李慧璇,黃林峰,胡 鋒,宋善海,劉 蕓

(貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著我國對生態(tài)文明建設的高度重視,全社會對生態(tài)環(huán)境保護的認識不斷加深,諸多學者也在該研究領域進行了積極的探索。進一步加大區(qū)域生態(tài)環(huán)境全方位監(jiān)測和綜合治理力度,利用衛(wèi)星遙感技術對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行全天候、精準、快速和廣視域的環(huán)境監(jiān)測是各監(jiān)管部門區(qū)域生態(tài)保護和生態(tài)文明建設的主要措施和手段,也是當今社會的重點研究課題[1-3]。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況遙感監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境治理的一項重要工作。目前,各界學者對生態(tài)環(huán)境的評價技術方法已從20世紀60年代初對生態(tài)環(huán)境的單要素調(diào)查發(fā)展為綜合多源數(shù)據(jù)、多環(huán)境要素指標評價[4-9]。此外,生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測已成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價的重要手段之一,被廣泛應用于城市、森林、沙漠、草地和濕地等區(qū)域,取得顯著成效[10-14]。赤水河流域作為貴州省重要的生態(tài)水源涵養(yǎng)地、生態(tài)屏障和經(jīng)濟地帶,由于流域內(nèi)喀斯特地貌廣泛分布,生態(tài)敏感性和脆弱性并存,其生態(tài)環(huán)境保護問題長久以來備受關注。隨著國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自給率大幅提升,為貴州赤水河流域土地利用分類信息提取提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。且利用衛(wèi)星影像對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測的技術方法在我國環(huán)境治理中已經(jīng)越來越成熟,能更好地對流域生態(tài)環(huán)境狀況進行高效判讀[15-19]。

以高分一號和高分二號衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源,通過對影像進行輻射定標、大氣校正、正射校正、融合、鑲嵌和波段運算等預處理,運用面向?qū)ο髨D像分類法中基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓诸惙ㄅc基于樣本的面向?qū)ο蠓诸惙ㄟM行流域土地利用分類的提取,并依據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(HJ192-2015)》[20](以下簡稱《規(guī)范》),利用生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫和污染負荷等多個指數(shù)對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況進行綜合評估,以期為赤水河流域生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

赤水河屬中國長江上游的一級支流,全流域覆蓋云南、貴州和四川3省的4個地區(qū)級和13個縣級行政單位。貴州境內(nèi)赤水河流域地理位置為26°49′～28°54′N、104°09′～107°10′E,主要分布于播州、七星關、大方、金沙、仁懷、習水、赤水、桐梓等多個縣區(qū)。

本次監(jiān)測流域面積13 926.09 km2,流域海拔在211～2213 m之間,高度落差>2000 m。研究范圍、地理位置以及區(qū)域DEM如圖1所示。

圖1 赤水河流域監(jiān)測范圍及地理位置圖

流域上游所在的畢節(jié)市七星關區(qū)、大方縣和金沙縣平均海拔最高,低海拔的區(qū)域基本都是河谷地帶。流域下游赤水市平均海拔最低,呈現(xiàn)出較大面積的平緩河谷。流域整體水能豐富,年均降水1090 mm,降雨多集中在6—9月,降水量約占全年的75%。降水量在上游七星關區(qū)偏低,在下游赤水市偏高,分別為974.7 mm和1289.8 mm。

2 資料方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

監(jiān)測區(qū)資源和環(huán)境數(shù)據(jù)主要來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺、貴州省宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫和《貴州統(tǒng)計年鑒2021》。流域監(jiān)測矢量范圍來源于貴州省環(huán)境科學研究設計院。遙感影像數(shù)據(jù)為國家資源衛(wèi)星中心提供的貴州省區(qū)域高分一號和高分二號影像資料,融合后影像分辨率分別為1 m、2 m。此外,影像處理過程中采用的DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為12.5 m。

通過中國資源衛(wèi)星與應用中心獲得原始影像后,利用Titan批量處理軟件進行數(shù)據(jù)預處理,處理過程包括影像解壓、選片、建立金字塔、區(qū)域網(wǎng)平差像點量測、輻射定標、正射校正、融合、波段運算、勻色、鑲嵌、裁剪等。

2.2 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評價方法

2.2.1 指標體系構建及計算方法 根據(jù)《規(guī)范》和流域特點,構建研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的綜合評價指標體系,最終利用生態(tài)環(huán)境EI指數(shù)來反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,數(shù)值范圍取值0～100。文章所構建的5個指標體系共有和具體計算方法如下。

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)=0.35×生物豐度指數(shù)+0.25×植被覆蓋指數(shù)+0.15×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.15×(100-土地脅迫指數(shù))+0.1×(100-污染負荷指數(shù))+環(huán)境限制指數(shù)。各項指標的權重以及歸一化系數(shù)如表1所示。

表1 流域生態(tài)環(huán)境狀況指標體系及指標權重

2.2.2 生態(tài)環(huán)境狀況分級 在分析過程中,結(jié)合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計算結(jié)果,參考現(xiàn)有研究[22],將生態(tài)環(huán)境分為優(yōu)、良、一般、差4個等級。4個等級的分級標準分別為EI≥75、55≤EI<75、35≤EI<55、EI<35。

3 結(jié)果及分析

3.1 流域地類提取及結(jié)果分析

得到研究區(qū)全域預處理結(jié)果影像后,進一步借助ENVI影像處理平臺,采用面向?qū)ο蠓?根據(jù)高分辨率影像的光譜統(tǒng)計特征、紋理特征和形狀大小特征等和實地采集的地類樣本,對流域的林地、草地、水域濕地、耕地、建設用地和未利用地等6大地類進行地類分割和提取。

人工修正和檢驗過程中,結(jié)合前期無人機外業(yè)采集的多個植被、建筑和水體等樣本,使用人機判讀法進一步完成流域空間分布信息提取,得到的地類分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 2021年赤水河流域土地利用信息

根據(jù)提取得到的圖斑類型,利用ArcGIS軟件進行統(tǒng)計,得到流域監(jiān)測范圍內(nèi)各地類的土地面積及土地利用類型占比(圖略)。

赤水河流域貴州段的土地利用類型主要以林地和耕地為主,占總面積的93.7%。其中,林地占63.28%,包括灌木林、有林地、疏林地和其他林地,耕地占30.26%。建設用地、草地、未利用地次之,分別占總面積的3.94%、1.45%、0.007%。

3.2 評價指數(shù)計算及結(jié)果分析

3.2.1 生物豐度指數(shù) 本次赤水河流域監(jiān)測區(qū)內(nèi)生物豐度指數(shù)主要通過計算林地、草地、水域濕地、耕地、建設用地和未利用地等不同生態(tài)因子所占區(qū)域的面積比重,并作歸一化處理得到。根據(jù)地類面積提取結(jié)果,計算得到流域監(jiān)測區(qū)內(nèi)生物豐度指數(shù)為134.14。

根據(jù)劉華等[23,24]研究,把生境質(zhì)量IRHQ最終的評價結(jié)果劃分為優(yōu)、良、一般、差、極差5個等級。5個等級的分級標準分別為IRHQ≥75、60≤IRHQ﹤75、45≤IRHQ﹤60、30≤IRHQ﹤45、IRHQ<30。

結(jié)果可見,赤水河流域監(jiān)測區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量等級為優(yōu),生物多樣性豐富,以流域西北部的赤水市為最佳。

3.2.2 植被覆蓋指數(shù) 結(jié)合高分遙感全年影像,計算監(jiān)測區(qū)NDVI值,計算結(jié)果值中,巖石或裸土用0值表示,有植被覆蓋的,數(shù)值越大,表示該地的植被覆蓋情況越好。計算監(jiān)測區(qū)NDVI結(jié)果如圖5所示。其中,最大值為0.67,平均值為0.42。

圖5 赤水河流域(貴州段)2021年NDVI計算結(jié)果

結(jié)果可見,流域植被覆蓋度高,固土護坡、涵養(yǎng)水源能力較強,流域西北及西南部植被覆蓋能力最強,森林多保持原始狀態(tài),人類活動干擾少。

3.2.3 水網(wǎng)密度指數(shù) 結(jié)合高分遙感影像和統(tǒng)計資料可知,赤水河流域貴州段多年平均降雨量約1100 mm,多年平均蒸發(fā)量為456 mm,多年平均徑流量56.23億m3,多年平均地下水資源量15.72億m3,多年平均地表水資源量約為70.76億m3。此外,赤水河流域河網(wǎng)密布,三省范圍內(nèi)面積超過1000 km2的河流便有5條之多,其中二道河、桐梓河和習水河3條支流分布于貴州段的上中下游。

提取水域信息后,利用ArcGIS計算得到監(jiān)測區(qū)的大小河流的總長度達2403.58 km,其中赤水河長度約300 km,水域面積127.06 km2。從研究區(qū)總面積基數(shù)大的角度看,河網(wǎng)整體面積占比少,計算得到水網(wǎng)密度指數(shù)結(jié)果為6.81,但從圖6可見,流域河網(wǎng)密布,水系相對發(fā)達。

圖6 赤水河流域(貴州段)河流分布

3.2.4 土地脅迫指數(shù) 根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007),將土壤侵蝕強度分為輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈5級(表2),把強烈、極強烈和劇烈侵蝕認為是重度侵蝕,利用土地類型提取信息、監(jiān)測區(qū)坡度信息和植被覆蓋指數(shù),完成土壤侵蝕面積的計算。

表2 土地侵蝕強度分級

計算流域坡度,結(jié)果如圖7所示。

圖7 赤水河流域(貴州段)坡度信息提取結(jié)果

赤水河流域的地帶性土壤類型以石灰土、紫色土和粗骨土為主,土質(zhì)整體透水性雖強,但由于土層較薄,加之地形起伏大,流域整體相對容易被侵蝕。利用AcrGIS的空間分析模塊得到監(jiān)測區(qū)中度侵蝕面積4025.39 km2,占總面積28.9%,重度侵蝕面積2915.7 km2,占總面積20.9%。通過計算,土地脅迫指數(shù)計算結(jié)果為35.34。

土地脅迫指數(shù)與生態(tài)環(huán)境狀況評價指數(shù)呈負相關,計算得到的土地脅迫指數(shù)值越大,代表流域內(nèi)的土地質(zhì)量受脅迫程度越大,對應的流域生態(tài)環(huán)境狀況越差。

3.2.5 污染負荷指數(shù) 近年來,政府監(jiān)管部門對赤水河流域水污染、土壤污染、固體廢物污染和空氣質(zhì)量等的監(jiān)管力度不斷加大,且數(shù)據(jù)開放渠道越來越規(guī)范化。據(jù)地方相關資料,赤水河流域釀酒、煤礦等主要工業(yè)企業(yè)和現(xiàn)有規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)相對較多,存在一定數(shù)量的點污染源。以區(qū)縣為單位,監(jiān)測區(qū)總磷、SO2排放量、氨氮排放量和固體廢物排放量均可從地方公開數(shù)據(jù)獲取。但在計算過程中,因檢測區(qū)域范圍較大,受專業(yè)資料限制,監(jiān)測區(qū)污染數(shù)據(jù)無法全面獲取,根據(jù)可獲取的數(shù)據(jù),得到的流域污染負荷指數(shù)計算結(jié)果值為0.53。

4 結(jié)論與討論

綜合各指標計算結(jié)果,得到赤水河流域生態(tài)環(huán)境狀況EI指數(shù)為68.15,生態(tài)環(huán)境狀況評價為良。可見,流域整體森林保護能力和水源涵養(yǎng)能力都比較強,主要表現(xiàn)為以下4點:生境質(zhì)量優(yōu),生物多樣性豐富;植被覆蓋率高,固土護坡、水源涵養(yǎng)能力強;水資源豐富,生態(tài)水景好;生態(tài)區(qū)監(jiān)測區(qū)污染防治成效顯著,流域生態(tài)環(huán)境良好。

文章依托現(xiàn)有遙感在生態(tài)保護中的監(jiān)測能力,收集GF系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),結(jié)合赤水河的區(qū)域特點及環(huán)境保護要點確定了基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的流域地類分類提取方法。采用面向?qū)ο蠓诸惙椒?通過構建研究區(qū)光譜特征、紋理特征及形狀特征,完成研究區(qū)地類分類提取和地類面積計算。進一步利用地面數(shù)據(jù)和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI客觀、真實地反映反映了貴州赤水河流域生態(tài)環(huán)境的整體狀況,并制作了相應的專題圖。該方法可有效提升流域生態(tài)環(huán)境感知和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)標準化水平,也能客觀衡量生態(tài)環(huán)境保護工作的狀況和水平。但是,貴州赤水河流域的生態(tài)環(huán)境是復雜的系統(tǒng)性問題,流域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測也面臨著諸多難題,比如EI指數(shù)綜合評價中污染負荷指數(shù)的計算容易受監(jiān)測范圍和專業(yè)資料限制,無法全面獲取數(shù)據(jù)。此外,由于數(shù)據(jù)時間域較窄,本文只能對流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行評價,后續(xù)研究將進行多方位、多時相、長時序、多數(shù)據(jù)源的綜合監(jiān)測,關注流域生態(tài)環(huán)境的變化規(guī)律和區(qū)域經(jīng)濟的和諧可持續(xù)發(fā)展。