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引言
生態質量氣象評價就是從氣象對生態質量的影響角度選定指標體系質量標準,運用恰當的方法評價某區域生態質量的狀況變化趨勢。近年來,眾多學者對生態質量氣象評價進行了細致而又廣泛的研究,如2007年,劉少軍等[1]根據生態質量氣象評價的要求和GIS建庫的特點,研究建立了生態質量氣象評價的數據庫和評價模塊的具體方法,并以海南省為例進行了生態質量氣象評價。遙感技術在地表信息如植被覆蓋,水體等信息方面的獲取具有快速、經濟、大范圍、多時相、多波段等常規監測無可比擬的優勢,部分研究[1-3]將遙感技術應用于生態質量氣象評價研究。而以MODIS數據為主的遙感數據進行生態質量氣象評價的研究,目前尚未見諸文獻。本文以MODIS資料為主要遙感數據源,對評價指標體系中的植被覆蓋指數、水體密度指數及土地退化指數及災害指數4個指標信息的提取進行了方法研究,然后結合氣象資料以廣西2008年第一季度為例開展以地市為評價單元的生態質量氣象評價,為廣西生態省建設工程及北部灣經濟區的發展提供科學決策依據。
1評價模型
對生態質量進行評價的方法有很多,如評分迭加法、綜合指數法、聚類分析法等。因綜合指標法能體現出生態環境的綜合性、整體性和層次性,故本文采用生態質量綜合評價指標來評價生態質量的好壞,根據評價單元各單項指標值及其權重,采用加權求和法計算綜合評價指標值[4],綜合評價模型如下:Ii=100×∑ni=1WijYij(1)(1)式中:Ii為i區域的生態質量綜合評價指數,Wij為i區域j指標的權重值,Yij為i區域j指標的值。本研究從氣象要素對生態質量影響的角度出發,并根據指標選取的代表性、全面性、綜合性等原則,參照中國氣象局《生態質量氣象評價規范》,選取濕潤指數Ih(HumidityIndex)、植被覆蓋指數Iv(IndexofVegetationCoverage)、水體密度指數Iw[4](IndexofWaterBodyDensity)、土地退化指數Is(In-dexofSoilDegradation)及災害指數Id(DisasterIn-dex)為評價指標以及各指標的權重值。故(1)式變為:Ii=100×[0•25×Ih+0•3×Iv+0•2×Iw+0•15×(1-Is)+0•1×(1-Id)](2)(2)式中Ih、Iv及Iw對Ii的影響呈正相關,而Is和Id對Ii的影響呈負相關。根據(2)式的計算并對照生態質量評價分級標準,可得出評價區域的評價結論。通過以上分析,對一個地區進行生態質量氣象評價,只需計算該地區的生態質量氣象評價指數值,計算思路如下:首先根據相關數據分別計算濕潤指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數及災害指數5個指標,然后根據(2)式計算生態質量氣象評價綜合指數,最后根據評價分級標準得出評價結果。
2指數求取
2.1濕潤指數Ih濕潤指數指降水量與潛在蒸散量之比,能客觀反映出某一區域的水熱平衡狀況。根據相關文獻[4],計算方法如下Ih=R/E,(3)(3)式中:Ih為濕潤指數,R為降水量,E為潛在蒸散量。第i月的蒸散量Ei的計算公式如下Ei=22di(1•6+U1/2i)wi(1-hi)P1/2i(273•2+ti)1/4,(4)(4)式中:Pi為月平均氣壓(hPa),ti為月平均氣溫(℃),di是月的天數,Ui為在10~12m高度處觀測的月平均風速(m/s),wi是在溫度為ti時的飽和水汽壓(mm),hi是月平均相對濕度。當Ih>1時,說明大氣降水大于植被生理過程需水量,此時降水不再是植被生理需水的限制因子,故當Ih>1時,規定Ih=1。
2.2植被覆蓋指數Iv據Gutman[5]等研究,根據實際情況,得出區域植被覆蓋指數Iv與歸一化植被指數(Indv)存在以下關系Iv=Indv-IndvsIndvv-Indvs,(5)式中Indv=L2-L1L2+L1,(6)(5)式中,Indvs為裸土或者無植被覆蓋區域的Indv值,即無植被像元的Indv值,而Indvv則代表完全被植被覆蓋區域的Indv值,即純植被像元的Indv值,L1、L2為MODIS數據的第1、2通道反照率值。從上式看出Indvs和Indvv的選取對于最終植被覆蓋指數的計算非常關鍵。對于Indvs來說,一般不隨時間變化,對于大多數類型的裸地表面,理論上應該接近于0,然而由于大氣影響地表濕度條件的改變,Indvs會隨著時間而變化。此外,由于地表濕度、粗糙度、土壤類型、土壤顏色等條件的不同,Indvs也會隨著空間變化而變化。同樣對于Indvv也是一樣。為了使用理想的選值方法,并不需要知道他們的具體值,而是根據圖像來計算,本研究通過對Indv圖像的Indv值統計直方圖來確定,即Indv統計直方圖的5%處為Indvs,直方圖的95%處為Indvv。個別像素Indv>Indvv的情況下,令其覆蓋指數Iv為1,Indv<Indvs情況下,令其覆蓋指數Iv為0。
2.3水體密度指數Iw水體密度指數指的是區域內河流、湖泊、水庫等水體面積占整個評價區域的面積比[6]。根據其定義計算公式如下Iw=∑Swi/S,(6)(6)式中,Iw為水體密度指數,Swi為評價時段內不同類型水域的面積,包括河流、湖泊、水庫等水體面積,S為研究區域的總面積。對于MODIS數據,水體信息的提取采用莫偉華等[7]的混合水體指數模型。
2.4土地退化指數Is土地退化指數是指評價區域內因水蝕、風蝕、重力侵蝕、重力侵蝕、沙化、鹽漬化等各種因素導致土地生產力降低的面積占評價區域總面積的比重。土地退化是生態系統退化的表征因子之一。土地退化指數的計算方法為Is=∑WeiSei/S,(8)(8)式中,Sei為i類土地退化程度的土地面積,將土地退化劃分為輕度、中度、重度3個等級;Wei為i類土地退化程度的分權重。根據《生態質量氣象評價規范》[4],輕、中、重土地退化程度分權重分別取值0•05,0•25和0•70,S為研究區域的總面積。本文研究土地退化情況采用1980s,1990s及2007年底三個時相的TM/ETM數據,提取土地利用類型信息和植被覆蓋度信息,并利用1∶5萬廣西數字高程模型(DEM)數據生成坡度圖。然后對比分析這3個時相的土地利用類型圖、植被覆蓋度分類圖及坡度等級圖,根據根據相關文獻[8]方法,并結合野外調查及相關分析資料,確定土壤侵蝕度分級指標及相應面積提取。
2.5災害指數Id災害指數是指評價區域內農田、林地、草地等生態系統遭受的氣象災害的面積占被評價區域內的比重。氣象災害包括干旱、洪澇、低溫凍害、高溫熱害及森林火災等,氣象災害所造成的損失在自然災害里所占比重很大,關于干旱、洪澇及凍害等氣象災害監測及評估方面的研究也有很多文獻[9-12]。Id=∑WdiSdi/S,(9)(9)式中,Sdi為i類程度災害的受損面積,將災害程度劃分為輕度、中度、重度和毀滅性4個等級;Wei為i類程度災害的分權重,參照《生態質量氣象評價規范》[7],輕、中、重和毀滅性程度災害權重值分別為0•1,0•3,0•6和1,S為研究區域的總面積。因2008年初中國南方發生了歷史罕見的雨雪冰凍災害,故本研究中的災害指數主要考慮因雨雪冰凍災害所造成的損失。受災程度等級的確定,則根據受災前后災區Indv值之差△Indv,再結合實地調查情況及廣西農業信息中心的災情資料而定。最終確定災情等級劃分標準為:△Indv0•5為嚴重受災,0•35Indv<0•5為中度受災,0•2Indv<0•35為輕度受災。至此可以通過遙感數據(MODIS,TM/ETM)獲取植被覆蓋指數,水體密度指數,土地退化指數及災害指數,濕潤指數則由氣象部門提供的氣象數據計算獲得。#p#分頁標題#e#
3結果分析
3.1研究區概況及資料處理
廣西地處中國珠江上游,位于(20°54′~26°24′N、104°26′~112°04′E)之間,南瀕熱帶海洋,北為南嶺山地,西延云貴高原,境內河流縱橫,地理環境比較復雜,是國內喀斯特地貌發育的三個典型地區之一,也是全國唯一的具有沿海、沿江、沿邊優勢的少數民族自治區。廣西氣候多變,災害性天氣出現頻繁,近年來,氣象和地質災害發生頻率大為提高。近年來粗放型經濟的發展以及對自然資源的不合理開發利用,嚴重破壞了廣西生態環境,影響了廣西經濟和社會的長期可持續發展。本研究所用的資料主要包括:(1)收集2008年第一季度(1—3月)期間所有過境廣西星下點的MODIS數據(包括Terra和Au-qua星),其預處理由國家衛星氣象中心下發的“極軌氣象衛星接收處理系統”完成,通過數據定標、太陽高度角訂正、臨邊變暗訂正、等角投影以及地理位置訂正等處理流程生成多通道的局地數據文件。其中用以計算植被覆蓋度的數據是將每軌MODIS數據生成的NDVI圖再采用最大值合成法生成的季度NDVI合成圖。數據來源:廣西區氣象局的DVBS衛星資料接收系統。(2)選用了覆蓋廣西的1986—2007年的53景TM/ETM衛星遙感影像圖,主要包括1980s、1990s和21世紀初(2000—2007年)三個時段數據。遙感數據預處理包括幾何糾正和投影變換。以配準好的廣西1980s30m×30m分辨率TM遙感影像為基準,采用人際交互方式選擇地面控制點,利用三次卷積和最鄰近內插法對2007年時相的圖像進行幾何精度糾正,誤差控制在一個像元以內。投影方式統一采用蘭勃特正形割圓錐投影(LambertConformalConic)。分景圖像經幾何校正和投影變換處理后,選取5、4、3波段進行圖像增強和圖像鑲嵌,色調匹配以圖像清晰、色差適當、層次分明、信息豐富、便于水土流失目視解譯為準則,生成待分析處理的全區遙感影像圖。該預處理在遙感影像處理專業軟件ENVI4.2中完成。(3)廣西1∶25萬數字地理邊界及1:5萬數字高程模型(DEM)數據來源于廣西區氣象信息中心。廣西雨雪冰凍災害信息摘自廣西農業信息中心的災情數據。(4)研究區內廣西92個標準氣象站的氣象資料(包括月平均氣溫,月平均氣壓,10~12m處月平均風速,月平均相對濕度,月平均飽和水汽壓,月降水量)來源于廣西區氣象信息中心。
3.2結果分析
本研究在遙感數據處理軟件有ENVI4.2以及國家衛星氣象中心下發的“極軌氣象衛星接受處理系統”支持下,根據各指數對應的計算模型,計算出植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數及災害指數。結論分析如下:(1)由植被覆蓋指數分布(圖1)可見,廣西植被覆蓋度高值區主要分布在林區,如九萬、十萬大山,大瑤山等山,具有明顯的分布規律。(2)在生成每軌MODIS數據的NDVI圖時,應用CIWI模型[7]進行了云、水識別,并同時顯示在圖1中(圖1藍色所示)。由圖1可見,廣西的澄碧河、青獅潭、龜石、平龍及洪潮江等水庫及西江及柳江河域都很清晰,再次證明了CIWI模型的可靠性。(3)在2008年初的冰凍雨雪災害期間,本研究獲得了廣西北部的桂林、柳州、來賓、梧州及賀州等市受災相對比較嚴重地區EOS/MODIS資料,利用上述5個地市1月份的NDVI合成圖與3月份的NDVI合成圖進行差分計算,結合災情等級劃分標準生成災情實況(圖2)。由圖2可見,受災最嚴重的地區為桂林,其次為柳州,賀州。該結論與廣西農業信息中心提供的災情信息基本吻合。(4)土地退化信息由TM/ETM數據解譯獲得(圖3),由圖3可見,水土流失面積情況最為嚴重的前四位是:南寧市,百色市,河池市及桂林市,這4個地市水土流失總面積占全區水土流失總面積的47•74%。(5)以地市為單元,對生態質量氣象評價的5個指標分別進行計算,然后根據(2)式計算綜合評價指數,最后對照中國氣象局下發的文件的分級標準,評價結果見表1。從表1看出:2008年第一季度,廣西14個地市的生態質量氣象評價結果均為一般,其中評價前三名為:桂林市,貴港市及梧州市。
4討論與結論
(1)以上大部分生態質量氣象評價指標如植被覆蓋指數、水體密度指數、災害指數(洪澇、干旱,雨雪冰凍等)3個指標的結果都是利用EOS/MODIS數據獲取的,土地退化指數這個指標是利用TM/ETM數據獲取的。指標的結果均與實際調查基本相符,這說明了本研究模型算法的可靠性。(2)對廣西而言,3月份植被長勢優于1月份,故本研究假設植被覆蓋區(林區、農田等)1月份與3月份的歸一化植被指數之差△Indv0•2都是因災害(主要是雨雪冰凍災害)所致。Indv閾值的選取已經將城市、裸地等Indv隨季節變化不大的地區已經剔除出去,故本研究災害信息提取不需要城市或者林區等空間信息資料。(3)利用MODIS數據反演區域蒸散量進而獲取濕潤指數以及提取土地退化信息的研究尚未見諸文獻,這將是今后進一步研究的方向。
