2018Esri开发竞赛ENVI-IDL组作品欣赏-基于landsat8的故黄河(睢宁县流域)生态环境健康评价

作品名称: 基于 landsat8 的故黄河(睢宁县流域)生态环境健康评价

作者单位: 中国矿业大学(徐州)环境与测绘学院

小组成员: 王海、吴晓、唐晓芳

指导老师: 赵银娣

获奖情况: 三等奖

作品概述

本作品基于 ENVI/IDL 平台,以 Landsat 8 光学遥感影像为主,结合其他空间属性数据资料,对淮海经济区生态建设典型区域故黄河睢宁县段展开生态调查,同时结合从统计局资料、政府年鉴中得到的相关信息,应用 PSR 评价模型对睢宁县故黄河流域生态红线内的以水域为主的生态环境系统行健康评价。对 14 15 17 18 四年遥感影像数据进行处理,从时间序列上,对多光谱遥感影像进行相关指标分析,对比故黄河生态治理前后的效果并进行分析,得到治理前后各类图表。

作品制作流程

建立基于 landsat 8 遥感影像评价故黄河生态系统健康状态的评价体系,获取遥感影像,对其进行几何校正等预处理,并根据所得到的红线区划分裁剪研究区域,根据评价体系从遥感影像中提取和结合统计局数据得到研究区域范围内的各项指标,利用 Delphi 、层次分析等方法确定各项指标的权重,划分生态系统健康状况等级,得到治理前后的结果并对治理结果进行分析与评价,研究成果可以为睢宁县故黄河流域土地综合整治工作提供参考依据,使得黄河故道流域片区土地利用规划更科学、更经济。

图:作品制作流程

2.1   影像预处理

利用 ENVI Landsat8 影像的多光谱波段和全色波段进行处理,预处理流程包括:辐射定标、 FLAASH 大气校正、多光谱波段与全色波段进行融合,得到分辨率为 15 米的遥感影像。最后根据提取的睢宁县矢量边界对处理好的影像进行裁剪,得到睢宁县影像。

2.2   计算植被覆盖度

计算 NDVI ,利用二分模型就算植被覆盖度。

2.3   影像分类

采用最大似然法,对故黄河睢宁流域进行分类,提取建筑覆盖率和水体覆盖率。

2.4   指数计算

(1)     综合弹性值

通过生态系统的恢复力来体现的,依据不同土地利用类型对生态恢复的贡献度,分别赋以不同的恢复力值。计算综合弹性值根据公式: ECO = ,其中 ECO 表示综合弹性值, S 表示土地利用类型 i 所占总面积的比值, P 则表示不同土地利用类型恢复力的分值, m 表示土地利用类型的数目。

(2)     多样性指数

即指土地利用类型的多样化程度,其计算公式如下所示: 其中 H 表示多样性指数, P 表示土地类型 i 所占总面积的比值, m 表示土地利用类型的数目。

(3)     均匀度指数

均匀度反映区域内各土地利用类型在面积上分布的不均匀程度。表达式 :E=H/H , 其中 E 表示均匀度指数, H 表示多样性指数, Hmax 则表示最大多样性指数 (Hmax=lnm)

重复步骤 1-6 ,得到四年的数据。结合从统计局数据和政府年鉴中得到的数据汇总为下表:

项目层

指标层

2014

2015

2017

2018

压力

人口密度(人 /km 2)

809.8

813.8

813.1

812.7

城镇化率( %

44.20

49.30

51

53.70

植被覆盖率( %

52.2

44.3

53

47.7

状态

建筑覆盖率( %

27.2

21.5

23.8

28.4

水体覆盖率( %

2.34

1.99

2.58

1.97

综合弹性值

0.5434

0.5472

0.5595

0.5446

多样性指数

1.479

1.544

1.506

1.456

均匀度指数

4.058

4.247

4.12

3.974

响应

人均 GDP (元 / 人)

41087

44210

48556

53976

城镇生活污水集中处理率( %

85.6

86.5

88.2

90.8

2.5   生态系统健康评价

应用 PSR 模型对所选取的指标进行评价处理,首先进行评价指标的标准化处理,根据指标的基本性质和作用,采用极差标准化进行数据变换。把标准化分值设定在0~1,得出四年故黄河(睢宁县)流域各指标的标准化数值(图 8.1 ),所用处理公式为:

正向指标得分: Ai =( xi xmin / xmax xmin

负向指标得分: Bi =( xmax xi / xmax xmin

式中: Ai Bi 为参评因子第i级的分级标准化值; xi 为参评因子第i级的实际值; xmin xmax 分别为参评因子的最小值及最大值。正向指标包括:人均 GDP 、植被覆盖率、水体覆盖率、城镇生活污水集中处理率、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数。负向指标包括:人口密度、城镇化率、建筑覆盖率。

睢宁县故黄河流域生态系统健康评价指标的标准化数值

项目层

指标层

2014

2015

2017

2018

压力

人口密度(人 /km 2)

1

0

0.175

0.275

城镇化率( %

1

0.537

0.716

0

植被覆盖率( %

0.908

0

1

0.391

状态

建筑覆盖率( %

0.667

1

0.174

0

水体覆盖率( %

0.6066

0.03279

1

0

综合弹性值

0

0.236

1

0.0745

多样性指数

0.2614

1

0.5682

0

均匀度指数

0.3077

1

0.5348

0

响应

人均 GDP (元 / 人)

0

0.242

0.579

1

城镇生活污水集中处理率( %

0

0.1731

0.5

1

然后确定指标权重,评价指标的权重决定了各个因子对流域生态环境健康状况的贡献大小。为避免片面性和主观性,本研究采用层次分析法( AHP )计算各指标的权重值,采用两两比较的形式对每一层次的因素建立判断矩阵,用 Satty 提出的“1~9比率标度法”进行定量评价。通过计算判断矩阵的特征值和特征向量,得到各层次因素关于上一层次因素的相对权重(层次单排序权值),并检验矩阵的一致性。当判断矩阵的随机一致性比率CR=CI/RI<0.1时,则认为判断矩阵具有满意的一致性。自上而下地用上一层次因素的相对权重加权求和,求出各层次因素关于总目标的综合重要值(层次总排序权值)

然后进行故黄河睢宁流域生态系统健康综合指数的构建。通过查阅相关资料、参照国内外相关流域生态系统健康评价研究的评价标准,并根据被评价系统的具体特征和实际情况等,将汝溪河流域生态系统的健康状况划分为5个等级,即很健康、健康、较健康、一般病态、疾病,每一等级均赋予不同的分值范围。采用综合评价指数法计算出故黄河河睢宁流域的生态系统健康综合指数(E),根据其分值最终确定该流域生态系统四年的健康状况。

4 睢宁县故黄河流域生态系统健康指数分级标准

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