引言

生態(tài)質(zhì)量氣象評價就是從氣象對生態(tài)質(zhì)量的影響角度選定指標體系質(zhì)量標準,運用恰當?shù)姆椒ㄔu價某區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的狀況變化趨勢。近年來,眾多學者對生態(tài)質(zhì)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(jù)生態(tài)質(zhì)量氣象評價的要求和GIS建庫的特點,研究建立了生態(tài)質(zhì)量氣象評價的數(shù)據(jù)庫和評價模塊的具體方法,并以海南省為例進行了生態(tài)質(zhì)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(jīng)濟、大范圍、多時相、多波段等常規(guī)監(jiān)測無可比擬的優(yōu)勢,部分研究[1-3]將遙感技術應用于生態(tài)質(zhì)量氣象評價研究。而以MODIS數(shù)據(jù)為主的遙感數(shù)據(jù)進行生態(tài)質(zhì)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(shù)據(jù)源,對評價指標體系中的植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)及土地退化指數(shù)及災害指數(shù)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(tài)質(zhì)量氣象評價,為廣西生態(tài)省建設工程及北部灣經(jīng)濟區(qū)的發(fā)展提供科學決策依據(jù)。

1評價模型

對生態(tài)質(zhì)量進行評價的方法有很多,如評分迭加法、綜合指數(shù)法、聚類分析法等。因綜合指標法能體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境的綜合性、整體性和層次性,故本文采用生態(tài)質(zhì)量綜合評價指標來評價生態(tài)質(zhì)量的好壞,根據(jù)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(qū)域的生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù),Wij為i區(qū)域j指標的權重值,Yij為i區(qū)域j指標的值。本研究從氣象要素對生態(tài)質(zhì)量影響的角度出發(fā),并根據(jù)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(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范》,選取濕潤指數(shù)Ih(HumidityIndex)、植被覆蓋指數(shù)Iv(IndexofVegetationCoverage)、水體密度指數(shù)Iw[4](IndexofWaterBodyDensity)、土地退化指數(shù)Is(In-dexofSoilDegradation)及災害指數(shù)Id(DisasterIn-dex)為評價指標以及各指標的權重值。故(1)式變?yōu)?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(jù)(2)式的計算并對照生態(tài)質(zhì)量評價分級標準,可得出評價區(qū)域的評價結論。通過以上分析,對一個地區(qū)進行生態(tài)質(zhì)量氣象評價,只需計算該地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)值,計算思路如下:首先根據(jù)相關數(shù)據(jù)分別計算濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)及災害指數(shù)5個指標,然后根據(jù)(2)式計算生態(tài)質(zhì)量氣象評價綜合指數(shù),最后根據(jù)評價分級標準得出評價結果。

2指數(shù)求取

2.1濕潤指數(shù)Ih濕潤指數(shù)指降水量與潛在蒸散量之比,能客觀反映出某一區(qū)域的水熱平衡狀況。根據(jù)相關文獻[4],計算方法如下Ih=R/E,(3)(3)式中:Ih為濕潤指數(shù),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(shù),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(guī)定Ih=1。

2.2植被覆蓋指數(shù)Iv據(jù)Gutman[5]等研究,根據(jù)實際情況,得出區(qū)域植被覆蓋指數(shù)Iv與歸一化植被指數(shù)(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(qū)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(qū)域的Indv值,即純植被像元的Indv值,L1、L2為MODIS數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(jù)圖像來計算,本研究通過對Indv圖像的Indv值統(tǒng)計直方圖來確定,即Indv統(tǒng)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(shù)Iv為1,Indv<Indvs情況下,令其覆蓋指數(shù)Iv為0。

2.3水體密度指數(shù)Iw水體密度指數(shù)指的是區(qū)域內(nèi)河流、湖泊、水庫等水體面積占整個評價區(qū)域的面積比[6]。根據(jù)其定義計算公式如下Iw=∑Swi/S,(6)(6)式中,Iw為水體密度指數(shù),Swi為評價時段內(nèi)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(qū)域的總面積。對于MODIS數(shù)據(jù),水體信息的提取采用莫偉華等[7]的混合水體指數(shù)模型。

2.4土地退化指數(shù)Is土地退化指數(shù)是指評價區(qū)域內(nèi)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(chǎn)力降低的面積占評價區(qū)域總面積的比重。土地退化是生態(tài)系統(tǒng)退化的表征因子之一。土地退化指數(shù)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(jù)《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)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(qū)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(shù)據(jù),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(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)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(jù)根據(jù)相關文獻[8]方法,并結合野外調(diào)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(shù)Id災害指數(shù)是指評價區(qū)域內(nèi)農(nóng)田、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)遭受的氣象災害的面積占被評價區(qū)域內(nèi)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(jiān)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(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)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(qū)域的總面積。因2008年初中國南方發(fā)生了歷史罕見的雨雪冰凍災害,故本研究中的災害指數(shù)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(jù)受災前后災區(qū)Indv值之差△Indv,再結合實地調(diào)查情況及廣西農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)(MODIS,TM/ETM)獲取植被覆蓋指數(shù),水體密度指數(shù),土地退化指數(shù)及災害指數(shù),濕潤指數(shù)則由氣象部門提供的氣象數(shù)據(jù)計算獲得。