基于3S技术的生态环境质量监测与评价方法研究

第3卷第1期2009年2月
沙漠与绿洲气象
Desert and Oasis Meteorology
基于3S技术的生态环境质量监测
与评价方法研究
肖继东1，2，3，陆锋4，李虎5，张旭1，石玉1，冯志敏1，杨志华1，邢文渊1，
傅华1，李聪1，陈爱京1
（1.新疆生态环境遥感中心，新疆乌鲁木齐830002；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；
3.新疆师范大学生命与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830053；
4.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境
信息系统国家重点实验室，北京100101；5.福建师范大学亚热带资源与环境省重点实验室，福建福州350002）
摘要：在《生态气象观测规范（试行）》、《生态质量气象评价规范（试行）》、《生态监测指标体系》等规范性文件的基础上，结合新疆的实际情况，基于3S技术，利用CBERS和EOS/MODIS 卫星数据结合前期相关专业调查成果和数据以及社会经济发展数据，研究并构建了一整套生态环境质量监测与评价的指数，如湿润指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、灾害指数、生物丰度指数和污染负荷指数等。

在此基础上，分别建立了生态质量气象监测模型与评价标准以及生态环境综合监测模型与评价标准。

关键词：3S技术；生态环境；质量；监测；评价；方法；
中图分类号：X87；X820.2文献标识码：B文章编号：1002-0799（2009）01-0004-05 Method Research on Monitor and Appraisal of Ecological Environment
Quality Based on3S Technology
XIAO Ji-dong1，2，3，LU Feng4，LI Hu5，ZHANG Xu1，SHI Yu1，FENG Zhi-ming1，
YANG Zhi-hua1，XING Wen-yuan1，FU Hua1，LI Cong1，CHENG Ai-jing1
（1.Xinjiang Ecological Environment Remote Sensing Center,Urumqi830002，China;2.Xinjiang University Department of Education Key Laboratory of Eco-Oasis,Urumqi830046，China;3.Xinjiang Normal
University College of Environmental Science and life,Urumqi830053,China;4.State Key Laboratory of Resources and Environment Information System,Geography Science and Resources Research Institute,CAS,Beijing100101,China;5.Fujian Key Laboratory of Tropics Resources and Environment,
Fujian Normal University,Fuzhou350002,China）
Abstract:The standard documents such as Ecology Meteorological Observation Standard （Implementation）,Ecology Quality Meteorology Appraisal Standard（Implementation）,Ecology Monitor Target System lay foundation for this studying.Based on the3S technology,using CBERS
收稿日期：2008-10-06；修回日期：2008-11-12
基金项目：新疆大学绿洲生态教育部重点实验室研究基金计划项目（XJDX0201-2008-07）
作者简介：肖继东（1961-），男，高级工程师，主要从事生态安全、环境灾害、农情信息等领域的遥感动态监测与评价研究工作。

E-mail:xjd_xj@
and EOS/MODIS satellite data,combined with correlated investigation achievement in earlier period and the social economic development data,the technical method of monitoring and appraising ecological environment quality is studied on Xinjiang cases.Firstly,a series of indices such as the moisture index,the vegetation cover index,the network of rivers and lakes density index,the land degeneration index,the disaster index,the biological abundance index and the pollution load index are constructed.Hereby,the ecology quality meteorology monitor model and the evaluation criteria as well as the ecological environment synthesis monitor model and the evaluation criteria are established respectively.
Key words:3S technology;ecological environment;quality;monitor;appraisal;method
生态环境是社会经济可持续发展水平的重要衡量依据。

生态环境质量标志着社会生产和人居环境稳定和协调的程度。

生态环境监测评价是在时间和空间上对特定区域范围内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统测定和观察，并评价和预测人类活动对生态系统的影响，从而充分认识和掌握生态环境状况和潜在的发展趋势，为资源合理利用、生态环境保护提供决策依据。

生态环境监测评价是生态环境预警的基础，也是制定国民经济发展计划和规划的重要依据。

近年来，国家对空间信息资源的需求超过了历史上的任何时期。

随着科技的日益进步，开发应用新型航空航天遥感传感器，服务于我国的国土安全、粮食安全、资源安全成为我国科技界的重要任务。

目前遥感信息已成为生态环境研究的主要信息源，为大范围、动态、周期性的区域生态环境监测评价提供了数据、技术支持和成果精度保证。

进一步加强新型航空航天对地观测数据的开发利用，开拓遥感卫星应用新领域，建立基于卫星遥感资料的对地观测信息采集与分析平台及其业务运行系统，准确及时地掌握资源与环境变化状况，进而指导人们正确开发利用国土资源、保护生态环境，已成为国家决策部门和科学界普遍关注的问题。

1研究区域及数据获取
1.1研究区域
新疆维吾尔自治区全境，地理坐标为73°41′~96°18′E，34°32′~49°31′N，东西长2000km，南北宽约1650km，土地面积165.1104万km2，约占全国陆地面积的1/6。

1.2数据获取
采用3S技术和地面监测、统计、社会调查相结合的手段，获取生态质量评价所需要的各项数据。

2方法
生态质量是指在一定具体的时间和空间内生态系统的总体或部分生态因子的组合对人类的生存及社会经济持续发展的适宜程度；生态质量评价是基于选定指标体系和质量标准,运用3S技术方法评价某区域生态质量的优劣及其影响作用关系。

本项研究所建立的生态质量气象评价指数是在湿润指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和灾害指数的基础上构建的综合指数，突出考虑了气候湿润状况以及气象灾害方面的影响评价,要求侧重于气象部门自身优势条件。

本项研究所建立的生态环境质量评价指数是在生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和和污染负荷指数的基础上构建的综合指数，突出考虑了生物多样性以及环境污染方面的影响评价，要求全面综合。

由于不同的因素对生态的影响程度是不一样的，因此需要对参评因素进行权重系数测定。

确定权重系数的方法采用专家打分法。

各评价指数均为0~1之间的数，各评价指数乘以100为各评价指数作用分值。

2.1湿润指数
湿润指数系指降水量与潜在蒸散量之比，是判断某一地区气候干、湿程度的指标，能够较客观地反映某一地区的水热平衡状况。

具体计算方法如下：
K=A R/ET×R/E T
式中，A R/ET为湿润指数的归一化系数，R为降水量，E T为潜在蒸散量。

计算值>100时，一律按100计算。

K<1时，表示大气降水少于植被生理过程需水量；当K=1时,表示该区域大气降水与植被生理需水达到平衡;当K>1时,表示大气降水大于植被生理过
第3卷第1期2009年2月
沙漠与绿洲气象
Desert and Oasis
Meteorology
程需水量，降水条件不成为当地植被生理需水的限制因子，如果K >1，规定K =1。

2.2植被覆盖指数
将不同土地利用/覆被类型赋以不同的权重，得出地表覆被状态值，作为生态状态的重要表征之一。

参考生态环境评价指标体系结合新疆植被分类的实际情况，应用前期植被分类调查成果，建立了一套简单易行的植被生态遥感监测评价的方法。

植被生态评价主要考虑以下几个方面：
（1）林地指标是林地面积与辖区区域面积的比值；
（2）草地指标是草地面积与辖区区域面积的比值；
（3）农区指标是耕地面积与园地面积的和与辖区区域面积的比值；
（4）新增植被指标是相对于前期植被调查新增的植被面积与辖区区域面积的比值。

植被覆盖指数=A veg ×〔0.5×林地面积×生长期+0.3×草地面积×生长期+0.2×（农田+园地）面积×生长期+1.0×新增植被面积×生长期〕/区域面积。

式中：A veg 为植被覆盖指数的归一化系数，计算值>100时，一律按100计算。

生长期为生长天数占评价期天数的百分比。

植被覆盖指数各因子权重见表1。

表1植被覆盖指数分权重
2.3水网密度指数
水在生态系统中具有重要作用，是生态系统物
质流与能量流的重要载体，也是人类社会生活不可缺少的物质，尤其在干旱、半干旱生态系统中，水是生态系统的决定因素。

计算方法为：
水网密度指数=A riv ×河流长度／区域面积+A 1ak ×（1.0×湖库水域面积+0.7×永久性冰雪面积+0.3×季节性积雪面积）/区域面积+A res ×水资源量／区域面积。

水网密度指数各因子权重见表2。

式中：A riv 为河流长度的归一化系数；A 1ak 为水覆盖面积的归一化系数；A res 为水资源量的归一化系数。

计算值>100时，一律按100计算。

表2
水网密度指数分权重
其中水域面积采用评价时段内平均水域面积，包括河流、湖泊、水库等水体面积；永久性冰雪面积，一般采用旬可视面积在上一年度的最小值代
替，对于拥有EOS/MODIS 资料的初始年份（2002年）可采用国土资源调查中的永久性冰雪面积数据；季节性积雪面积采用旬可视面积在评价时段内的平均值。

2.4
土地退化指数
土地退化指数指评价区域内风蚀、水蚀、盐渍化、冻融的面积占评价区域总面积的比重。

人类不合理利用土地资源，对生态系统产生的压力超过了生态系统的承载能力，生态系统功能不断衰退，土地退化是生态系统退化的重要表征之一。

土地退化因素及程度分级见表3。

表3土地退化因素及程度分级表
土地退化指数=A ero （0.10×土地退化等级1无变化的面积+0.20×土地退化等级2无变化的面积+0.30×土地退化等级3无变化的面积+0.40×土地退化等级4无变化的面积+0.05×土地退化等级变化级别1的面积+0.15×土地退化等级变化级别2的面积+0.25×土地退化等级变化级别3的面积+0.35×土地退化等级变化级别4的面积+0.45×土地退化等级变化级别5的面积）/区域面积。

土地退化指数各因子的权重见表4和表5。

式中：A ero 为土地退化指数的归一化系数。

表4土地退化等级分权重
表5土地退化等级变化级别分权重
植被类型权重
结构类型权重
有林地0.6灌林地0.25疏林地0.15高覆盖0.6中覆盖0.3低
覆盖
0.1
水田
0.7
旱田
0.3
林地面积草地面积（农田+园地）面积新增植被面积
高覆盖0.6
中覆盖0.3
低覆盖0.1
0.50.30.2 1.0类型权重
水域面积1.0
永久性冰雪面积
0.7
季节性积雪面积
0.3
程度无明显退化
轻度中度重度极重度
风蚀01234
水蚀01234
盐渍化01234
冻融01234
土地退化的等级
权重系数
10.10
20.20
30.30
40.40
土地退化等级变化的级别
权重系数
10.05
20.15
30.25
40.35
50.45
2.5灾害指数
灾害指数是指被评价区域内农田、草地、森林等生态系统遭受气象灾害的面积占被评价区域面积的比重。

包括:干旱、洪涝、渍害、雹灾、低温冷害、霜冻、雪灾、高温热害、风灾、病虫害及森林火灾等。

灾害指数DIS=∑（Si），式中Si为各灾害因子指数：干旱、洪涝等。

Si=A Si（0.1×轻度灾害面积）/区域面积+（0.3×中度灾害面积）/区域面积+（0.6×重度灾害面积）/区域面积+（1.0×毁灭性灾害面积）/区域面积
式中：A Si为灾害指数的归一化系数。

灾害强度权重见表6。

表6灾害指数分权重
2.6生物丰度指数
生物丰度指数分权重见表7。

表7生物丰度指数分权重
生物丰度指数计算方法：
生物丰度指数=A bio（0.5×森林面积+0.3×水域面积+0.15×草地面积+0.05×其它面积）/区域面积式中：A bio为生物丰度指数的归一化系数。

2.7污染负荷指数
污染负荷指数的分权重见表8。

表8污染负荷指数分权重
污染负荷指数的计算方法：
污染负荷指数=（A S02×0.4×S02排放量+A S01×0.2×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 S02为S02的归一化系数；A S01为固体废物的归一化系数；A COD为COD的归一化系数。

计算值> 100时，一律按100计算。

2.8生态质量评价
2.8.1生态质量气象评价
根据不同属性指标对总体生态质量的影响方向不同,对全部指标属性进行正向化处理。

5项指标中，2项为负项指标，因此将负向指标进行正向化处理（1-负项指标）。

负向指标主要包括：土地退化指数、灾害指数，数据同化后全部数据的大小变化趋势反映了生态现状相同的优劣变化趋势。

生态质量气象评价指标权重见表9。

生态气象评价指数=湿润指数×权重系数+植被覆盖指数×权重系数+水网密度指数×权重系数+（1-土地退化指数）×权重系数+（1-灾害指数）×权重系数表9生态质量气象评价指标权重表
根据生态质量气象评价指数（Ecological Quality Meteorological Index，EQMI），将生态环境质量分为五级，即优、良、一般、较差和差（表10）。

表10生态质量气象评价分级
2.8.2生态环境质量综合评价
生态环境质量指数（Ecological Quality Index，EQI）各项评价指标权重见表11。

生态环境质量指数（Ecological Quality Index，EQI）计算方法：
指标
权重
生物丰度指数
0.3
植被覆盖指数
0.2
水网密度指数
0.25
土地退化指数
0.15
污染负荷指数
0.1
表11各项评价指标权重
指标权重系数轻度
0.1
中度
0.3
重度
0.6
毁灭性
1.0
污染指标权重二氧化硫（SO2）
0.4
化学需氧量（COD）
0.4
固体废物
0.2
指标
权重系数
湿润指数
0.25
植被覆盖指数
0.30
水网密度指数
0.20
土地退化指数
0.15
灾害指数
0.1
级别
指数
状态
优
EQMI≥50
植被覆盖
度好，降水
充足，生物
多样性好，
生态系统
稳定，最适
合人类生
存。

良
30≤EQMI<50
植被覆盖度
较好，降水正
常，生物多样
性较好，适合
人类生存。

一般
20≤EQMI<30
植被覆盖度处
于中等水平，
降水不足，生
物多样性一般
水平，较适合
人类生存，但
偶尔有不适人
类生存的制约
性因子出现。

较差
10≤EQMI<20
植被覆盖较
差，严重干旱
少雨，物种较
少，存在着明
显限制人类生
存的因素。

差
EQMI<10
条件较恶
劣，极端干
旱少雨，多
属戈壁、沙
漠、盐碱
地、秃山，
不适合人
类长期生
存。

生态系统权重
结构类型分权重
低
覆
盖
度
草
地
0.1
中
覆
盖
度
草
地
0.3
高
覆
盖
度
草
地
0.6
雨
林
1
常
绿
阔
叶
林
0.6
常
绿
落
叶
阔
叶
混
交
林
0.5
落
叶
阔
叶
林
0.3
针
叶
林
0.2
河
流
0.1
湖
泊
水
库
0.3
湿
地
0.6
农
田
沙
漠
等
其
它
类
型
之
和
0.05
森林面积
0.5
水域面积
0.3
草地面积
0.15
其它
0.05
第3卷第1期2009年2月
沙漠与绿洲气象
Desert and Oasis
Meteorology
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（表12）。

表12生态环境质量分级
3结论
经实践表明，基于3S 技术,利用CBERS 和
EOS/MODIS 卫星数据结合前期相关专业调查成果和数据以及社会经济发展数据，研究和探索的一整套多源信息复合处理集成变更基础上的生态质量气象监测评价以及生态环境质量综合监测评价的技术路线和技术方法，适用于气象部门以及相关行业部门进行区域生态质量的监测与评价，监测评价精度高、业务化程度高、可操作性强。

在《生态气象观测规范（试行）》、《生态质量气象评价规范（试行）》、《生态监测指标体系》等规范性文件的基础上，结合新疆的实际情况，编制的生态环境质量监测与评价数据分类指标体系及数据字典，为
建立新疆生态质量气象监测评价系统以及生态环境
质量综合监测评价系统提供了较为理想的数据字典以及相关技术标准和规范基础。

基于3S 技术，利用CBERS 和EOS/MODIS 卫星数据结合前期相关专业调查成果和数据以及社会经济发展数据，在构建湿润指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、灾害指数、生物丰度指数和污染负荷指数的基础上，分别建立的生态质量气象监测评价以及生态环境质量综合监测评价的数据信息平台，为深入研究生态环境质量的时空分布以及变化规律，推动“数字资源、数字生态、数字环境”战略的实现提供了坚实的基础。

参考文献：
[1]中国气象局.生态气象观测规范（试行）[S].北京：气象出版社，
2005.[2]中国气象局.生态质量气象评价规范（试行）[S].北京：气象出版社，
2005.[3]来欣，张永明，李虎，肖继东，等.新疆国土资源环境遥感综合调查研究[M].新疆：新疆人民出版社，2004.[4]刘纪远.中国资源环境遥感宏观调查与动态研究[M].北京：中国科学技术出版社，1996.
[5]中国科学院新疆地理研究所.干旱区资源环境与绿洲研究[M].北京：
科学出版社，1995.[6]樊自立.新疆土地开发对生态与环境的影响及对策研究[M].北京：气象出版社，1996.
[7]刘纪远，庄大方，凌杨荣.基于GIS 的中国东北植被综合分类研究[J].遥感学报，1998，1（3）：285-291.
[8]
刘卫国，龚建华，方红亮.地理信息系统下的知识获取及其在遥感影像植被分类中的应用研究.遥感学报，1998，2（3）：234-240.
级别指数状态
优EQI ≥75
植被覆盖度好，生物多样性好，生态系统稳定，最适合人类生存。

良55≤EQI<75
植被覆盖度较好，生物多样性较好，适合人类生存。

一般35≤EQI<55
植被覆盖度处于中等水平，生物多样性一般水平，较适合人类生存。

但偶尔有不适人类生存的制约性因子出现。

较差20≤EQI<35
植被覆盖度较差，严重干旱少雨，物种较少，存在着明显限制人类生存的因素。

差EQI<20
条件较恶劣，多属戈壁、沙漠、盐碱地、秃山或高寒山区。

人类生存环境恶劣。

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