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。