基于RS的湖南省生物丰度归一化系数研究

邓瑜兵，李德平，易 敏，李 毅

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院GIS研究中心，湖南 长沙 410081；2.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410004；3.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128）

基于RS的湖南省生物丰度归一化系数研究

邓瑜兵1，李德平1，易 敏2，李 毅3

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院GIS研究中心，湖南 长沙 410081；2.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410004；3.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128）

利用Landsat5 TM遥感影像对湖南省2011年的地表覆盖信息进行提取，计算出2011年湖南省的生物丰度归一化系数及各地州市的生物丰度指数，绘制2011年湖南省的生物丰度指数分县分布图，反映湖南省不同区域的生物丰度指数的差异，为湖南省生态环境质量评价提供数据支持。

生态环境质量评价；生物丰度指数；归一化系数

2006年国家环保总局制定的《生态环境状况评价技术规范》（试行）（HJ/T192-2006）（以下简称《规范》）中，生态环境质量的评价因子选定为生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数。生物丰度指数是权重值最大的指标，对区域的生物丰度指数进行评价是区域生态环境质量评价的重要一环。由于区域之间土地利用方式的多样性与差异性，生物丰度指数存在较大的差异，为了统一尺度，引入生物丰度归一化系数对不同区域的生物丰度指数进行无量纲化处理[1]。《规范》为地区生态环境质量评价提供了一个科学的定量计算模型，用生态环境状况指数的值（IE）来定量评价生态环境质量能够直观具体地反映研究区域的生态环境质量状况。生态环境质量指数的计算用了9个归一化系数来对指标进行无量纲化处理，而《规范》并没有提供相应的数值[1]。《规范》对归一化系数进行了简单的描述：归一化系数=100 / A最大值，A最大值是指某组数据在进行归一化处理时的最大值。各归一化系数是因尺度而异的系数，正确计算归一化系数是客观科学地评价区域生态环境的首要问题[2]。

对生物丰度归一化系数和生物丰度指数的研究大多包含在区域生态环境质量的评价研究中[3-10]。本研究利用Landsat5 TM数据、全国生态环境10 a（2000～2010）变化遥感调查与评估项目数据对湖南省生物丰度归一化系数及指数进行客观、准确的定量计算，对湖南省县级行政单元的生物丰度指数的时空分布规律进行科学总结，为湖南省生态环境保护工作提供科学数据。

1 研究区域概况

湖南省位于中国东南部的长江中游地区，东接江西，西临重庆、贵州，南毗广东、广西，北与湖北相连。土地面积21．18万km2，面积居全国第十位。属大陆性亚热带季风湿润气候，光、热、水资源丰富，全省东、西、南三面山地环绕，逐渐向中部及东北部倾斜，形成向东北开口不对称的马蹄型地貌形态，全省地形以山地和丘陵地貌为主，合占总面积的66．62%。以山地丘陵为主以及降水丰富的气候使湖南省生态环境具有一定的脆弱性，水土流失等生态环境问题比较突出。因此，正确计算湖南省生物丰度指数归一化系数，把握湖南省生物丰度指数，从而对湖南省内各区域进行客观科学的生态环境质量评价是正确把握湖南省生态脉搏、维持生态平衡必须要解决的问题。

2 数据来源及处理

2.1 数据来源

矢量数据大都从“全国生态环境10 a（2000～2010）变化遥感调查与评估项目”中整理得到，部分缺失的县级行政单元土地利用数据则采用基于像元的监督分类与基于人工目视的手段获取。土地利用分类采用中国科学院资源环境数据库的土地利用分类系统所建立的两级土地利用分类标准，共分6个一级类型、25个二级类型[1]。在此分类基础上对湖南省省级生物丰度指数进行计算，并对县级评价单元的生态环境质量进行评价。这样既能避免采用其他土地利用分类系统造成的解译效率与解译精度不高的问题，也方便生态环境质量指数的计算，有利于生态环境质量评价工作的进行。

2.2 数据处理

数据处理包括遥感影像处理和地面信息的提取，主要利用Erdas9．2及ArcGIS10．0实现对地面信息的初步获取和精度校正，再通过数据分析软件实现对数据的计算与分析[11-12]。

3 生态环境结果分析

3.1 湖南省生物丰度指数归一化系数分析

通过对湖南省122个县级行政单位的生物丰度指数进行计算，得出湖南省生物丰度指数分县统计表（表1）。经计算得出，邵阳市的城步县是2011年湖南省生物丰度指数最高的县，故可由公式：归一化系数 = 100 / A最大值计算出湖南省2011年生物丰度指数的归一化系数为560．818 87。

区域生态环境质量的评价必然会涉及到尺度的问题，通过计算得出的湖南省2011年生物丰度指数归一化系数能较为客观地导出湖南省内县级行政单位的生物丰度指数，为区域的生态环境质量评价提供数据支持。

放大尺度来对比全国的生物丰度指数归一化系数，湖南省的生物丰度指数略大于全国的400．62。如果通过全国的归一化指数进行计算，则湖南省县级行政区中最大的生物丰度指数值是城步县的71．434 8，最小值为芙蓉区的8．98。如果不进行无量纲化处理，则不仅不利于县级行政区之间的对比，还会由于尺度的不同影响评价工作的准确性，如果用更小行政单位的生物丰度进行计算则可能出现大于100的情况，影响评价工作的进行[2]。

3.2 湖南省生物丰度指数分析

生物丰度指数通过单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异，间接地反映被评价区域内生物丰度的丰贫程度。参考国家环保总局提出的生态环境状况分级表，并根据湖南省区域内部的生物丰度指数值进行适当修正，可将湖南省122个县级行政区的生物丰度指数分为5个等级（表2）。

表2 湖南省生物丰度指数状况分级

从整体上看，分级表中处于良和优的县级行政单位达到了77个，占到总数的63．1%（图1），总面积在整个省域内也处于绝对优势。这表明在湖南省范围内，生物丰度指数等级处于良和优的占到了大多数，生物丰度状况处于一个相对稳定且良好的水平。

图1 湖南省2011年生物丰度等级图

3.2.1 湖南省生物丰度指数的空间差异

通过生物丰度指数的计算和可视化表达（图2）可以看出，2011年湖南省生物丰度指数在整体良好的情况下呈现较为明显的区域特征。

图2 湖南省2011年生物丰度指数分县分级图（审图号：湘S（2004）04号）

1）整体呈现南高北低、西高东低的分布特征。湖南省生物丰度指数分布的特点与地形有着密切关系。从计算方法上看，影响生物丰度指数值大小的因子主要有林地面积、草地面积和水域湿地面积。湖南省地表植被以地带性的常绿阔叶林为主，缺少草地，所以草地面积在整个生物丰度指数的计算中影响十分有限。水域湿地的二级指标中，滩涂用地的权重达到了0．6，而这一地类在湖南省的分布也十分有限。所以对湖南省的生物丰度指数起决定性作用的便是林地的面积，特别是有林地的面积。

湖南省地形呈西高东低、南高北低的特点。南部有南岭，西部有雪峰山和武陵山，北部和中东部以平原和低山丘陵为主。与地形相对应的便是不同的地表覆盖。山地地表覆盖以林地为主，处于亚热带季风气候区的湖南省以地带性的亚热带常绿阔叶林为主，故而生物丰度指数相对较大。北部和中部地区由于以平原和低山丘陵为主，地表植被覆盖较低，故而生物丰度指数较低。

2）局部呈现散点塌陷分布的特征。塌陷点主要分布在长株潭城市群和经济较为发达的县级行政单位。由于经济较为发达，建设用地占整个用地类型的比重较大，而在生物丰度指数的计算中建筑用地的权重仅有0．04，很难对生物丰度的大小产生实质性的影响，故造成经济发达的地区生物丰度指数呈现塌陷的特点。

3.2.2 湖南省生物丰度指数的时间差异

根据《规范》计算出湖南省2005年分县生物丰度指数，通过与2011年的计算数据进行对比，研究湖南省生物丰度指数的时间变化规律（表3）。

表3 2005～2011年湖南省生物丰度指数分县变化表

从表3可以看出，湖南省县级行政区生物丰度指数变化最大的为赫山区，增长了3．594 2。变化幅度在2以上的有13个县级行政区，整体上无论从位次还是生物丰度指数的数值都维持一个相对稳定的状态。华容县、靖州县、南县、南岳区等县级行政区在省内属于生物丰度指数下降较快的地区，建设用地和耕地侵占林地导致林地面积锐减是生物丰度指数下降的主要原因。采取措施保护现有林地并扩大林地面积、保护区域内的生物多样性成为这些县市今后生态工作的主要方向。

4 结 语

通过对湖南省2011年生物丰度指数归一化系数的计算，为客观准确计算湖南省的生物丰度指数提供了信息支持，为清晰了解湖南省的生物多样性现状及时空规律提供了数据支持。经研究可以得出如下结论：

1）湖南省生物丰度指数整体较高，生物多样性处于一个良好并且动态稳定的状态。

2）在空间上，南部和西部地区生物多样性较为丰富，而东部和北部生物多样性较为单一，经济发达地区的生物多样性较为单一，经济相对落后地区的生物多样性较为丰富。

3）利用RS和GIS技术对湖南省生物丰度归一化系数进行计算，快速准确地计算出湖南省122个县级行政单元的生物丰度指数。实践证明，基于RS的生物丰度归一化系数及指数的更新，能有效利用RS技术快速准确获取地面信息，减少地面调查的人力、物力投入，提高生物丰度指数获取的效率及精度，结合现势性强的遥感数据更能实现生物丰度指数的快速更新。应用更合适的RS数据参与生态环境的评价成为生态工作不可或缺的一环。

本文利用RS和GIS可视化相结合的方法，提出了一种快速更新省级生物丰度指数的工作思路。然而，由于研究区域的复杂性，针对湖南省实际生物丰度指数计算模型的修正十分有限，加之人工目视解译精度的可控性也可能存在不足。因此，如何改进湖南省的生物丰度指数计算模型，应用更为精确的地面信息对生物丰度指数进行计算，以及如何选取精确化因子对生物丰度指数的准确性进行验证等，还有待于进一步思考与论证。

[1] HJ/T192-2006．生态环境状况评价技术规范（试行）[S]．

[2] 刘建红,徐建军,李诚,等．基于遥感更新的省级生物丰度归一化系数研究:以湖北省为例[J]．江汉大学学报（自然科学版）,2007,35(4):47-50

[3] WANG Fangfang,WANG Xiaohui． Study on the Ecological Restoration TechniQues in Coal Mines:A Case Study of Mines in Huainan[J]． Journal of Landscape Research,2013(6):31-33

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[5] 王静雅,何政伟,于欢．GIS 与层次分析法相结合的生态环境综合评价研究:以渝西地区为例[J]．生态环境学报,2011,20(8):1 268-1 272

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P237

B

1672-4623（2016）12-0048-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.016

邓瑜兵，硕士研究生，研究方向为GIS应用。

2015-09-11。

项目来源：全国生态环境十年（2000～2010）变化遥感调查与评估项目（STSN-05-18）；湖南省普通高等学校重点实验室开放基金资助项目（09K020）。