基于GIS和RS的北海市生态敏感性分析

李效荣,谢育珽,刘 萍

(1.保德县水利发展中心,山西 忻州 036699;2.太原理工大学大数据学院,山西 太原 030024)

随着城市化水平的不断提升以及人民日益增长的美好生活需要,全中国各个城市都加快推进城市建设,城市化率不断提高,但同时也带来诸如水污染、大气污染及噪声污染等生态环境问题。因此,对生态环境的综合性分析评价就显得尤为重要,需要对城市进行生态敏感性分析。生态敏感性反映了人类活动干扰和自然环境变化对生态系统的影响程度,从而反映出在该生态系统下,环境变化可能引发的生态环境问题的严重程度[1]。生态敏感性高低的衡量标准一般是生态因子的适应能力或恢复能力,其评价能够反映区域的自然环境良好程度、土地利用情况、人口负荷情况及未来合理规划方向,生态环境敏感性与评价是结合多种环境影响因子反映生态系统稳定性的重要方式,合理地研究区域的生态功能价值与生态敏感性对国家生态政策制定具有重要意义。目前,城市的经济发展与环境保护问题是学者们较为关注的热点,很多学者从不同角度进行了生态敏感性的研究,如ZHANG等[2]利用综合生态敏感性分析评估生态旅游对森林植被景观的影响;刘萍[3]基于土地利用与土地覆盖变化进行的生态服务价值特征研究;KONG等[4]利用生态敏感性对土地利用变化的影响研究;ZHENG等[5]结合海拔、坡度、坡向、森林类型和聚合距离评估城市森林公园的生态敏感性;刘鹂等[6]从水生态、水环境、水资源、水安全4个方面构建评价指标体系,对鹤壁市海绵城市建设的影响因素进行敏感性分析;陈榕榕等[7]通过ArcGIS平台结合层次分析法,构建了泉州市生态敏感性评价体系。广西北海市是全国14个沿海开放城市之一,自然资源丰富,拥有丰富的港口、淡水、能源、海洋(资源丰富拥有中国四大渔场之一的北部湾)、矿产及旅游资源[8]。因此,对北海市生态环境的保护十分重要。本文基于遥感数据和遥感影像,利用GIS技术和RS技术对北海市陆域的土地利用/覆盖变化(LUCC)、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡向以及水域缓冲区进行了综合分析,并对生态敏感性做了综合评价。本研究对北海市陆域生态环境治理、生态系统保护和修复以及城市绿色发展等具有重要的现实意义。

1 研究区概况

北海市别名珠城,位于广西南部、北部湾东岸,地理位置位于东经108°50′45″～109°47′28″、北纬20°26′～21°55′34″,属亚热带海洋性季风气候。北海市辖海城、银海、铁山港3区与合浦1县。境内河网密布、支流众多,南流江为最大河流。地势呈由北向南倾斜状态,西北与东北为丘陵地带,南部沿海为台地与平原地带。北海市境内拥有丰富的自然资源,包括14种非金属矿、多种金属矿及石油、天然气等,本文针对北海市陆域开展研究。

2 数据来源及数据预处理

2.1 数据来源

Landsat 8是空间分辨率30 m的中分辨率太阳同步近地轨道卫星[9]。MODIS是搭载在Terra和Equa卫星上的一个传感器,具有36个离散光谱通道,能实现从可见光波段到热红外波段全部光谱范围覆盖[10]。本研究数据来源为地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)的Landsat 8卫星数据、MODIS合成产品和SRTMASPEST 90M分辨率坡向数据。高程数据和坡向数据都下载自地理空间数据云平台,LUCC、NDVI以及水域缓冲相关数据都基于ENVI软件处理遥感影像反演得出。

2.2 数据预处理

首先对北海市陆域行政区划地图进行矢量化,得到北海市陆域的行政区划矢量数据。选取北海市陆域云量较小的遥感影像,在ENVI和MapGIS等GIS平台下对遥感数据进行大气校正、几何校正、投影转换、裁剪和拼接,得到北海市陆域区划下的遥感影像数据,以此为基础展开北海市陆域生态敏感性分析。

3 研究方法

在生态敏感性研究中,土地利用、植被覆盖、地形地貌以及水域周边环境等都对生态环境存在一定的影响。土壤是保障地球生态系统结构和功能的核心[11],土地利用变化能够引起土壤养分和水分变化、地表径流与侵蚀、生物多样性分布以及生物地球化学循环等的自然现象和生态过程的变化,进而影响生态系统的功能[12];植被是陆地生态系统的物质基础,植被覆盖对控制水土流失、改善生态环境有重要意义[13];地形的起伏是导致水土流失的最直接因素[14];河岸缓冲带是连接陆域和水域的生态纽带,对维持河流水质、维护流域景观稳定性和生态安全具有重要的意义[15]。北海市地势总体呈北高南低,地表略有起伏,南部起伏甚小,北部起伏略大,工业用矿资源、石油、天然气等资源丰富,但由于过度开采对生态环境造成了巨大的压力。根据北海市的土地利用动态变化及生态系统特点,从水环境、地貌环境及生态环境等方面选取了土地利用/覆盖变化(LUCC)、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡向及水域缓冲5个敏感性评价因子。

生态敏感性评价的步骤一般为确定评价对象和范围、选择评价因子、构建评价指标体系、确定因子权重[16]。首先对各因子进行单因子评价,利用GIS空间分析法,对多个评价因子的生态敏感性分布进行不同敏感度区域的面积计算,得出不同敏感区域在东川区总面积中的占比情况,便于进行敏感性等级之间的相互对比,构建北海市陆域敏感性评价的单因子评价体系,再采用层次分析法确定各单因子的权重,构建综合评价模型。

3.1 单因子评价体系

北海市陆域的生态敏感性单因子评价中,选取土地利用/覆盖变化(LUCC)、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡向及水域缓冲5个敏感性评价因子。单因子评价等级体系见表1,将各因子按敏感性程度划分为非敏感区、低敏感区、中敏感区和高敏感区4个等级[17]。

表1 单因子评价等级体系

3.1.1土地利用/覆盖变化(LUCC)

土地利用指土地的使用状况或土地的社会、经济属性,土地覆盖指地球表层的自然属性和生物物理属性[18]。运用Landsat 8遥感影像,反演北海市陆域LUCC评价因子。

3.1.2归一化植被指数(NDVI)

归一化植被指数(NDVI)可反映植物生长状况以及植被覆盖变化状况[19]。NDVI的计算见式(1),取值范围为-1～1,与植被覆盖程度整体上呈正相关[20]。

(1)

式中Rnir、Rred——红光波段和近红外波段的光谱反射率。

3.1.3高程

地形变化可通过高程反映。海拔与气温呈反比关系,即气温随海拔的升高而降低,按照实际大气温度直减率的定义,在对流层范围内,海拔每升高100 m,温度约下降0.65℃[21]。

3.1.4坡向

坡向对生态环境的影响主要表现在2个方面:一方面,不同坡向接收的热量和日照时间不同,体现在北半球南坡日照比北坡热量高、时间长,植被生长表现更好;另一方面,坡向不同影响降水,进而影响植被生长发育所需的水分,表现在迎风坡降水多于背风坡。

3.1.5水域缓冲

沿水域缓冲带,沿岸的景观生态表现出不同的格局,总体上生态环境质量呈递减趋势,即距离水域越近,生态环境条件越好,反之生态环境条件表现越差。本研究先通过归一化水体指数提取水体,再向水域岸带区域按水域缓冲半径分析敏感区。

3.2 综合评价模型

3.2.1层次分析法

层次分析法是作为一种定量研究方法,可以确定生态环境中各指标的相对重要性并对其进行综合定量分析[22]。不同评价因子对生态环境的影响程度不同,使用层次分析法确定生态敏感性综合分析中各评价因子的权重。

a)深入分析所研究问题的各相关因素。按照各属性的区别不同进行分解,自上而下建立起层次结构模型,各层次之间上下存在影响作用。

c)进行一致性检验:

C=(Cij)m×n=C·WT

(2)

计算得各单因子的权重值见表2。

表2 单因子权重值

3.2.2模型建立

生态敏感性受到多个影响因子的共同作用,由于每个单因子栅格图像属性不同,需要对各个因子进行叠加分析。GIS是解决空间叠加分析的常用工具,加权叠加法常用于解决多准则问题,具有充分综合各评价因子影响力以及减小误差的优点。北海市陆域生态敏感性的综合评价采用加权叠加法综合各单因子影响程度,将单因子栅格图像像元值与对应的因子权重值相乘,计算方法见式(3)。

(3)

式中i——评价的单元编号;k——评价的单因子编号;n——参与的评价因子总数;Bki——敏感性评价值;Wk——第k个评价因子的权重值。

4 结果与分析

4.1 单因子敏感性分析

4.1.1LUCC

对北海市陆域进行土地利用/覆盖变化(LUCC)的单因子敏感性评价,LUCC的单因子敏感性分布见图1。LUCC各敏感区面积占全市总面积的比例见表3,其中非敏感性区面积占比最低,为10.06%,主要分布在西南角市区、铁山港和合浦县城所在区域,以城镇建设用地和未利用地为主;低敏感性区土地面积占比最高,达40.74%,分布范围较广,主要在中部地区以及合浦县南流江沿岸地区,区域内主要是农业用地,如耕地等;中敏感性区土地面积占比次高,为31.40%,主要分布在研究区的西北部,大部分位于合浦县范围,区域内主要为林地;高敏感性区以北海市陆域的东北部丘陵为主,同时包括南流江在内的大小河流水面,面积占比为17.80%,以水面、山区自然林等为主。

图1 北海市陆域单因子LUCC敏感性

表3 LUCC各敏感区面积占总面积比例 %

北海市陆域的东北部丘陵为高敏感性区,对北海市生态环境建设的意义重大,应特别加强保护。

4.1.2NDVI

对北海市陆域进行归一化植被指数(NDVI)的单因子敏感性评价,NDVI的单因子敏感性分布见图2。NDVI各敏感区面积占全市总面积的比例见表4,其中非敏感性区面积占11.16%,以河流湖泊等水域和城镇建设等基本无植被覆盖的区域为主,大致分布在南流江、洪潮江水库以及沿海区域;低敏感性区在4个敏感性区域中占比最高,达50.62%,该区域主要位于北海市陆域中部及南部地带,主要为包括耕地等农业用地;中敏感性区土地面积所占比值次高,为34.65%,主要分布于北海市陆域东部及西北部,主要位于合浦县;高敏感性区面积占比值最低,仅为3.57%,主要位于市东北部山地地区,此地区海拔相对较高,有众多的山岭存在,以林地为主,植被覆盖率高。

图2 北海市陆域单因子NDVI敏感性

表4 NDVI各敏感区面积占总面积比例 %

4.1.3高程

对北海市陆域进行高程的单因子敏感性评价,高程的单因子敏感性分布见图3。高程各敏感区面积占全市总面积的比例见表5,其中非敏感性区面积占比最高,超过总面积的一半,达66.64%,主要分布在南流江沿岸以及北海市陆域南部与西部等沿海地区;低敏感性区域面积占比次高,为26.83%,主要分布在合浦县境内;中敏感性区大部分分布在北海市陆域东北部丘陵地带,面积占比为6.43%;高敏感性区域面积占比最低,仅为0.1%,基本分布在合浦县曲樟乡周边地区。

图3 北海市陆域单因子高程敏感性

表5 高程各敏感区面积占总面积比例 %

北海市陆域高程中非敏感区和低敏感区面积之和占北海市陆域总面积的比例达到93.47%,即高程在60 m以下地区面积占比达93.47%。高程敏感性整体介于非敏感与低敏感之间。

4.1.4坡向

对北海市陆域进行坡向的单因子敏感性分析,坡向的单因子敏感性分布见图4。坡向各敏感区面积占全市总面积的比例见表6,其中非敏感区面积占比最低,仅为0.01%,主要分布在正北坡向,该坡向日照与辐射最少且温度较低;低敏感性区面积占比次高,为48.10%,主要分布在山体西北和东北坡向;中敏感区面积占比50.13%,占比最高,主要分布在山体东南和西南坡向,与植被的受光照条件以及温度密切相关,正南方的日照时长与太阳辐射强度最多;高敏感性区域面积占比次低,仅为1.76%,表明研究区的南坡占比较低。

图4 北海市陆域单因子坡向敏感性

表6 坡向各敏感区面积占比 %

北海市陆域坡向以西北、东北、西南和东南为主,占比达98.23%,正北正南坡向占比极少,仅为1.77%。北海市陆域坡向整体表现为中、低敏感性。

4.1.5水域缓冲

对北海市陆域进行水域缓冲的单因子敏感性分析,水域缓冲的单因子敏感性分布见图5。水域缓冲各敏感区面积占全市总面积的比例见表7,其中非敏感区面积占比最高,达65.16%;低敏感性区主要分布在以距河流250～500 m为缓冲半径的缓冲区内,面积占比为15.37%;中敏感性区主要分布在以距河流50～250 m为缓冲半径的缓冲区内,面积占比15.60%;高敏感性区分布在以50 m为半径的缓冲区内,面积占比最低,仅为3.88%。因此,北海市陆域水域缓冲半径大于500 m分布最多,在50～500 m区间有少量分布。

图5 北海市陆域单因子水域缓冲敏感性

表7 水域缓冲各敏感区面积占比 %

4.2 综合敏感性分析结果

在GIS技术的支持下,根据土地利用/覆盖变化(LUCC)、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡向及水域缓冲5个生态敏感性影响因子的权重,采用加权叠加法得出北海市陆域生态敏感性分布,结果见图6,各敏感区面积占全市总面积的比例见表8。北海市陆域的生态敏感性主要为由东向西、由北向南呈递减趋势。北海市陆域非敏感区和低敏感区面积占比之和64.3%,主要分布在西南部,此地区是北海市政府所在地,土地利用类型以城镇用地、建设用地和未利用地为主,也存在部分农业用地,城镇化水平较高,植被覆盖度较低,高程以30 m以下为主,且河网相对不发达。中敏感区面积占比为29.88%,主要分布在合浦县境内,土地利用类型主要为园地、草地、林地和水域,植被覆盖率较高。高敏感区占比为5.82%,主要分布在北海市陆域东北部,此地区为山区,且呈东北至西南走向,土地利用类型以林地为主,植被覆盖率高,高敏感区也少量分布在北海市陆域中部和西北部。

图6 北海市陆域生态敏感性综合分析

表8 综合评价各敏感度区面积占比 %

从北海市各区角度分析,海城区与银海区生态敏感度较低,铁山港区中等,合浦县为最好。合浦县在北海市“三区一县”中经济发展水平相对较低、城镇化率不高、还属于成长阶段、具有很大的开发潜力。而海城区和银海区经济发展水平相对较好,常住人口众多。随着人民对美好生活需要的不断增长,开展村屯绿化等生态文明建设工作急需提上日程[23]。

从经济开发建设角度分析,非敏感区和低敏感区的生态系统较稳定,对外界的防干扰能力与抵抗能力较强,在北海市陆域将来的开发建设中可以作为优先选择区域,但是需要防止重化工企业以及污染性企业的入驻。中敏感区可以进行适度的开发,但是考虑到该区域内大多是耕地,应重点加强对生物多样性的保护,做到生态文明建设与经济建设协同发展。而高敏感区作为生态环境最脆弱、稳定性最差的区域,极易受到外界破坏和干扰,应将其纳入生态环境重要保护范围,同时禁止森林砍伐和开垦土地等破坏该地区生态环境系统的行为。

5 结语

本研究基于GIS和RS技术,选取土地利用/覆盖变化(LUCC)、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡向及水域缓冲5个生态敏感性评价因子,分别进行了单因子评价,并结合层次分析法和加权叠加法针对北海市陆域生态敏感性构建了综合评价模型,结论如下。

a)在5个生态敏感性评价因子中,土地利用/覆盖变化(LUCC)评价因子对北海市生态环境敏感性的影响最高,高程评价因子对其影响最低,其权重分别是0.368 7和0.055 6。

b)研究区的生态敏感性主要为由东向西、由北向南呈递减趋势。非敏感区和低敏感区面积占比之和为64.30%,主要分布在西南部,以城镇建设用地和未利用地为主,也存在部分农业用地,如耕地等,植被覆盖率较低,高程以30 m以下为主,且河网相对不发达。

c)中敏感区面积占比为29.88%,主要分布在西北部,大部分位于合浦县境内,土地利用类型主要为园地、草地、林地和水域,植被覆盖率较高。

d)高敏感区占比为5.82%,主要分布在北海市陆域东北部,此地区为山区,且呈东北至西南走向,土地利用类型以林地为主,植被覆盖率高,高敏感区也少量分布在北海市陆域中部和西北部。