基于遥感生态指数模型的阜康市生态环境动态变化监测与评价

茹克亚·萨吾提， 阿不都艾尼·阿不里,3,5，李 虎， 尼加提·卡斯木， 李晓航

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046; 3.新疆大学 干旱生态环境研究所, 乌鲁木齐 830046;4.新疆卫星应用工程中心, 乌鲁木齐 830000; 5.新疆大学 生态学博士后流动站, 乌鲁木齐 830046)

近些年来，随着社会的快速发展，人类活动生态环境之间的密切关系显得日益突出，社会、经济、生态的协调发展模式成为了区域可持续发展的核心问题，因此生态环境破坏造成的土地和森林退化、地表沉陷、土壤污染、水资源污染与枯竭、植被破坏和粉尘污染等一系列的生态环境问题逐渐成为人们广泛关注与研究的热点[1-3]。

目前，生态环境监测、评价方法与手段比较多，其中，遥感技术以快速、实时及可实现大范围监测等优势被广泛地应用于生态环境领域，成为评价区域生态环境的有效手段[4]。国内外学者在利用遥感技术进行生态环境评价方面开展了大量研究工作[5]，尤其是在城市、矿区、森林、公路、湖泊、土地、植被指数和地表温度反演等方面的动态监测和评估方面广泛应用[6-13]。由于生态环境是由多种自然和人文因素组成的一个复杂的动态系统，单一的生态因子无法客观、全面地反映生态环境变化[14]。徐涵秋[15]提出的新型遥感生态指数(Remote sensing Based Ecological Index,RSEI)是一个能够集成多种指标因素且完全基于遥感信息的遥感综合生态指数，将绿度分量(NDVI)、湿度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和热度分量(LST)4个遥感指数综合起来进行计算一种新方法，该方法在区域生态环境的快速监测与评价中具有一定的优势和使用价值[16]。弓盛洋[17]运用遥感生态指数(RSEI)，对濮阳市城区生态环境质量进行监测和评价，揭示了濮阳市生态环境的基本特征，为以后濮阳市生态环境的治理与建设提供了科学依据。刘智才等[18]利用杭州市采用新型的遥感生态指数评估了杭州市年间的生态变化，并发现建筑用地的大量扩张是导致杭州市生态质量下降的最重要因素。张浩等[19]计算遥感生态指数RSEI，进行南京市生态环境变化定量分析评价，并指出该区域生态环境质量的下降与不透水面的大幅增加密切相关。

新疆作为国家一带一路战略中处于丝绸之路经济带的核心区[20]，国家十三五规划的顺利进行和建成小康社会目标的实现区位优势比较明显。但是，新疆地区植被覆盖低较低，沙漠化、荒漠化、降雨少、蒸发大、生态环境比较脆弱，外来因素影响比较敏感。阜康市作为新疆比较重要的工业城市，自然资源的过量开发和和阜康市经济社会发展过程中不断地承接许多内地高耗能、高污染、资源型企业对于脆弱的生态系统会造成不可估量的损失，因此对该区生态环境变化进行周期性监测和研究有重大的意义[21]。本研究以新疆天山北坡经济带的阜康市为例，采用综合遥感生态指数对该区域的生态环境动态变化进行探讨，该研究成果将为城市生态质量快速评价与城市生态环境建设提供方法和科学依据。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

阜康市位于新疆东天山山脉北坡，准噶尔盆地南部,地理坐标为43°45′—45°30′N，87°46′—88°44′E。东面与吉木萨尔县相邻，西临乌鲁木齐市米东区，北接阿勒泰地区福海县。阜康市土地总面积为8 444.71 km2，该地区境内气候垂直地带性分布特征显著具有新疆地区典型地理地貌特征(山地-绿洲-荒漠)[21]，属典型的温带大陆性荒漠气候、四季分明、冬季严寒且夏季炎热，降水稀少且分布不均，山区中部的年降水量为530.11 mm，平原区为187.5 mm，沙漠区则通常只有144.7 mm，由于该地区位于古尔班通古特沙漠边缘，植被覆盖度较低，水资源比较欠缺，生态环境相对较为脆弱[22]。

1.2 数据获取与处理

本文为了更好地掌握阜康市生态环境状况及其变化，使用了从美国地质调查局网站下载(网址：http:∥www.gscloud.cn/)的遥感数据，数据采集时间分别是2000年9月2日、2008年9月7日和2016年9月13日的Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI遥感数据。为了避免大气、地形和光照等因素对不同年份遥感图像处理精度，减少不同时相影像在地形、光照和大气等方面的差异，保证影像间空间叠加分析的准确性，在ENVI 5.3下对这3期遥感影像分别进行辐射定标和大气校正，并依照行政区界线进行图像裁剪[23]。

2 指数选择及遥感生态指数模型

2.1 指标选择

综合遥感生态指数(RSEI)将绿度分量(NDVI)、湿度分量(Wet)、干度分量(NDSI)和热度分量(LST)4个遥感指数波段组合成新的指数影像后，并进行主成分分析，然后将其第一主成分归一化处理，即可生成RSEI。

研究区除城市建成区外，还包括部分裸土，因此，采用建筑指数IBI和土壤指数SI二者相结合生成的“建筑—裸土指数”NDBSI来表示干度指标[24]。这4种指标的计算公式与参考参数如图1所示。

图1 生态遥感指数计算流程

计算式中：B，G，R，NIR，SWIR1，SWIR2分别代表TM第1，2，3，4，5，7波段以及OLI的1，3，4，5，6，7 波段的反射率。对于Landsat5 TM影像；S1=0.031 5；S2=0.202 1；S3=0.310 2；S4=0.159 4；S5=-0.680 6；S6=-0.610 9[25]；对于Landsat8/OLI影像；S1=0.151 1；S2=0.197 3；S3=0.328 3；S4=0.340 7；S5=-0.711 7；S6=-0.455 9[26]。

地表温度计算中，L6和L10分别为TM热红外6，10波段在传感器处的辐射值；T为传感器处温度值；DN为像元灰度值；gain和bias为6，10波段的增益与偏置值：K1和K2为定标参数，它们都可以从用户手册获得。对于TM，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)；K2=1 260.56 K；而对于TIRS band10，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)；K2=1 321.08 K[27]；经过式(4) 计算的温度T可以通过比辐射率纠正转换为地表温度LST；λ为热红外波段的中心波长；ρ=1.44×10-2m·K；ε为地物的比辐射率[28]，地表温度通过公式(4) 在ENVI软件波段运算模块进行计算。

2.2 遥感生态指数模型(RSEI)

拟建的生态指数应既能以单一指标的形式出现，又可以综合以上4个指标的信息。因此如何以单一变量代表以上多个变量是本研究的关键。通过主成分变换进行指标权重的集成，能有效的避免人为因素影响，仅依靠数据本身的性质。本研究对不同的4个指数进行主成分分析，由于4种指标的量纲不一致，如果直接计算PCA会导致各指标的权重失衡，因此进行主成分分析之前对4个指标进行正规化，将它们的量纲统一到(0～1)之间，然后做主成分变换。常用的正规化公式[29]：

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

(5)

式中：NIi为正规化后的某一指标值；Ii为该指标在像元i的值；Imax为该指标的最大值；Imin为该指标的最小值。4个指标经过正规化以后，合成由4个指数波段组成的新影像，再进行主成分分析；对PC1进一步处理生成遥感生态指数(RSEI)，其值越大表示生态质量越好。反而，表示生态质量越差，可进一步用1减去PC1，获得初始生态指数RSEI0[29]。

(6)

为了便于指标的度量和比较，可同样对RSEI0进行正规化：

(7)

RSEI即为所建的遥感生态指数，取值范围[0～1]。为了具体表现研究区的生态环境变化特征，进一步将各年份的生态指数以0.2为间隔分成为差(0～0.2)，较差(0.2～0.4)，中等(0.4～0.6)，良(0.6～0.8)，优(0.8～1)5个等级[30-31]。

3 结果与分析

3.1 遥感生态指数(RSEI)模型建模与参数分析

由表1给出了各指标与生态指数(RSEI)之间的相关性，表1中可看出，4个指标之间存在明显的相关性，2000—2016年除了NDVI和NDSI之间的相关性较弱以外，其他指数之间的相关性较好。4种指标平均相关度进行对比可知，最高的指标为LST，LST在3个年份的均值达0.63；平均相关度最低的指标为NDVI，3个年份的均值为0.29。3个年份的RSEI与4个指标的相关系数均值为0.88，比单指标最高的LST差异达到0.25，比最低的NDVI差异达到0.59，比4个指标的平均值(0.51)大于0.37。这个结果表明各指标与RSEI之间存在较好的相关性可用RSEI来综合反映阜康市生态环境质量。

由主成分分析结果看出(表2)，PC1的贡献率都大于75%，表明它已集中了4个指标的大部分特征；每一个指标对PC1中都有一定的贡献率，且相对稳定，因此，本研究利用PC1来进行计算。从表2 中各年不同指标的PC1 载荷值进行对比可知，湿度(WET)和绿度(NDVI)值为正值，表明二者对生态环境有促进作用，干度(NDSI)和热度(LST)载荷值为负值，这两者对生态环境有阻碍作用，该结果与实际情况相符。各年份各指标的PC1的绝对值变化可知，湿度和绿度对结果的贡献都较大，并呈现波动性变化趋势，这表明研究区植被覆盖度的变化对生态环境监测结果影响较大。

表1 各指标与生态指数(RSEI)的相关系数矩阵

表2 各年份指标及RSEI 均值、PC1 荷载值变化

3.2 阜康市生态环境时空变化分析

为进一步对RSEI进行定量化与可视化分析，将各年份计算结果以0.2为间隔，划分为差、较差、中、良和优等5个等级[31]。由图2中可看出，3期的各等级所占面积与比例进行统计结果表明虽然在2000—2016年阜康市的生态环境状况良和优为主，但总体趋势来看研究区的生态环境变化处于恶化趋势。生态环境差和较差的区域面积则一直处于增长趋势。2000年、2008年、2016年生态环境差的区域面积在整个区域面积中占的比例分别为5.86%，6.65%和7.12%。生态环境较差的区域面积分别为1 178.77，1 416.63，2 546.22 km2，在整个区域的面积中占10.89%，12.52%，19.56%。2000—2016年总体生态状况还是以良和优(4，5级)为主，但第5级类(优)所占面积比例由2000年的30.51%下降至2016年的25.36%，面积减少156 km2；第4级(良)所占面积比例由2000年的29.89%下降至2016年的25.16%，面积减少123 km2。同样证明了阜康市生态环境状况逐年下滑的趋势。因此政府在重视经济发展和合理规划工厂的同时也应该减少化工工厂数量并其引起的城市周边环境的改善，促进人和自然环境的和谐发展[32-33]。

2000年生态环境差和较差(1，2级)的区域主要分布在城市区域和南部地区，到2008年该区域范围扩展到西南和北部，2016年2级(较差)生态环境区域快速大范围扩展，1级(差)区域带状分布于南部和北部。3 a间生态环境较好的区域主要集中在阜康市的中部地区和西北地区。研究区生态环境快速呈现时空变化的主要原因是在阜康市不断开采煤炭资源，化工厂、洗煤厂、水泥厂等各种工业有关企业陆陆续续坐落。2000年以来阜康市化工工厂规模和数量一直保持增长趋势，比如，钢铁厂、冶炼厂、金硕苯板厂、三工煤矿、塑料厂等[34-35]。

3.3 阜康市生态环境质量动态变化监测

利用差值原理，对阜康市的生态环境质量变化进行“0级”为基本未变级，“变好”为生态环境转好级，“变差”为生态环境转差级等3种不同等级(表3)。由2000—2008年变化幅度来看，该区生态环境质量变差等级的面积为849.35 km2，约占总面积的25%，而生态转好的面积达563.81 km2，占到17.07%；生态环境质量变好的区域面积小于变差的面积，说明了在这个时间段阜康市的生态环境质量变差，并生态环境遭受破坏。

图2 各级生态指数面积变化

表3 变化检测

2008—2016年，生态环境转差的面积增长到1 601.41 km2，约占总面积的48%，而生态转好的面积达431.21 km2，占到13.06%；生态环境质量变差的区域面积超越了转好的面积，说明了该区域生态环境呈变差趋势。从整个16 a的变化趋势来看，阜康市的生态环境质量不理想，变差的面积已达到了1 757.94 km2，约占总面积的53.23%，而生态转好的面积达296.39 km2，占到8.98%；从此结果可以看出，在治理生态环境质量差的区域的同时应重视对原本生态环境质量好区域的破坏。

从空间分布来看，生态条件变差的地点主要分布在郊区中部和北部地区。生态变好的区域主要是一些新增生态基础设施的旧城区和房地产开发建设中注重绿地等生态设施建设的新城区，而中部耕地周围变化不大。

3.4 阜康市生态环境变化成因

3.4.1 自然因子 研究区处于天山东部，山地平原植被垂直带完整，山地—荒漠—绿洲农业特点典型突出。阜康市气候条件独特，降水量、气温、地表温度等气象因子对该区域生态环境变化起着很重要作用。因此，本文选阜康市2000—2016年的平均气温、降水量、地表温度和平均相对湿度为主要自然因子分析气象因子变化及其生态环境的影响。从气候因素的变化规律来看，气温和地表温度的变化规律较相似，阜康市年平均气温及其气温距平如图3所示。在2000—2016年期间，阜康市年平均气温和地表温度的变化速率分别为1.39℃/16 a，1.73℃/16 a，其整体上升趋势非常明显，16 a的平均气温和地温为22.22℃，27.64℃。

以2004年为界，阜康市年平均地温和气温经历了冷暖两个时期。2000—2004年虽然阜康市气温和地表温度呈现小幅度变化，但比2004年属于暖时期，2004年平均气温和地表温度降低到17.56℃，20.89℃。2008年阜康市平均气温和地表温度呈现最高值，分别上升1.37℃，2.17℃。而研究区降水量一直在不规则的波动性变化，平均降水量为75.26 mm。2003年、2007年和2015年间降水量呈现高值，最高值达到了139 mm。阜康市平均相对湿度的变化速率为2.79%/16 a，在2004年达到了最高值，51.93%；从2004年起快速减少，在2014年呈现最小值39.79%。

图3 2000-2016年阜康市平均气温和地表温度变化趋势

总的来讲，阜康市的气温和地表温度从2000—2016年趋于上升，而降水量和相对湿度呈现降低趋势(图4)，这对研究区生态环境不利的情况，会导致旱灾，荒漠化。2000年、2008年和2016年的生态环境指数变化特征来看，2008年和2016年RSEI较差区域明显增长，主要分布草地、林地和耕地等土地利用类型分布带，同时2008年和2016年前后，研究区气温逐渐增加而降水量快速减少，干旱区植被一般对气候很敏感，这限制研究区植被正常生长，因此气候变化在一定程度上引起研究区生态环境的恶化的原因之一。

图4 2000-2016年阜康市平均降水量和相对湿度变化趋势

3.4.2 社会经济因子 2000—2016年，阜康市生态环境质量总体呈下降趋势，最近几年以来，阜康市大规模煤矿开采活动危害了区域脆弱生态系统，加剧了土壤污染问题与生态环境恶化。煤矿开采使得大量的重金属通过各种途径进入土壤，对阜康市土壤环境带来了一定的危害[35]。除此之外煤炭开采等活动导致了地表塌陷、水资源污染、水土流失和植被破坏、大气污染以及煤矸石、粉煤灰污染等一系列环境污染问题[36]，威胁阜康市的可持续发展。根据近期报告，阜康市全市涉及危险废物的单位有20多家，其中危险废物产生单位有21家，危险废物经营单位4家[37]，为此2013年自治区环保厅对阜康市存在的环境问题进行了挂牌督办[38]。由此看出，阜康市的整体环境变化研究结果与实际情况一致。阜康市本身就属于生态环境脆弱区域，对该市的生态环境保护制度进行加强和利用合理的治理措施是减轻生态环境压力的重要出发点。

阜康市作为新疆传统的绿洲农业耕作区，拥有较好的光、热、水、土等自然条件。但是在加速推进工业化和城乡一体化的进程中，建设用地需求的不断增加导致耕地数量不断减少,耕地质量的降低也直接影响耕地的产能和区域粮食产量。目前，新疆自治区地方政府已经制定了一系列优惠政策鼓励差别化开发利用有条件的国有未利用地，这为新疆广泛的未利用地资源的开发利用提供了必要的政策支持。政府政策支持下阜康市很多未利用地转换为耕地，随着耕地面积的扩大，大量未利用土地被开发为耕地和城乡工矿居民地，使未利用土地内部出现了大量其他景观类型，破坏了未利用土地原来的整体性。这也是该城市生态环境质量下降的另一个重要原因。

4 结 论

(1) 不同年份变化结果表明，从2000—2008年阜康市的生态环境质量明显下降，在这短暂的8 a间生态环境转差的区域面积达到了849.35 km2，约占总面积的25.72%；且以2008—2016年期间生态环境质量下降幅度为最大，环境质量转差的区域面积增长到1 601.41 km2比前8 a增长了2倍，约占总面积的48.49%，而环境质量转好的只占了13.06%。16 a期间，阜康市的环境质量转好的区域面积一直下降，反而质量转差的区域逐步增加，约占总面积的53.23%。

(2) 从空间分布看，生态条件变差的地点主要分布在郊区中部和北部地区。生态变好的区域主要是一些新增生态基础设施的旧城区和房地产开发建设中注重绿地等生态设施建设的新城区，而中部耕地周围变化不大。

(3) 阜康市城市环境质量变化的原因分析可知，除了降水量，气温，相对湿度等自然因子之外，煤炭资源开发，煤化工、电力、石油等行业，推进工业化和城乡一体化的进程中的不合理土地利用模式，建筑用地面积的增加等导致了阜康市生态环境质量下降(干旱等自然条件下超负荷开发活动是导致生态环境质量恶化的一个重要因素)。城市生态环境改善中，需要考虑进一步合理配置土地资源，科学布局城市发展空间，应将扩大植被覆盖度作为改善阜康市生态环境重要措施。