九龙江流域生态环境质量演化遥感分析1.doc
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1、免费查阅精品论文九龙江流域生态环境质量演化遥感分析1周小成,汪小钦,吴波 福州大学福建省空间信息工程研究中心,空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福建 福州(350002)E-mail:摘要:九龙江是福建省的第二大河流,是闽南经济区的母亲河。基于 TM、ASTER 和“北京 一号”等多源多时相遥感数据,建立了适用于九龙江流域的生态环境评价指标和模型。获取了 1989 年2003 年约 15 年间三个时期九龙江流域生态环境质量等级及变化状况。结果表明:九龙江流域 1989、1998、2003 年三个时期生态环境质量总体较好。生态环境质量为 优的面积最大的时期是 2003 年,达到 3425.
2、36km2,最小的是 1998 年,为 2010.31km2。生态环境质量等级差的面积最大时期是 1998 年,多达 504.43km2。从 1989 年到 1998 年再 到 2003 年两个阶段中,九龙江流域生态环境总体质量出现先下降再改善的特点,但不同时期,流域的不同区域生态环境质量差异较大。在空间分布上,三个时期九龙江流域生态环 境质量的共同特点是,中部好于南北两端,西部好于东部。三个时期生态环境明显较差的有两个区域,一个是九龙江上游的新桥河和溪南河两个子流域;另一个就是九龙江口海域及其 周边区域。人类的经济活动是研究时段九龙江流域生态环境质量演变的重要驱动力。关键词:遥感;生态环境;
3、九龙江流域;评价1. 引言研究流域的生态环境质量及其演变,有助于制定和规划流域经济发展计划。遥感技术具 有数据采集快速、客观评价和制图自动化等优点,通过提取流域生态环境相关遥感因子,能够 评价和说明流域生态环境质量的现状和动态变化情况12(谢炳庚 2002,刘建军,2003)。 遥感指数既能科学地反映区域生态环境状况又简单易行,利于区域之间的比较,它的发展为 我们提供了生态环境评价的新方法。目前,国内外不少学者就如何从遥感中提取出生态环境 因子作了深入的研究3(江振蓝 2004)。王思远(2002)4在遥感技术支持下,应用主成分分 析法对湖北省全省生态环境质量状况进行了综合评价。刘建军(200
4、4)5应用 RS 和 GIS 技术,对 2002 年新疆各县市的生态环境质量进行了综合评价和分级。廖克(2005)6提出 生态环境遥感综合系列制图方法。刘瑞民(2006)7以长江流域三峡库区大宁河流域为研究对 象,在遥感基础上应用主成分分析方法,分析了该流域生态环境的历史演变。郝兴明(2006) 8通过多时相遥感信息对比分析塔里木河流域生态环境的演变过程。李洪义(2006)9利用 ETM遥感数据提取反映生态环境的指数,对福建省 2001 年生态环境质量进行评价。在已有的区域生态环境评价研究工作中,多数以行政区划为边界,而以整个流域为边界的 评价较少。本研究充分利用遥感技术的优势,从遥感数据中提
5、取多类型环境因子,并借助气象 站提供的年均温、年降雨等气象监测数据及地学辅助信息, 对九龙江流域生态环境质量进行 评价。探索九龙江流域生态环境变化规律,为流域可持续发展提供决策依据。2. 研究区概况和数据源选取九龙江位于福建南部(图 1),是福建省的第二大河流,流域面积为 14745km2。九龙江 全长 1285km,由三大干流:北溪、西溪、南溪组成。北、西两溪在福河附近汇合后东流入 海。南溪最短,仅 83km,在浮宫附近独流入海。九龙江流域涉及漳州、龙岩、厦门、泉州、1本课题得到国家自然科学基金(60602052)和福建省科技厅重点项目(编号 2007Y0020,编号 2007Y0021)
6、的资助。-12-三明五个城市的 19 个县(县级市、区),其中 87.5%的面积位于龙岩、漳州境内(图 1)九龙江流域地貌特征表现为从北部的中低山地逐次过渡到南部的丘陵、台地,植被为典 型的常绿阔叶林、针阔混交林和季风带常绿阔叶林。流域地势自西北向东南呈阶梯状降落, 九龙江流域下游冲积平原,称漳州平原,是闽南三角地区的重要区域。流域属南亚热带季风 气候,多年平均气温 19.921.1左右。流域多年平均降水量 14001800mm。图 1 九龙江流域在福建省的地理位置(左)及地势图(右)Fig.1 Location(Left)of Jiulong river in Fujian province
7、 and chorography(Right)研究中使用的遥感数据有 1989 年和 1998 年的 TM 影像各三景,2003 年前后 ASTER 影 像 9 景,另外以 2006 年的“北京一号”小卫星多光谱数据作为 2003 年数据的补充。具体见表1表 1 九龙江流域生态环境评价使用的遥感数据源Table 1 Remote sensing data for evaluating eco-environment of Jiulong river basin年份数据类型时相轨道号主要覆盖范围分辨率1989 年左右TM1988-11-03119-43九龙江口30mTM1989-11-29120
8、-43漳州市区30mTM1991-11-03120-42三明、龙岩30m1998 年TM1998-12-17119-43九龙江口30mTM1998-12-08120-43漳州市区30mTM1998-12-08120-42三明、龙岩30m2002-2003 年ASTER2003-09-18120/122/7龙海市30m15mASTER2003-01-28120/125/5漳州市30m15mASTER2003-01-28121/117/7安溪30m15mASTER2003-01-28120/120/5漳平市30m15mASTER2002-11-09120/122/5南靖30m15mASTER200
9、2-11-09120/121/5新罗区、漳平30m15mASTER2002-11-09120/123/6平和、漳浦30m15mASTER2002-09-06120/121/7大田30m15mASTER2002-02-26120/123/5平和30m15m2006 年北京一号20060928九龙江流域全部32m辅助数据有:九龙江流域边界图层,各子流域边界图层,1:5 万 DEM 数据。流域内气象站点数据,以及相关社会经济统计数据。3. 评价指标体系和评价方法本研究充分利用“3S”技术,根据区域生态环境特点,基于 ERDAS9.1 和 ArcGIS9.2 软件提 取相关的环境因子,确立生态环境评价
10、指标体系和权重。采用加权求和的方法进行运算,获 取不同时期九龙江流域生态环境等级状况,在此基础上进行九龙江流域生态环境的演化分 析。基于九龙江流域 1:5 万 DEM 数据,利用 Arc HydroTools 流域信息提取软件进行流域范 围提取。由于九龙江入海口区域对生态环境变化比较敏感,于是将九龙江口水域纳入流域范 围,约为 14828km2,略大于九龙江流域的实际面积,研究中以此范围为准进行分析。3.1 评价指标体系本研究选取土地覆盖、土壤侵蚀、地形、气候状况四大因子作为九龙江流域生态环境评 价一级指标。具体研究中,首先参考张增祥(1999)10、谢炳庚(2002)1等人的研究成果, 并考
11、虑到九龙江流域的区域特点,建立了容纳土壤侵蚀、植被指数、土壤亮度指数、高程指 数、坡度指数、降雨量指数、湿度指数和积温指数 8 个二级环境影响因子的指标体系和权系 数(表 2)。表 2 九龙江流域生态环境遥感评价指标体系及权系数Table 2 evaluation index and weight of eco-environment for Jiulong river basin一级指标(权重)二级指标和权重指数公式或方法与生态环境 的关系土 地 覆 盖(0.25)植被指数 NDVI(0.2)NDVI=(Nir-Red)/(NirRed)Nir 指近红外波段,Red 指红光波段正相关土壤亮度
12、指数 NDSI(0.05)NDSI=(Red-Green)/(Red+Green)Green 指绿光波段负相关地 形 地 貌(0.35)DEM(0.15)正相关Slope(0.2)Slope 分析负相关土壤侵蚀(0.2)侵蚀强度(0.2)USLE 模型计算负水 热 状 况(0.20)大于 10积温(0.05)克里金插值负相关湿度指数 NDMI(0.05)(Green-Mir)/(Green+Mir)Mir 指中红外波段正相关降雨量(0.1)克里金插值正相关3.1.1 土地覆盖指标植被指数:植被是反映生态环境质量状况的重要指标。植被指数已成为研究大区域植 被生长的主要因子,并得到了广泛应用。本研
13、究预先选取归一化植被指数(NDVI)来表征 植被覆盖的状况(表 2)。为了消除 ASTER 影像时相不一致导致的植被指数计算值不一致的 问题,研究中选用 2006 年“北京一号”卫星影像的植被指数(NDVI)来计算最新一期的植被 覆盖状况,与其他指标平均起来仍视为 2003 年的生态环境状况。土壤亮度指数(NDSI): 土壤亮度指数和生态环境呈负相关,对生态环境的优劣有一定的指示意义。缨帽变换产生的土壤亮度指数(BI)可作为一个反映土壤亮度的可选指数。可见光红(R)、绿(G)波段土壤 光谱响应与植被、水体光谱变化规律相反的特征,利用 R 波段和 G 波段的比值经标准化处 理的土壤亮度指数(ND
14、SI)也能很好地反映土壤亮度信息,提取方法或公式见表 2。3.1.2 地形地貌指标基于 1:5 万 DEM 数据,在 ERDAS9.1 软件环境下提取坡度专题数据,坡度数据栅格大 小为 25m。申文明(2004)11、谢炳庚(2002)等在长江三峡地区和湖南西部生态环境综 合评价中,选取的地形地貌一级指标权重值为 0.35,考虑到九龙江流域地形地貌与以上研究 区地形地貌特点相似,并且地形地貌控制着九龙江流域生态环境质量格局的空间分布,因此 在本研究中地形地貌指标的权重值也设定为 0.35。随着海拔的升高,人类利用难度也在增加。在九龙江流域的具体表现就是海拔越高生态 环境质量越高。九龙江流域地区
15、海拔的分布区间是 01800m,按海拔50 m、50200、200400 m、400600、600800、8001000、10001200、12001400、14001600、16001800 分为10 个等级。 在地形因子中,坡度对水土流失影响较大。一般情况下,侵蚀量和坡度呈正相关。依照农业部土壤侵蚀调查规范中制定的分级标准并结合该区人多地少、土地利用率较高的实际情况,将九龙江流域以 3、5、8、15和 25为分界点,共划分为 6 级坡度类型。参考谢 炳庚(2002)1的研究成果,将海拔和坡度二级指标的权重分别赋为 0.15 和 0.20。3.1.3 土壤侵蚀土壤侵蚀强度是影响生态环境的重要
16、因子,根据九龙江流域的侵蚀特点,本研究不考虑风蚀、冻融侵蚀造成的影响,基于遥感影像、土壤类型图、降雨量资料、地形等数据,用土 壤流失指数代替土地退化指数。选用美国通用土壤流失方程 USLE 模型,采用遥感的方法评 价土壤流失量。侵蚀程度越大,环境质量越差,据此将土壤侵蚀因子分为微度、轻度、中度、 强度、极强度、剧烈 6 个等级来量化,获取了九龙江流域三个时期水土流失强度分布图。3.1.4 水热状况 本研究面向宏观的生态环境快速评价,利用遥感数据提供一个反映湿度的量。考虑到TM5 波段(1.551.75m)处于水的吸收带(1.41.9m)之间,受水吸收带的影响,对湿度、含水量信息非常敏感,且 T
17、M2 波段(G)对水体反射的特点,两个波段经标准化处理的湿度指数 NDMI 可以反映湿润特征,提取方法或公式见表 2。利用九龙江流域各气象站点降雨量和年 均温数据,在 ARCGIS9.2 中通过克里金插值生成年积温和降雨量水热分布图。3.2 数据标准化数据标准化过程中,要注意保证不同指标因子对于影响区域生态环境状况的相互一致 性,依照统一顺序实现标准化。依照参评因子相对于生态环境演变的有利与否,使其位于010 之间。本研究采用的标准化处理方法,见公式(1)、(2)。 正向指标(越大越好)Yij =Xi X min 10X max X min(1)逆向指标(越小越好)Yij =X max XiX
18、 max X min 10(2)其中: Yij 为指数的标准化值, Xi 为指数值, X max 为指数最大值, X min 为指数最小 值。3.3 环境质量评价及动态变化识别经过标准化处理和采用有序数值阵列管理的环境评价专题因子数据,是一组反映区域环 境某一方面状况的有序数据,它们之间以统一的空间位置共同反映同一地点或同一分析单元 的环境状况。每一分析单元均具有多重专题属性,包括专题属性及其权系数 2 个方面。通过 对这些属性值采用多级加权求和模型的方法来实现环境质量的定量化评价,其结果就是代表 环境质量的环境评价综合指数,它是一个空间型的评价结果。加权求和的环境评价结果用公式(3)计算mW
19、i CiEp i1(3)式中,Ep 为第 p 个分析单元的生态环境质量综合评价指数;Wi 为第 i 个专题指标要素 经过标准化处理后的定量表达值;Ci 为反映该专题要素对于生态环境质量评价重要性的权 重值,m 是参与生态环境质量评价的专题要素的数量。由此得出的环境评价结果落实在每一 个分析单元。环境评价综合指数代表环境质量状况。为了便于比较,将环境评价综合指数进 行分级处理。结合九龙江流域生态环境的特点,将九龙江流域生态环境质量划分为优、良、中、差 4 个级别。不同等级的环境状况指数的空间分布特征,体现了环境状况的区域性差异。为了减少噪音影响,最后的结果图,利用 ERDAS9.1 的 Elim
20、inate 功能滤除面积小于150150m 的环境图斑,最终生成的 1989 年、1998 年和 2003 年生态环境质量等级分布图(图2-a、图 2-b、图 2-c),不同等级统计结果见表 3。 生态环境变化信息的获取是本研究的主要目的。为此,仿照土地利用转移矩阵计算的方法,获取生态环境质量等级变化数量和空间分布,具体见公式(4)。E(i,j)=E(i)10+ E(j)(4) 式中,E(i,j)表示两个年份的生态环境质量变化图;E(i)、E(j)表示前后两个年份的生态环境质量图。同样,为了减少噪音影响,最后的结果图,滤除面积小于 150150m 的变化图斑。详细 的生态环境质量变化转移矩阵见
21、表 4、表 5、表 6。通过对详细的生态环境质量等级变化进 行综合,如将生态环境质量等级由差中,良优等朝好的方向发展的类型归为生态环境质 量等级增加,相反,将优良、良差等朝向差方向发展的类型归为生态环境质量等级降低。 这样,最终生成 1989 年1998 年2003 年三个年度之间生态环境质量变化综合图谱(图 3)。4. 结果分析4.1 不同时期总体特点由表 3、图 2、图 4 可以看出:九龙江流域 1989、1998 年生态环境质量等级以中和良为 主。而 2003 年时则以优和良为主。生态环境质量为优的面积最大的是 2003 年,达到3425.36km2,占流域总面积的 23.09,最小的是
22、 1998 年,为 2010.31km2,占流域总面积13.55。生态环境质量等级差的面积最大时期是 1998 年,多达 504.43km2,占流域总面积约3.40;最小的是 2003 年,为 198.19km2,仅占流域总面积的 1.34。从三个时期生态环境 质量等级差的比例最高只占流域面积的 3.4来看,九龙江流域生态环境在三个时期的生态 环境总体都是良好的,只是在局部地区生态环境质量等级存在此消彼长的一些变化。如果以 优和良之和的比例作为总体生态环境质量对比的依据,那么 2003 年优和良的比例之和为76.23,1998 年为 62.50,1989 年为 63.38。因此,2003 年九
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