作品编号：D846（三等奖）
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
一、作品背景
目前，城市生态系统面临着严峻的挑战。生态系统结构改变，功能退化，可持续性降低，会威胁到区域生态和人居安全。许多城市对生态进行治理，但依据现有的一般技术很难在长时间序列上对生态系统的治理情况进行准确有效的评价，针对这一紧迫局势，生态环保部和中科院等机构对区域生态系统的结构、功能和生态构成进行了充分认识和研究，以生态系统服务功能在空间上的分布和变化规律为基础，初步确定 50 个重要的生态服务功能区，包括土壤保持、水源涵养、防风固沙、洪水调蓄和生物多样性保护5个主导功能。
徐州市自2016年以来，已划定11类共82块生态红线区域，总面积2960.64平方公里，已基本建成以自然保护区为骨干，包括风景名胜区、森林公园等不同类型保护地的生物多样性保护网络体系。2017年，睢宁县进一步加强故黄河流域土地综合整治工作，支持编制实施黄河故道流域片区土地利用规划，支持黄河故道流域节余指标在是与范围内流转使用，倡导建立一个健康的故黄河生态系统。
睢宁县故黄河是一条横贯睢宁——总体呈东西走向局部蜿蜒曲折的天然河道，在环境保护战略中故黄河属于重点保护对象。城市建设规划对故黄河的功能提出两点要求。一是防洪排涝：现状河道形式不尽合理，部分河段淤积，影响汛期排涝通畅，遇强降雨时，易积涝成灾。二是居民生活：脏、乱、差的河道、已经不能满足居民对环境的需求，让居民生活在碧水绿荫的环境下已是各级领导时刻关注的问题。
生态红线是指为维护国家或区域生态安全和可持续发展，据生态系统完整性和连通性的保护需求，划定的需实施特殊保护的区域。生态红线的提出是对生态系统健康评价的延伸，为健康评价结果给出了明确的管理后果。本项目积极响应政策号召，将在已有的故黄河生态红线基础上以“压力-状态-响应”（PSR）为评价模型，建立生态健康评价体系，以2014、2015、2017、2018年Landsat8卫星影像数据为基础，分析睢宁县故黄河流域生态健康状况，分析生态健康状况的年际变化。
Landsat系列最新卫星Landsat8，其OLI陆地成像仪包括9个波段，此作品主要利用了全色波段和7个可见光波段。Landsat8遥感影像数据应用广泛，包括研究全球变化、农业、林业、地质、资源管理、地理学、制图、水质、生态健康评价等研究领域。
二、应用目标
本作品主要目标如下：
（1）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，同时结合从统计局得到的相关资料，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。
（2）结合从环保局得到的生态红线划分，以“压力-状态-响应”（PSR）为评价模型，综合考虑自然、经济、社会的情况下，从压力、状态、响应这三个层次计算了NDVI、MNDWI、NDBI、植被覆盖率、建筑覆盖率、水体覆盖率等数据，在选取人口密度、综合弹性值、多样性指数、均匀性指数等相关遥感指数，建立生态健康评价体系，完成对睢宁县故黄河区域的生态评价。
压力层：人口密度（人/ｋｍ２）、城镇化率。状态层：植被覆盖率、建筑覆盖率、水体覆盖率、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数。响应层：人均GDP、城镇生活污水集中处理率。
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。
（3）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，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。
三、数据来源
Landsat8卫星影像数据，2014、2015、2017、2018年4月江苏省徐州市区域。
- 主要技术流程
图1 技术流程图
1.遥感影像预处理
本作品主要利用ENVI对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.图像信息提取
本作品需要从遥感图像中进行提取并计算的信息有：植被覆盖率、水体覆盖率、建筑覆盖率、综合弹性值、多样性指数、均匀性指数，同时为了后期验证计算了MNDWI、NDBI。
信息提取的主要过程：利用预处理后的数据通过ENVI计算NDVI、使用Band math工具以NDVI为基础计算植被覆盖率，利用ENVI软件中的统计工具对数据进行统计，统计各年度的睢宁县平均植被覆盖率。
遥感影像监督分类：利用监督分类选择感兴趣区，地类分为水域、建筑、林地、草地、耕地、裸地六类，并进行掩膜，统计各土地利用类型面积，计算水体覆盖率、建筑覆盖率、综合弹性值、多样性指数、均匀性指数。
3.构建评价体系
本作品指标体系的建立遵循以下原则：
（1）生态系统的完整性与敏感性；（2）把人类作为故黄河流域生态系统的组成来看，充分体现出人类在生态系统中的作用；（3）评价指标的系统性、易操作性和数据可得性。
参考国内基于PSR框架模型的流域生态系统健康（生态安全）评价指标体系研究成果的研究，以徐州市睢宁县故黄河流域的生态特征为基础，根据上述指标选择的原则，本研究构建了以目标层、项目层、指标层为３个层次的睢宁县故黄河流域生态系统健康评价的指标体系。
目标层：流域生态系统健康评价。项目层：压力、状态、响应。指标层：植被覆盖率、水体覆盖率、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数、城镇生活污水集中处理率、人均GDP、建筑覆盖率、人口密度、城镇化率。
评价方法：本文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。本文把标准化分值设定在０～１。正向指标包括：植被覆盖率、水体覆盖率、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数、城镇生活污水集中处理率、人均GDP。负向指标包括：人口密度、城镇化率、建筑覆盖率。
4.层次分析法确定权重
指标权重的确定：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。
5.构建生态系统健康综合指数
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。本文用综合评价指数法计算出故黄河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在2014、2015、2017、2018年的健康状况。
五、结果分析
2014、2015、2017、2018年的睢宁县故黄河流域生态系统健康平均处于较健康的状态，整体上有所波动，其所受的人为压力适当，具有一定的恢复能力和自我调节能力。同时，当地政府、部门和人民根据环境的实际情况共同实施各种治理措施，缓解生态系统的外在压力，一定程度上减轻了系统的负担，帮助生态系统在一定时间内通过人为协助和自身调节能力恢复其健康状态。
对睢宁县故黄河流域生态系统健康影响较大的有植被覆盖度、人口密度、水体覆盖度、人均GDP等指标，随着时间的推移，日益积累的各种不利因素，导致生态系统承受的压力越来越大，如果外界压力强度超过系统的承载力，则会出现生态系统的破坏甚至退化，从而导致2015年和2018年这种生态系统亚健康现象的存在。
尽管目前睢宁县故黄河流域生态系统处于较健康状态，但睢宁县仍应根据该流域生态系统的实际情况，积极以可持续发展为基础，科学地、合理地开发利用该流域的各种资源，保护该流域的生物多样性，加强水土保持，提高生活、工业污水处理达标率，加强各种环保工作，提高人民群众的环保意识，把社会效应、经济效应与生态环境相结合，努力保持睢宁县故黄河流域生态系统的健康状态。