基于GEE的石嘴山地区生态环境质量时空演变特征研究_韦春桃.pdf

第 卷第期测绘工程 年月 ：基于 的石嘴山地区生态环境质量时空演变特征研究韦春桃，周永绪，朱菲，宋哲君（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 ；安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 ；华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 ）摘要：以石嘴山市为研究对象，基于 平台选取 年的 影像数据，提取绿度、湿度、干度、热度，并加入符合地区特点的盐碱度指标共同构建改进后的遥感生态指数（），采用长时间序列的趋势分析方法，对 年石嘴山地区的生态环境变化进行综合评价。年研究区的 指数与绿度、湿度呈正相关，与盐碱度、干度、热度呈负相关，生态环境质量呈现出“下降快速上升缓慢上升”的趋势。年石嘴山市的生态环境质量呈明显改善趋势，生态环境质量显著上升区域面积为 ，占比 ，显著下降区域面积为 ，占比 。在 年，除主城区及周边地区生态环境质量下降以外，其余地区较之前都有明显上升，尤其是在沙湖以及黄河两侧。研究表明区域生态环境质量下降的主要原因是城市扩张，上升的主要原因是内陆湖以及土壤盐渍化改良工程对生态环境的积极改善作用。关键词：遥感生态指数；谷歌地球引擎；主成分分析；斜率估计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：重庆 市 基 础 科 学 与 前 沿 技 术 研 究 专 项 重 点 项 目（）第一作者简介：韦春桃（），女，教授，博士通信作者简介：周永绪（），男，硕士研究生 ，（，；，；，）：，（），“”，：；生态环境质量是社会经济可持续发展的基础，当前社会经济的快速发展，对环境质量的要求也不断提高。习近平总书记在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出，坚定不移走生态优先、绿色发展的现代化道路。因此分析生态环境质量的时空演变特征，对生态保护和治理决策具有十分重要的意义。近年来，遥感技术凭借其大范围、长时间和全天候实时监测的优势，被越来越多地应用于生态环境监测与评价。目前，大多数利用遥感技术进行生态评价的研究工作局限于单一遥感信息进行评估。如利用植被指数监测植被覆盖面积、利用地表温度评估城市热岛效应、使用土地覆盖数据分析土地利用变化等 。这些方法只能评价生态系统的单一特征，无法评价多因素对生态环境的综合作用。年环境保护部门提出采用生态环境状况指数 作为生态环境状况的评价标准并广泛应用，但其指标权重仍需人为设定。徐涵秋等 于 年提出遥感生态指数（，）模型，通过耦合一个地区的地表湿度（）、干度（）、热度（）和绿度（）项与人类活动息息相关的生态环境指标，可避免人为设定权重且结果能被可视化，能快速、直观地对区域生态环境进行评价。的提出不仅弥补了现有研究方法的不足，而且对于生态环境质量评价 具 有 很 高 的 实 用 性。随 后 很 多 学 者 以 模型为基础对不同区域进行生态环境评价，但大多数研究使用多时相遥感数据进行评价，并未研究 的长时间序列时空演变特征。如宋慧敏等 通过两期 影像，构建 模型评价渭南市的生态环境质量及变化情况。范德芹等 考虑到环境变化对生态系统的累积效应，除了原模型的 个 生 态 指 标 外，引 入 植 被 净 初 级 生 产 力（）指标，提出改进后的 模型，对神府矿区的生态环境变化进行综合评价。等 利用四期影像，构建 模型，分析 的全局自相关性和局部自相关性。但是以上这些研究往往只注重于当前年份的生态环境质量空间分布，无法获取像元级生态环境质量的变化趋势，而长时间序列研究能更好的反映区域内生态环境质量的演变特征。在云计算背景下，谷歌地球引擎 已成为进行地学相关研究的一个强有力的工具。在 云端进行数据获取、处理、计算与分析，运算能力强大且稳定，并且还可以快速、批量地处理大量数据，且不受时间和空间的限制。此外，虽然 模型对区域生态环境评价较为客观，但是若生态系统出现蒸降比大、水土流失严重等情况，其原有指标体系中的绿度、湿度、干度、热度，并未体现出蒸降比大、水土流失对于生态系统的累积效应，生态与环境之间的交互作用表达有待进一步提高，。而土壤盐渍化是指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，使盐分积累在表层土壤中的过程，能够表征生态系统的蒸发量、降水量以及水土流失等情况，也可从空间分布状况反映生态环境的变化 。因此文中对遥感生态指数 模型加以改进，除了考虑绿度、湿度、热度和干度项指标，增加土壤盐渍化盐度指标，进而体现区域内蒸发量、降水量以及水土流失的状况。基于 平台提取 年石嘴山地区的 ，分析其时空演变特征，旨在为石嘴山地区的生态环境保护提供科学依据。研究区概况与数据来源 研究区概况石 嘴 山 市 位 置 介 于 ，位于宁夏回族自治区北部，东、北、西三面与内蒙古毗邻，南与银川市接壤，东屏黄河，西靠贺兰山（见图）。研究区属于典型温带大陆性气候，年平均气温 ，全年日照充足，降水量少，年平均降水量在 ，蒸发强烈，年蒸发量在 ，属于干旱半干旱区。此外，研究区水土流失严重，是宁夏引黄灌区土壤盐渍化面积最大的区域，一直制约着地方经济发展及生态环境保护 。目前引黄灌区盐渍化耕地面积为 万，占引黄灌区耕地总面积的 。数据来源与处理遥感影像直接来源于 平台数据库提供的 级别（质量最高）的 （）和 第期韦春桃，等：基于 的石嘴山地区生态环境质量时空演变特征研究图研究区概况（）地表反射率数据产品（，），该数据已经过几何校正、辐射校正、大气校正。为了避免植被生长状况不同、地表温度要素各异造成的影响，同时使分析研究具有可比性，并考虑云量和数据精度要素。基于 编程（），逐年份筛选目标年份的夏季（月）遥感影像。使用 算法对输入的符合时间和空间范围的影像数据集去除有云像元，以无云像元中值合成目标年份夏季最小云量影像，中值合成可有效消除影像异常值、与影像拼接色差的问题。需要特别指出 年无可用的 与 影像，为减少不同传感器造成实验结果的差异，剔除 年。本研究使用的具体数据集名称如表所示。表数据源介绍数据名称数据类型分辨率数据时间数据来源 栅格 年 平台 栅格 年 平台石嘴山市行政区边界矢量 年中国科学院资源环境科学与数据中心 分辨率数字高程数据栅格 年地理空间数据云另外，大片水体的绿度指标与湿度指标均会异常，为使 能够真实代表地表湿度状况，避免大片水体影响主成分的荷载分布，所以需进行水体掩膜。目前关于 模型的研究中一般以指数阈值法进行水体掩膜，如 （）和 （），但面临最佳阈值选取问题。因此本研究改用自动化水体指数（，）进行水体掩膜，旨在更加客观、准确评价研究区内的生态环境质量。水体指数有两种形式，分别为 和 ，适用于没有阴影的场景，适用于阴影较多的场景，研究区阴影 较 多 且 水 体 集 中 分 布 于 城 区 外，所 以 选 用 进行水体掩膜，其计算式为：（）（）式中：，分别为蓝波段、绿波段、近红外波段、短波红外和短波红外波段。研究方法提取绿度、湿度、干度、热度，并加入符合地区特点的盐碱度指标共同构建改进后的 ，采用主成分分析法将个指标的主要信息集中于第一主成分（）上，使得 模型能够包含个指标的信息。改进后的 指数计算式为：（，）（）式中：，分别为绿度指标、湿度指标、干度指标、热度指标以及盐碱度指标。基于 计算 是一个以云计算为基础的全球尺度的空间分析平台，具有海量计算能力。平台中可以获得大量的公开数据，包括一系列的光学、非光学的卫星和航空影像、天气和气候预测、土地覆盖、地形等数据，。根据徐涵秋 基于 影像提出的各分量以及盐碱度计算公式，在 云平台上完成了各年份分量指标的计算与归一化，并进行主成分分析与趋势分析，基于 平台的 计算流程如图所示。各分量指标的计算土壤盐碱化主要发生在干旱半干旱地区，石嘴山市位于宁夏引黄灌区下游，蒸发量远大于降水量且水土流失严重，地势平坦低洼，是土壤盐碱化问题的重灾区，严重制约着生态系统的建设和农业可持续发展。土壤盐碱化是影响生态系统稳定的重要因素，还会影响植被生长导致土地荒漠化，并能反映出蒸发量、降水量、水土流失对生态系统的累积效应。故文中将盐度指数（）作为构建 模型的指标之一，来评价干旱区土壤盐碱化对生态测绘工程 第 卷图基于 平台的 计算的技术路线环境质量的影响 。改进后的 指标主要由绿度、湿度、干度、热度、盐度种指标组成，各指标计算式如下：绿度指标：；（）湿度指标：（），（）（）；（）干度指标：（）；（）热度指标：单窗口算法 ；（）盐度指标：（）.（）式中：，分别为 近 红外、蓝波段、绿波段、红波段、近红外波段、短波红外和短波红外的反射率；建筑指数（，）和 裸土指数（，）；为 通道中的 亮度温度，为地表比发射率，均由线性回归确定。长时间序列数据的趋势分析 趋势检验法 趋势检验方法是一种使用较为广泛的非参数统计检验方法，本研究分析石嘴山市 的 变 化 趋 势，定 量 反 映 变 化 趋 势 的 显 著性 。检验对于一组独立分布的时间序列（，），原假设为无变化趋势；备选假设为呈单调增或减的趋势。由此通过统计原假设及备选假设正偏差总次数来判断变化趋势的显著程度。首先定义检验统计量：（），（）（），；，；，.（）式中：，分别为，年份相应的 值，代表符号函数，返回变量的正负号。当时表征时间序列呈上升趋势，时表征其呈下降趋势，则表示稳定。的方差 （）计算式为：（）（）（）（）（）.（）式中：是序列中数据个数，是序列中结（重复出现的数据组）的个数，为结的宽度（第组重复数据组中的重复数据个数）。使用检验统计量进行显著性检验，其中值和值计算式为：（）（），（）（），.（）（）.（）式中：为累计分布函数，在给定的显著性水平第期韦春桃，等：基于 的石嘴山地区生态环境质量时空演变特征研究下，当时，接受原假设，即趋势不显著；否则接受备选假设，即表明序列呈显著上升趋势，表明序列呈显著下降趋势。文中取显 著 水 平 ，。当 时，接 受 原 假 设，即 趋 势 不 显 著；若 ，拒绝原假设，认为趋势显著，且如果，认为序列存在上升趋势，认为序列存在下降趋势。利用 法对石嘴山市 年的 数据进行趋势分析，寻找生态环境质量发生显著变化的区域。斜率估计 斜率估计是一种非参数趋势斜率计算方法，不受序列奇异值的影响，能很好的反映序列的变化程度，是对 趋势检验法的补充。对于时间序列（，），斜率估计趋势度的计算式为：.（）式中：为序列的趋势度，为取中值函数，分别是第个和个样本的时间序列值，先将得到的斜率序列按从小到大的顺序排列，如果斜率序列长度是奇数，则取最中间的一个数作为 斜率，如果是偶数，则取最中间两个数的平均数作为 斜率 。结果分析 模型对比分析为分析原始 与增加指标后的 的差异，通 过 差 值 法 将 与 原 始 相 减（），得到差值的空间分布状况如图所示。图石嘴山市原始 与修改后 空间差异分布由图可知，差值的分布有着明显规律，其整体呈现两侧高、中间低的空间分布规律。随后 影像与图对比，的区域主要包括黄河东南侧的引黄灌区、贺兰山脉以及低覆盖度草地、城市建成区。的区域主要为石嘴山市中部地区耕地、中覆盖度草地以及内陆湖湿地。上述分布规律表明在生态系统蒸降比大、水土流失、土壤盐碱化严重地区 低于 ，在耕地、内陆湿地、高覆盖度草地上，高于原始 。因此 提高区域内生态系统蒸降比，水土流失严重情况下的表达能力。模型合理性分析由表可知，在 年内，以每为间隔进行分析，第一主成分（）的贡献率均超过，最高达到 ，最低为 ，平均贡献率达到，则说明第一主成分集中了 以上的各指标分量的信息，既表明构建 过程的合理性，同时也验证了增加指标后的 模型，在水土流失严重、蒸降比大的地区进行生态环境质量评价。表第主成分（）的特征向量及贡献率年份绿度湿度热度干度盐度累积方差贡献率 测绘工程 第 卷由表可知，验证填加土壤盐碱度指标的合理性，与各分量指标的相关性均高于 ，能代表各个分量的综合信息。与绿度、湿度、热度、干度、盐度的平均相关系数分别为 、，其中与盐度的相关系数达到了 ，土壤盐碱化对石嘴山市生态环境质量具有显著负向作用。绿度、湿度对 的贡献权重为负值，与 的相关系数为正值，表明绿度和湿度对研究区生态环境质量有正向作用；干度、盐度、热度贡献权重为正值，与 的相关系数为负