基于RS与GIS的北京区域生态环境综合评价研究

基于RS与GIS的北京区域生态环境综合评价研究 基于RS与GIS的北京区域生态环境综合评 价研究 第29卷第4期 2008年8月 首都师范大学学报(自然科学版) JournalofCapitalNormalUniversity (NaturalScienceEdition) NO.4 Aug.,2008 基于RS与GIS的北京区域生态环境综合评价研究 张萍萍赵文吉 (都!IfIj范大学资源环境与地理信息系统北京l重点实验室北京100037) 摘要 采用切实可行的指标体系综合评价北京市生态环境状况,对北京市生态环境保护具有很强的参考和指导意 义.结合已有的研究成果,运用Rs与GIS技术,参考2003年中国环境监测总站颁布的《生态环境质量评价方法》,以 北京市各区县为评价单元,对北京市生态环境进行综合评价.结果表明,北京市各区县生态环境综合总体状况为 良,其中远郊区县生态环境状况较好,生态环境状况优于城区,评价结果符合实际情况. 关键词:生态环境,综合评价,Rs与GIS,北京市 中图分类号:P208 1引言 北京地处华北大平原西北部的边缘,是平原与 高原,山地的交接地带.西部和北部被连绵不绝的群 山环抱.属温带大陆性季风气候,全市总面积1.64 万平方公里.北京,作为中国的首都,发展迅速,在 “绿色奥运”理念的指导下,北京市加大了对城市生 态环境改善的力度,北京城市总体规划(2004, 2020)中生态环境建设与保护的原则与目标是”坚持 生态保育,生态恢复与生态建设并重的原则,将北京 建设成为山川I秀美,空气清新,环境优美,生态良好, 人与自然和谐,经济社会全面协调,可持续发展的生 态城市”.目前,北京正在进行大规模城市环境改造 运动.随着科学的发展,遥感和地理信息系统已成为 生态环境监测和预报的有效手段,并被广泛的应用 于以土地覆盖/土地利用变化为主,包括植被指数, 沙尘暴,洪水灾区等的生态环境监测中,能快 速,准确的获取和掌握区域性生态环境基础数据及 动态变化情况,为区域生态环境保护和建设提供决 策依据?j. 本文借助遥感,地理信息系统等空间信息技术 手段,对北京地区生态环境进行全面评价,把握不同 县(市)域生态环境质量的差异,监测和评估区域范 收稿日期:2007.11-08 84 围内生态环境在人类和自然因素共同作用下的状况 和变化规律0,对保护和改善北京市生态环境,促进 国民经济快速,健康,持续发展具有重要意义.. 2评价指标与数据 2.1评价指标体系与评价单元 生态环境综合评价涉及众多要素,既有自然要 素也有人为要素,是自然环境和人文环境之间进行 能量交换和物质循环的动态平衡系统.本研究从 北京市区域生态环境特点出发,在广泛征求专家意 见的基础上,参考国家,省生态示范区建设考核标 准,以及我国现行的调查统计体系,沿用.了《生态 环境状况评价技术(试行)》的评价系统,从自 然,灾害,环境污染等诸多方面选择指标.北京市生 态环境质量综合评价指标体系(图1),利用三级指 标自下而上进行计算获取,一级指标为5个指数,分 别为生物丰度指数,植被覆盖指数,水网密度指数, 土地退化指数和环境质量指数;二级指标和三级指 标主要为土地覆盖特征,土地退化和环境质量三个 方面的参数.在北京市生态环境评价体系中,一级指 标中前四个指数计算都涉及了二级和三级指标中土 地分类,该土地分类采用了二级分类系统:一级分为 6类,主要根据北京市土地的自然生态和利用属性; 二级分为23个类型,主要根据北京市土地的覆盖特 征.同时,鉴于大部分统计资料均以县(市)级行政区 第4期张萍萍等:基于Rs与GIS的北京区域生态环境综合评价研究 作为基本统计单元,而县级行政区又是具体实施各 种生态环境保护和治理措施的基本单位,因此将 北京市l8个县级行政区分为15个单元(其中城四 区作为一个评价单元)作为生态环境评价的基本单 元. 1311』七京Ifi生态环境综合评价体系 2.2数据选择与处理 数据库是地理信息系统的核心,是进行一切数 据处理,空间,模型分析及专题制图的基础与保 证. 1)选用2006年9月SPOT卫星遥感影像与 LANDSATTM卫星遥感影像有效时相影像数据为现 状遥感调查数据源.采用Rs与GIS相结合的方法对 遥感影像配准,对影像数据进行人机交互判读与解 译分析,提取2006年北京市各区县土地利用/土地 覆盖类型空间数据.其中,北京市l0个远郊区县土 地利用/覆盖数据由TM数据进行信息提取获取,北 京市城八区土地利用/覆盖数据由SPOT影像进行 信息提取获取. 2)土地退化数据由北京市林业局(土地沙化面 积)和北京市水务局提供(水土流失面积).土壤侵蚀 的类型分为轻度,中度和重度侵蚀,轻度侵蚀指受自 然营力(风力,水力,重力及冻融等)和人类活动综合 作用下,土壤侵蚀模数?2500t(krn2?a),平均流失 厚度?1.9mm/a的区域;中度侵蚀模数在2500,5 000t(km?a)之间,平均流失厚度在1.9,3.7mm/a 之间的区域;重度侵蚀是指侵蚀模数>5000t(kmz? a),平均流失厚度>3.7mm/a的区域.对于北京来 说,土壤侵蚀情况相对较小,仅有轻度和中度侵蚀. 3)环境质量数据由北京市环保局和北京市环境 保护监测中心提供.北京市各区县的水资源量,降雨 量,SO,COD数据由北京市环保局和北京市环境保 护监测中心提供.由于缺少对区县的固体废物排放 量统计数据,本次工作采用面积平均法计算各区县 固体废物排放量数据.假设区县工业固体废物排放 量与其所在区域面积成正比,则由全市总排放量及 各区县面积与全市区域面积比例关系可对区县固体 废物排放量进行计算. 4)由于收集到的各项评价指标数据包括属性 数据与空间数据,而属性数据具有自身的量纲与分 布区间,无法直接进行比较,计算.为了使各数据问 具有可比性,须对原始数据进行标准化处理.本研究 采用极差标准变换对数据进行处理.公式为: = (一置)/(…一)X100 式中:i是各评价单元的序号;X是第i个评价单元 某个指标的原始值;X…和…是该评价指标的最 大和最小值;为便于计算和结果的判别,将值扩大 100倍. 3评价方法与分级 3.1评价方法 目前用于生态环境质量评价的方法很多,本文 采用参考《生态环境状况评价技术规范(试行)》的评 价系统,评价方法如下. (1)生物丰度指数=Aj.×(0.35X林地+0.21 ×草地+0.28×水域湿地+0.11X耕地+0.04×建 设用地斗0.01X未利用地)/区域面积 其中:,生物丰度指数的归一化系数. (2)植被覆盖指数=AX(0.38X林地面积+ 0.34X草地面积+0.19×耕地面积+0.07X建设用 地+0.02×未利用地)/区域面积 其中:A一,植被覆盖指数的归一化系数. (3)水网密度指数=A×河流长度/区域面积 +A×湖库面积/区域面积+AX水资源量/区域 面积 其中:A河流长度的归一化系数,A,湖库面 积的归一化系数,A,水资源量的归一化系数. (4)土地退化指数=A×(0.05X轻度侵蚀面 积+0.25X中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/ 区域面积 其中:A土地退化指数的归一化系数. (5)环境质量指数=0.4×(100一Aso.XSO2排 放量/区域面积)+0.4×(100一AcoD×COD排放量/ 区域 应用评价方法计算公式,可以计算出各县(市) 生态环境质量综合评价值,并根据评价指标设置原 则和评价方法的要求,将生态环境指标分为五级,即 优,良,一般,较差和差,见表1. 表1生态环境质量分级 级圳优良一般较差差 指数EQI?7555?EQI<75 植被覆盖度高,物多植被覆盖度较高,生物 状态样性#富,牛态系统稳多样性较{i富,基本适 定,最适合人类,存.合人类,存. 35?EQI<552O?EQ!<35 植被覆盖度中等,生物多样惟一植被覆盖较謦,严霞fF-少雨, 般水平,较适合人类生存,但有物种较少,存在着明娃限制人 适合类存的制约性网子}}{现.类生存的索. EQI<20 条件较恶劣, 人类,}i存环 境恶劣. 4评价结果分析 4.1总体状况分析 图2反映了北京市生态环境总体状况的空间格 局,根据《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/ T192—2006),计算得到2006年北京市整体生态环境 状况属于”良”,即植被覆盖度较高,生态多样性较丰 富,基本适合人类生存. 北京『}j盛卷弹价:晓 -- 窿 麟霉氍 艇礴鹅静0挺晦冁磐 湖例 良 鬻般 一燕 图22006年北京市生态环境状况指数分布图 计算所得生态环境状况指数值分布在”良”和 “ 一 般”两个等级,生态状况为”良”的区县分别是密 云,怀柔,门头沟,延庆,平谷,房山,昌平,区域面积 共计12040.86平方公里,占全市区域面积的 73.5l%.生态状况为”一般”的区县分别是通州,大 兴,顺义和北京市市区,区域面积共计437.49平方 公里,占全市区域面积的26.49%.其中,生态状况 最好的是位于北部山区的密云县,生态环境状况属 于”良”;相比较而言,最差的是位于城市建设发展快 86 速的北京市市区,生态环境状况属于”一般”.计算结 果与实际情况基本相符合,北京市生态环境总体状 况的空间格局大体是由市区向远郊区县逐渐变好, 生态环境较好的是北京西北部山区.这一地区各评 价单元的生态环境等级大部分为良.生态环境最差 的地区是市区地区.尤其值得注意的是石景山区,这 一 地区无论是自然条件还是社会经济水平,在全市 都位居较好之列,但生态环境综合指数为负,生态环 境综合状况为差.其原因在于该区污染强度过高,在 很大程度上抵消了自然环境条件上的优势.由此可 看出,自然条件决定了北京市生态环境分布的大体 趋势,但环境污染同样对生态环境具有重要影响,在 某些情况下,甚至可以成为决定因素,并在一定程度 上改变生态环境的空间分布格局….北京市各区县 生态环境评价总体状况与各分指标的关系如图3所 示. 4.2分项指标分析 1)生物丰度指数是指通过单位面积上不同生态 系统类型在生物物种数量上的差异,间接地反映被 评价区域内生物丰度的丰贫程度.从生物丰度指数 看,位于山区的门头沟,密云,怀柔,延庆等区县,因 适宜生物种群繁殖的水域,林地,草地,耕地等生态 类型所占面积比例相对较大,指数均在60以上;而 位于平原地区的通州,顺义,北京市区等地区因林 地,草地面积较少,建筑用地面积相对较大,其指数 均在30以下.北京市市区中心的城市化极为明显, 大部分为城镇建设用地,林地面积相对较少,所以其 指数较小. 2)植被覆盖度指数指被评价区域内林地,草地, 农田,建设用地和未利用土地五种类型的面积占被 评价区域的面积的比重,用于反映被评价区域植被 覆盖的程度.从植被覆盖度指数看,各区县植被覆盖 指数的排序与生物丰度指数基本一致.从图4可以 很明显看出生物丰度指数和植被覆盖度指数的趋势 第4期张萍萍等:基于RS与GIS的北京区域生态环境综合评价研究 几乎相同.位于平原区的城区,石景山,朝阳,通州等区林木覆盖率明显偏低. /————————— 久 唁《..\/\ i,r YI.I???-r.? :_? -/\.: ., i….一.. 概 ,… . ,r—— ?一一生态评价指数---,,O--,,-生物丰度指数…?.?-植被覆盖指数 — 水网密度指数—??一土地退化指数.,--,,,O----环境评价指数 图3生态评价指数5个分指数对比图 „——:. .? , . |k! ,,:一_一??:=_一 —.一 植被覆盖指数—.??一生物丰度指数 图4生物奉度指数与植被覆盖度指数对比图 3)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, 用于反映被评价区域水的丰富程度.受地势和水资 源分布影响,北京各区县有水河流长度及湖库面积 差异明显,评价结果相差较大.指数最高的为密云, 最低的是门头沟. 4)土地退化指数是指被评价区域内风蚀,水蚀, 重力侵蚀,冻融侵蚀和侵蚀的面积占被评价区 域面积的比重,用于反映被评价区域内土地退化程 度.北京市土壤侵蚀主要分布在密云,延庆,房山,门 头沟,怀柔,平谷,昌平等区县,其中,轻度侵蚀占土 壤侵蚀面积的76.8%,中度侵蚀土地面积占土壤侵 蚀面积的23.2%.计算得到2006年北京市各区县土 地退化情况较轻. 5)环境质量指数指被评价区域内受纳污染物负 荷,用于反映评价区域所承受的环境污染压力.根据 北京市环境统计资料,2006年北京市市区的化学需 氧量排放量占整个北京市排放量的54.67%,二氧 化硫排放量占全北京市排放量的62.37%,工业固 体废物排放量为0.012万吨.考虑到市区城八区面 积仅占整个北京市的8.37%,因此计算所得北京市 市区环境污染情况要远比远郊区县严重. 5结语 本文将遥感与地理信息系统相结合,开展区域 生态环境综合评价研究,并基本准确地对北京市生 态环境空间格局进行分析,这种方法对区域生态环 境综合评价研究有一定意义.评价北京市各区县生 态环境综合状况,分析得出自然状况,灾害情况和环 境质量与生态环境背景是密切相关的.实践证明,本 研究的评价方法充分发挥GIS技术强大的空间分析 能力,为提高区域生态环境评价水平提供了新思 路”,该研究通过对北京市生态环境质量综合评价 的应用,表明北京市生态环境质量状况可以以生物 87 首都师范大学学报(自然科学版)2008钲 丰度指数,植被覆盖指数,水网密度指数,土地退化 指数以及环境质量指数等5项指标进行评价,结果 与实际情况基本相符,所采用的评价指标体系 具有一定的科学性,但是北京作为首都,经济状况, [7] [8] 9 l0 11 l2 人类活动等因素对区域内的生态环境也有很大的影 响,所以如何在考虑自然,环境因素的同时,充分考 虑经济状况对北京市区域生态环境综合状况的影响 还需进一步深入研究. 参考文献 刘建军,李新奇,高利群.遥感技术在新疆生态环境监测与综合评价中的应用[J].干旱区地理,2004,27(4):508— 5l1. 徐燕,周华荣.初论我国生态环境质量评价研究进展[J].干旱区地理,2003,26(2):166—172. 朱晓华,杨秀春,谢志仁.江苏省域生态环境质量动态评价研究[J].经济地理,2002,22(1):97—100. 林了瑜,徐金山.江西省县(市)域生态环境综合评价[J].华东地质学院学报,2001,24(3):198—204. 王永兴.新疆宏观生态的空间分异与变化[J].干旱区地理,2002,25(1):4—9. 王思远,张增样,赵晓丽等.遥感与GIS技术支持下的湖北省生态环境综合分析【J].地球科学进展,2002,l7(3): 426—431. 国家环保总局全国生态示范区建设试点工作领导小组.生态环境考核标准选编[M].北京:中国环境科学出版社, 1999.2l一26. 刘庄,谢志广,沈渭寿.提高区域生态环境质量综合评价水平的新思路[J].长江流域资源与环境,2003,12(2):163 一 l68. 叶庆华.中国环境生态形势的空间分异研究[J].地理科学,2000,20(6):523—527. 赵善伦,尹民,张伟.GIS支持下的山东省土壤侵蚀空间特征分析[J].地理科学,2002,22(6):694—699. 熊鹰,王克林.基于GIS的湖南省生态环境综合评价研究[J].经济地理,2005,25(5):655—657. 刘庄,谢志仁,沈渭寿.提高区域生态环境质量综合评价水平的新思路[J].长江流域资源与环境,2003,12(2):163 — 168. StudyontheSyntheticAssessmentofRegional Eco—EnvironmentofBeijingBasedonRSandGIS ZhangPingpingZhaoWenji (TheKeyLabofResourceandEnvironmentG1S,CapitalNormalUniversity,Beijing100037,China) Abstract ThepaperadoptsfeasibleindexsystemtoassesstheecologicalenvironmentstatusinBeijingareacompo sitively.It hasreferencedandguidancemeanipgfortheprotectionofecologicalenvironment.Basedontheexisting researchresults, thispaperusesRSandGIStechnologytoassessetheecologicalenvironmentofBeijingareacompositivel y,taking “AssessmentMethodofEcologicalEnvironmebtQuality”bynationalenvironmentalmonitoringstatio nin2003asreference andeachboroughsandcountiesofBeijingasevaluationunit.Theresultshowsthatthesyntheticecologic alenvironment collectivitystatusofBeijingareaisgood,andtheecologicalenvironmentstatusinsuburbisobviouslybet terthanthe statusintown.Theevaluationresultsaccordwiththepracticalconditi0ns. Keywords:Ecologicalenvironment,syntheticassessment,RSandGIS,Beijing 作者简介张萍萍(1983一),女,安徽阜阳人,硕士,主要从事遥感与地理信息系统应用研 究,Email:zhangpp@21stc.com.cn 88