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Dynamic monitoring of ecological environment in loess hilly and gully region of Loess Plateau based on remote sensing: A case study on Fuxian County in Shaanxi Province, Northwest China.

黄土高原沟壑区生态环境状况遥感动态监测——以陕西省富县为例


基于主成分分析耦合植被指数、湿度指数、地表温度和裸土指数4个遥感评价指标,对黄土高原丘陵沟壑区陕西省富县1995—2014年的生态环境质量进行评价.结果表明: 基于主成分分析确定权重的遥感生态指数能客观定量揭示区域生态环境的变化;富县生态环境现状整体上属于良好级别,植被覆盖度较高,生物多样性较丰富;1995—2014年,富县生态环境总体上得到了较大改善,生态环境质量综合指数由3.17上升到3.53,牛武镇的生态环境质量整体状况最好,全县由西北方向到东南方向,生态环境质量改善的幅度逐渐递增,其中,交道镇和南道德乡变化最大;研究期间,生态环境质量等级下降地区的面积占全县总面积的16.7%,生态质量等级提高的面积占富县总面积的42.7%,生态环境等级提高的地区主要分布在县域中部的高塬和丘陵沟壑地、县东北部的土石低山区、西南的子午岭自然保护区.
 

Based on the principal component analysis (PCA), four ecological evaluation indicators including vegetation index, wet index, land surface temperature and soil index were combined to evaluate the ecological environment quality of Fuxian County in hilly and gully area of Loess Plateau from year 1995 to 2014. The results showed that the RSEI integrated RS and PCA method could reveal regional ecological changes objectively and quantitatively. The level of overall regional ecological status in Fuxian County was good with a high vegetation fraction and rich biodiversity. The synthetical ecological environment quality index increased from 3.17 to 3.53 indicating the ecological environment had been improved greatly in recent 20 years. The area with best ecological environment quality was located in Niuwu town. The magnitude of change increased progressively from northwest to southeast, and the biggest change occurred in Jiaodao and Nandaode towns. From 1995 to 2014, the areas with decreased and increased ecological environment quality were 16.7% and 42.7% of the study area, respectively, and the improved regions were mainly distributed in plateau and hilly area in the center, rocky low mountainous area in northeast and the Ziwuling Nature Reserve area in southwest of the county.


全 文 :黄土高原沟壑区生态环境状况遥感动态监测
———以陕西省富县为例∗
李粉玲1,2  常庆瑞1,2∗∗  申  健1  刘  京1,2
( 1西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西杨凌 712100)
摘  要  基于主成分分析耦合植被指数、湿度指数、地表温度和裸土指数 4 个遥感评价指标,
对黄土高原丘陵沟壑区陕西省富县 1995—2014年的生态环境质量进行评价.结果表明: 基于
主成分分析确定权重的遥感生态指数能客观定量揭示区域生态环境的变化;富县生态环境现
状整体上属于良好级别,植被覆盖度较高,生物多样性较丰富;1995—2014 年,富县生态环境
总体上得到了较大改善,生态环境质量综合指数由 3.17 上升到 3.53,牛武镇的生态环境质量
整体状况最好,全县由西北方向到东南方向,生态环境质量改善的幅度逐渐递增,其中,交道
镇和南道德乡变化最大;研究期间,生态环境质量等级下降地区的面积占全县总面积的
16.7%,生态质量等级提高的面积占富县总面积的 42.7%,生态环境等级提高的地区主要分布
在县域中部的高塬和丘陵沟壑地、县东北部的土石低山区、西南的子午岭自然保护区.
关键词  遥感; 生态环境质量; 主成分分析; 植被覆盖度; 沟壑丘陵区
文章编号  1001-9332(2015)12-3811-07  中图分类号  TP79; X87  文献标识码  A
Dynamic monitoring of ecological environment in loess hilly and gully region of Loess Plateau
based on remote sensing: A case study on Fuxian County in Shaanxi Province, Northwest
China. LI Fen⁃ling1,2, CHANG Qin⁃rui1,2, SHEN Jian1, LIU Jing1,2 ( 1College of Natural Resources
and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2Key Laboratory
of Plant Nutrition and the Agri⁃Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling
712100, Shaanxi, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(12): 3811-3817.
Abstract: Based on the principal component analysis (PCA), four ecological evaluation indicators
including vegetation index, wet index, land surface temperature and soil index were combined to
evaluate the ecological environment quality of Fuxian County in hilly and gully area of Loess Plateau
from year 1995 to 2014. The results showed that the RSEI integrated RS and PCA method could re⁃
veal regional ecological changes objectively and quantitatively. The level of overall regional ecologi⁃
cal status in Fuxian County was good with a high vegetation fraction and rich biodiversity. The syn⁃
thetical ecological environment quality index increased from 3.17 to 3.53 indicating the ecological
environment had been improved greatly in recent 20 years. The area with best ecological environ⁃
ment quality was located in Niuwu town. The magnitude of change increased progressively from
northwest to southeast, and the biggest change occurred in Jiaodao and Nandaode towns. From 1995
to 2014, the areas with decreased and increased ecological environment quality were 16.7% and
42.7% of the study area, respectively, and the improved regions were mainly distributed in plateau
and hilly area in the center, rocky low mountainous area in northeast and the Ziwuling Nature Re⁃
serve area in southwest of the county.
Key words: remote sensing; ecological environment quality; principal component analysis; vegeta⁃
tion fraction; hilly and gully region.
∗国家高技术研究发展计划项目(2013AA102401)、西北农林科技大学基本科研业务费专项(QN2011155)和教育部高等学校博士学科点专项
科研基金项目(20120204110013)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: changqr@ nwsuaf.edu.cn
2015⁃03⁃05收稿,2015⁃09⁃10接受.
应 用 生 态 学 报  2015年 12月  第 26卷  第 12期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2015, 26(12): 3811-3817
    人口的增长和社会工业化程度的提高,使得区
域人口、资源与环境的矛盾不断加剧,荒漠化、水土
流失等生态环境问题更加突出,正确认识和评价区
域生态环境状况成为区域生态环境预测和预警的基
础[1-2] .黄土高原因脆弱的生态环境、严重的水土流
失成为我国生态环境建设的重点区域,中央和地方
在政策和资金方面大力支持黄土高原地区生态环境
建设.富县是陕北黄土高原沟壑区向黄土丘陵沟壑
区的过渡带,是子午岭国家级水土流失重点防治区
水土保持重点县之一.了解该地区生态环境现状及
其变化,不仅能检验封山禁牧、退耕还林草工程建设
的成效,也可为黄土高原沟壑区生态环境的保护及
管理提供理论方法与科学依据.
区域生态环境质量评价的方法有很多种,但目
前尚没有一个规范的评价体系[3-5] .随着卫星遥感技
术的发展,越来越多基于遥感反演的生态环境指标
参与到生态环境监测和质量评价中,为宏观区域生
态环境质量评价提供了科学数据[6-8] .2006 年国家
环境保护部规范了基于生物丰度指数、植被覆盖指
数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数的
生态环境状况指数(EI),在我国多个省、市、自治
区、县域及流域范围内得到广泛应用[9-13] .但在实际
应用中,学者们对规范中的指标和权重均作了不同
程度的调整[9-13],这是因为规范中还存在诸多问
题[14],如大部分评价指标是基于土地利用来确定
的,同质性较高;环境质量指标是以县为单位的统计
数据,难以在空间上对生态环境状况作出响应;在地
形地貌复杂的县域范围内,土地利用信息提取精度
受限,EI的各项指标提取都存在精度挑战.因此,完
全基于遥感信息技术的、与 EI具有可比性的新型遥
感生态指数(RSEI) [15]受到青睐,可用来定量评价
区域生态环境状况[15-16] .本文采用主成分分析的方
法,耦合基于遥感反演的植被指数、裸土指数、湿度
指数和地表温度指标,利用 RSEI 对黄土高原沟壑
区陕西省富县 1995—2014 年的生态环境状况进行
评价,分析研究区生态环境状况的空间分布及其变
化,探讨生态环境变化的影响因素,以期为生态环境
建设提供理论方法和科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
陕西省富县(35°44′6″—36°23′23″ N,108°29′30″—
109°42′54″ E)东与宜川、洛川相邻,西与甘肃省合
水县、宁县相连,南与黄陵相靠,北与志丹、甘泉、延
图 1  研究区位置示意图
Fig.1  Sketch map of the study area.
安相连(图 1),海拔 856~1680 m,全县辖 8 镇 5 乡.
该区地形地貌包括以洛河和葫芦河为主的河流阶
地,中部高塬沟壑区,塬区北部为丘陵沟壑,东部和
西部为土石低山.全县土壤以分布于丘陵沟壑和低
山林草地带的灰褐土为主,耕地土壤类型以黄绵土
为主.属中纬度半干旱地区,年均气温 7.1 ~ 9.0 ℃,
年日照时数 2032 ~ 2428 h,年无霜期平均 130 d,年
均降水量 500 ~ 600 mm,多呈高强度的阵性降水
过程.
1􀆰 2  数据源与数据预处理
遥感数据为美国地质调查局网站提供的 1995
年 11月 13日的 Landsat 5 TM影像和 2014 年 11 月
3日获取的 Landsat 8 OLI和 TIRS 影像.非遥感数据
包括富县 1︰5 万地形图、行政区划图、土地利用现
状图、土壤图和富县统计文本资料.在 ENVI 5.0 下
对两个时期的遥感影像进行辐射定标,将像元灰度
值(DN)转换为辐射亮度值.采用 FLAASH大气校正
工具和中纬度冬季标准大气模型对两期影像的可见
光⁃近红外波段进行大气校正.校正后的可见光⁃近红
外反射率波段和热波段的辐射亮度影像通过波段组
合(layer stacking)生成多波段图像文件.基于 1 ∶ 5
万地形图,采用二次多项式和最近邻法对多波段图
像进行配准,均方根误差(RMS)控制在 0.5 个像元
以内,同时利用富县行政区划矢量数据提取研究区
内多波段遥感图像.
1􀆰 3  生态质量遥感评价指标
在反映生态质量的诸多自然因素中,绿度、湿
度、热度、干度与人类的生存息息相关,是人类直观
感觉生态条件优劣的最重要指标,遥感生态指数
(RSEI)采用植被指数、裸土指数、湿度指数、地表温
度分别代表绿度、干度、湿度和热度作为生态指数的
评价指标[15] .
2183 应  用  生  态  学  报                                      26卷
1􀆰 3􀆰 1湿度指标  土壤湿度是进行土壤退化等生态
环境研究的重要指标.遥感缨帽变换所获取的湿度
分量反映了地表水体、植被和土壤的湿度状况,在生
态环境监测中得到广泛应用.基于 TM 和 OLI 反射
率数据的湿度分量(Wet)提取公式[17-18]为:
Wet1995 = 0.0315ρblue+0.2021ρgreen+0.3102ρred+
0.1594ρNIR-0.6806ρSWIR1-0.6109ρSWIR2 (1)
Wet2014 = 0.1511ρblue+0.1972ρgreen+0.3283ρred+
0.3407ρNIR-0.7117ρSWIR2-0.4559ρSWIR2 (2)
式中: ρi为 TM和 OLI各波段的反射率.
1􀆰 3􀆰 2绿度指标  植被是对区域生态环境状况最为
敏感的指示因子.归一化植被指数(NDVI)利用植物
叶面在红光波段强的吸收和近红外波段强的反射特
性组合而成,是遥感监测植被覆盖度、生物量、叶面
积指数等生理参数的重要指标.
NDVI=(ρNIR-ρred) / (ρNIR+ρred) (3)
式中: ρNIR和 ρred分别为 TM和 OLI 近红外和红波段
的反射率.
1􀆰 3􀆰 3热度指标  地表温度(LST)与植被的生长与
分布、农作物产量、地表水资源蒸发循环等许多自
然、人文现象和过程密切相关,是反映地表环境的一
个重要参数.对于 Landsat 5 TM6 波段,利用热红外
波段辐射定标参数将像元灰度值(DN)转换为传感
器处的辐射亮度值(L6),通过 Planck 辐射函数求出
包含了大气影响的像元亮度温度(Tb),进而通过比
辐射率(ε6)转换为地表温度(Ts),基于 TM6的地表
温度提取公式如下[19]:
L6 =gain·DN+bias (4)
Tb =K2 / ln(K1 / L6+1) (5)
Ts =Tb / [1+(λTb / α)lnε6] (6)
式中: gain和 bias分别为 TM6 波段的增益与偏置,
分别取 0.056和 1.238;K1和 K2为定标参数,取值分
别为 607.76 W·m-2·sr-1·μm-1和 1260.56 K;中
心波长 λ取 11.48 μm,α 取 1.438×10-2 mK;ε6为基
于 TM6波段的地表比辐射率.
Landsat 8包含两个热红外波段,其中,波段 11
对大气剖面的误差敏感,辐射定标偏差较大[20-21] .
本文基于波段 10的辐射传输方程反演地表温度,表
达式如下:
L10 =τ10[ε10B10(Ts)+(1-ε10) / I10↓]+I10↑ (7)
式中: L10为传感器处的辐射亮度值,通过辐射定标
获取,增益与偏置分别取 0.000334和 0.1;τ10为大气
在热红外第 10波段的透过率;ε10为地表比辐射率;
I10↑为大气向上辐射亮度; I10↓为大气向下辐射亮
度.参考中纬度冬季标准大气剖面,依据影像成像时
间和中心经纬度,采用插值大气剖面的方法获取到
大气在热红外波段的透过率( τ10)为 0. 97, I10↑为
0􀆰 15 W·m-2·sr-1·μm-1,I10↓为 0.28 W·m
-2·
sr-1·μm-1 .B10(Ts)是由普朗克定律获取的与 Ts相
同的黑体的热辐射亮度.通过普朗克定律反函数求
得地表真实温度 Ts为:
Ts =C1 / {λ10 ln{C2 / [ λ10 5(L10 - I10↑ -τ10(1-ε10) I10↓ / τ10
ε10)]+1}} (8)
式中: C1和 C2为常数,分别取值为 14387.7 μm·K
和 1.19×108 W·μm4·m-2·sr-1 .中心波长 λ10 =
10􀆰 9 μm.本文假定水体的地表比辐射率为 0.995,采
用 NDVI阈值法获取地表比辐射率 ε6和 ε10,算法详
见文献[21-22].
1􀆰 3􀆰 4干度指标   裸土和建筑用地均会造成地表
“干化”,因此,干度指标由裸土指数(SI)和建筑指
数(IBI)合成,记为裸土指数(NDSI),计算公式[15]
如下:
NDSI=(SI+IBI) / 2 (9)
SI=[(ρSWIR1+ρred)-(ρblue+ρNIR)] / [(ρSWIR1+ρred)+(ρblue+
ρNIR)] (10)
IBI= {2ρSWIR1 / ( ρSWIR1 + ρNIR ) - [ ρNIR / ( ρNIR + ρred ) + ρgreen /
(ρgreen + ρSWIR1 )]} / { 2ρSWIR1 / ( ρSWIR1 + ρNIR ) + [ ρNIR /
(ρNIR+ρred)+ρgreen / (ρgreen+ρSWIR1)]} (11)
1􀆰 3􀆰 5指标标准化  为了消除量纲以及不同指标数
值大小对遥感生态指数结果的影响,采用下式将 4
个指标数值标准化为[0,1]之间的无量纲.
NI=( I-Imin) / ( Imax-Imin) (12)
式中: NI为标准化后的指标值;I 为该指标的数值
大小;Imax和 Imin为该指标在两时期影像中的最大值
和最小值.
1􀆰 4  遥感生态指数
生态环境评价的关键是将由遥感调查获得的湿
度指数、植被指数、地表温度和裸土指数转化为综合
评价指标.本研究对标准化后的评价指标进行主成
分分析,以主成分的方差贡献率为权重,富县遥感生
态指数(RSEI)可以表示为:
RSEI =∑

i = 1
aiPC i =∑

j = 1
w jI j (13)
式中:wj为评价指标的权重;Ij为各评价指标的标准化
数值;PCi为评价指标的主成分;ai为主成分的方差贡
献率权重;n和 m分别为评价指标和指标主成分的个
数.基于标准化指标相关系数矩阵的特征向量,1995
和 2014年的遥感生态指数可进一步表达为:
318312期              李粉玲等: 黄土高原沟壑区生态环境状况遥感动态监测———以陕西省富县为例         
RSEI1995 = 0.6875PC1+0.23PC2+0.0482PC3+0.0343PC4
= 0.4Wet+0.02NDVI-0.6LST-0.08NDSI (14)
RSEI2014 = 0.5916PC1+0.2783PC2+0.0678PC3+0.0577PC4
= 0.4Wet+0.08NDVI-0.51LST-0.06NDSI (15)
代表绿度的 NDVI和代表湿度的 Wet变量系数
为正值,它们共同对生态起正面的贡献;而代表热度
和干度的 LST、NDSI 变量系数为负值,说明它们协
同对生态起负面影响.利用式(12)对两个时期的遥
感生态指数进行标准化,标准化后的 RSEI 值越接
近于 1,说明生态环境越好.在 ArcGIS中利用重分类
函数,采用自然断点法,按照数值由小到大将遥感生
态指数 RSEI划分为差、较差、中等、良和优 5个生态
等级,分别量化为 1、2、3、4、5等级数值.
1􀆰 5  生态环境质量综合指数
为定量表达两个时期生态环境的整体状况,客
观分析生态环境的动态变化,定义生态环境质量综
合指数(ESI)的公式如下:
ESI j = ∑

i = 1
(Ai / SjPi) (16)
式中:n为 RSEI的等级数;Ai为分析单位中等级 i所
占面积;S j为分析单位 j 所占的面积;P i为等级 i 的
量化等级值.ESI数值越高,说明生态环境改善越好.
2  结果与分析
2􀆰 1  研究区的生态质量总体评价
1995年,富县遥感生态指数(RSEI)值在 0.09 ~
0.99,平均值为 0. 55,45. 8%的地区 RSEI 在 0. 4 ~
0􀆰 6;2014年,其 RSEI 值介于 0.03 ~ 0.99,平均值为
0􀆰 57,较 1995 年略有增加,63. 8%的地区 RSEI 在
0􀆰 4~ 0. 6(表 1).根据《生态环境状况评价技术规
范》 [23],富县生态环境整体属于良好级别,植被覆盖
度较高,生物多样性较丰富,与卓静[24]的研究结果
一致.
1995—2014年间,研究区生态等级为差和较差
表 1  1995和 2014年富县遥感生态指数分级统计
Table 1  Leveled RSEI statistics of Fuxian County in 1999
and 2014
等级
Level
1995
面积
Area
(km2)
% ESI
2014
面积
Area
(km2)
% ESI
差 Poor 592.4 14.4 3.17 114.20 2.8 3.53
较差 Inferior 760.9 18.4 556.13 13.5
中等 Medium 969.5 23.5 1256.74 30.5
良 Good 946.9 23.0 1428.14 34.6
优 Excellent 856.6 20.8 770.98 18.7
所占的面积比例明显下降,从 33.8%下降到 16.3%;
中等级别和良好级别的面积比例分别由 1995 年的
23.5%和 23.0%上升到 2014 年的 30.5%和 34.6%;
而优等级所占的比例从 20.8%下降到 18.7%.2014
年生态环境质量综合指数 ESI 由 1995 年的 3􀆰 17 上
升到 3.53,表明研究期间富县生态环境得到了较大
改善.
2014年,富县生态环境质量差的面积为 114.2
km2,占全县总面积的 2.8%,主要分布于县城和富城
镇洛阳村,土地利用为城镇和工矿建设用地,少量分
布在中部塬面,零星分布在洛河、葫芦河、川子河、余
渠沟以及青兰高速以北的埝沟等川道地.生态环境
较差的地区主要分布在各大塬面和河谷川道地以及
部分沟坡地上,土地利用以农耕地为主,易受城镇乡
村建设和农事活动的干扰.中等级别占到富县总面
积的 30.5%,广泛分布在塬面边缘、塬间沟壑区、低
山丘陵、梁峁缓坡和半阳向沟坡地,土地利用以天然
草地和灌木林地为主.塬面和川道以外的地区生态
环境以良和优等级为主,优等级主要分布在县西北
部、东北部和葫芦河南岸的丘陵沟壑区.
2􀆰 2  富县生态质量动态监测
在生态质量指数 5 个等级的基础上,对富县的
生态变化进行差值变化检测(图 2).从变化检测的
结果来看(表 2和表 3),1995—2014年间,该区生态
表 2  生态环境质量等级变化监测
Table 2  Change detection of RSEI
类别
Class
级差
Level
difference
级面积
Level area
(km2)
级比例
Level ratio
(%)
类面积
Class area
(km2)
类比例
Class ratio
(%)
变差 -4 1.62 0.04 688.26 16.7
Worse -3 7.10 0.2
-2 57.89 1.4
-1 621.65 15.1
不变
Unchanged
0 1674.79 40.6 1674.79 40.6
变好 1 1313.02 31.8 1763.14 42.7
Better 2 427.04 10.4
3 23.00 0.6
4 0.08 0
表 3  生态环境质量等级转移矩阵
Table 3  Transformation matrix of leveled RSEI (%)
2000

Poor
较差
Inferior
中等
Medium

Good

Excellent
1995 差 Poor 11.4 45.2 40.3 3.1 0
较差 Inferior 3.8 24.7 54.2 16.6 0.6
中等 Medium 1.3 8.2 42.2 42.0 6.4
良 Good 0.4 1.9 17.8 56.1 23.8
优 Excellent 0.2 0.4 3.2 40.3 55.9
4183 应  用  生  态  学  报                                      26卷
环境质量等级下降的面积为 688.26 km2,生态转好
的面积则达 1763.14 km2,生态环境质量维持不变的
面积有 1674.79 km2,约占富县总面积的 41%.研究
区生态环境等级为差的地区环境质量明显提高,其
中,45. 2%的生态质量差的地区增加 1 个等级,
40􀆰 3%的地区增加 2 个等级,但是另有 40.3%的生
态质量为优的地区下降 1 个等级,总体上等级上升
的幅度和比例高于下降的幅度和比例,生态质量明
显得到改善.从空间上看,相对于 1995 年,生态环境
得到改善的地区主要分布在县域中部的高塬和丘陵
沟壑地,县东北部的土石低山区和西南的子午岭自
然保护区.生态质量变差的地区主要是县西北部的
丘陵沟壑区、川子河沿岸和洛河河流阶地,其中,川
子河和葫芦河沿岸主要是生态环境质量为优等级的
面积下降.
2􀆰 3  富县乡镇生态环境质量评价
生态环境质量综合指数(ESI 值)越大,说明生
态环境越好;其值越小,说明生态环境越脆弱.2014
年各乡镇 ESI值(表 4)由大到小依次为牛武镇、张
村驿镇、寺仙乡、张家湾乡、茶坊镇、直罗镇、北道德
乡、交道镇、南道德乡、吉子现乡、富城镇、羊泉镇,表
明当前牛武镇的生态环境质量整体状况最好,最差
图 2  1995和 2014年遥感生态指数分级和植被覆盖度分布及其变化检测(cd)
Fig.2  Leveled RSEI images, fractional cover of vegetation and change detection map (cd) in 1995 and 2014.
表 4  乡镇生态环境质量分级面积和 ESI统计
Table 4  Statistics of leveled RSEI and ESI in each town of Fuxian County
乡镇
Town
1995

Poor
较差
Inferior
中等
Medium

Good

Excellent
ESI
2014

Poor
较差
Inferior
中等
Medium

Good

Excellent
ESI
张村驿镇 Zhangcunyi 35.88 51.52 65.34 61.61 65.54 3.25 4.11 23.60 87.62 100.11 64.45 3.70
北道德乡 Beidaode 29.76 41.69 41.32 33.46 25.64 2.90 2.83 25.90 60.75 53.90 28.48 3.46
寺仙乡 Sixian 17.76 29.04 26.64 20.91 16.72 2.91 2.06 10.38 39.69 39.33 19.59 3.58
南道德乡 Nandaode 12.68 11.98 8.62 6.87 4.01 2.49 0.91 7.52 18.07 11.83 5.83 3.32
富城镇 Fucheng 42.36 33.40 30.36 22.76 18.27 2.60 9.95 29.97 50.76 36.68 19.79 3.18
交道镇 Jiaodao 37.18 29.10 23.19 18.31 11.63 2.48 3.25 25.82 36.18 33.47 20.70 3.36
羊泉镇 Yangquan 42.12 35.00 18.49 13.00 7.65 2.22 6.46 36.18 40.65 24.15 8.84 2.94
钳二乡 Qianer 38.03 30.45 18.76 14.33 8.61 2.32 5.26 30.87 34.79 25.46 13.81 3.11
牛武镇 Niuwu 43.38 73.50 111.76 101.66 50.50 3.11 7.59 29.21 96.59 160.58 86.83 3.76
张家湾乡 Zhangjiawan 93.43 158.15 267.53 313.52 395.38 3.62 49.26 159.04 331.12 414.44 274.15 3.57
茶坊镇 Chafang 66.45 69.47 79.75 70.26 45.53 2.88 10.22 42.87 95.56 116.16 66.65 3.56
吉子现乡 Jizixian 20.65 17.31 13.70 9.51 7.12 2.49 1.88 13.75 29.20 15.68 7.77 3.20
直罗镇 Zhiluo 112.71 180.28 264.02 260.67 200.01 3.25 10.41 121.02 335.77 396.37 154.11 3.55
合计 Total 592.38 760.9 969.47 946.86 856.59 114.20 556.13 1256.74 1428.14 770.98
518312期              李粉玲等: 黄土高原沟壑区生态环境状况遥感动态监测———以陕西省富县为例         
的是羊泉镇.研究期间,全县 13 个乡镇中,只有张家
湾乡生态环境质量综合指数略微下降,由 3.62 下降
到 3􀆰 57,但整体生态环境质量综合指数在全县仍然
靠前.其他 12乡镇的综合指数都呈现不同幅度的上
升,说明近 20年来富县各乡镇的生态环境质量均得
到了一定程度的改善.从空间上看,由西北到东南方
向,生态环境质量改变的幅度逐渐递增,变化最大的
是交道镇和南道德乡,ESI分别提升 0.87和 0.83,其
次是钳二乡、羊泉镇和吉子现乡,变化最小的是张家
湾乡.乡镇生态环境质量等级的变化差异较大,羊泉
镇和钳二乡差等级的比例减少最多,分别减少了各
自乡镇面积的 32.5%和 31.2%.寺仙乡较差等级的
下降比例和良等级增加的比例最高,分别占寺仙乡
面积的 23.4%和 16.9%.张村驿镇、张家湾乡和直罗
镇生态质量优等级的比例下降,牛武镇优等级的增
加幅度最大,占牛武镇面积的 9.7%,而牛武镇差、较
差和中等级的比例都有所下降,成为全县生态环境
质量最优的乡镇.
2􀆰 4  生态环境变化成因
植被覆盖度因受人类活动干扰的影响,对生态
环境质量的等级有明显影响.县域范围内地形、水热
条件和土壤类型相对稳定,土地植被覆盖度增加,土
壤侵蚀等级明显下降,生态环境质量显著提高.自国
家退耕还林还草政策实施以来,全县不仅保质保量
完成了 1999—2010年 15773 hm2退耕还林工程的检
验,此后每年就天然林保护工程飞播造林、天保工程
人工造林、“三北”防护林造林、“三北”防护林封山
育林、退耕还林进行补植.基于像元二分模型[25]遥
感估算植被覆盖度的结果表明(图 2B),1995 年研
究区 67.7%的植被覆盖度在 20% ~40%,仅 1%的植
被覆盖度在 60% ~ 80%,全县平均植被覆盖度为
31􀆰 7%;2014年全县平均植被覆盖度为 62%,50.1%
的地区植被覆盖度在 60% ~ 80%.植被覆盖度较高
的石泓寺至直罗镇段、葫芦河南岸、张家湾乡海拔
1370 m以上丘陵梁脊地区、茶坊镇西北部和县城东
北部牛武镇也是生态环境质量最优的地区.退耕还
林还草工程的实施和集雨工程的推广运用对生态环
境质量的改善成效显著.富县已经成为陕北地区土
壤侵蚀等级比例下降最快的地区[24] .
研究区生态环境质量与海拔、坡度无明显相关,
不同坡向、地貌形态和土地利用方式下的生态环境
差异显著.高塬沟壑区海拔在 1000 ~ 1390 m,塬面地
形平坦,土壤为黑垆土,土层深厚,理化性能良好,全
县 60%以上的耕地和农业人口分布在水源欠缺、水
利条件差的塬区,社会经济的发展和土地人口承载
压力的加大,使土地利用类型急剧变化,直接造成地
表形态与植被的破坏.塬周沟壑发育,沟谷深切,坡
度较大的塬边耕地和以灌草覆盖为主的塬间沟壑地
容易发生面蚀,生态环境较为脆弱,生态环境质量以
差等级为主.河谷川道占地 242 km2,水利资源丰富,
侵蚀轻微,是富县主要的灌溉农业区.该区人类活动
强度相对剧烈,如新修基本农田、新建田间配套设
施、大面积发展蔬菜大弓棚和日光温室等,随着城镇
化的进程和川道地区产业开发的推进,差等级和优
等级的面积下降,生态环境质量以中等为主.丘陵沟
壑区生态环境以良为主,该区植被为保存较好的次
生林区,以灌木林地占优,现代侵蚀缓慢,水土流失
较轻.次生林边缘地带,因植被稀疏而水土流失较为
严重.县西部子午岭和东缘黄龙山为不连续薄层黄
土覆盖的低山土石地貌区.洛河东侧黄龙山山系的
北端,地形起伏大,土体厚度和腐殖质层厚度低,但
随着人工造林和退耕还林的开展,植被覆盖度大幅
增加,局部小气候环境优越,生态环境优等级别所占
的面积比例较大,但此区坡耕地由于表层土壤质地
疏松,易漏肥和产生水土流失,因此沟底河道生态环
境相对较差.县西南部子午岭国家级自然保护区生
态环境质量以良为主,植被属暖温带半湿润落叶阔
叶林带的北部西段,是森林草原向草原植被的过渡
地带,土壤深厚肥沃的阴坡、半阳向沟坡地和梁峁缓
坡,森林植被生长良好;阳坡陡壁,基质裸露,坡度较
大,有机质含量较少,因此林木稀疏,生长较差.保护
区人为活动较为频繁,加之受传统耕作观念的影响,
林缘地带仍有非法占用林地和毁林开荒等现象.
3  结    论
本文基于 Landsat 5 和 Landsat 8 的遥感数据,
通过建立遥感生态指数和生态环境质量综合指标,
对陕北丘陵沟壑区富县 1995和 2014年的生态环境
进行动态监测,结果显示,基于 Landsat 5 和 Landsat
8 数据提取的各项遥感指标数值分布一致,结果具
有对比性.完全基于遥感指标,采用主成分分析方法
确定权重的生态环境指数(RSEI)克服了以往生态
质量评价因子难以空间化和权重确定主观性太强的
缺点,通过遥感空间变量的解译和耦合,能客观定量
揭示区域生态环境的空间分布与变化,为政府部门
决策提供翔实的科学数据.1995—2014年间,富县的
林草覆盖率明显增加,土壤侵蚀显著减少,生态环境
质量综合指数由 1995 年的 3.17 上升到 3.53,生态
6183 应  用  生  态  学  报                                      26卷
环境质量普遍提高,牛武镇的生态环境质量整体状
况最好.全县由西北到东南方向,生态环境质量改善
的幅度逐渐递增,变化最大的是交道镇和南道德乡.
建议全县积极发展水土保持型生态农业,加强农耕
区水土流失治理力度,保护好天然林和退耕林,维护
本县良好的生态环境.
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作者简介  李粉玲,女,1981年生,博士研究生.主要从事土地
资源与空间信息技术研究. E⁃mail: fenlingli@ nwsuaf.edu.cn
责任编辑  杨  弘
718312期              李粉玲等: 黄土高原沟壑区生态环境状况遥感动态监测———以陕西省富县为例