基于3S技术的河南省生态环境动态变化研究
项目名称: 基于 3S技术的河南省生态环境动态变化研究
完成单位: 河南省科学院地理研究所
完成人员: 李成林，贾涛，郝民杰，杨迅周，黄岩岩，任杰，汪雪锋
项目背景:
生态环境是人类赖以生存的物质基础。随着全球和区域经济的发展和人类活动的加强，自然生态系统越来越多地受到人类的干扰。 开展生态环境监测是了解和评价一个国家、一个地区或某一生态区生态环境状况，为生态建设和环境保护提供决策依据的重要工作。 客观地认识一个区域的生态环境质量状况及存在的主要问题， 对政府部门合理制订区域规划和经济发展方针， 协调经济、社会和环境的可持续发展都具有十分重要的现实意义。
生态环境监测涉及的时间长，空间广，监测的对象包括耕地、森林、草原、荒漠、海洋、湖泊、水库、河流、湿地、气象、物候、动植物等。传统的生态环境监测、评价技术方法应用范围小，只能解决局部生态环境监测和评价问题，很难大范围、适时地开展监测工作，而对生态环境进行综合监测则必须依赖“ 3S ”技术。目前“ 3S ”技术已经在生态环境监测中得到了广泛应用，并取得了较好的效果。
河南省 是我国 的农业大省，又是我国新兴的工业大省，在“中部崛起”和我国经济发展中有着重要的地位，对河南省生态环境的动态变化进行有效和适时监测具有非常重要的意义。本研究运用遥感数据和社会、经济、环境统计数据，结合气候、水文、地形、地貌等自然地理因子，基于“ 3S ”技术，对我省生态环境动态变化进行时空特征分析，以期获得近十年来经济发展对我省地表覆被的影响及其产生的主要生态问题，从而 为河南省经济 --社会 — 环境持续协调发展，提供决策依据。
技术原理:
随着信息技术的发展， 3S技术在生态环境监测中发挥着越来越大作用。遥感 (RS Remote Sensing) 是一种现代化空对地观测技术 , 具有全天候、多时相以及不同空间观测尺度等优点。全球定位系统 (GPS Global Position System ) 是一种全球全天候的连续实时导航定位系统。地理信息系统 (GIS Geographical Information System ) 是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。 “ 3S ”技术在空间信息管理中各具特色 , 均可独立完成自身的功能。同时 , 它们所能解决的问题之间又有很多关联性 , 在解决问题的功能上又各自存在着优点和不足。
本项目利用 3S技术，对河南省 1998-2006年生态环境的动态变化进行了三个方面的研究。
一是对河南省植被覆盖的动态变化进行了研究。 本文基于遥感图像 1998-2006 年逐旬的 SPOT-VEGETATION NDVI 数据，采用最大值合成法 MVC(Maximum Value Composites)生成了每年的最大化 NDVI 图像，并用一元线性回归分析、百分比变化幅度分析等方法，结合 GIS 的空间分析，研究了河南省植被变化的情况，得出了在这 9 年中植被变化的一个总体的趋势，并分析其变化幅度所占 9 年平均最大化 NDVI 的百分比。
最大值合成法 (MVC,maximum value composite) 是目前国际上通用的最大化合成法 ,用于将一个月每旬的数据取最大值 ,进一步消除云、大气、太阳高度角的部分干扰。此法假设每旬中 NDVI 值最大的那一天天气是晴朗的 ,不受云层的影响 ,就取这个最大值作为这个旬的 NDVI 值。本项目将它的用法延伸一下 ,用它取得一年的最大化 NDVI (MNDVI) ，公式如下：
式中 MNDVI 为年 NDVI最大值， i为一年中 36旬的排列序号 , NDVI i为第 i旬的 NDVI最大值。由于 1998 年的数据是从 4 月开始的 ,所以最大化的是 4 - 12 月的 NDVI 值。但是由于一年中森林、草地最好的月份在 6 - 9 月，耕地最好的月份也在 4月以后，所以缺少 1 - 3 月的数据不会影响到 1998 年的最大化 NDVI 的结果。
一元线性回归分析方法可以模拟每个栅格的变化趋势。本文用该方法来模拟多年最大化 NDVI 的变化趋势 ,计算公式为：
式中变量 n为研究年度数， i 为 1— n 的年序号 , MNDVI i表示第 i 年的最大化 NDVI 值。 Slope代表的是某像点的趋势线的斜率，与最后一年和第一年的连线的斜率的含义是不同的。 Slope > 0说明 NDVI在 n年间的变化趋势是增加的，反之则是减少。该公式可以很好地模拟 n年间的变化趋势。
百分比变化幅度分析方法旨在衡量变化幅度是在什么样的基础上产生的。为了更全面的反映植被变化的基础，该方法用多年平均 NDVI代替第一年的 NDVI，公式如下：
式中 为变化幅度的百分比， i 为 1 - n的年序号， MNDVI i是第 i 年的最大化 NDVI 值， R为 n年的变化幅度，公式为
R = Slope × ( n - 1)
二是利用 SPOT-VEGETATION数据对河南省土地利用 /土地覆盖的动态变化进行了研究。 土地利用与土地覆盖 ( 或称为土地覆被 ) 是研究区域生态环境的基础。 土地利用与土地覆盖变化 (LUCC) 客观地记录了人类改变地球表面特征空间格局的活动 , 其变化与生态环境演变密切相关。本项目 根据土地的自然生态和利用属性，采用二级分类系统 , 即 6 大类 25 种类型，利用 SPOT-VEGETATION NDVI逐月最大化合成数据，参考 2000 年全国 1公里栅格数据、 2003年河南省土地利用现状数据和 1： 400万全国基础地理数据，结合运用 监督分类法和目视判读法进行分类 , 得出逐年 土地利用 /土地覆盖数据，并对分类数据进行动态变化分析。 具体分类方法是：在 ENVI中，首先将旬最大化 NDVI数据合成月度最大化 NDVI数据，然后将 1— 12月 NDVI最大化合成数据生成 ENVI标准文件。分析土地利用 /土地覆盖类型 NDVI季节变化特征，选择月份数据作假彩色合成，利用 GPS定位点，结合参考数据，选取 ROI，然后采取监督分类方法，将分类结果生成 SHP文件，在 ARCGIS9.0中计算得出面积。 目视判读法是在在 ENVI中，参考基础地理数据，根据分类目标的色调和颜色等特征，直接进行勾绘，得出面积。
三是在土地利用 /土地覆盖分类的基础上，对逐年河南省 生态环境质量进行评价，并根据评价结果，对河南省 1998-2006年的生态环境动态变化进行分析。评价指标及计算方法均参照中国环境监测总站研究制订的《生态环境质量评价技术规定》进行。该技术规定按照代表性、全面性、综合性、简明性、方便性和适用性等原则 ,选取了生物丰度、植被覆盖、水网密度、土地退化、污染负荷 5 个评价指标 , 各指标分别赋予不同权重 , 最后计算生态环境质量指数 , 确定从优到差 5 个不同级别的生态环境质量。
生物丰度指数用来衡量被评价区域内生物多样性的丰贫程度。其计算公式为：
生物丰度指数＝ A bio ×（ 0.35×林地面积＋ 0.21×草地面积＋ 0.28×水域湿地面积＋ 0.11×耕地面积＋ 0.04×建设用地面积＋ 0.01×未利用地面积） /区域面积
式中： A bio，生物丰度指数的归一化系数。
植被覆盖指数是指被评价区域内林地、草地及农田三种类型的面积占被评价区域面积的比重，其计算公式为：
植被覆盖指数＝ A veg ×（ 0.38 ×林地面积＋ 0.34 ×草地面积＋ 0.19 ×耕地面积＋ 0.07 ×建设用地面积＋ 0.02 ×未利用地面积） / 区域面积
式中， A veg ，植被覆盖指数的归一化系数。
水网密度指数是指被评价区域内河流总长度、水域面积和水资源量占被评价区域面积的比重，其计算公式为：
水网密度指数 =A riv×河流长度 /区域面积＋ A lak×湖库（近海）面积 /区域面积＋ A res×水资源量 /区域面积
式中： A riv，河流长度的归一化系数； A lak，湖库面积的归一化系数； A res，水资源量的归一化系数。
土地退化指数是指被评价区域内风蚀、水蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和工程侵蚀的面积占被评价区域面积的比重，其计算公式为：
土地退化指数＝ A ero×（ 0.05×轻度侵蚀面积＋ 0.25×中度侵蚀面积＋ 0.7×重度侵蚀面积） /区域面积
式中： A ero，土地退化指数的归一化系数。
污染负荷指数是指单位面积上担负的污染物的量，其计算公式为：
污染负荷指数＝ (A SO2×0.4×SO 2排放量＋ A sol×0.2×固废排放量 )/区域面积＋ A COD×0.4×COD排放量 /区域年均降雨量
式中： A SO2，二氧化硫 (SO 2)排放量的归一化系数； A sol， 固体废物排放量的归一化系数； A COD， COD排放量的归一化系数。
生态环境质量指数是综合反映区域生态环境质量的指标，是在以上指标计算结果的基础上得出的，其计算公式为：
生态环境质量指数＝ 0.3×生物丰度指数＋ 0.2×植被覆盖指数＋ 0.25×水网密度指数＋ 0.15×（ 100－土地退化指数）＋ 0.1×（ 100－污染负荷指数）
根据生态环境质量指数，将生态环境质量分为五级，即优、良、一般、较差和差。
由于该规范没有对各种归一化系数作出明确规定，本项目以全国 2000年相关指标为标准，求出各种归一化系数，并由此对《规范》中的某些规定做了调整。
通过对河南省生态环境动态变化进行分析，得出如下结论：
1. 河南省植被覆盖 1999 年比上年明显下降，从 1999 年到 2004 年稳定增长，其中 1999/2000 、 2002/2003 变化较大，而 2005 年、 2006 年又有小幅回落。从空间上， 河南省超过 80%的地区植被覆盖得到中度改善和轻微改善，近 7%的地区明显改善。大部分地区近 9年变化幅度介于 5%— 25%之间。
2. 河南省土地利用 / 土地覆盖结构没有发生明显变化。建设用地上升较快，耕地略有上升，草地下降明显。
3. 河南省生物丰度和植被覆盖虽然呈逐年上升趋势，但总体水平较低，保持绿色环境，建设绿色家园，任重而道远； 我省污染物排放的总量仍然较大，环境恶化的压力明显；我省在国民经济高速增长的情况下，生态环境质量基本保持全国 2000年的平均水平，总体略呈下降趋势。
4. 只要重视生态环境建设，统筹兼顾，国民经济和生态环境可以保持“双赢”。如果措施不力，协调失当，就有可能为国民经济的发展付出惨重的生态代价。
鉴定及应用:
本项目采用函审鉴定方式，鉴定结论为：该项目研究方法科学，技术路线合理，数据翔实，指标规范，结论符合河南实际，总体技术水平达到国内同类研究先进水平。建议加快成果的推广应用。