基于遥感云技术的皖江城市带生态指数监测与评价

朱冰怡,徐建辉,胡 枫

(滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000)

皖江城市带是安徽省经济发展的重心,被称为承接长三角产业转移的“桥头堡”。2010-01-21,《皖江城市带承接产业转移示范区规划》被国务院正式批准,成为安徽省首个国家层面的经济发展规划,同时也是全国首个以 “产业转移”为主题的区域规划。 《规划》中明确提出了要加强生态建设和环境保护,近年来大量学者在皖江城市带的城市发展与创新建设方面进行了研究[1-3],而生态环境方面研究略少。但在皖江城市带经济快速发展的同时,生态环境也在一定程度上受到了影响,因此,对皖江城市带生态环境的分析则显得尤为重要。

目前,国内外专家就如何快速对生态环境质量监测进行了大量研究[4-7],部分学者利用Google Earth Engine(GEE)平台的高效性、准确性等优势[8],将GEE广泛应用于植被覆盖[9-10]、土地监测[11]、农作物提取[12]等生态系统的监测和评定。由于本研究是某个区域的生态环境质量,无法利用单一的指标评价,因此,需要一个综合指标来衡量与评估。徐涵秋[13]提出的遥感生态指数(RSEI)可以快速有效地监测出生态环境质量,而文中利用GEE平台,采用遥感生态指数探究安徽省皖江城市带近20年的生态环境时空演化特征,为皖江城市带经济与生态可持续发展提供监测与评价的技术方法。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

如图1所示,皖江城市带(29°32′N～ 33°13′N ,115°43'E ～ 119°36′E)紧靠我国最具活力的长三角地区,包括宣城、池州、合肥、马鞍山、芜湖、铜陵、宣城、滁州8个地级市全境以及六安市的金安区和舒城县(由于皖江城市带仅将六安市的金安区和舒城县纳入了皖江城市带,面积小,参考房莉等[14]的研究,文中研究区不考虑金安区和舒城县)。占地面积7.6万km2,常住人口3 165万人。总体情况来看,皖江城市带的八市生态资源优渥,人口分布均匀,在长三角的带动下经济快速发展。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

选取空间分辨率为30 m、时间分辨率为16 d的Landsat5/TM和Landsat8/OLI遥感影像作为关键数据源,获取2000年、2010年以及2020年的卫星影像。 为了避免因季节、云量等因素对研究结果造成的影响,选取6月至9月的数据。在GEE平台上进行研究所需的图像预处理,包括水体掩膜、去云(去云量为20%)、均值合成等。

2 研究方法

基于徐涵秋[15]提出的绿度、湿度、热度以及干度作为研究的主要参考指标。根据这些指标能够快速、准确地对生态环境质量进行评价。

2.1 绿度指数

归一化植被指数(NDVI)[16]能够有效地反映植被生长情况与植被覆盖度等重要地物性质,检测灵敏度高,较为真实地展现区域的地表空间变化规律,计算公式为

INDV=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR).

(1)

式中:ρNIR和ρR分别代表 Landsat影像的近红外波段和红光波段的反射率。

2.2 湿度指数

土壤湿度是监测地表环境的重要指标[17],而采用缨帽变换能够更好地反演土壤湿度,有效地去除冗余数据,计算公式为

WET=C1ρB+C2ρG+C3ρR+C4ρNIR+C5ρSWIR1+C6ρSWIR2.

(2)

式中:TM影像C1～C6的值分别为0.031 5、0.202 1、0.310 2、0.159 4、-0.680 6、-0.610 9;OLI影像C1～C6的值分别为0.151 1、0.197 3、0.328 3、0.340 7、-0.711 7、-0.455 9。

2.3 热度指数

利用遥感反演得到地表温度表征热度指标,其计算公式为[18-19]

Lλ=gian×DN+bias,

(3)

(4)

式中:Lλ为TM和OLI的热红外6波段和10波段在传感器处的辐射值;DN为灰度值;gain和bias分别为对应波段的增益值和偏置值;T为传感器处温度值;K1和K2分别为定标参数。然后,计算的温度T可通过比辐射纠正转换为地表温度LST[20]。

(5)

式中:λ为TM和OLI热红外6波段和10波段的中心波长,分别为λTM=11.435 μm,λOLI=10.896 μm;ρ=1.438×10-2mk;ε为地表辐射率。

2.4 干度指数

综合造成区域环境地表干化的因素,选取建筑指数(IBI)[21]和裸土指数(SI)[22]合成干度指标,计算公式为

NDBSI=(SI+IBI)/2,

(6)

(7)

(8)

2.5 构建综合指数

由于上述4个指标的量纲不统一,因此,在进行主成分变换之前需要对4个指标进行归一化处理。将4个指标的量纲统一到[0,1]之间,然后计算 PCA。各指标归一化计算公式为

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin).

(9)

式中:NIi为各指标归一化的结果,Ii为各指标在像元处的值;Imax为各指标的最大值;Imin为各指标的最小值。

用归一化后的4个指标计算主成分,PC1值越大代表生态环境越好,即用1减去算出的PC1值,得到初始的遥感生态指数(RSEI0),计算公式为

RSEI0=1-

{PC1[f(NDVI,WET,LST,NDBSI)]} ,

(10)

RSEI=(RSEI0-RSEI0_min)/

(RSEI0_max-RSEI0_min).

(11)

所得RSEI为区域的遥感生态指数,RSEI值在[0,1]之间,其中,RSEI越趋向于1,则表明生态环境质量越好。

3 研究结果分析

3.1 各指标计算结果分析

图2是通过GEE平台计算得到的遥感生态指数(RSEI),表1是皖江城市带20年间4个指标的主成分分析情况,从表中可以看出,第一主成分(PC1)的特征值贡献率分别为73.6%、69.3%和75.0%,均在69%以上,由此可知PC1已集中4个指标的大部分特征,最大程度地综合4个指标的特征。在PC1中,NDVI和WET为正值,说明这两个因子对生态环境质量评价结果起正向作用,而NDBSI和LST为负值,则对生态环境质量评价结果起负向作用。研究表明,当绿度和湿度指标值越大时,该地区的植被覆盖度越高,土壤以及地表植被湿度越大,生态环境质量越高;当干度和热度指标的绝对值越大时,则说明该地区的土壤及建筑用地等干化严重,地表气温越高,生态环境质量也就越差。通过表1可以看出,绿度指标对皖江城市带的生态环境质量起到的正面作用最大,而干度指标对皖江城市带的生态环境质量起到的负面作用最大。

表1 2000—2020年皖江城市带各指标主成分分析

图2 2000—2020年皖江城市带生态环境质量分布

3.2 皖江城市带生态环境时空变化分析

图3是2000—2020年遥感生态指数的均值。从图中可以看出,2000—2010年遥感生态指数从0.612上升到0.698,但在2010—2020年又有所下降,下降率为6.59%。2000—2020年20年间遥感生态指数总体呈上升趋势。20年间3期的遥感生态指数均在0.6以上,由此可以看出皖江城市带的生态环境总体呈现良好状态。

图3 2000—2020年RSEI均值

表2是2000—2020年各RSEI等级面积及其百分比,为了进一步对遥感生态指数进行分析,将2000年、2010年以及2020年的遥感生态指数以0.2为间隔分成5个等级[23](见图4),分别为差(0～0.2)、较差(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、良好(0.4～0.6)以及优(0.8～1)。从统计分析结果可以看出,2000年、2010年和2020年3期皖江城市带遥感生态指数差和较差(0～0.4)的面积百分比之和分别是13.6%、3.8%以及10.9%,均未超过20%。生态环境质量良好和优(0.6～1)的面积百分比之和从2000年的57.5%上涨到2010年的79.2%,2020年良好和优(0.6～1)的面积百分比之和下降到68.7%,对比2010年稍有降低。2000—2020年的20年间,生态环境差和较差的面积百分比之和减少了2.7%,生态环境质量良好和优的面积百分比之和增加了11.2%,表明20年间,皖江城市带的生态环境质量整体呈现改良的趋势。从图4可以看出,生态环境质量良好和优的区域主要分布在皖江城市带的南部及西南地区,而生态环境质量差和较差的区域主要集中在研究区北部的合肥等经济发展和快速扩张的城市,以及长江沿岸的居民及工业用地区域。这与皖江城市带自然地理环境的分异规律,以及研究区的植被覆盖、人口密度分布、GDP水平和城市经济发展和城市扩展速度一致,与已有生态环境评价相关的研究结论一致[14,24-25]。

表2 2000—2020年各RSEI等级面积及所占比例

从各城市(见图5)的3期RSEI均值来看,2000—2020年皖江城市带各城市的遥感生态指数出现一定的变化。对比2000年,2010年研究区各个城市的生态环境质量整体均有所提高,3年的平均值均达到0.7以上,可以看出研究区各城市并没有因为经济建设而忽视生态环境保护工作。但对比2010年,2020年研究区各城市的遥感生态指数除了芜湖市和马鞍山市,其他城市的遥感生态指数整体均有不同程度的下降。虽然2010年国务院正式批复了皖江城市带作为承接产业转移的示范区,但规定了要加强节能减排、促进循环经济和低碳经济发展、实现人与自然和谐发展。合肥市是皖江城市带发展最快、经济最发达的城市,2021年合肥市的GDP排名已经达到了全国前二十,但是在经济高速发展、城市快速建设的同时,对生态环境的保护存在不足,导致生态环境恶化。

图5 各城市RSEI均值

3.3 皖江城市带生态环境质量变化检测分析

为了更好地对皖江城市带的生态环境质量进行分析,结合上述5个等级的划分,对各个年份的遥感生态指数进行转移矩阵分析,从而进一步对生态环境质量变化进行检测。从表3和图6的结果来看,2000—2020年生态环境质量变好的面积百分比为36.0%,而变差的面积百分比是20%。2000—2010年,生态环境有所好转的面积百分比为46.2%,生态环境恶化的面积百分比是11.2%;2010—2020年生态环境质量好转的面积百分比为15%,生态环境质量降低的面积百分比是20%。与2010年相比,生态环境质量好转的面积减少了31.2%,生态环境质量恶化的面积增加了23.8%。综上所述,皖江城市带在2000—2010年生态环境质量有较大幅度的提高,但在2010—2020年生态环境质量又有一定幅度的降低。这表明2010年开始皖江城市带作为承接产业转移示范区后经济和城市化快速发展,但生态环境保护的力度不够。

表3 2000—2020年生态环境质量变化检测

图6 2000—2020年生态环境质量变化检测

进一步对皖江城市带各城市进行生态环境质量的变化检测,从表4可以看出,2000—2010年各城市生态环境质量均有很大程度的改善,其中,滁州市、合肥市生态环境质量改善的区域最大,分别占各自区域总面积的67.78%、52.57%;芜湖市、马鞍山市生态环境恶化比例较大,分别占各自区域总面积的22.23%、20.53%。2010—2020年绝大部分的生态环境处于不变的状态,所占比例为32.25%～54.96%;各市的生态环境质量都有不同程度的恶化,比例为20.04%～46.45%,其中,合肥市的生态环境恶化最为严重,占其区域总面积的46.45%。整体来看,2000—2020年研究区域大部分城市的生态环境质量都保持不变,马鞍山市、滁州市生态环境质量优化的比例最大,分别为44.80%、56.63%;池州市和宣城市的生态环境质量一直保持良好,20年间大部分区域均保持不变,面积百分比分别为55.62%、51.05%。纵观皖江城市带20年间的发展,前10年的生态环境有较大的改善;但后10年,在长三角地区经济和城市群扩展的影响下皖江城市带各城市经济和城市化都在快速发展。位于皖江城市带南部的池州市和宣城市因地处皖南山区,林地覆盖面积大,植被覆盖度高,其生态环境质量一直保持良好;而位于安徽省中部的合肥市因为城市扩展,植被覆盖度降低,导致生态环境质量变差。

表4 2000—2020年各城市生态环境质量变化检测 %

4 结 论

利用GEE遥感云平台计算得到了皖江城市带遥感生态指数和4个构建指标,同时分析了皖江城市带2000—2020年遥感生态指数的时空变化,得出如下结论:

1)4个遥感生态指数评价指标的主成分分析结果表明:绿度和湿度是正向指标,其中,对遥感生态指数影响最大的是绿度指数(NDVI);干度和热度是负向指标,其中,对遥感生态指数影响最大的是干度指数(NDBSI)。

2)皖江城市带2000—2020年的生态环境质量整体呈现先上升后下降的变化趋势,遥感生态指数从2000年的0.612上升到2010年的0.698,而后又下降到2020年的0.652。皖江城市带生态环境质量良好的区域主要分布在池州市和宣城市,2000年、2010年和2020年3期遥感生态指数平均值均在0.7以上;而生态环境质量较差的区域主要分布在合肥市,3期遥感生态指数平均值仅有0.6。

3)2010年生态环境质量有所改善,皖江城市带生态环境质量优化的面积百分比为46.2%;对比 2010年,2020年生态环境质量降低的面积百分比为35%,生态环境质量提高的面积百分比为15%。对比2000年,合肥市等经济发达的城市在20年间生态环境质量改善的面积呈现小幅度上涨;而池州市、宣城市和安庆市等城市生态环境保持良好。整体来说, 20年间,皖江城市带的生态环境整体保持良好,但有生态环境质量下降的趋势。

皖江城市带20年间城市发展迅速,生态环境质量有所下降。为保持皖江城市带可持续性发展,加强对生态环境的保护尤为重要。各地政府应该持续推进低碳生活,加强民众节能减排的意识,加大城市绿化程度,实现人与自然和谐发展。