基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:宁夏回族自治区重点研发计划()国家自然科学基金项目()资助收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./董春媛乔荣荣杨智程罗立辉常学礼.基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价.生态学报():.():.基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价董春媛乔荣荣杨智程罗立辉常学礼 鲁东大学资源与环境工程学院 烟台 南京大学生命科学学院 南京 中国科学院西北生态环境资源研究院 兰州 摘要:区域生态环境质量评价是国民经济建设与可持续性发展规划的基础是生态学研究的主要方向之一 以土地利用/覆盖数据和 数据为基础分别在 和 平台上进行景观多样性指数()与归一化植被指数()、湿度()、归一化裸土和建筑指数()、遥感生态指数()和改进遥感生态指数()的计算 在 最佳尺度约束下分析表明宁夏沿黄平原区景观多样性指数具有显著尺度依赖特征(.)阈值出现在 主成分分析()解释了研究区改进遥感生态指数主要受到 和 影响其中 是(特征值贡献率.)的决定因子特征向量为.为次要决定因子特征向量为.该分量在 计算中分值较高 是(特征值贡献率.)的决定因子特征向量为.为次要决定因子特征向量为.该分量在 计算中分值较低 从 在应用中可信性来看其在分析中采用 替代 有效地避免了 分析中 和 之间存在的生态学意义重复表达和多因子向量投影中的高度聚集 研究区空间异质性主要以“差”和“较差”级别分布在不同土地利用/覆盖类型交错区且以环绕研究区为主要特点 在“差”到“好”梯度上斑块密度为减少趋势由.个/减少到.个/而平均斑块面积呈增加趋势由.增加到.综合来看宁夏沿黄平原区生态环境质量总体 值为.刚好超过“较好”水平下限关键词:改进遥感生态指数景观多样性指数主成分分析宁夏沿黄平原 :./()():/.()()()().(.).()(.).(.)././.“”.:生态环境质量是指一定时间范围和区域内对影响其社会发展与人类活动的部分或全部生态因素进行定性分析与评判的区域性生态环境优劣程度 区域生态环境质量评价是国民经济建设与可持续性发展规划的基础为此国家环境保护部在 年以行业标准的形式颁布了生态环境状况评价技术规范其后在全国一些省、县行政单元进行了生态环境评价 在应用中由于规范中的核心指标生态指数()不具备空间表达且对主观因素(权重)依赖较大存在无法精准落实到应用规划图中的短板 针对这一问题徐涵秋在 年提出了一种基于遥感影像信息提取的遥感生态指数()该指数可以很好的弥补 指数不能进行空间表达的缺憾并借助遥感技术数据获取容易、计算程序化等优点迅速在诸多地区生态环境质量变化与评价中得到应用 是以遥感数据计算的绿度(用归一化植被指数()表示)、湿度()、干度(用归一化裸土指数和建筑指数()平均值表示)和热度(用地表温度()表示)四个指标为输入量经过主成分分析()获得分量然后用各因子在分量轴上载荷向量值判断其代表性和对轴的影响力 与 相比 具有客观、易获得和二维空间表达的优势对后续区域发展规划和生态环境质量评价具有重要支撑意义 但是 评价因子 与 之间存在的高度正相关引起导入因子(图层)生态学意义重复带来的偏差没有得到重视同时也没有考虑基于栅格计算的 如何概括表达相邻栅格性质差异所带来的影响如某一栅格只与另一类栅格相邻或与多种类型栅格相邻所产生的 不同无法表达 那么如何修正上述 计算中的漏洞?本研究拟采用景观多样性指数()替换 对普遍采用的 指数进行改进称其为改进遥感生态指数()主要依据包括:()与其它三个指标相比 反映的是短时间尺度地表温度状态而 因子与其他因子属性相似都是相对较长时间尺度地表属性累积状态表达()计算考虑到了基本分析单元周边的组成类型数和其面积比例信息量在 应用中若用 替代 首先需要解决的问题是如何确定适合的 分析尺度即:确定 尺度依赖特征 已有的景观尺度效应研究表明在水域分布为特点的巢湖和南四湖分别采用 期 董春媛 等:基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价:/.和 分析网格(基本分析单元)进行研究获得了较为合理的计算结果而在山西平朔矿山复垦生态恢复区的研究则以 网格获得了较为可信的结果 由此可以看出不论是在景观相似或相异区域其尺度依赖规律都存在差异 因此识别研究区 尺度依赖特征不仅是 计算中首先要确定的问题同时也是景观变化研究中恰当的分析尺度应用的基础宁夏沿黄平原处于干旱、半干旱交错带属于典型人工绿洲 近几十年高速的非均质化的城镇和农田扩张导致域内生态环境质量空间异质性发生了极大变化 为了深入解析宁夏沿黄平原区生态环境质量空间分布特征本文拟采用景观多样性指数 替代 的 计算方法对研究区生态环境质量空间分布格局进行分析 拟解决的科学问题是:()在干旱半干旱人工绿洲生态环境质量评价中 计算的合理性与生态学意义解释()宁夏沿黄平原生态环境质量空间异质性与总体生态环境现状图 研究区位置.研究区涉及到各级行政边界来源于全国地理信息资源目录服务系统 研究区概况宁夏沿黄平原位于宁夏回族自治区北部范围介于北纬 东经 面积约.(图)该区北起石嘴山南止黄土高原东到鄂尔多斯台地西接贺兰山 宁夏沿黄平原核心区是由黄河串联起来的卫宁灌域和银川灌域组成的人工绿洲区域绿洲所占比例 以上 研究区内湖泊和湿地密布人工灌渠纵横主要有东干渠、西干渠、汉延渠、唐徕渠等 该区土壤以隐域性灌淤土和草甸土为主天然植被以沿黄河分布的沙枣林和零散分布的灌丛湿地植被为 主 主 要 植 物 种 有 沙 枣(.)、枸 杞()、柽 柳(.)和芦苇(.).)等为主 该区是国家级沿黄经济区的核心地区也是国家生态功能区划中的重点区域 数据与方法.数据为了获得准确的景观多样性尺度依赖特征分析过程采用研究区多年土地利用/覆盖数据平均值进行 其中 年、年和 年数据来源于中国向全世界免 费 分 享 的数 据(:/./)年和 年由课题组下载的 和 遥感数据在遵循上述产品分类原则并参考中国科学院资源环境科学数据中心上世纪 年代土地利用/覆盖矢量数据通过野外和历史访问调查在宁夏林科院专家指导下解译完成 研究区土地利用/覆盖类型为农田、乔木林地、灌木林地、草地、湿地、水体、人工地表和裸地等 类 在 ()平台上对 年 月 日和 日的 数据进行计算(网址:/./)研究区涉及到的轨道号分别为:、和.方法.景观多样性指数与阈值 在已有的研究中 在计算流程和评价因子选择上基本固定在本文研究中为了避免存在评价因生 态 学 报 卷:/.子生态学含义重复表达的问题(和)采用分析确定后最佳分析尺度的 替换 本文的、和 计算与已有文献一致 和 的计算如下:景观多样性指数():借用植物多样性中 进行计算计算过程在 的邻域分析中完成 ()式中 为景观中第 类土地利用类型(或类型分级)占分析单元面积比例由于本文采用基础土地利用数据分辨率为 而且涉及到 类土地利用类型故文中不同尺度 计算从 个栅格()起始确保最小分析尺度也有包含 种类型的能力 同时为了减少计算量分析单位按照栅格倍数逐级增大从 起其后依次为 、共 个梯度 最终 尺度依赖性确定采用 年、年、年、年和 年共 年的土地利用/覆盖数据计算结果平均值判定.评价因子归一化与 计算针对上述 个输入因子在赋值单位和数值变化幅度上存在差异需要进行标准化处理使指标值统一到 之间 经极差归一化处理后获得输入因子图层(图)()()式中 为改进遥感生态指数 值越大生态环境越好反之亦然 表示主成分特征根累积达到以上的分量数在 分析中因为输入因子为 故(为整数)和 分别为某个评价因子的特征值和特征向量 其它因子定义同前 全域可视化表达是建立在采用归一化差异水体指数剔除研究区内水体信息后的基础上 此外文中 空间异质性分析是建立在分级基础上分级原则采用均值标准差法将分级间距分为 级(表 中第一和第二列)图 分析中的评价层.:主成分分析 最后整个研究区 水平(评价)可通过公式()计算结果与表 中分级阈值比较确定研究区整体生态环境质量级别 ()式中 为时间 的遥感生态指数为评价区域 第 类级别中值为评价区域 第 类级别相对面积 文中统计分析在 和 中完成回归方程显著性检查采用 检查(.为极显 期 董春媛 等:基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价:/.著)关联系数显著性检查采用 显著性检查 阈值分别为.和.需要补充说明的是本文中的 计算考虑到了 轴数目累计贡献率要超过 很显然参与计算 轴数大于等于 与其它研究在方法上存在一些不同表 分级 生态质量级别 规则阈值中值差 平均值标准差.较差 平均值标准差 平均值.较好 平均值 平均值标准差.好 平均值标准差.:改进遥感生态指数 图 的尺度依赖特征.结果.的尺度依赖性从研究采用的 个时段以土地利用/覆盖类型为基础计算的 平均值的尺度依赖特征来看存在显著一元二次方程变化规律(.)在分析矩形边长 范围内可以捕捉到 变化拐点(在 处图 中的三角点)当分析尺度小于拐点时 增加非常陡峭大于拐点时增加趋于平缓 因此文中 指数采用 的基本单元计算计算完成后用 数据管理中的重采样功能用近邻法重采样至 与其它三个因子图层在分辨率上保持一致.主成分分析特征从 输出评价因子与 的关联分析结果来看(表)在所有评价因子中 与 关联程度最大为.但仍未通过最低统计学显著性检查(.)说明采用任何一个因子都无法获得通过统计学显著性检查的 状况 同时从各评价因子与 的关联关系来看特点非常明显 和 与 呈负相关 和 与 呈正相关 此外 结果显示 轴占特征值信息的.轴占.二轴合计承载了特征值.可以确定采用此 轴依据公式()可获得所有参与评价因子绝大部分信息 从各评价因子对 轴信息集成的贡献大小(特征向量大小和正负关系)来看(表)主要贡献者是 特征向量为.其它 个评价因子特征向量为负值变化在.之间 主要贡献者是 特征向量为.其次是 特征向量为.和 特征向量为负且最大不超过.从 替换 对 结果的影响来看(表)在 中 与 正相关与 中 与 关系相反说明 引入避免了 中 与 对结果的影响高度一致重复表达的不足(二者关联系数分别为.和.)同时从统计学显著性检查结果来看在 中 个评价因子关联系数显著性都超过了.水平说明在人工绿洲区采用任一因子单独评价区域生态环境质量也可获得具有统计学意义的结果这明显偏离了 分析应用的主旨 而反观 与评价因子的关联分析结果有效的避免了这种现象发生(表)此外从 向量特征来看 分析中的 累计贡献率就在 以上从多维投影向量合成角度来看 分析采用的评价因子在结果贡献上具有相似作用(聚集于)而在 生 态 学 报 卷:/.中 贡献率不足 引入的 因子在 中占优势并使特征向量贡献率达到了 以上(表)这一结果从细节上辅证了 替代 在人工绿洲区遥感生态环境质量评价中的合理性表 评价因子与 和 的相关系数矩阵 .:遥感生态指数 :湿度 :归一化裸土和建筑指数 :归一化植被指数 :景观多样性指数 :地表温度 表 不同评价因子 分析特征向量与特征值 指数类型 评价指标.特征值.贡献率.特征值.贡献率.:主成分分析 从研究区总体环境质量评价角度来看在 评价中由于 和 轴累积贡献率超过 以上故依据表 中第一、二列数据采用公式()在 栅格计算器中对 输出的第一、二图层分别计算获得了图 中的研究区 年 分布现状图其中白色区域是采用归一化差异水体指数剔除的研究区内的水体信息 其后通过对 分布现状图的属性表进行分析获得研究区 平均值和标准差并依据表 的原则进行分类获得宁夏沿黄平原区 生态环境质量分级图 最后逐级进行 中值计算(表 第 列).空间异质性特征从图 的 分布现状来看 低值区主要分布在研究区周边即贺兰山东麓向宁夏沿黄平原过渡区和黄河东岸鄂尔多斯台地与黄土高原向黄河阶地过渡区 从图 的 生态环境质量分级结果来 期 董春媛 等:基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价:/.看“差”和“较差”级别在研究区周边呈连续分布格局其中西侧 以“差”级别为主东侧以“较差”级别为主 从不同 级别分布格局的数量化特征来看(表)在分布面积方面以“较差”级别面积最大为.占研究区的.其次为“较好”级别面积为.占.其后依次为级别“好”和“差”面积分别为.和.所占比例分别为.和.在斑块密度方面从“差”到“好”级别梯度上斑块密度为减少趋势由“差”级别的.个/减少到.个/说明随 增加其分布趋向集中分布这一点从平均斑块面积变化特点中可以得到印证在同一梯度方向平均斑块面积由.增加到.在同类斑块空间距离方面“差”和“好”级别斑块间相隔相对较远分别为.和.相互之间的连通性相对较低“较差”和“较好”级别分别为.和.相互之间连通性相对较高图 宁夏沿黄平原区 年 分布现状与分级.表 不同 级别空间格局数量特征 级别 面积/斑块密度/(个/)平均斑块面积/平均斑块间距/差.较差.较好.好.最后研究区总体 水平可依据表 中第一列数据与研究区总面积比和表 中分级计算获取的中值采用公式()完成计算 研究结果表明研究区整体 为.查表 中分级阈值可知研究区生态环境质量刚好达到较好级别(研究区 值为.大于较好级别最低阈限值.)讨论从 年 在中国首次提出并应用于福建省长汀县生态环境质量评价以来 的计算方法被许多研究者应用来分析区域环境质量 这些研究都延续采用、和 四个指标这不生 态 学 报 卷:/.仅忽视了遥感手段获取的 是表征的短时间尺度地表属性量而其它三个指标是相对较长时间地表属性累积的反映也忽视了在许多区域类型中 和 在生态学意义解释上高度相似的性质 因为大量遥感指数反演研究表明地表温度与人工地表和自然裸地有极高的正关联 此外在 分析中把研究基本单元(栅格)设定成相互独立状态忽视了栅格与同类或异类或多种异类相邻在生态环境质量评价中的意义因此用能够表达相邻栅格异质性的生态环境评价指标替代 成为提高 在生态环境评价应用中的可靠性必须面对的问题 是景观生态学研究中使用频率最高的一个指数它是基本分析单元(或研究区)中组成类型多样性的综合表达其大小与组成类型数和面积比例信息均匀程度相关 在不同研究区都表现出随分析单元大小而变化的尺度依赖特征 从宁夏沿黄平原 尺度依赖特征结果来看当分析尺度(正方形边长)达到 时 变化趋于平缓(图)在尺度分别增加.倍()和 倍()时 仅分别增了.和.在尺度减小.倍()时 减少了.因此可以推断在干旱半干旱人工绿洲区进行景观多样性研究中最佳阈值在 此外需要指出的是宁夏沿黄平原面积为.考虑到尺度效应不仅受分析单元的影响而且还受研究区范围大小的影响所以其它类似地区应用时要考虑到研究区规模大小可选择 左右若干梯度做简约分析获得适宜分析尺度从 评价过程中的 结果来看用 替代 计算获得各因子与 的关联系数都未通过统计学最低显著性检查(.)说明用 替代 后保持了各评价因子对 的相互独立状态(表)满足 分析 维向量投影条件 从 结果来看 轴占特征值信息的.其中 具有最大向量投射(.)是决定因子是影响 最大的因子 在 轴上向量投射居第二(.)其与 比值为.作用方向相反是影响 轴性质的次要因子 因此 轴在 中的生态学解释是 和 是影响生态环境质量的主要特征分量其值越大生态环境质量越好这种作用在 特征值中居主导作用相反 越大生态环境质量越差但这种作用在 特征值中居次要作用 对现状的解释为在 高值区 往往处于低水平 其生态学意义为大面积高 农田和乔木林地分布区对应地是 低值区这样的区域在 计算中分值较高 轴占特征值信息的.其中 具有最大向量投射(.)是决定因子 是影响 最大的因子 在 轴上向量投射居第二(.)与 比值为.作用与 方向一致是影响 轴性质的次要因子 因此 轴在 中的生态学解释就是 和 是影响生态环境质量的次要特征分量 和 越大生态环境质量越好反之亦然 对现状的解释为在 高值区 往往处于低水平这样的区域在 计算中分值较低 其生态学意义为若任一分析单元相邻有多种土地利用/覆盖类型其植被生产力对 贡献被弱化 结合研究区整体 水平为.略超过“较好”级别低限(.)说明在研究区中 和 高值区重叠现象发生概率较低 从 空间异质性特点来看一是以“差”和“较差”级别多分布在贺兰山东麓宁夏平原过渡带、鄂尔多斯台地宁夏平原过渡带和黄土高原宁夏平原过渡带三个区域呈环状围绕整个研究区 二是格局指数斑块密度和平均斑块面积与 变化具有较好的规律性主要表现为在从“差”到“好”梯度上斑块密度为减少趋势而平均斑块面积呈增加趋势(表)总的来看 替代 进行的 分析首先保证了与原有三个因子(、和)的低关联度其中与 最高仅为.(表)没有发生对 造成重复贡献表达的结果 同时基于 分级中值阈值评价宁夏沿黄平原区生态环境质量总体上处于较好水平 从具体应用角度来看在 环境中对研究区内任一指定范围(或行政区)的总体生态环境质量水平评估可通过表 中值阈值和选定范围内各级别相对面积用公式()完成计算在 分析中研究区自然特征必须予以高度重视 在大多数情况下采用 替代 在评价因子属性代表性和生态学解释上是可行的因为其有效地避免了 分析中评价因子 和 之间存在的生态学意义重复表达和多因子向量投影中的高度聚集 但是在特殊地理单元如青藏高原等常年冻土分布区和 期 董春媛 等:基于改进遥感生态指数的宁夏沿黄平原区生态环境质量评价:/.不同沙丘(固定、半固定等)类型为主的地貌类型区域 作为极其重要的指标是否适用需要慎重考虑 但是 所反映的短时间尺度属性必须通过恰当方法(多数据统计等)改进增强其与其它评价因子在时间尺度代表性上相对匹配 结论在宁夏沿黄平原区基于土地利用/覆盖分类的景观多样性指数具有显著的尺度依赖特征(.)阈值出现在 解释了研究区生态环境质量主要受到 和 影响其中 是(特征值贡献率.)的决定因子特征向量为.为次要决定因子特征向量为.该类型区在 计算中分值较高 是(特征值贡献率.)的决定因子特征向量为.为次要决定因子特征向量为.研究区空间异质性主要以“差”和“较差”级别分布在不同土地利用/覆盖类型交错区且呈环绕研究区为主要特点 在 由“差”到“好”梯度上数量特征主要表现为斑块密度为减少趋势由.个/减少到.个/而平均斑块面积呈增加趋势由.增加到.综合来看宁夏沿黄平原区生态环境质量总体 值为.处在较好水平参考文献():赵其国 黄国勤 马艳芹.中国生态环境状况与生态文明建设.生态学报 ():.中国环境监测总站.生态环境状况评价技术规范(试行):行业标准环保:.:.:.:.夏鑫鑫 朱磊 杨爱民 靳含 张青青.基于山地绿洲荒漠系统的生态系统服务正负价值测算 以新疆玛纳斯河流域为例.生态学报 ():.王丽霞 赵蕊 刘招 张双成 孔金玲 杨耘.基于 的延河流域生态环境质量监测与预估.干旱区研究 ():.徐涵秋.区域生态环境变化的遥感评价指数.中国环境科学 ():.().():.().:.郑子豪 吴志峰 陈颖彪 杨智威 .基于 的长三角城市群生态环境变化与城市化特征分析.生态学报 ():.阳含熙 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