠準(zhǔn)確。為此，本文顧及敦煌市研究區(qū)的干旱特征，擬對(duì)現(xiàn)有的RSEI進(jìn)行改進(jìn)，在綠度、濕度和熱度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步耦合鹽度和溫度植被干旱指數(shù)，基于熵權(quán)法確定權(quán)重構(gòu)建新的干旱遙感生態(tài)指數(shù)(Arid Remote Sensing Ecological Index，ARSEI)，基于2000—2020年的Landsat5/TM和Landsat8_OLI遙感影像對(duì)敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以期為敦煌市的生態(tài)環(huán)境綜合治理和科學(xué)協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

敦煌市位于甘肅省西北部(92°13′～95°30′E，39°40′～41°35′N)，平均海拔約1 139 m，南部和北部地勢(shì)高，中間低，從西南至東北傾斜，呈西南高、東北低的趨勢(shì)，其地貌大致分為走廊平原、丘陵和山地，屬于典型的溫帶干旱性氣候，因地處戈壁深處、日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均降水量42.2 mm，蒸發(fā)量2 505 mm，常年極度干旱，最高氣溫41.7 ℃。全市土地總面積31 200 km2，但綠洲占比僅為4.5%，約為1 400 km2，被稱為敦煌生態(tài)之肺的草原面積只有1 500 km2。由于敦煌市大部分是沙漠，故選擇敦煌市人口較為密集的區(qū)域進(jìn)行研究。

本文使用的遙感數(shù)據(jù)包括2000,2005,2010,2015和2020年共5期的Landsat5/TM和Landsat 8_OLI影像，空間分辨率30 m，影像集中在6—7月，云量值2%以內(nèi)，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，預(yù)處理過(guò)程主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪等。

2 顧及干旱特征的遙感生態(tài)指數(shù)改進(jìn)

干旱區(qū)主要以沙漠和裸巖等為主，綠化地帶較少，通過(guò)耦合鹽度和溫度植被干旱指數(shù)對(duì)RSEI進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建更加凸顯干旱特征的ARSEI。

2.1 綠度指標(biāo)

采用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)作為綠度指標(biāo)，計(jì)算公式為：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred),

(1)

式中，ρnir和ρred分別為近紅外和紅波段的反射率。

2.2 濕度指標(biāo)

采用纓帽變換[8-10]進(jìn)行圖像處理。針對(duì)Landsat OLI和TM數(shù)據(jù)，濕度的計(jì)算公式分別為：

WetOLI=(0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred+

0.340 7ρnir-0.711 7ρswir1-0.455 9ρswir2),

(2)

WetTM=(0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+

0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2),

(3)

式中，WetOLI為L(zhǎng)andsat OLI數(shù)據(jù)的濕度指數(shù)；WetTM為 Landsat TM數(shù)據(jù)的濕度指數(shù);ρblue，ρgreen，ρred，ρnir，ρswir1和ρswir2分別為藍(lán)、綠、紅、近紅、中紅外波段1和2等波段。

2.3 鹽度指標(biāo)

干旱地區(qū)地表土壤或地下水所擁有的鹽分不能順利地通過(guò)地表徑流的方式進(jìn)行釋放或流出，導(dǎo)致土壤鹽堿化，使地表植被覆蓋率的增長(zhǎng)速率受到限制[11]，對(duì)干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[12]。因此在研究中增加衡量土壤鹽堿化程度的鹽度指數(shù)(SI-T)[13]為：

SI-T=100×(ρred/ρnir),

(4)

式中，ρred和ρnir分別為紅波段和近紅波段。

2.4 熱度指標(biāo)

選取地表溫度來(lái)反映研究區(qū)熱輻射變化的程度[14]，并采用大氣校正法來(lái)反演地表溫度(Land Surface Temperature,LST)[15]，計(jì)算公式如下：

L=[εB(LST)+(1-ε)L↓]·τ+L↑,

(5)

T=[L-L↑-τ(1-ε)·L↓]/τε,

(6)

(7)

式中，T為黑體熱輻射亮度；LST為地表溫度(℃)；L為熱紅外輻射亮度值；τ為大氣透過(guò)率；ε為地表比輻射率；L↑和L↓為大氣上行輻射亮度和大氣下行輻射亮度。對(duì)于Landsat5/TM傳感器，K1=607.76 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1 260.56 K，對(duì)于Landsat8_OLI傳感器，K1=774.89 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1 321.08 K。

2.5 溫度植被干旱指標(biāo)

溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)是以地表溫度(LST)和植被指數(shù)(NDVI)作為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建NDVI-LST特征空間，來(lái)反映研究區(qū)地表土壤水分含量的重要參數(shù)[16]，適用于間接監(jiān)測(cè)干旱地區(qū)的土地相對(duì)干旱程度[17]。計(jì)算公式為：

TVDI=(LST-LSTmin)/(LSTmax-LSTmin)，

(8)

LSTmin=a+b×NDVI，

(9)

LSTmax=c+d×NDVI，

(10)

式中，LST為地表溫度；LSTmin表示地表的最低溫度，為TVDI的濕邊；LSTmax表示地表的最高溫度，為TVDI的干邊；a，b和c，d分別為濕、干邊擬合系數(shù)。

2.6 干旱遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

基于NDVI，WET，LST，SI-T和TVDI五個(gè)指數(shù)構(gòu)建ARSEI，以像元累計(jì)2%作為最小值，累計(jì)98%作為最大值對(duì)5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。計(jì)算公式為：

(11)

式中，Nli為某一指標(biāo)歸一化后的值；li為該指標(biāo)在像元i的值；lmin，lmax分別為該指標(biāo)的最小和最大值。

為避免指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的主觀性，本文選用熵權(quán)法[10]來(lái)確定每個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重，通過(guò)構(gòu)造各年份的5個(gè)指標(biāo)權(quán)重形成判斷矩陣，根據(jù)式(12)得到不同年份研究區(qū)的ARSEI：

ARSEI=NDVI×ω1+WET×ω2+(SI-T)×ω3+

LST×ω4+TVDI×ω5，

(12)

式中，ARSEI為不同年份的干旱遙感生態(tài)指數(shù);ω1，ω2，ω3，ω4和ω5分別對(duì)應(yīng)綠度、濕度、鹽度、熱度和溫度植被干旱指標(biāo)的權(quán)重。

為了能夠直觀、定量地分析研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境，可將最終得到的ARSEI指數(shù)再次進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)等間隔法將其分為0～0.2為差、0.2～0.4為較差、0.4～0.6為中、0.6～0.8為良和0.8～1.0為優(yōu)5個(gè)等級(jí)[9]。同時(shí)對(duì)各年份的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算，將得到的結(jié)果劃分為明顯退化(<-0.3)、略微退化(-0.3～-0.1)、無(wú)明顯變化(-0.1～0.1)、略微改善(0.1～0.3)和明顯改善(>0.3)五個(gè)等級(jí)。

3 結(jié)果分析

3.1 ARSEI模型的適用性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證ARSEI模型在敦煌干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的有效性，以2015年為例對(duì)改進(jìn)的ARSEI模型與RSEI模型對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1和表1所示。

(a) ARSEI

(b) RSEI

表1 2015年RSEI與ARSEI的評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1和表1可知，2個(gè)指數(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)整體上無(wú)明顯變化，沙漠地區(qū)出現(xiàn)較大面積略微改善，而退化的區(qū)域主要分布在城市，主要原因是改進(jìn)的RSEI指數(shù)替換了原有的干度指數(shù)，增加了更適合評(píng)價(jià)沙漠環(huán)境的SI-T和TVDI。改進(jìn)的ARSEI指數(shù)在沙漠環(huán)境更突出，更能精確地表明敦煌市干旱這一特殊生態(tài)環(huán)境狀況。

采用熵權(quán)法確定5個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重，結(jié)果如表2所示，各指標(biāo)因子對(duì)干旱遙感生態(tài)指數(shù)ARSEI的貢獻(xiàn)度有所差異。

表2 2000—2020年ARSEI五個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)法權(quán)重

2000—2020年，正向因子中濕度的貢獻(xiàn)度最大，主要原因是沙漠地區(qū)濕地面積的變化會(huì)影響耐旱灌木和草本植被的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；在負(fù)向因子中熱度的貢獻(xiàn)度要大于其他2個(gè)指標(biāo)，主要原因是熱度通過(guò)影響水分的蒸發(fā)量來(lái)影響土地的干旱程度，敦煌市常年干旱少雨，蒸發(fā)量大，證明熵權(quán)法結(jié)果的合理性。

3.2 敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布特征

通過(guò)ArcGIS對(duì)各年份的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算，敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征如圖2和表3所示。

表3 敦煌市不同時(shí)期的生態(tài)等級(jí)面積及比例

由圖2和表3可以看出，2000—2020年生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)和良的比重基本在5%以內(nèi)，而生態(tài)質(zhì)量較差和差的比重在80%左右，這表明敦煌市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量十分惡劣，生態(tài)質(zhì)量好的區(qū)域分布在西北部。2010年生態(tài)質(zhì)量差的比重從2005年的12.91%增長(zhǎng)到44.79%，而生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)的比重達(dá)歷史最高5.08%。已有資料顯示，2010年林地的變化率大，草地的面積也有所增長(zhǎng)[18]，說(shuō)明政府已經(jīng)意識(shí)到環(huán)境惡化的趨勢(shì)，2010年的綠化措施取得一定效果，改善區(qū)域集中分布在西北部區(qū)域。二十年間西南部區(qū)域呈現(xiàn)差與較差交替變化，2005年南部生態(tài)環(huán)境整體略微改善，西北部城市較為集中的區(qū)域生態(tài)環(huán)境保持良好狀態(tài)，但北部區(qū)域環(huán)境狀況由較差變?yōu)椴睿?010年中北部生態(tài)差的區(qū)域出現(xiàn)較大面積的略微改善，而且2015—2020年南部區(qū)域生態(tài)環(huán)境漸漸改善，生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域逐漸減少，北部區(qū)域生態(tài)優(yōu)的區(qū)域面積逐漸增加，總體上得到有效改善。

3.3 敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)間變化特征

2000—2020年單一指標(biāo)和ARSEI變化特征如圖3所示。從圖3可以看出，ARSEI值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中2010—2020年ARSEI值持續(xù)增長(zhǎng)，SI-T和WET指數(shù)始終保持著非常穩(wěn)定的狀態(tài)，且SI-T值高，WET值低，這也符合敦煌市沙漠地帶的地理環(huán)境特征，LST和TVDI指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。NDVI和WET指數(shù)對(duì)生態(tài)遙感指數(shù)產(chǎn)生正面影響，LST，SI-T和TVDI指數(shù)對(duì)生態(tài)遙感指數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.4 敦煌市生態(tài)質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)

敦煌市各年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積變化如表4所示。ARSEI空間演變特征如圖4所示。由表4和圖4可知，近二十年來(lái)敦煌市生態(tài)質(zhì)量總體無(wú)明顯變化。2000—2005年研究區(qū)略微退化的面積為2 397.020 km2，占比52.49%，略微改善的面積為343.890 km2，占比7.52%，總體生態(tài)質(zhì)量下降。2005—2010年研究區(qū)明顯改善的區(qū)域與前5年相比有所下降，降到9.566 km2，明顯退化區(qū)域面積增加。2010—2015年改善區(qū)域略大于退化區(qū)域，生態(tài)環(huán)境得到好轉(zhuǎn)。2015—2020年改善的區(qū)域與前5年相比有所上升，退化的區(qū)域略微增加，說(shuō)明在最近的5年對(duì)生態(tài)環(huán)境的治理取得了明顯效果，在治理較差和差的區(qū)域時(shí)，注意到對(duì)環(huán)境的防護(hù)。2000—2020年生態(tài)質(zhì)量改善的區(qū)域面積為1 289.524 km2，退化的區(qū)域面積為1 198.270 km2，生態(tài)質(zhì)量改善的區(qū)域面積略大于生態(tài)質(zhì)量退化的面積，研究區(qū)的生態(tài)質(zhì)量整體相對(duì)得到了改善，但并不明顯。

表4 敦煌市各年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積變化

圖4 2000—2020年敦煌區(qū)ARSEI空間演變特征Fig.4 Spatial evolution characteristics of ARSEI in Dunhuang district from 2000 to 2020

4 討論

敦煌市的自然環(huán)境是典型的干旱區(qū)，干旱區(qū)多為沙漠和裸巖，城市建設(shè)用地面積比較少，徐涵秋[1]構(gòu)建了RSEI耦合的干度指數(shù)，其中包含的建筑指數(shù)不適用評(píng)價(jià)沙漠類型的生態(tài)環(huán)境；鹽度指數(shù)能衡量土壤鹽堿化程度，溫度植被干旱指數(shù)反映研究區(qū)地表土壤水分含量，引入鹽度指數(shù)及溫度植被干旱指數(shù)的改進(jìn)遙感生態(tài)指數(shù)ARSEI更能有效地分析敦煌市干旱這一特征。

從各項(xiàng)指數(shù)的變化趨勢(shì)可看出，ARSEI值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中2010—2020年ARSEI值持續(xù)增長(zhǎng)，主要是敦煌市圍繞《敦煌生態(tài)環(huán)境和文化遺產(chǎn)保護(hù)近期工作方案》展開城市環(huán)境的整治工作，加大了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度。在2000—2010年敦煌市生態(tài)環(huán)境是呈逐漸惡化的趨勢(shì)，由于人口的增加以及不合理的地下水開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，據(jù)資料顯示敦煌市濕地逐年遞減，據(jù)2007年甘肅沙漠研究所報(bào)道庫(kù)姆塔格沙漠年均以1 m以上的速度向東擴(kuò)展，沙化程度加??；2010—2020年敦煌市生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，表明相關(guān)政府部門的工作力度加大，重視植被的防護(hù)，這與敦煌市同期實(shí)施《敦煌市水資源合理利用與生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃(2011—2020)》[19]，提高了用水比重，以及封灘育林、濕地保護(hù)等天然林保護(hù)工程有直接關(guān)系，有效地改善了敦煌市生態(tài)環(huán)境。但研究區(qū)是以沙漠戈壁為主的干旱土地，受自然因素影響較大，整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化提升仍不明顯。

環(huán)境建設(shè)對(duì)敦煌市整體的生態(tài)環(huán)境有著至關(guān)重要的影響，因此相關(guān)部門應(yīng)積極落實(shí)到生態(tài)防護(hù)的建設(shè)中，加大對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度，合理調(diào)控和利用該地區(qū)的水資源，以進(jìn)一步改善敦煌市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)構(gòu)建基于綠度、濕度、鹽度、熱度和溫度植被干旱5個(gè)指標(biāo)的改進(jìn)遙感生態(tài)指數(shù)ARSEI，分析敦煌市2000—2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)。具體結(jié)論如下：

① 通過(guò)ARSEI與RSEI的對(duì)比分析，表明改進(jìn)的ARSEI指數(shù)更能精確地評(píng)價(jià)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。耦合鹽度指數(shù)和溫度植被干旱指數(shù)更能有效地反映敦煌市的自然環(huán)境特征。

② 濕度和綠度對(duì)生態(tài)質(zhì)量具有促進(jìn)作用，鹽度、熱度和溫度植被干旱指數(shù)對(duì)生態(tài)質(zhì)量有負(fù)面影響，其中濕度和熱度是影響敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素，基于熵權(quán)法所得的權(quán)重計(jì)算的ARSEI指數(shù)能夠準(zhǔn)確地表征敦煌市沙漠環(huán)境演變特性。

③ 基于ARSEI對(duì)敦煌市2000—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明敦煌市大部分區(qū)域生態(tài)質(zhì)量為較差和差，而生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)和良的比重基本在5%以內(nèi)，整體上生態(tài)環(huán)境較差，西北部的城鎮(zhèn)密集地帶生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)和良，南部戈壁和沙漠地帶生態(tài)質(zhì)量差。

④ 近二十年來(lái)敦煌市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量無(wú)明顯變化，生態(tài)質(zhì)量改善的區(qū)域面積為1 289.524 km2，退化的區(qū)域面積為1 198.270 km2，退化區(qū)域和改善區(qū)域面積比重基本一致，敦煌市南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到有效改善。研究區(qū)的生態(tài)質(zhì)量整體相對(duì)得到了改善，但并不明顯。

本文所做的工作都是基于中等尺度分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，今后的研究中可以考慮提高影像分辨率，縮小時(shí)間序列跨度，同時(shí)加入氣候變化等因子對(duì)研究區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。