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引言
生态质量气象评价就是从气象对生态质量的影响角度选定指标体系质量标准,运用恰当的方法评价某区域生态质量的状况变化趋势。近年来,众多学者对生态质量气象评价进行了细致而又广泛的研究,如2007年,刘少军等[1]根据生态质量气象评价的要求和GIS建库的特点,研究建立了生态质量气象评价的数据库和评价模块的具体方法,并以海南省为例进行了生态质量气象评价。遥感技术在地表信息如植被覆盖,水体等信息方面的获取具有快速、经济、大范围、多时相、多波段等常规监测无可比拟的优势,部分研究[1-3]将遥感技术应用于生态质量气象评价研究。而以MODIS数据为主的遥感数据进行生态质量气象评价的研究,目前尚未见诸文献。本文以MODIS资料为主要遥感数据源,对评价指标体系中的植被覆盖指数、水体密度指数及土地退化指数及灾害指数4个指标信息的提取进行了方法研究,然后结合气象资料以广西2008年第一季度为例开展以地市为评价单元的生态质量气象评价,为广西生态省建设工程及北部湾经济区的发展提供科学决策依据。
1评价模型
对生态质量进行评价的方法有很多,如评分迭加法、综合指数法、聚类分析法等。因综合指标法能体现出生态环境的综合性、整体性和层次性,故本文采用生态质量综合评价指标来评价生态质量的好坏,根据评价单元各单项指标值及其权重,采用加权求和法计算综合评价指标值[4],综合评价模型如下:Ii=100×∑ni=1WijYij(1)(1)式中:Ii为i区域的生态质量综合评价指数,Wij为i区域j指标的权重值,Yij为i区域j指标的值。本研究从气象要素对生态质量影响的角度出发,并根据指标选取的代表性、全面性、综合性等原则,参照中国气象局《生态质量气象评价规范》,选取湿润指数Ih(HumidityIndex)、植被覆盖指数Iv(IndexofVegetationCoverage)、水体密度指数Iw[4](IndexofWaterBodyDensity)、土地退化指数Is(In-dexofSoilDegradation)及灾害指数Id(DisasterIn-dex)为评价指标以及各指标的权重值。故(1)式变为: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对Ii的影响呈正相关,而Is和Id对Ii的影响呈负相关。根据(2)式的计算并对照生态质量评价分级标准,可得出评价区域的评价结论。通过以上分析,对一个地区进行生态质量气象评价,只需计算该地区的生态质量气象评价指数值,计算思路如下:首先根据相关数据分别计算湿润指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数及灾害指数5个指标,然后根据(2)式计算生态质量气象评价综合指数,最后根据评价分级标准得出评价结果。
2指数求取
2.1湿润指数Ih湿润指数指降水量与潜在蒸散量之比,能客观反映出某一区域的水热平衡状况。根据相关文献[4],计算方法如下Ih=R/E,(3)(3)式中:Ih为湿润指数,R为降水量,E为潜在蒸散量。第i月的蒸散量Ei的计算公式如下Ei=22di(1•6+U1/2i)wi(1-hi)P1/2i(273•2+ti)1/4,(4)(4)式中:Pi为月平均气压(hPa),ti为月平均气温(℃),di是月的天数,Ui为在10~12m高度处观测的月平均风速(m/s),wi是在温度为ti时的饱和水汽压(mm),hi是月平均相对湿度。当Ih>1时,说明大气降水大于植被生理过程需水量,此时降水不再是植被生理需水的限制因子,故当Ih>1时,规定Ih=1。
2.2植被覆盖指数Iv据Gutman[5]等研究,根据实际情况,得出区域植被覆盖指数Iv与归一化植被指数(Indv)存在以下关系Iv=Indv-IndvsIndvv-Indvs,(5)式中Indv=L2-L1L2+L1,(6)(5)式中,Indvs为裸土或者无植被覆盖区域的Indv值,即无植被像元的Indv值,而Indvv则代表完全被植被覆盖区域的Indv值,即纯植被像元的Indv值,L1、L2为MODIS数据的第1、2通道反照率值。从上式看出Indvs和Indvv的选取对于最终植被覆盖指数的计算非常关键。对于Indvs来说,一般不随时间变化,对于大多数类型的裸地表面,理论上应该接近于0,然而由于大气影响地表湿度条件的改变,Indvs会随着时间而变化。此外,由于地表湿度、粗糙度、土壤类型、土壤颜色等条件的不同,Indvs也会随着空间变化而变化。同样对于Indvv也是一样。为了使用理想的选值方法,并不需要知道他们的具体值,而是根据图像来计算,本研究通过对Indv图像的Indv值统计直方图来确定,即Indv统计直方图的5%处为Indvs,直方图的95%处为Indvv。个别像素Indv>Indvv的情况下,令其覆盖指数Iv为1,Indv<Indvs情况下,令其覆盖指数Iv为0。
2.3水体密度指数Iw水体密度指数指的是区域内河流、湖泊、水库等水体面积占整个评价区域的面积比[6]。根据其定义计算公式如下Iw=∑Swi/S,(6)(6)式中,Iw为水体密度指数,Swi为评价时段内不同类型水域的面积,包括河流、湖泊、水库等水体面积,S为研究区域的总面积。对于MODIS数据,水体信息的提取采用莫伟华等[7]的混合水体指数模型。
2.4土地退化指数Is土地退化指数是指评价区域内因水蚀、风蚀、重力侵蚀、重力侵蚀、沙化、盐渍化等各种因素导致土地生产力降低的面积占评价区域总面积的比重。土地退化是生态系统退化的表征因子之一。土地退化指数的计算方法为Is=∑WeiSei/S,(8)(8)式中,Sei为i类土地退化程度的土地面积,将土地退化划分为轻度、中度、重度3个等级;Wei为i类土地退化程度的分权重。根据《生态质量气象评价规范》[4],轻、中、重土地退化程度分权重分别取值0•05,0•25和0•70,S为研究区域的总面积。本文研究土地退化情况采用1980s,1990s及2007年底三个时相的TM/ETM数据,提取土地利用类型信息和植被覆盖度信息,并利用1∶5万广西数字高程模型(DEM)数据生成坡度图。然后对比分析这3个时相的土地利用类型图、植被覆盖度分类图及坡度等级图,根据根据相关文献[8]方法,并结合野外调查及相关分析资料,确定土壤侵蚀度分级指标及相应面积提取。
2.5灾害指数Id灾害指数是指评价区域内农田、林地、草地等生态系统遭受的气象灾害的面积占被评价区域内的比重。气象灾害包括干旱、洪涝、低温冻害、高温热害及森林火灾等,气象灾害所造成的损失在自然灾害里所占比重很大,关于干旱、洪涝及冻害等气象灾害监测及评估方面的研究也有很多文献[9-12]。Id=∑WdiSdi/S,(9)(9)式中,Sdi为i类程度灾害的受损面积,将灾害程度划分为轻度、中度、重度和毁灭性4个等级;Wei为i类程度灾害的分权重,参照《生态质量气象评价规范》[7],轻、中、重和毁灭性程度灾害权重值分别为0•1,0•3,0•6和1,S为研究区域的总面积。因2008年初中国南方发生了历史罕见的雨雪冰冻灾害,故本研究中的灾害指数主要考虑因雨雪冰冻灾害所造成的损失。受灾程度等级的确定,则根据受灾前后灾区Indv值之差△Indv,再结合实地调查情况及广西农业信息中心的灾情资料而定。最终确定灾情等级划分标准为:△Indv0•5为严重受灾,0•35Indv<0•5为中度受灾,0•2Indv<0•35为轻度受灾。至此可以通过遥感数据(MODIS,TM/ETM)获取植被覆盖指数,水体密度指数,土地退化指数及灾害指数,湿润指数则由气象部门提供的气象数据计算获得。#p#分页标题#e#
3结果分析
3.1研究区概况及资料处理
广西地处中国珠江上游,位于(20°54′~26°24′N、104°26′~112°04′E)之间,南濒热带海洋,北为南岭山地,西延云贵高原,境内河流纵横,地理环境比较复杂,是国内喀斯特地貌发育的三个典型地区之一,也是全国唯一的具有沿海、沿江、沿边优势的少数民族自治区。广西气候多变,灾害性天气出现频繁,近年来,气象和地质灾害发生频率大为提高。近年来粗放型经济的发展以及对自然资源的不合理开发利用,严重破坏了广西生态环境,影响了广西经济和社会的长期可持续发展。本研究所用的资料主要包括:(1)收集2008年第一季度(1—3月)期间所有过境广西星下点的MODIS数据(包括Terra和Au-qua星),其预处理由国家卫星气象中心下发的“极轨气象卫星接收处理系统”完成,通过数据定标、太阳高度角订正、临边变暗订正、等角投影以及地理位置订正等处理流程生成多通道的局地数据文件。其中用以计算植被覆盖度的数据是将每轨MODIS数据生成的NDVI图再采用最大值合成法生成的季度NDVI合成图。数据来源:广西区气象局的DVBS卫星资料接收系统。(2)选用了覆盖广西的1986—2007年的53景TM/ETM卫星遥感影像图,主要包括1980s、1990s和21世纪初(2000—2007年)三个时段数据。遥感数据预处理包括几何纠正和投影变换。以配准好的广西1980s30m×30m分辨率TM遥感影像为基准,采用人际交互方式选择地面控制点,利用三次卷积和最邻近内插法对2007年时相的图像进行几何精度纠正,误差控制在一个像元以内。投影方式统一采用兰勃特正形割圆锥投影(LambertConformalConic)。分景图像经几何校正和投影变换处理后,选取5、4、3波段进行图像增强和图像镶嵌,色调匹配以图像清晰、色差适当、层次分明、信息丰富、便于水土流失目视解译为准则,生成待分析处理的全区遥感影像图。该预处理在遥感影像处理专业软件ENVI4.2中完成。(3)广西1∶25万数字地理边界及1:5万数字高程模型(DEM)数据来源于广西区气象信息中心。广西雨雪冰冻灾害信息摘自广西农业信息中心的灾情数据。(4)研究区内广西92个标准气象站的气象资料(包括月平均气温,月平均气压,10~12m处月平均风速,月平均相对湿度,月平均饱和水汽压,月降水量)来源于广西区气象信息中心。
3.2结果分析
本研究在遥感数据处理软件有ENVI4.2以及国家卫星气象中心下发的“极轨气象卫星接受处理系统”支持下,根据各指数对应的计算模型,计算出植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数及灾害指数。结论分析如下:(1)由植被覆盖指数分布(图1)可见,广西植被覆盖度高值区主要分布在林区,如九万、十万大山,大瑶山等山,具有明显的分布规律。(2)在生成每轨MODIS数据的NDVI图时,应用CIWI模型[7]进行了云、水识别,并同时显示在图1中(图1蓝色所示)。由图1可见,广西的澄碧河、青狮潭、龟石、平龙及洪潮江等水库及西江及柳江河域都很清晰,再次证明了CIWI模型的可靠性。(3)在2008年初的冰冻雨雪灾害期间,本研究获得了广西北部的桂林、柳州、来宾、梧州及贺州等市受灾相对比较严重地区EOS/MODIS资料,利用上述5个地市1月份的NDVI合成图与3月份的NDVI合成图进行差分计算,结合灾情等级划分标准生成灾情实况(图2)。由图2可见,受灾最严重的地区为桂林,其次为柳州,贺州。该结论与广西农业信息中心提供的灾情信息基本吻合。(4)土地退化信息由TM/ETM数据解译获得(图3),由图3可见,水土流失面积情况最为严重的前四位是:南宁市,百色市,河池市及桂林市,这4个地市水土流失总面积占全区水土流失总面积的47•74%。(5)以地市为单元,对生态质量气象评价的5个指标分别进行计算,然后根据(2)式计算综合评价指数,最后对照中国气象局下发的文件的分级标准,评价结果见表1。从表1看出:2008年第一季度,广西14个地市的生态质量气象评价结果均为一般,其中评价前三名为:桂林市,贵港市及梧州市。
4讨论与结论
(1)以上大部分生态质量气象评价指标如植被覆盖指数、水体密度指数、灾害指数(洪涝、干旱,雨雪冰冻等)3个指标的结果都是利用EOS/MODIS数据获取的,土地退化指数这个指标是利用TM/ETM数据获取的。指标的结果均与实际调查基本相符,这说明了本研究模型算法的可靠性。(2)对广西而言,3月份植被长势优于1月份,故本研究假设植被覆盖区(林区、农田等)1月份与3月份的归一化植被指数之差△Indv0•2都是因灾害(主要是雨雪冰冻灾害)所致。Indv阈值的选取已经将城市、裸地等Indv随季节变化不大的地区已经剔除出去,故本研究灾害信息提取不需要城市或者林区等空间信息资料。(3)利用MODIS数据反演区域蒸散量进而获取湿润指数以及提取土地退化信息的研究尚未见诸文献,这将是今后进一步研究的方向。
