基于RESI的海岸带城市生态环境变化监测-以厦门市为例 摘要：海岸带城市是我国经济发展的先导和主导，但是在经济快速发展发展的过程中各种生态环境问题日益凸出，快速监测和评价海岸带城市生态环境质量对地区社会经济发展具有重要的意义本文以福建省厦门市为研究对象，选用2008、2012、2016和2021年四期Landsat卫星影像数据，基于GIS和遥感软件平台，提取出湿度指数、绿度指数、干度指数、热度指数四个生态因子，在此基础上利用主成分分析处理数据，建立遥感生态指数(RSEI) 环境评价模型，进而对厦门市近十二年的生态环境质量进行评价，结果表明：（1）时间上，厦门市2008、2012、2016和2021年的RSEI指数均值分别为0.507、0.593、0.579和0.596，总体生态环境较好，生态环境质量总体呈现上升趋势；（2）空间上，厦门市北部林地区域和厦门市内部部分城市区域生态环境有明显的变好趋势，但由于厦门市的城市扩张和填海造陆工程导致生态环境部分区域质量有所下降；（3）近十多年厦门市在城市绿化与环境保护工作做的较好，但对厦门岛的公园林地区域环境保护不足。
关键词：遥感生态指数；Landsat数据；主成分分析；厦门市1.引言随着我国城市化进程及其社会经济的发展，在取得重大成就的同时也对我国生态环境发展带来不同程度的破坏定期利用科学有效的评估模型对城市生态环境进行监测评估，对城市可持续发展以及后续环境保护战略具有重要的意义目前已有众多学者采用层次分析法、PSR（压力-状态-响应）模型等对城市生态环境进行了评价这其中较有代表性的模型是2006年国家环保部提出的生态指数（EI）评价指标体系[1]，然而该类评价指标易受到人为主观因素的影响，部分指标体系无法获取其定量值21世纪以来，国内外出现了许多基于遥感技术的生态环境监测和评价模型如Yuan等提出通过研究不透水面率、地表温度和植被指数的关系，利用不透水面率可以更好地研究城市热岛效应[2]Liu等利用RSEI模型对沿海城市平潭县进行生态环境评价，发现该区域生态环境质量下降[3]RSEI模型是徐涵秋在2013年提出的，该指数可以从纯遥感驱动数据实现对地区生态状况的评价[4]之后诸多学者采用该指数对新疆干旱绿洲地区、成都、雄安新区等典型城市区域进行了研究，并取得了一系列丰富的研究成果[5,6,7]尽管该方法在诸多地区得到了广泛的应用，但多集中在内陆城市，针对海岸带城市这一特殊的城市应用相对较少。
鉴于此，本文以我国东南沿海典型的海岸带城市厦门市为例，基于长时间序列的Landsat数据构建2008-2021年RSEI数据集，在此基础上对该城市生态状况的时空变化趋势进行系统研究，进而为海岸带城市生态保护政策的制定提供科学依据2. 数据与方法2.1 研究区概况本文以中国东南沿海福建省厦门市为研究区域，位于24°23'N～24°54'N、117°53'E～118°26'E（图1）厦门属于亚热带海洋性季风气候，年平均气温在21℃左右，无严寒酷暑图1 厦门市位置图Fig.1 Location map ofXiamen City2.2 数据源和预处理2.2.1遥感数据本文选取遥感数据Landsat-7 ETM+ SLC-off和Landsat-8 OLI_TIRS来源于地理空间数据云网站，是该网站1T等级标准地形校正影像数据产品，经过了系统的部分预处理，使用WGS-84坐标系由于厦门市全年气温降水均衡无太大差异，且在冬季云量较少，进而选用了冬季的影像数据来监测厦门市2008年-2021年的生态环境变化 2.2.2其他数据厦门市的矢量边界数据来源于自然资源部标准地图服务系统网站计算热度指标所需的大气剖面数据来自于http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/网站上，利用其模型解算获得的该天剖面数据如表1。
表1大气剖面数据表Table.1 Atmospheric Profile Data Sheet数据/时间 2008-12-20 2012-12-31 2016-12-18 2021-1-30透过率（t） 0.82 0.73 0.79 0.84大气向上辐射亮度（Lu） 1.34 1.69 1.59 1.09大气向下辐射亮度（Ld） 2.19 2.66 2.59 1.79Landsat-7ETM+卫星于2003年出现故障导致其影像数据的异常，因此需先采用Landsat-gapfill条带插件处理该数据后使用遥感处理软件对4景影像进行辐射定标、大气校正，其中对卫星影像数据的热波段仅需进行辐射定标即可，再利用厦门市行政区划矢量数据裁剪出研究区的影像，完成预处理2.3 RSEI模型评价方法RESI的计算方法参考徐秋涵，提取四个指标方法如下：（1）湿度指标（WET）对于Landsat-7 ETM+卫星影像，其公式[8]为式（2-1）；而Landsat-8 OLI卫星影像，其模型公式应为式（2-2）采用的缨帽变换改变了对DAN的检查方法，使其压缩，其绿度、湿度、亮度分量与地表物理参数直接相关，其中的湿度与土壤的湿度和植被密切相关，。
ETM+数据：（2-1）OLI数据：（2-2）WET代表湿度指标； 、 、 、 、 、 与Landsat多光谱卫星影像的波段相对应2）绿度指标（NDVI）NDVI最早是由RouseJ.W.根据植被的生物物理机制提出的，多用于监测植物生长和生态环境选用NDVI代表绿度指标，其公式如下式（2-3）2-3）（3）干度指标（NDSI）在自然环境中，造成土壤干化最主要的原因是植被稀疏，地表风化和荒漠化等自然因素，在城区除了裸土干化的影响还有人为建筑用地的影响因此，对于城市区域，区域干度指数一般包括城市建筑用地和裸土两种类型采用徐涵秋建立的模型计算了裸土指数SI（2-4）和建筑指数NDBI（2-5）[9]，并用它们的均值来代表研究区域的干度指标NDSI（2-6）裸土指数：（2-4）建筑指数：（2-5）干度指数：（2-6）（4）热度指标（LST）随着城市化进程的加快，大规模出现的高储热的建筑物和水泥道路和其他因素导致了城市的热岛效应采用地表温度代表热度，采用Landsat用户手册[10]的模型和Chander等最新修订的参数[11]来计算：（2-7）（2-8）L6为热红外波段的辐射值，T为传感器处温度，单位为K；DN 为灰度值，g和b为热红外波段的增益与偏置值；K1和K2为定标参数。
式（2-8）中计算的T值通过比辐射率纠正转换为地表温度LST，单位K：（2-9） 其中，λ为热红外波段的中心波长，ρ=1.438×10-2mK，ε为地表比辐射率徐秋涵在研究RSEI模型后，提出RSEI 不太适用于大面积的水域地区，在研究区中如有大片水域的区域需掩膜后再应用[12]，需使用MNDWI指数进行水体范围的提取，如式（2-10）2-10）在掩膜后，将上述遥感指数进行归一化处理后，合成四个波段组成的新影像，进行主成分分析（PCA）通过概率统计选用即贡献率最大的成分，该线性组合包含的信息为最多的，能够用来反映原来指标的绝大部分信息，为第一主成分对第一主成分生成初始遥感生态指数进行标准化处理则得到了RSEI标准化可避免评价指标因单位不同而影响结果，使其范围集中在[0,1]，进而更好地比较评价，经过归一化处理后的RSEI值越大，代表生态越高，生态环境越好3 结果与分析3.1 生态环境指标分析厦门市2008-2021年间湿度指标均值分别0.649、0.587、0.535和0.597，总体上虽处于下降趋势，属于较高的湿度水平厦门市2008-2021年间绿度指标均值分别为0.445、0.498、0.441和0.393，其趋势为先上升后下降，总体趋势都较为均衡。
厦门市2008-2021年间干度指标均值分别0.432、0.385、0.387和0.413，先下降后上升，总体呈下降趋势厦门市2008-2021年间热度指标均值分别20.431℃、23.641℃、21.504℃和20.1℃，厦门市的温度总体来说较为均衡，呈现先上升后下降的趋势对由绿度、湿度、干度和热度合成的影像进行主成分分析，可得指标分析结果如表2所示由表可以看出四期第一主成分对RSEI的贡献度均在70%以上，且四个指标对PC1的贡献比较稳定表2 厦门市各生态指标主成分分析结果Table.2 PCA results of each ecological index in Xiamen 主成分指标2008PC1PC2PC3PC4NDVI0.8510.4810.050-0.203WET0.3620.7690.494-0.184NDSI-0.244-0.038-0.120-0.962LST-0.292-0.4190.860-0.016特征值0.02230.00620.00230.0002特征值贡献率72.06%19.94%7.48%0.52%主成分指标2012PC1PC2PC3PC4NDVI0.9150.308-0.149-0.214WET0.208-0.3890.8570.266NDSI-0.2610.014-0.2220.939LST-0.2260.8680.4410.028特征值0.02090.00490.00170.0002特征值贡献率75.47%17.67%6.17%0.69%主成分指标2016PC1PC2PC3PC4NDVI0.7190.460-0.386-0.350WET0.129-0.3810.489-0.774NDSI-0.651-0.183-0.517-0.525LST-0.208-0.7810.587-0.048特征值0.03700.00350.00230.0003特征值贡献率86.04%8.07%5.29%0.60%主成分指标2021PC1PC2PC3PC4NDVI0.8150.490-0.131-0.280WET0.1840.4740.6290.588NDSI-0.440-0.179-0.4450.759LST-0.329-0.7090.7590.008特征值0.02810.00290.00190.0002特征值贡献率84.91%8.72%5.77%0.60%3.2 生态环境指数RSEI分级将各年份的RSEI指数以0.2为间隔分成5个生态等级，分为差、较差、一般、良和优。
表3-3为RSEI各期生态环境指数统计表统计表，2008、2012年、2016年和2021年的生态环境指数均值分别为0.507、0.593、0.579和0.596，总体上呈上升趋势，其生态环境质量指数均值大致处于第3级之间，厦门市的公园以及林地区域生态环境状况较好大致处于第4级，城区部分的生态环境状况大致处于第3和第2等级图3-1为厦。