基于改进型RSEI的黄河入海口生态环境质量评价

摘" 要：东营黄河入海口由于受到自然、人为等多种原因的影响，生态系统日趋薄弱，已成为制约其可持续发展的重要因素。对此利用改进的RSEI以黄河三角洲为研究对象，对东营市黄河入海口2000—2020年的生态环境进行监测与定量评估。研究结果显示，①改进型RSEI可以将4个自然生态因子和2个人为因素的信息集中起来，从而可以对生态环境作出较精确的评估；②黄河三角洲地区的生态环境呈现出明显的空间分布特征，由内陆地区到沿海地区，生态环境状况呈递减趋势；③2000—2020年，东营黄河入海口的生态环境状况先轻微变好后逐渐恶化。

关键词：改进遥感生态指数（IRSEI）；主成分分析；环境评价；生态因子；人为因素

中图分类号：TP79" " " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）14-0018-04

Abstract： Due to the influence of natural， man-made and other reasons， the ecosystem of the Dongying Yellow River estuary is becoming weaker and weaker， which has become an important factor restricting its sustainable development. Taking the Yellow River Delta as the research object， the improved RSEI is used to monitor and quantitatively evaluate the ecological environment of the Yellow River Estuary in Dongying City from 2000 to 2020. The results show that， the improved RSEI can centralize the information of four natural ecological factors and two man-made factors， thus can make a more accurate assessment of the ecological environment; the ecological environment of the Yellow River Delta region shows obvious spatial distribution characteristics， from inland areas to coastal areas， the ecological environment shows a decreasing trend; and from 2000 to 2020， the ecological environment of the estuary of the Dongying Yellow River first improved slightly and then gradually deteriorated.

Keywords： improved remote sensing ecological index （IRSEI）; principal component analysis; environmental assessment; ecological factors; human factors

黄河三角洲是全国面积最大、最年轻、最完整的暖温带湿地生态系统。作为山东省“蓝-黄”经济区核心区域的黄河地区，水库建设、油田开发和养殖业等人类活动日趋频繁。由于全球气候变化、社会经济发展等原因，生态环境受到了极大的影响。通过对黄河三角洲生态环境的评价，可以为区域生态环境的可持续发展奠定基础。RSEI是将可以反映生态问题的绿度指标、湿度指标、干度指标和热度指标通过主成分分析方法进行耦合，是一个可以量化的生态质量指数。本文利用改进的遥感生态指数（IRSEI）在时间尺度上的综合代表性，对黄河地区20年来的生态环境质量时空变化特征进行了综合研究。旨在为东营河口地区的生态环境治理和保护工作提供科学的参考。

1" 研究区概况与数据预处理

1.1" 研究区概况

本论文以东营市黄河入海口的三角洲为研究对象，以垦利县为基点，以东营市管辖区为中心；其中东部为河口区、利津县，北部为垦利县。图1为黄河三角洲研究区域。

1.2" 遥感数据

本研究选取了2000、2010、2020年10月份的Landsat5 TM、Landsat7 ETM+遥感图像，云覆盖量小于2%。应用 ENVI5.3进行了卫星遥感影像的辐射校准，大气修正等操作，图像经过配准，平均偏差在0.5个像元以内。东营黄河入海口3个时期30 m空间分辨率资料由美国地质调查局（USGS）下载，并使用了资源与地球科学与卫星研究中心提供的人口空间分布与土地利用资料，其分类准确率在85%以上。

2" 研究方法

2.1" IRSEI的构建

本文采用归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、缨帽变换获得的湿度成分（WET）、干度指数（Normalized Difference Soil Index，NDSI）、地表温度（Land Surface Temperature，LST）、土地利用指标（Land Use Intensity，LUI）[1-2]、人口分布指标（PDI）[3-4]作为评价指标。利用主成分对绿度、干度、湿度、热度、土地利用以及人口分布6个指标进行了主成分的统计。各指标计算公式均参考相关文献。

2.2" 生态因子指标

绿度指标：NDVI与植物的覆盖度、生物量、叶表面积等关系紧密，是植物生长状况的重要参数之一[5]。

湿度指标：缨帽变换为一种以多波段为基础的直线转换方法，经转换后的湿度成分能较好地反应出土壤及植物的含水量，本文选取WET[6]作为湿度指数。

干度指标：采用裸露土壤（SI）[6]和建筑指数（IBI）[7]组成的干度指标（NDSI）。

热度指标：采用地面气温（LST）[8]作为衡量气温指数的依据。利用辐照比例法将原图像DN转换成辐照度。

土地利用指标：土地使用指数是反映生态环境状况的一种表现形式，是人对自然的反应。

人口分布指标：东营入海口人口数量增长迅速，对生态质量影响较大，因此以人口空间分布数据来表示人口分布指标。

2.3" 水体掩膜及标准化处理

利用缨帽变换中的湿度分量（WET）来反映植被和土壤含水量，而在WET数据中，水体占据了很大比例，从而降低了水分含量对裸土、岩石等的影响，导致计算的WET无法准确的描述植物和水分。为此，对研究区域的水体采取了水体掩膜。本文利用MNDWI[9]技术对水体进行了掩膜。

由于各个生态因子的指标都是不一致的，如果用主成分的方法来进行，则会造成各指标的权重不平衡，需要对其进行规范化处理，把它的量纲统一为[0，1]。

NIi=（Ｉi-Imin）/（Imax-Imin） ， （1）

式中：NIi是一个被规范化的指标；Ii是一个指数在象元i上的数值；Imin是最小的数；Imax是最大的数。

2.4 主成分分析

采用主成分分析[10-11]，能较好地去除各个波段的冗余度，将多频带图像压缩为具有较高效率的若干自相关频带，IRSEI指标将绿度、湿度、干度和热度综合起来，利用ENVI5.3的主成分分析模型对其进行了归一化，对NDVI、WET、NDSI、LST、LUI和PDI影像进行分析处理，得出了表1所示的主要成分的统计值。

2000—2020年，各年PC1中代表湿度的WET，代表绿度的NDVI均呈正值，这表明它们对生态系统产生了积极的作用。主成分法能够得到多个主成分，且主成分的相应特征值越低，所含的信息越少，3个主要成分PC1、PC2、PC3的累积贡献比例超过95%，说明这3个主要成分都是最具代表性的。IRSEI指标是由3个主要成分的加权相加得出的，其权重为每个独立成分的本征值贡献。

ＩＲＳＥＩ＝■（ei×pci）， （2）

式中：ei为第i主成分所对应的特征值贡献率；pci为主成分。

通过对各个时期图像的IRSEI指标进行规范化，以更精确地对比各个时期图像的差别。IRSEI值愈高，说明其生态状况愈好；距离0愈近，则说明生态状况变差。

3" 结果分析

3.1" 模型检验

为了测试生态指标 IRSEI的整体代表性，本文在表2中对同一时段的IRSEI、WET、NDVI进行了测算；利用NDSI和LST之间的关联关系，对该方法的适应性进行了验证。IRSEI在2000—2020年间的关联性很高，在0.66—0.71之间；3年间关联指数的平均值为0.69，均高于NDVI、NDSI和WET和LST。这表明IRSEI是一个包含绝大多数指标的信息，其具有较强的代表性，能够较好地体现出区域的环境质量。

3.2" 东营黄河入海口IRSEI分级评价

2000、2010、2020年东营黄河入海口的IRSEI均值分别为0.68、0.72、0.61，先上升后下降，表明研究区的生态环境质量显示得到了改善又再次恶化；NDVI、WET、NDSI、LST均呈上升后下降的趋势；而LUI在整个周期内都呈下降趋势；PDI呈上升趋势。

为进一步分析2000—2020年东营黄河入海口环境质量和空间格局变化，年度 IRSEI按优（0.8～1.0）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、较差（0.2～0.4）、差（0～0.2）进行分级，分级结果如图2所示。从表格3可以看出，东营黄河入海口2000、2010、2020年这3年生态状况为优的比例分别为：14.66%、42.94%、2.44%，整体呈先上升后下降的趋势，其中2020年较2010相比下降尤为明显，优和良2个等级的生态环境所占比例分别为77.17%、73.26%、56.69%，呈下降趋势，等级为差的比例分别为0.01%、0.01%、0.04%，先不变，后上升，但整体变化不大。这说明东营黄河入海口生态状况总体好转后下降，生态状况日趋恶劣。

3.3" 东营黄河入海口IRSEI时间变化特征

图3为东营黄河入海口2000—2020年IRSEI的时间变化图。为了反映研究区的生态环境的时空演变特点，本文将2020、2000年东营黄河入海口的IRSEI做差，结果分为明显变差、轻微变差、基本无变化、轻微变好和明显变好5个等级。结果显示如图3。与2000年相比，2020年内陆生态环境质量基本没变化，沿海区域生态环境轻微变差。

4 结束语

为了对东营黄河入海口生态环境质量进行评价，本文建立了改进RSEI的生态环境评估指标，以2000、2010、2020年10月份的Landsat5 TM、Landsat7 ETM+遥感数据、东营土地利用数据和人口空间分布数据集为基础进行研究。结果表明，东营黄河入海口的黄河三角洲地区的生态环境在自然、人为因素等方面都表现出明显的空间差异，即由内陆到沿海生态环境恶化，内陆多数地区为中等水平；2000—2020年研究区生态环境整体水平有略微明显的降低，生态环境改善的区域以生态林、草场、畜牧养殖和黄河的入海口为主，生态环境质量总体上表现为从“良好”到“轻微变好”再到“轻微变差”的变化。

参考文献：

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