基于遥感和GIS技术的巴士拉省环境脆弱性评价

Mushtak T. Jabbar¹以及阿马尔·s·达伍德²

中央华盛顿大学地质学院教授，美国华盛顿州西雅图98198
伊拉克巴士拉大学工程学院土木工程系博士，巴士拉61004

摘要

在这项研究中，为伊拉克巴士拉省开发了一种基于gis的方法来评估自然和社会压力、环境敏感性和生态稳定性的方法。本研究使用的信息来自两个不同的来源:(i)通过GPS定位的500多个土壤样本的土壤调查，以研究区域内的综合环境脆弱性指数(EVI)方法定量评估土地地图质量;(ii)在Arc/Info GIS遥感图像(Landsat TM 1990和ETM 2003)上数字化的巴士拉省地球科学地图中实施的环境信息。从生态脆弱性的特征和成因出发，建立了多目标生态脆弱性评价指标体系框架，建立了环境脆弱性的压力-状态-响应模型。结果表明，超过56.3%的区域处于高脆弱性水平，近1/5的区域处于中等脆弱性水平。综合影响环境脆弱性的不同因素，可以制定出一个成功的防治方案。利用遥感数据和地理信息系统对不同退化参数的敏感性情况进行了可视化分析。

关键字

环境脆弱性指数，评价模型，遥感，地理信息系统，伊拉克

介绍

最近，人们越来越意识到，农业用地是地球生物圈的一个至关重要的组成部分，因为它不仅在粮食生产中发挥作用，而且在与脆弱生态系统管理有关的环境质量维持方面发挥作用，还在制定和评估可持续农业和土地利用/覆盖政策方面发挥作用[1-3]，从而激发了人们对评估环境脆弱性的兴趣。在伊拉克，由于土地管理的主要重点是控制土壤侵蚀和尽量减少土壤流失对生产力的影响(例如[4])，近十年来文献中没有讨论环境脆弱性。

目前已提出了多种环境脆弱性评价方法，如综合评价法[5]、模糊评价法[6]、人工神经网络评价法[6]、景观评价法[8-10]、层次分析法[11]等。遥感和GIS已成为变量获取和生态环境脆弱性空间分布研究的有力工具[12-15]。将这些技术相结合，不仅可以为资源环境分层综合分析提供平台，而且可以将获取的信息整合到比较理论农用地质量分析中[16]。建立了一系列的指标体系。Li[16]利用空间主成分分析方法建立了环境数值模型。该模型包含海拔、坡度、积温、干旱指数、土地利用、植被、土壤、水土流失和人口密度等9个因子。Zhang[17]选取干旱度、NDVI、地貌类型等指标，通过层次分析法获得各自的权重，完成福州市生态环境脆弱性评价。Wang[8]选取景观破碎度、分离度、分形维数等指标，运用景观格局评价方法，分析了不同类型景观的脆弱性程度。

进行本研究的目的是评估不同土地利用/覆盖下的环境脆弱性，并提出了评估环境脆弱性的定量公式，并建议这种评估有助于确定土地如何对各种管理做法作出反应。环境脆弱性开始被解释为记录土壤状况、对管理的反应或对自然力量或人类利用施加的压力的抵抗的敏感和动态方式。该假说认为，在非常脆弱的土壤中，在不同土地利用/覆盖条件下建立的土地属性是抵抗高度退化过程的驱动力。

本研究以伊拉克巴士拉省为研究区，利用遥感和GIS技术，采用集成环境脆弱性指数(EVI)方法评价环境脆弱性，探讨土地利用/覆被类型和土壤管理措施对土地质量时空变化的影响因素。

本文分为四个部分:引言之后是对所采用的材料和方法的讨论，研究区域的描述和环境脆弱性指标的识别。随后的一节介绍了研究结果并进行了相应的讨论，而本文则以一些关于研究结果对环境脆弱性控制的影响的结论性评论结束。

材料与方法

材料:

研究领域:

研究区(巴士拉省)位于伊拉克南部，位于东经46°60′至48°60′之间，北纬29°13′至31°29′之间，总面积为19070 km2(图1)。为研究土地利用/覆盖变化，选取了巴士拉、Abu Al- khaseeb、Fao、Al Midaina、Al- qurna、Al- zubair和Shatt Al- arab区。这些地区位于伊拉克南部。1990-2003年期间的平均人口增长率估计为3.6%。伊拉克的土壤被认为是沉积土壤，特别是在中部和南部地区。年湿度小于50%，白天保持在30%以下。年平均蒸发量超过2450毫米，年平均降雨量不足100毫米。沙漠植物适应了这些气象因子的变化，占总覆盖度的66%;这些植物在降雨后立即开始生长，并在雨季结束时完成它们的生命周期，在温度开始上升后不久。近年来，随着人口的增加、经济的发展、投资环境的改善，巴士拉省城市化进程迅速，城市化进程对城乡生态环境产生了深刻的影响。

遥感数据:

利用WRS2 (WRS2: 165/39、166/38、166/39和166/40)TM(1990年3月)和ETM+(2003年3月)遥感影像数据集，对研究区土地利用作为环境退化指标进行分析。TM和ETM图像单像素空间分辨率分别为28.5m × 28.5m。

辅助数据和软件包:

在GIS环境中以1:25万比例尺生成县级地形图、地质图、社会经济、气象等各专题层。本研究使用的软件包为图像处理的ERDAS，分析和显示结果的Arc/Info，统计图形，NCSS和Microsoft Excel。

方法:

图像预处理:

数据集的预处理包括图像配准、辐射定标和辐射归一化。采用50个地面控制点(GCP)，从研究区大小河流矢量文件中采集控制点，对TM和ETM+图像进行校正配准。遥感数据集在基准WGS84和投影UTM N38上进行几何校正，使用多项式函数的一阶(线性)和最近邻校正重采样，以保留图像中的辐射和光谱信息[19-20]。图像对图像的配准是为了将2003年的ETM+图像与1990年的地理编码TM图像(主图像)进行配准。图像与地图配准的RMS误差为0.39 ~ 0.48像素，图像与图像配准的RMS误差为0.18 ~ 0.24像素。对Landsat图像进行了传感器差异的辐射校准，转换为光谱亮度，并通过将像素值重新计算为卫星反射率，通过太阳仰角和日地距离的差异对照明特性进行归一化。

图像后期处理:

本研究遵循了两个交互目标。在第一阶段，利用遥感技术评价地表变化，确定土地覆盖/利用类型。下一阶段，利用土地退化显著指标法和GIS工具对区域环境脆弱性进行评价，并分析土地利用/覆被类别扩展对环境脆弱性的影响。

环境脆弱性指标选择及指标权重:

采用Alewell和Manderscheid[21- 22]提出的方法选择环境脆弱性指标。根据生态脆弱性定义和区域主要环境问题，分自然和社会压力、环境敏感性、生态稳定性3个组建立评价指标体系，选取16个因子。下表(表1)显示了伊拉克巴士拉省三级环境脆弱性评价指标。每个指标对生态脆弱性的贡献通常是不同的，可以用一个权重值来表示。本研究采用层次分析法(AHP)确定各因素权重[23-24]。

土壤质地(S12):它能反映土壤抗侵蚀的能力，随着土壤颗粒的增加，容易发生沙化。结合多位专家的建议，我们得到了不同土壤质地对沙漠化敏感性的标准化评分(表2)。

地下水位(S21):我们收集了28口现有井的地下水位。然后根据它们的地理坐标将这些数据导入ArcGIS软件。基于Kring插值算法，制作了地下水位图。

土壤类型(S22):我们通过咨询相关领域的专家，对不同土壤类型进行标准化评分，结果如下(表2):

人口密度(P11)和分布(P12):由于干旱地区大部分为沙漠，单纯用区域人口划分来表示人口密度是不具有可比性的。沙漠面积应该扣除。根据分类体系，将荒漠化面积从评价单元总面积中剔除。

退化指数(P21):退化是环境对人类活动的直接响应。在评价单位为退化面积与总面积之比，在评价单位为土地盐渍化指数:在评价单位为盐渍化面积与总面积之比。

水污染指数(P22):收集PH值、含盐量、SO4含量超标率，建立水污染指数如下:

其中，EVI为环境脆弱性指数，Fi为自然和社会压力、环境敏感性、生态稳定性标准值。Ã¯Â¼Â·i是三个指标的权重。根据EVI模型计算的结果是一个连续值，应根据不同的环境脆弱性将其分为若干个等级。根据已有的研究成果，结合巴士拉省的自然条件，我们将脆弱性分为三个等级。每个等级都有相应的环境脆弱性指数(EVI)。结果如表4所示。

结果与讨论

环境敏感指数评估:

“环境敏感性”一词包括荒漠化敏感性指数和盐碱化敏感性指数，两者都被认为是陆地生态系统的关键组成部分，因为它们对土地保护、生物多样性、水文和地球化学循环、气候和许多其他方面至关重要[27]。由式(5)可知，研究区环境敏感性指数最小值在Al Midaina，指数为3.4，最大值在Al zubair，指数为8.1。平均环境敏感指数为5.2(表3)。光敏感区占比为21.9%，中敏感区占比为26.5%，重度敏感区占比为51.8%。巴士拉省敏感性水平明显呈现由北向南递增的特征。巴士拉省北部的迈戴纳和库尔纳敏感指数基本在3.4 ~ 3.6之间，其他县在3.8 ~ 8.1之间，已达到严重敏感水平。这些县盐渍化程度高的主要原因是沙尘漂移、地下水位高、蒸发强，盐渍化严重。

自然和社会压力指标评估:

1990年至2003年间，巴士拉省的城市化地区显著增加，每个县的年增长率从0.8%到2.1%不等。由于伊拉克南部被认为是全国的经济和行政中心，在10年的研究期间，其城市总面积增加了20.6%，这也许并不令人惊讶。可计算出整个研究区域和各县的自然压力度和社会压力度的值，如表3所示。最小压力度指数为2.6，最大压力度指数为6.8，平均压力度指数为5.1。各县平均压力指数结果(表3)显示，Abu Al-Khaseeb、Al-Zubair、Basrah、Shatt Al-Arab的平均压力指数均在5以上。尤以阿布哈西布为甚，平均压力指数已达6.8,39.7%的面积为重度压力区，对区域生态安全构成严重威胁。在7个县中，迈戴纳、古尔纳、法奥的平均压力程度指数最低，原因是这3个县位于土地利用程度指数较低的巴士拉省。

生态稳定性指标评价:

巴斯拉省生态转化过程主要表现在四个方面:(1)植被退化占国土面积的2.7%以上(超过514.8 km2)，湿地损失占总面积的0.9%以上(超过171.6 km2);②沙漠化影响面积占土地总面积的2.6%以上(495.8 km2以上);(3) 1990 - 2003年期间，约有1.3%的研究区盐碱化(超过247.9 km2)，城市化(农业用地流失)影响面积超过0.5%(超过95.4 km2)。巴士拉省稳定指数在3.1 ~ 7.8之间，平均稳定指数为4.6，属于不稳定水平。西部地区稳定性明显高于东部地区。Basrah省西部Al-Zubair县综合稳定性较差，平均稳定指数在7以上。这是因为这些县大部分地区为荒漠，土壤有机含量仅为0.2，多样性指数仅为其他地区的三分之一。而东南部5个县(Abu Al-Khaseeb和Shatt Al-Arab)植被盖度和景观多样性较高，平均稳定指数约为3.2。总体而言，巴士拉省大部分地区处于不稳定状态，加强生态环境修复建设十分重要。

分布土地质量指数:

完成环境敏感性指数、自然和社会压力指数、稳定性指数的权重计算后，利用ARC/GIS软件编制环境脆弱性空间分布图，得到环境脆弱性指数。由表4可知，研究区大致可划分为3个区域，巴士拉省土地退化特征如下:(1)环境脆弱性指数最大值为Al- zubair县7.2，最小值为Al Midaina县4.1。全区平均环境脆弱性指数为5.1，处于中等脆弱性水平。中度环境脆弱区占总面积的23.9%，轻度环境脆弱区和重度环境脆弱区分别占18.8%和56.3%。75%以上的区域已达到严重环境脆弱性等级，近五分之一的区域属于中度脆弱等级。②环境脆弱性的空间分布特征表现在两个方面:一是脆弱性程度自东向西明显增加;二是内巴士拉省的环境脆弱性明显低于外巴士拉省。巴士拉省外围植被稀少，蒸散发强烈，风力强，水土流失严重，生态环境脆弱性严重。

土地退化驱动力分析:

环境脆弱性是一个复杂的过程。本研究采用环境脆弱性模型检测土壤表面植被和流沙变化，对环境脆弱性过程进行监测。这项研究研究了利用土地利用变化调查收集的数据来研究伊拉克南部土地利用/覆被变化与土地退化之间的预期关系的可能性。巴士拉省西部属于严重缺水地区，由于水资源短缺，造成了一系列的环境问题，如地下水位下降、干枯、植被退化、土地荒漠化等。随着人类活动的干扰，环境变得越来越脆弱。在某种意义上，我们可以说，巴士拉省的农业土地质量是气候和地貌条件的初级退化，以及人为干扰的次级退化的结果。土地利用类型可以反映人类活动强度，以揭示过度放牧和毁林等人类活动对脆弱性的影响;分析了不同土地利用类型区域在不同环境脆弱性等级下的变化。结果表明，研究区环境脆弱性与土地利用类型关系密切(表5)，随着脆弱性[28]的增强，荒漠化土地面积占比从21.6%增加到56.3%。沙漠化土地对人类活动干扰较大，与退化程度呈极显著正相关(r= 87.9)。 Along with population growth and rapid economic development of Basrah Province, large scale development of resources would exacerbate desertification, and the existing oasis is also under the threat of imbalance of the environment and ecosystem. Water resources have become the important constraint factor for economic development, therefore, we should put more effort on the management of water resources to ensure the safety of ecologic water, and to reduce environmental problem have great significance for obtaining the best social, ecological, economic benefits and the regional sustainable development.

结论

在区域范围内评价环境脆弱性非常重要，因为脆弱性与可持续发展不相容。参与土地利用规划的政策制定者需要评估环境脆弱性的工具，以便他们能够继续制定旨在保护和养护环境的措施。在评估环境脆弱性方面进行了大量研究，利用抽样策略、指标选择、确定权重和建立模型等各种数学方法。随着空间信息科学的发展，地理信息技术为数据处理和信息获取提供了强有力的工具，可能与上述方法一起将土地质量评价研究带入一个新时代。研究结果表明:(1)从环境脆弱性的含义和成因出发，利用地理信息技术，构建了基于自然和社会压力指数、环境敏感性指数和生态稳定性指数的多目标、多层次土地质量评价指标体系框架;采用压力-状态-响应模型和层次分析法对土地质量指标进行了评价。本研究表明，将地理信息技术等技术与层次分析法相结合的土地质量指数评价方法，能够得到一个分布式的评价结果，真实反映土地质量指数的分布特征。(2)土地利用变化影响了更大范围的环境，加速了土地退化，其中巴士拉省西南部土地破坏严重，占总面积的28.1%;研究区南部为中度退化区，占总面积的52.7%，北部为极低退化区和低退化区，分别占8.5和10.7%。(3)巴士拉省的环境脆弱性是气候和地貌条件的主要脆弱性和人为干扰的次要脆弱性的结果。 Now desertification is the most serious environmental problem in this study area, and the land degradation has great relation with desertification. With the increase of vulnerability level, the proportion of desertification area is greatly improving. The key of ecological restoration and reconstruction is to comprehensively harness desertification and ensure ecological water use to the greatest extent. (4) Iraq faces serious environmental vulnerability problems that must be addressed immediately; failure to do so will greatly compound the cost and complexity of later remedial efforts, with environmental degradation beginning even now to pose a major threat to human well-being, especially among the poor.

致谢

本研究由伊拉克巴士拉大学和华中科技大学资助，中国武汉市科技项目(20 0150 05037和20 0550 03059-34)和湖北省自然科学基金(20 05ABA0 47)资助。

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