顧及干旱區特征的敦煌市生態環境質量動態監測與評價

徐景豐,周 磊,竇世卿,韋凱耀

(桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541006)

0 引言

2021年1月20日媒體報道了敦煌防護林被毀事件，引起了全國人民的高度關注。敦煌市是我國西北的歷史文化名城，氣候環境干燥，年平均降水量僅39.9 mm，生態脆弱，易受到人類活動的影響，對其進行生態環境質量動態監測和評價工作十分緊迫。

遙感生態指數(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)可以定量地評價和對比城市生態環境質量與時空動態變化分析[1]。應用非常廣泛，茹克亞·薩吾提等[2]、任彥霓等[3]、陳曉輝等[4]和杭鑫等[5]利用RSEI模型分別探究阜康、昆明、南京和福州等城市的生態環境質量變化。潘洪義等[6]引入增強型建筑指數和增強型裸土指數構建RSEI，評價汶川“5·12”地震對生態環境質量的破壞程度。王志杰等[7]基于RSEI模型監測評價城市土地利用/覆被格局變化及其生態效應。目前利用RSEI指數進行生態環境評價主要適合城市區域，西北干旱區大部分是沙漠和裸巖，基于RSEI指數對干旱區的生態環境質量的評價不夠準確。為此，本文顧及敦煌市研究區的干旱特征，擬對現有的RSEI進行改進，在綠度、濕度和熱度的基礎上進一步耦合鹽度和溫度植被干旱指數，基于熵權法確定權重構建新的干旱遙感生態指數(Arid Remote Sensing Ecological Index，ARSEI)，基于2000—2020年的Landsat5/TM和Landsat8_OLI遙感影像對敦煌市生態環境質量的時空變化特征進行分析與評價，以期為敦煌市的生態環境綜合治理和科學協調發展提供依據。

1 研究區概況與數據源

敦煌市位于甘肅省西北部(92°13′～95°30′E，39°40′～41°35′N)，平均海拔約1 139 m，南部和北部地勢高，中間低，從西南至東北傾斜，呈西南高、東北低的趨勢，其地貌大致分為走廊平原、丘陵和山地，屬于典型的溫帶干旱性氣候，因地處戈壁深處、日照時間長，年平均降水量42.2 mm，蒸發量2 505 mm，常年極度干旱，最高氣溫41.7 ℃。全市土地總面積31 200 km2，但綠洲占比僅為4.5%，約為1 400 km2，被稱為敦煌生態之肺的草原面積只有1 500 km2。由于敦煌市大部分是沙漠，故選擇敦煌市人口較為密集的區域進行研究。

本文使用的遙感數據包括2000,2005,2010,2015和2020年共5期的Landsat5/TM和Landsat 8_OLI影像，空間分辨率30 m，影像集中在6—7月，云量值2%以內，數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，預處理過程主要包括輻射定標、大氣校正和裁剪等。

2 顧及干旱特征的遙感生態指數改進

干旱區主要以沙漠和裸巖等為主，綠化地帶較少，通過耦合鹽度和溫度植被干旱指數對RSEI進行改進，構建更加凸顯干旱特征的ARSEI。

2.1 綠度指標

采用歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)作為綠度指標，計算公式為：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred),

(1)

式中，ρnir和ρred分別為近紅外和紅波段的反射率。

2.2 濕度指標

采用纓帽變換[8-10]進行圖像處理。針對Landsat OLI和TM數據，濕度的計算公式分別為：

WetOLI=(0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred+

0.340 7ρnir-0.711 7ρswir1-0.455 9ρswir2),

(2)

WetTM=(0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+

0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2),

(3)

式中，WetOLI為Landsat OLI數據的濕度指數；WetTM為 Landsat TM數據的濕度指數;ρblue，ρgreen，ρred，ρnir，ρswir1和ρswir2分別為藍、綠、紅、近紅、中紅外波段1和2等波段。

2.3 鹽度指標

干旱地區地表土壤或地下水所擁有的鹽分不能順利地通過地表徑流的方式進行釋放或流出，導致土壤鹽堿化，使地表植被覆蓋率的增長速率受到限制[11]，對干旱地區的生態環境質量產生重要影響[12]。因此在研究中增加衡量土壤鹽堿化程度的鹽度指數(SI-T)[13]為：

SI-T=100×(ρred/ρnir),

(4)

式中，ρred和ρnir分別為紅波段和近紅波段。

2.4 熱度指標

選取地表溫度來反映研究區熱輻射變化的程度[14]，并采用大氣校正法來反演地表溫度(Land Surface Temperature,LST)[15]，計算公式如下：

L=[εB(LST)+(1-ε)L↓]·τ+L↑,

(5)

T=[L-L↑-τ(1-ε)·L↓]/τε,

(6)

(7)

式中，T為黑體熱輻射亮度；LST為地表溫度(℃)；L為熱紅外輻射亮度值；τ為大氣透過率；ε為地表比輻射率；L↑和L↓為大氣上行輻射亮度和大氣下行輻射亮度。對于Landsat5/TM傳感器，K1=607.76 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1 260.56 K，對于Landsat8_OLI傳感器，K1=774.89 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1 321.08 K。

2.5 溫度植被干旱指標

溫度植被干旱指數(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)是以地表溫度(LST)和植被指數(NDVI)作為基礎，通過構建NDVI-LST特征空間，來反映研究區地表土壤水分含量的重要參數[16]，適用于間接監測干旱地區的土地相對干旱程度[17]。計算公式為：

TVDI=(LST-LSTmin)/(LSTmax-LSTmin)，

(8)

LSTmin=a+b×NDVI，

(9)

LSTmax=c+d×NDVI，

(10)

式中，LST為地表溫度；LSTmin表示地表的最低溫度，為TVDI的濕邊；LSTmax表示地表的最高溫度，為TVDI的干邊；a，b和c，d分別為濕、干邊擬合系數。

2.6 干旱遙感生態指數構建

基于NDVI，WET，LST，SI-T和TVDI五個指數構建ARSEI，以像元累計2%作為最小值，累計98%作為最大值對5個指標進行歸一化處理。計算公式為：

(11)

式中，Nli為某一指標歸一化后的值；li為該指標在像元i的值；lmin，lmax分別為該指標的最小和最大值。

為避免指標權重計算的主觀性，本文選用熵權法[10]來確定每個指標因子的權重，通過構造各年份的5個指標權重形成判斷矩陣，根據式(12)得到不同年份研究區的ARSEI：

ARSEI=NDVI×ω1+WET×ω2+(SI-T)×ω3+

LST×ω4+TVDI×ω5，

(12)

式中，ARSEI為不同年份的干旱遙感生態指數;ω1，ω2，ω3，ω4和ω5分別對應綠度、濕度、鹽度、熱度和溫度植被干旱指標的權重。

為了能夠直觀、定量地分析研究區的生態環境，可將最終得到的ARSEI指數再次進行歸一化處理，通過等間隔法將其分為0～0.2為差、0.2～0.4為較差、0.4～0.6為中、0.6～0.8為良和0.8～1.0為優5個等級[9]。同時對各年份的遙感生態指數進行差值計算，將得到的結果劃分為明顯退化(<-0.3)、略微退化(-0.3～-0.1)、無明顯變化(-0.1～0.1)、略微改善(0.1～0.3)和明顯改善(>0.3)五個等級。

3 結果分析

3.1 ARSEI模型的適用性檢驗

為了驗證ARSEI模型在敦煌干旱區生態環境監測中的有效性，以2015年為例對改進的ARSEI模型與RSEI模型對生態環境質量的評價結果進行對比，如圖1和表1所示。

(a) ARSEI

(b) RSEI

表1 2015年RSEI與ARSEI的評價結果

由圖1和表1可知，2個指數進行生態環境評價整體上無明顯變化，沙漠地區出現較大面積略微改善，而退化的區域主要分布在城市，主要原因是改進的RSEI指數替換了原有的干度指數，增加了更適合評價沙漠環境的SI-T和TVDI。改進的ARSEI指數在沙漠環境更突出，更能精確地表明敦煌市干旱這一特殊生態環境狀況。

采用熵權法確定5個指標因子的權重，結果如表2所示，各指標因子對干旱遙感生態指數ARSEI的貢獻度有所差異。

表2 2000—2020年ARSEI五個指標的熵權法權重

2000—2020年，正向因子中濕度的貢獻度最大，主要原因是沙漠地區濕地面積的變化會影響耐旱灌木和草本植被的生長，進而影響生態環境質量；在負向因子中熱度的貢獻度要大于其他2個指標，主要原因是熱度通過影響水分的蒸發量來影響土地的干旱程度，敦煌市常年干旱少雨，蒸發量大，證明熵權法結果的合理性。

3.2 敦煌市生態環境質量空間分布特征

通過ArcGIS對各年份的遙感生態指數進行差值計算，敦煌市生態環境質量變化特征如圖2和表3所示。

表3 敦煌市不同時期的生態等級面積及比例

由圖2和表3可以看出，2000—2020年生態質量優和良的比重基本在5%以內，而生態質量較差和差的比重在80%左右，這表明敦煌市整體生態環境質量十分惡劣，生態質量好的區域分布在西北部。2010年生態質量差的比重從2005年的12.91%增長到44.79%，而生態質量優的比重達歷史最高5.08%。已有資料顯示，2010年林地的變化率大，草地的面積也有所增長[18]，說明政府已經意識到環境惡化的趨勢，2010年的綠化措施取得一定效果，改善區域集中分布在西北部區域。二十年間西南部區域呈現差與較差交替變化，2005年南部生態環境整體略微改善，西北部城市較為集中的區域生態環境保持良好狀態，但北部區域環境狀況由較差變為差，2010年中北部生態差的區域出現較大面積的略微改善，而且2015—2020年南部區域生態環境漸漸改善，生態環境差的區域逐漸減少，北部區域生態優的區域面積逐漸增加，總體上得到有效改善。

3.3 敦煌市生態環境質量時間變化特征

2000—2020年單一指標和ARSEI變化特征如圖3所示。從圖3可以看出，ARSEI值呈現先下降后上升的趨勢，其中2010—2020年ARSEI值持續增長，SI-T和WET指數始終保持著非常穩定的狀態，且SI-T值高，WET值低，這也符合敦煌市沙漠地帶的地理環境特征，LST和TVDI指數呈現先增后減的趨勢。NDVI和WET指數對生態遙感指數產生正面影響，LST，SI-T和TVDI指數對生態遙感指數產生負面影響。

3.4 敦煌市生態質量變化監測

敦煌市各年份生態環境質量面積變化如表4所示。ARSEI空間演變特征如圖4所示。由表4和圖4可知，近二十年來敦煌市生態質量總體無明顯變化。2000—2005年研究區略微退化的面積為2 397.020 km2，占比52.49%，略微改善的面積為343.890 km2，占比7.52%，總體生態質量下降。2005—2010年研究區明顯改善的區域與前5年相比有所下降，降到9.566 km2，明顯退化區域面積增加。2010—2015年改善區域略大于退化區域，生態環境得到好轉。2015—2020年改善的區域與前5年相比有所上升，退化的區域略微增加，說明在最近的5年對生態環境的治理取得了明顯效果，在治理較差和差的區域時，注意到對環境的防護。2000—2020年生態質量改善的區域面積為1 289.524 km2，退化的區域面積為1 198.270 km2，生態質量改善的區域面積略大于生態質量退化的面積，研究區的生態質量整體相對得到了改善，但并不明顯。

表4 敦煌市各年份生態環境質量面積變化

圖4 2000—2020年敦煌區ARSEI空間演變特征Fig.4 Spatial evolution characteristics of ARSEI in Dunhuang district from 2000 to 2020

4 討論

敦煌市的自然環境是典型的干旱區，干旱區多為沙漠和裸巖，城市建設用地面積比較少，徐涵秋[1]構建了RSEI耦合的干度指數，其中包含的建筑指數不適用評價沙漠類型的生態環境；鹽度指數能衡量土壤鹽堿化程度，溫度植被干旱指數反映研究區地表土壤水分含量，引入鹽度指數及溫度植被干旱指數的改進遙感生態指數ARSEI更能有效地分析敦煌市干旱這一特征。

從各項指數的變化趨勢可看出，ARSEI值呈現先下降后上升的趨勢，其中2010—2020年ARSEI值持續增長，主要是敦煌市圍繞《敦煌生態環境和文化遺產保護近期工作方案》展開城市環境的整治工作，加大了對生態環境的保護力度。在2000—2010年敦煌市生態環境是呈逐漸惡化的趨勢，由于人口的增加以及不合理的地下水開采導致生態環境惡化，據資料顯示敦煌市濕地逐年遞減，據2007年甘肅沙漠研究所報道庫姆塔格沙漠年均以1 m以上的速度向東擴展，沙化程度加??；2010—2020年敦煌市生態環境有所好轉，表明相關政府部門的工作力度加大，重視植被的防護，這與敦煌市同期實施《敦煌市水資源合理利用與生態保護綜合規劃(2011—2020)》[19]，提高了用水比重，以及封灘育林、濕地保護等天然林保護工程有直接關系，有效地改善了敦煌市生態環境。但研究區是以沙漠戈壁為主的干旱土地，受自然因素影響較大，整體生態環境質量變化提升仍不明顯。

環境建設對敦煌市整體的生態環境有著至關重要的影響，因此相關部門應積極落實到生態防護的建設中，加大對生態環境的保護力度，合理調控和利用該地區的水資源，以進一步改善敦煌市的生態環境質量。

5 結束語

本研究通過構建基于綠度、濕度、鹽度、熱度和溫度植被干旱5個指標的改進遙感生態指數ARSEI，分析敦煌市2000—2020年的生態環境質量的變化趨勢。具體結論如下：

① 通過ARSEI與RSEI的對比分析，表明改進的ARSEI指數更能精確地評價干旱區生態環境質量。耦合鹽度指數和溫度植被干旱指數更能有效地反映敦煌市的自然環境特征。

② 濕度和綠度對生態質量具有促進作用，鹽度、熱度和溫度植被干旱指數對生態質量有負面影響，其中濕度和熱度是影響敦煌市生態環境質量的主要因素，基于熵權法所得的權重計算的ARSEI指數能夠準確地表征敦煌市沙漠環境演變特性。

③ 基于ARSEI對敦煌市2000—2020年生態環境質量進行評價，結果表明敦煌市大部分區域生態質量為較差和差，而生態質量優和良的比重基本在5%以內，整體上生態環境較差，西北部的城鎮密集地帶生態質量為優和良，南部戈壁和沙漠地帶生態質量差。

④ 近二十年來敦煌市生態環境質量無明顯變化，生態質量改善的區域面積為1 289.524 km2，退化的區域面積為1 198.270 km2，退化區域和改善區域面積比重基本一致，敦煌市南部生態環境質量得到有效改善。研究區的生態質量整體相對得到了改善，但并不明顯。

本文所做的工作都是基于中等尺度分辨率的遙感影像數據，今后的研究中可以考慮提高影像分辨率，縮小時間序列跨度，同時加入氣候變化等因子對研究區進行綜合評價。