基于遥感与GIS的石羊河流域生态环境质量评价 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.39M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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基于遥感与 GIS 的石羊河流域生态环境质量评价 http://www.paper.edu.cn 王杰 1，崔玉环 2，郭阳耀 3 1 兰州大学资源环境学院，兰州 (730000) 2 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 (730000) 3 中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东青岛 (266101) E-mail：wang_jie06@lzu.cn 摘要：本文以 TM 影像、DEM、气象要素为基础数据，提取土地利用、植被、气候、水文等方面的评价指标，对 2006 年石羊河流域的生态环境质量进行定量评价与分析。结果表明，该流域的生态环境质量总体处在一般与较差之间，从南部祁连山地经由中部平原到北部荒漠不断恶化，其中阿拉善高原的生态环境恶化最为严重；从行政单元上来看，天祝县的生态环境质量较好，凉州区、古浪县、永昌县的生态环境质量一般，民勤县、金川区、甘州区与阿拉善盟生态环境质量较差。以上结论可为流域近期的生态环境整治提供科学依据。关键词：遥感；GIS；石羊河流域；生态环境质量；净初级生产力 1．引言生态环境质量评价就是根据特定目的，选择具有代表性、可比性、可操作性的评价指标和方法，对生态环境质量的优劣程度进行定性或定量的分析和判别[1]。区域生态环境质量评价是为了协调复合生态系统发展与环境保护的关系，是制定生态规划的基础，研究方法包括两种：一是通过探讨景观指数的生态意义，分析和评价土地利用变化的生态环境效应，探索土地利用格局与生态过程的相互影响机理；二是构建评价指标体系，综合定量分析和评价区域生态环境质量。相对而言，运用景观指数法不能很好解释土地利用变化与生态环境变化的内在机理[2]，通过构建评价指标体系来分析评价区域生态环境质量成为当前生态环境研究的热点。以地理信息系统、遥感技术、全球卫星定位系统为主的3S技术，为科学、政府管理和社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。随着信息科学技术的发展以及对其认识的加深，近年来国内外学者对基于3S技术的生态环境研究愈发的关注起来。Lee Lathrop(1998)等在生态敏感性评估中首先应用了景观生态学理论和GIS 技术，随后又引入了土地利用数据[3]，为生态评价研究提供了一种新思路。Heggem DT(2000)等将Lee等人的方法应用到Tensas河流域，进行了景观尺度的生态评价[4]。随着遥感与GIS在国内的发展，由遥感数据提取土地利用程度、植被覆盖因子等生态评价因子的技术逐渐成熟，被广泛应用于国内的生态环境质量评价研究中[5][6][7][8][9]。石羊河流域生态环境严重恶化，已经威胁到社会经济的可持续发展，许多学者从不同角度对石羊河流域生态环境质量进行评价[6][10[11][12]。朱发昇(1999)采用层次分析法将石羊河流域生态环境划分为几个层次，利用生态质量值法计算每个评价指标，首次对该流域生态环境质量进行定量评价[10]。而后，宋松柏等(2004)应用 BP 网络模型建立了评价旱区生态环境质量的 ANN 模型,并对甘肃省石羊河流域的民勤县生态环境质量指标值进行了实例研究[6]。孙艳伟等(2007)从水环境、植被、土壤等方面建立了生态环境质量评价指标体系,对 2000 年流域内古浪县、凉州区、金昌市和民勤县的生态环境质量进行了评价[11]。就目前研究情况看，由于研究方法和评价指标的限制，对该流域的评价结果和实际生态环境状况存在着一定的偏差，且对该流域近年来生态环境质量的评估研究比较少。因此，在遥感与 GIS 技术支持下，选取适合的评价指标对该流域近期生态环境质量进行评价与分析，具有重大的研究意义。 - 1 -

2．研究区和数据 2.1 研究区概况 http://www.paper.edu.cn 图 1 研究区地理位置 Fig1 Location of study area 石羊河流域（图1）位于甘肃省河西地区东部,东以乌鞘岭、毛毛山、老虎山与黄河流域为界,西以大黄山—马营滩与黑河流域为界[13]。地理坐标为101°21′～104°27′E ,37°08′～ 39°28′N ，行政区划包括金昌市、武威市凉州区、民勤县、古浪县以及天祝县、张掖市肃南县、山丹县,内蒙古自治区阿拉善盟、青海省门源县的部分区域,总面积约为4. 17 ×104 km2。该流域地处青藏高原东北缘与阿拉善高原过渡地带,地势南高北低,自西南向东北倾斜，兼有青藏高寒区和西北干旱区的气候特征，自东向西形成大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河8条支流[14]。流域内地貌、气候、水资源、土壤及植被等生态因素空间差异明显, 生态条件较为复杂。根据2008年8月下旬对该流域生态环境的实地勘查表明，人类对水资源的不合理利用导致源流向中下游输送的水量逐渐减少，生态环境不断恶化，尤其流域北部阿拉善高原的生态环境恶化最为严重。其表现形式主要有三：其一,地表水资源减少,地下水位下降；其二,植被大面积衰退死亡；其三,土地沙漠化、盐碱化程度加大。 3．数据与方法 3.1 数据来源研究中用到的数据包括：(1)基础地理数据：流域内1∶25 万的数字化基础地理数据,包括水系、居民点、县、乡级行政边界等数据图层；(2)遥感资料：覆盖流域的5景陆地卫星TM 影像，成像时间均为2006年8月；(3)地面高程数据；90米分辨率SRTM高程数据；(4)气象统计资料：流域内18个常规气象观测站点的2006年逐日气象统计资料，包括日均气压、气温、降水量、平均风速、相对湿度、日照时数等气象学指标。 3.2 评价单元前人根据流域内的县级行政单位为评价单元进行生态环境质量评价研究[6][11]，研究结果 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 能够反映流域内各行政单元生态环境质量的差异，却不能够反映单个行政单元内部的差异；且由于流域边界与行政边界不吻合，该方法不能对流域进行整体的评价。遥感中的地表参数反演和GIS中的空间分析为区域生态环境质量评价提供了新的途径，本研究选取流域内的各栅格单元（30m×30m）为评价单元进行生态环境质量评价。 3.3 评价指标根据流域目前存在的生态问题,选取与生态系统最相关的土地利用/覆盖、植被分布、地形、气候、水文这五个方面的评价指标[15]，对该流域2006年的生态环境质量进行综合评价。 3.3.1 土地利用/覆盖土地利用/覆盖在一定的自然条件背景下人类土地利用及相关活动的结果，能直接反映流域内部生态系统的生态环境质量。研究中对中国科学院使用的土地利用分类系统[16]进行了改进，确定了适合研究区的土地/利用分类体系（表 1）。根据该流域的 TM 影像，结合实地勘查结果进行土地利用/覆盖类型划分，得到该流域的土地利用结果。一级类别 1 耕地 2 林地表 1 土地利用/覆盖分类体系 Table 1 The land use/ land cover classification system 二级类别 11 水田 12 旱地 21 山地针叶林 22 落叶阔叶林 23 高山灌丛 24 人工造林地 3 牧草地 31 高寒草甸 32 山地草原 33 山地荒漠草原 34 荒漠草原 35 荒漠灌丛 4 水域 41 河渠 42 湖泊 43 水库坑塘 44 永久冰川雪地 45 5 居民地及工矿用 51 城镇用地 52 农村居民地 53 其他建设用地滩涂 46 滩地地 6 未利用地 61 沙漠 62 戈壁 63 盐碱地 64 沼泽地 65 裸土地 66 裸岩砾石地 67 其他 3.3.2 植被分布植被指数、植被覆盖度作为反映植被分布的参评指标存在着一定的局限性，它能反映植被的水平分布却不能很好的反映植被类型和垂直分布[17]。净初级生产力(NPP(net primary productivity))是绿色植被在单位时间内单位面积上生产的有机物的累积量，是地表生命活动过程的基础[18]。NPP作为地表碳循环的重要组成部分，直接反映植被群落在自然环境条件下的生产能力，能较好的表征陆地生态系统的质量状况[2]。本研究选取 NPP 为该流域生态环境质量评价指标，基于 CASA 模型对该流域的 NPP 进行估算。用到的公式如下[19]： tx ),( APAR tx ),( = ε× tx ),( NPP 其中，APAR(x,t)表示像元 x 在 t 月份吸收的光合有效辐射,它与太阳月总辐射量和 txε 表示像元 x 在 t 月份的光能利用率, 它与植被类型和环境条件有 ),( (1) 植被空间分布有关；关。根据石羊河流域的陆地卫星TM影像、SRTM高程数据与当地的气象统计资料计算所需的模型参数，并代入CASA模型可得到该流域2006年8月的NPP空间分布情况。 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 3.3.3 地形地势海拔高度反映环境的地形、地势状况，也决定了不同地表的植被类型。从垂直方向反映不同的自然环境景观[20]。研究根据中国西部的 SRTM 数据得到该流域的 DEM 数据。 3.3.4 气候条件研究选取年积温、年降水量这两个气候因子作为评价指标，通过对各气象站的数据进行空间插值得到该流域的年积温、年降水量空间分布情况。 3.3.5 水文条件在降水稀少情况下，地下水位是干旱区植被生长的主要环境因子[21]。研究区隶属干旱内陆气候区域，大气降水量较少，冰川融水补给甚微，地下水位的高低决定了流域内生态系统整体功能的强弱[5]。研究选取地下水位为生态环境质量评价指标，根据植被类型和植被覆盖度将地下水位由高到低分成 5 级。其对应关系如表 2 所示：表 2 地下水位分级表 Table 2 The grades of groundwater levels 植被类型河流、湖泊、冰雪等植被覆盖度 —— 山地针叶林、落叶阔叶林、高山灌丛等大于 80% 农田、居民地、山地草原、高寒草甸等 40%-80% 山地荒漠草原、荒漠草原、荒漠灌丛等 10%-50% 小于 10% 沙漠、戈壁、盐碱地等地下水位等级一级二级三级四级五级 3.4 生态环境质量评价模型的建立采用综合指标加权评价法，其生态环境质量评价模型为公式(2)： EQI = m ∑ i 1 = λ i • p i (2) 其中，EQI 为生态质量指数， ip 为各评价因子的标准量化值， iλ为各评价因子对应的权重值，m =1,2,3,4,5,6 3.4.1 评价因子标准化由于生态环境质量评价模型中各评价指标性质、量纲均不同，随生态环境质量变化的趋势也不一致所以需要在统一标准下进行定量化表达。本文将各评价因子标准定量化在[0，5] 范围内。 3.4.2 各评价指标权重系数的确定各个评价指标在生态环境质量评价模型中的权重决定结果的好坏。本研究采用主成分分析法来计算各评价指标的权重：先对各参评指标进行主成分分析，将相关的多变量空间数据转化为少数几个不相关的综合指标；再计算这少数的几个不相关综合指标中各参评因子所占的比重；最终计算各参评因子在整个生态环境质量评价中的权重系数[20]。在 SPSS 统计软件下对各评价指标量化标准值进行主成分分析，得到这 6 个评价指标在生态环境质量评价模型中的权重系数。 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 4．结果与分析将研究区各评价指标量化标准值及相应的权重系数输入前面的生态环境质量评价模型（式 2）中计算，得到石羊河流域综合生态质量指数。生态质量指数的数值大小代表该流域生态环境质量的好坏，生态质量指数越大，生态环境质量越好。 4.1 生态环境质量评价结果根据石羊河流域计算出的生态质量指数和实地勘查记录，把该流域生态质量指数分为五级，与当地的生态环境状况对应关系如表 3 所示[1]：表 3 生态质量指数分级表 Table 3 The level of Ecological Quality Index 生态质量指数生态质量分区等级生态环境质量状况 0～1 1～2 2～3 一级区二级区三级区差自然条件较恶劣,多属戈壁、沙漠、盐碱地、秃山或高寒山区，人类生存环境恶劣。较差植被覆盖较差,严重干旱少雨, 物种较少,存植被覆盖度中等,生物多样性一般水平,较适合人类生存,但有不适人类生存的制约性因在着明显限制人类生存的因素。一般子出现。 3～4 4～5 四级区良植被覆盖度较高,生物多样性较丰富,基本适优植被覆盖度高,生物多样性丰富,生态系统稳由表 3 的分级标准对计算出的石羊河流域生态质量指数进行分级，得到研究区的生态环定,最适合人类生存。合人类生存。五级区境质量评价结果图，如图 2 所示：图 2 研究区生态环境质量评价图 Fig.2 Ecological Quality estimate map of research area - 5 -

http://www.paper.edu.cn 图 3 研究区生态质量指数面积比例图 Fig.3 Percentage of ecological quality index in the research area 4.2 总体生态环境质量评价对上述评价结果进行分析得到研究区生态质量指数面积比例图（图 3）。由图 3 可以看出：研究区以二级区和三级区为主，占流域总面积的 60%以上；五级区的实际面积为 1284.64 km2，仅占流域总面积的 3%；其它两级区占流域总面积的 26%，说明石羊河流域总体生态环境质量处在一般与较差之间，从流域上游经中游到下游呈下降的趋势，这与前人的研究结果基本相符[10][12][22]。 4.3 县级行政单元生态环境质量评价 4.3.1 各县级行政单元之间生态环境质量比较将流域内各县级行政单元边界与生态质量指数结果进行图层叠加，计算各县级行政单元内所有像元值（生态质量指数）的平均值，并把该值作为该行政单元在流域内的生态质量指数，得到各县级行政单元生态质量指数图(图 4) 图 4 县级行政单元生态质量指数图 Fig.4 Ecological quality index map of county-level administration cells 由图 4 可以看出，在流域范围内，天祝县、肃南县生态环境质量较好，凉州区、古浪县、永昌县和山丹县生态环境质量一般，民勤县、金川区、甘州区与阿拉善盟生态环境质量较差，尤其阿拉善左旗生态环境质量最恶劣。这与孙艳伟(2007)对该流域生态环境质量评价结果基本一致[11]。 4.3.2 各县级单元内部生态环境质量空间分布通过对各县级行政单元边界与生态质量指数结果进行图层叠加，利用 GIS 中的空间分析功能对各行政单元内所有像元值（生态质量指数）进行分区统计，得到研究区各县级行政单元内部的生态环境质量空间分布。图 5 中表示的是研究区内主要的县级行政单元内部生态环境质量空间分布情况。 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 图 5 主要行政单元生态质量指数面积比例图 Fig.5 Percentage of ecological quality index in the mainly administration cells 由图 5 可看出：天祝县在研究区内的区域以四级区和五级区为主，四级区所占面积比例最大；凉州区、古浪县以三级区和四级区为主，三级区所占面积比例最大；民勤县以一级区和二级区为主，二级区所占面积比例最大，达到 58%；金川区、永昌县以二级区和三级区为主，其中永昌县内有四级区分布，所占面积比例达到 13%。 4.4 乡级行政单元生态环境质量评价将各乡级行政单元边界与生态质量指数结果进行图层叠加，计算各乡级行政单元内所有像元值（生态质量指数）的平均值作为该行政单元在流域内的生态质量指数，得到乡级行政单元生态环境质量评价结果(表 4)。市 Table4 Ecological Quality estimate table of commune-level administration cells 县（区）表 4 乡级行政单元生态环境质量评价表乡（镇）公用地凉州区九墩、双城、洪祥、四坝、青林、丰乐、金山、下双、永丰、永昌、羊下坝、大柳、怀安、长城、金羊、松树、柏树、清源、清水、城关、金塔、高坝、六坝、武南、东河、新华、吴家井、南营、校尉、黄羊、庙山、二坝西营、古城、河东、谢河、太平滩林场、中路、张义、武威市民勤县古浪县天祝县金川区永昌县金昌市上泉公用地、花儿园、中渠、东湖、西渠、红沙梁、义梁滩、昌盛、昌宁、羊路、夹河、收成、泉山、大滩、双茨科新河、东坝、三雷、大坝、重兴、薛百、蔡旗公用地、胡家边、土门、泗水、定宁、城关、井泉、岘子、西靖、民权、横梁、永丰滩、黄羊川、十八里铺、古丰、黑松驿毛藏、大红沟、祁连、旦马、安远、哈溪、西大滩、抓喜秀龙、柏林朵什、打柴沟宁远堡、双湾公用地、朱王堡 - 7 - 等级二级区三级区四级区二级区三级区三级区四级区四级区五级区三级区二级

http://www.paper.edu.cn 河西堡、北海子、红山窑、水源、六坝、南坝、焦家庄、东寨军马场、新城子平山湖蒙古族东乐、红寺湖、清泉、位奇、花寨子、大马营、军马总场、老军甘州区张掖市山丹县肃南县马营、泱翔、东滩、铧尖、皇城、北滩 5．结论与讨论区三级区四级区二级区二级区三级区四级区目前，区域生态环境质量评价存在的问题主要反映在评价指标的选择和其权重系数的计算上[15][23]。本研究在分析石羊河流域存在的主要生态问题的基础上，选取与生态系统紧密相关的土地利用类型、净初级生产力、海拔高度、年积温、年降水量、地下水位等评价指标，采用主成分分析法确定各指标的权重系数，建立适合研究区的生态环境质量评价模型进行评价分析，得出以下的结论。（1）选取栅格单元为评价单元能更好的反映流域内各行政单元之间的生态环境质量差异；也很好的反映了单个行政单元内部的生态环境质量差异；解决了区域边界与行政边界不吻合的问题，使得评价结果整体全面。（2）与植被指数、植被覆盖度相比，净初级生产力（NPP）能更直接的反映陆地植被分布情况，因而把它作为区域生态环境质量评价指标较为合理。（3）从评价结果上来看，研究区的评价结果与实地勘查的记录基本相符，这说明研究中选取的评价指标和评价方法具有一定的科学性和合理性；只有金川区的生态环境质量评价结果与实地勘查结果有着一定的差异，这可能是由于研究中没有充分考虑人类活动对生态系统稳定性的负面影响。在研究中，气候因子在流域内的空间分布是通过地面观测点常规气象资料插值得到，这给最终的评价结果带来了一定的误差。为了减少这种误差,有必要完善由遥感资料反演地表参数的算法, 提高评价模型的精度。 - 8 -

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