基于遙感和GIS的城市景觀格局演變與水文效應(yīng)關(guān)系研究

戚曉明，杜培軍，周玉良，吳志勇

(1．中國礦業(yè)大學(xué)地理信息與遙感科學(xué)系，徐州 221116;2．蚌埠學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，蚌埠 233000;3．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009;4．河海大學(xué)水問題研究所，南京 210098)

基于遙感和GIS的城市景觀格局演變與水文效應(yīng)關(guān)系研究

戚曉明1，2，杜培軍1，周玉良3，吳志勇4

(1．中國礦業(yè)大學(xué)地理信息與遙感科學(xué)系，徐州 221116;2．蚌埠學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，蚌埠 233000;3．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009;4．河海大學(xué)水問題研究所，南京 210098)

基于多時相TM/ETM+遙感影像，運用支持向量機分類方法對合肥市景觀進行分類，解譯得到1995、1999、2003和2007年土地利用專題圖;應(yīng)用單窗算法解譯得到地表亮溫專題圖。采用景觀指數(shù)法分析了合肥市景觀格局與城市水文效應(yīng)間的關(guān)系。研究表明:城市水文要素與景觀指數(shù)之間存在相關(guān)性，城市化水文特征明顯;建筑用地有增加并集中趨勢，不透水面積增加，年降水量增大;供水排水能力平穩(wěn)增長，人均用水量相對減少，城市飲用水水源地水質(zhì)偏差。調(diào)整城市景觀格局，有利于優(yōu)化城市水文狀況。

景觀格局;城市水文;合肥

0 引言

城市化是一個國家進步和發(fā)展的必然趨勢，城市化帶來的水問題是城市水文研究的主要內(nèi)容。隨著我國城市的數(shù)量和規(guī)模不斷擴大，城市水問題日益突出［1］。城市化的發(fā)展和城市人口密度的增加，降雨帶來的水文和水質(zhì)問題對城市水體的影響越來越大，對水的時空分布、水分循環(huán)及水的理化性質(zhì)、水環(huán)境產(chǎn)生了各種各樣的影響。城市土地利用類型與水體水質(zhì)之間存在相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系受到土地利用類型及其空間分布的影響［2，3］。對于這些城市化面臨的重大問題，離開城市水文狀況研究的支撐，很難找到科學(xué)有效的解決辦法［4］。

合肥市位于我國中部，117°10'E ～117°22'E，31°48'N ～31°58'N 之間，地處江淮丘陵，江淮分水嶺橫貫其東西，形成較低緩的魚背狀。合肥市有丘陵崗地、低山殘丘、河湖低洼平原3種地貌，以丘陵崗地為主。市內(nèi)最高峰為大蜀山(海拔282 m)，地勢西北高、東南低。合肥市水文建設(shè)處于薄弱環(huán)節(jié)，對城市水文的規(guī)律還掌握不多，市政建設(shè)中存在的隱患只有當發(fā)生暴雨和洪水襲擊時才暴露出來。因此，把握合肥市景觀格局特征，研究景觀組分與格局的變化規(guī)律及其驅(qū)動因素，分析景觀格局變化與城市水文效應(yīng)的相互作用，對于分析城市發(fā)展過程中的水文環(huán)境影響，優(yōu)化市政投資，提高抗災(zāi)水平、保護市民健康具有理論和現(xiàn)實意義。

1 城市景觀格局分析

1．1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感圖像在土地覆蓋/利用信息提取、景觀變化分析及水文過程影響評價中都具有重要的地位。陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)是應(yīng)用最為廣泛的遙感數(shù)據(jù)。本次研究選用TM/ETM+圖像，成像時間分別為1995－09－18(Landsat－5 TM)、1999－10－10(Landsat－7 ETM+)、2003－03－08(Landsat－7 ETM+)和 2007－10－05(Landsat－5 TM)［5］，軌道號為 121 －38，成像質(zhì)量和成像時的天氣狀況都比較理想，成像季節(jié)均為秋季或春季。研究區(qū)以合肥市主城區(qū)為中心，向四周擴展形成了一個矩形區(qū)域(對角點為117．12°E，31．72°N;117．38°E，31．92°N)。采用ENVI 4．5幾何糾正模塊，利用同名控制點和多項式糾正模型進行圖像的幾何精糾正，利用Google Earth上部分地區(qū)具有的高分辨率影像，對土地利用/覆被變化遙感監(jiān)測解譯過程中部分不確定地物進行補判，以滿足景觀格局分析的精度要求。此外，還應(yīng)用了《中國統(tǒng)計年鑒》、《安徽省統(tǒng)計年鑒》、中國宏觀數(shù)據(jù)挖掘分析系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)合肥市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

1．2 城市景觀分類與解譯

參照國家通用的土地利用分類系統(tǒng)［6－8］，結(jié)合土地利用方式屬性，依據(jù)研究區(qū)的實際情況和景觀格局特點，對合肥市景觀類型進行景觀分類，選取的典型景觀類型有水體(包括湖、水庫、河流及其他水域)、林地(包括高覆蓋度的喬木、灌木叢、植被等)、耕地和草地(地表有農(nóng)作物在生長的田地、地表暫處于閑置的田地、草地)、建筑用地(主城區(qū)、非主城區(qū)的居民地和道路)以及裸地(未開發(fā)利用的區(qū)域)。衛(wèi)星熱紅遙感技術(shù)是目前能大范圍獲取地表溫度空間分布的途徑之一。本研究采用覃志豪的單窗算法［9］，以TM6的熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度，研究合肥市地表亮溫演變格局。運用ENVI 4．5軟件進行合肥市土地利用景觀類型分類、地表亮溫分類和分類后處理，分類結(jié)果如圖1所示，采用支持向量機分類方法(SVM)和最大似然法(MLC)精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 各分類方法的總精度和Kappa系數(shù)Tab．1 The classification accuracies of SVM and M LC classifiers

1．3 城市景觀指數(shù)計算

景觀格局是由景觀組分的不相似性造成的，格局的特性在很大程度上影響穿越景觀的能量和物流，它可以通過土地屬性之間的差別觀察到。在遙感圖像上可觀察到的最明顯的地表形態(tài)和地類屬性就是地貌、植被和水體(包括開闊的水面和水系格局)。因此，分析地表景觀格局，如地物影像的形狀、型式和大小等，已成為區(qū)分地類屬性最明顯、最自然的方法。

景觀指數(shù)能夠高度抽象表達景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面的特征，定量描述和監(jiān)測景觀結(jié)構(gòu)特征隨時間的變化［6］。本文利用Fragstats 3．3軟件，計算合肥市景觀面積指數(shù)(CA)、斑塊密度(PD)及平均破碎度指數(shù)(FRAC_MN)等。斑塊密度反映景觀的破碎化程度，斑塊密度越大，異質(zhì)性也越高;平均破碎度指數(shù)強調(diào)的是斑塊的自相似性，一般來說，受人類活動干擾小的自然景觀的分維數(shù)值高，而受人類活動影響大的景觀的分維數(shù)值低［10，11］。圖 2 是合肥市 CA(單位為km2)、PD、FRAC_MN景觀指數(shù)變化圖。

2 合肥市水文情況

城市土地利用性質(zhì)改變，建筑物、道路及供排水管網(wǎng)的建設(shè)，極大地改變了當?shù)氐挠旰閺搅餍纬蓷l件，使合肥市天然水循環(huán)和社會水循環(huán)的模式和量發(fā)生了變化。隨著城鎮(zhèn)人口增長和市政基礎(chǔ)設(shè)施投入的增加，與城市化直接有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施(包括防洪堤、內(nèi)河溝網(wǎng)、道路、下水道、地下車場、排澇(閘)站、人飲工程等)都發(fā)生了顯著變化。表2是選取的合肥市水文相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表2 1995～2007年合肥市轄區(qū)水文情況Tab．2 1995 ～2007 Hydrological of Hefei City

3 景觀格局與水文效應(yīng)分析

3．1 景觀格局與供排水總量

從遙感分類圖中可以看到，圖1(a)～(c)反映了城市發(fā)展表現(xiàn)出的擴展→集中發(fā)展→有序擴張的特點，近12 a來合肥市區(qū)域明顯擴展，特別是城市西南方向城市化程度不斷提高。圖2(左)的CA趨勢反映出水域面積基本沒變，建設(shè)用地增加迅速，耕地減少比較明顯。從圖2(右)中可以看出，建設(shè)用地、耕地和草地的平均分形維數(shù)有較強的相關(guān)性，這和建設(shè)用地大量占用耕地是密不可分的，說明耕地的干擾程度有先增長后減小的趨勢。

隨著合肥城市規(guī)模增大，人口增加，工業(yè)迅速發(fā)展，城市需水量逐年增加。城市排水量和排水強度也明顯增大，原有管網(wǎng)無法負擔新增加的雨水的負荷，促使全市地下排水管網(wǎng)密度逐年增加。景觀指數(shù)與水文變化關(guān)系見圖3。從表2和圖3(a)中的建設(shè)用地CA與供水總量的關(guān)系上看，城市的供水能力有從初期不符合建設(shè)規(guī)模的發(fā)展到逐步與城市擴張力度同步增加的趨勢;而建設(shè)用地CA與工業(yè)排水總量的關(guān)系則反映了用水量在發(fā)生著由耗水型向節(jié)水型的轉(zhuǎn)變，水的利用率逐步提高。也可以從表2中得到證實，隨著合肥市社會經(jīng)濟發(fā)展對水的需求量增大，廢、污水排放總量有所減少，處理達標率增加大到了94%。這一拐點出現(xiàn)在2003年前后。由于生活方式、衛(wèi)生要求、經(jīng)濟條件的改變，居民的生活用水量呈下降趨勢。

圖3 景觀指數(shù)與水文變化關(guān)系Fig．3 The relation between landscape pattern index and hydrological Effect

3．2 景觀格局與降水徑流

從表2可以看出，城市降水量顯著增加。圖2(中)PD趨勢圖反映出裸地、耕地和草地、建設(shè)用地斑塊數(shù)目呈減少的趨勢，說明景觀結(jié)構(gòu)在向集中方向發(fā)展。其中建筑用地的PD減少劇烈，這說明建設(shè)用地連成了一體，城市不透水面集中度加強。城市中的徑流系數(shù)與不透水面積的比例呈正相關(guān)性［7］，雨水能較快地從地表流走(大暴雨除外)，進入下水道;徑流系數(shù)明顯提高，約增加10% ～20%。從圖3(b)建設(shè)用地PD與年降水量的關(guān)系看，建設(shè)用地破碎化有利于降水徑流量的減少;但是當建設(shè)用地破碎度指數(shù)PD達到15的時候，降水徑流量會隨著景觀破碎度的的增加而增加。同理，城市林地PD與降水的關(guān)系與前述類似，不同的是拐點為18。因此，城市中加強綠地的建設(shè)，增加其斑塊化會比集中建設(shè)綠地的水文效果更好些。

3．3 城市濕地景觀與地表亮溫

濕地是地球生態(tài)環(huán)境重要的組成部分之一，具有調(diào)節(jié)氣候、調(diào)蓄洪水等重要功能。濕地景觀是有機物質(zhì)和能量聯(lián)系的多重等級組織，是濕地景觀要素有機秩序的具體表達形式，也是濕地各個要素得以體現(xiàn)的現(xiàn)實承載要素。城市濕地景觀是自然與人文結(jié)合、功能與藝術(shù)統(tǒng)一的景觀復(fù)合體。從圖4的地表亮溫變化圖可以看出，1995～2007年間，城市濕地景觀減少了23%，水文效益降低。城市亮溫沿著主要交通線路(鐵路和公路)呈輻射狀分布，城市高溫區(qū)呈離散狀分布。結(jié)合表2的年平均氣溫逐年增高的趨勢可以看出，隨著合肥市的城市擴張，全年平均氣溫逐漸提高，城市熱島現(xiàn)象明顯增強。

圖4 合肥市多時相地表亮溫分類Fig．4 Multi－ phase remote sensing classification of landscape pattern of Hefei City

3．4 景觀格局與水質(zhì)

圖2(右)反映出各地類受人為干擾的強度呈加強趨勢，水域受到人為干擾強度在2003年影響非常大。合肥市內(nèi)大型水利工程主要有董鋪水庫和大房郢水庫，對合肥市區(qū)影響最主要的河流是南淝河。合肥地區(qū)的引用水、湖泊水、地下水水質(zhì)長期維持在III－IV水平上，降低了水資源的可利用性，影響了居民的用水安全。從合肥市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，城區(qū)水體污染的來源有3個方面:一是城市居民日常生活排放的生活污水，它使水體的氮磷、生化耗氧量指數(shù)嚴重超標;二是城區(qū)工業(yè)廢水，是造成高錳酸鉀、氨氮、重金屬(汞、鉛、鎘等)水體污染的最主要來源;三是雨淋沖刷不透水面。隨著城市擴張合肥市需水量有增長趨勢，研究尋找、開發(fā)新的水源地，應(yīng)是解決合肥城市優(yōu)質(zhì)水源的根本出路。地，不透水面積增大，改變了原有的產(chǎn)匯流條件，使得匯流時間加快。

(2)合肥市城市亮溫沿著主要交通線路(鐵路，公路)呈現(xiàn)輻射狀，城市高溫區(qū)呈離散狀分布，熱島現(xiàn)象明顯;城市濕地景觀減少了23%，使得城市的調(diào)蓄洪水能力減弱。

(3)合肥市的景觀格局平均分維數(shù)較高，反映出城市發(fā)展過程中受人為干擾的強度呈加強趨勢;水域水質(zhì)長期維持在III—IV水平上，降低了水資源的可利用性，影響了居民的用水安全和水環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)合肥市建筑用地景觀格局指數(shù)與水文指標之間的存在相關(guān)性。建設(shè)用地急速增長，破碎度趨于減小，完整性加強，建設(shè)用地占用了耕地、附屬綠

［1］傅國斌，劉昌明．遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用與研究進展［J］．水科學(xué)進展，2001，12(4):547 －55．

［2］Schultz G A．Remote Sensing in Hydrology［J］．Journal of Hydrology，1988(100):239－265．

［3］Smith L C．Satellite Remote Sensing of River Inundation Area，Stage，and Discharge:A review ［J］．Hydrological Processes，1997(11):1427－1439．

［4］王裕德．試論城市水文效應(yīng)及城市水環(huán)境［J］．貴州師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1995，14(2):34 －36．

［5］http://glovis．usgs．gov/ImgViewer/Java1ImgViewer．html．

［6］李崇巍，劉世榮，孫鵬森，等．岷江上游景觀格局及生態(tài)水文特征分析［J］．生態(tài)學(xué)報，2005，25(4):691 －698．

［7］徐麗華，岳文澤，曹 宇．上海市城市土地利用景觀的空間尺度效應(yīng)［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007，18(12):2827 －2834．

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(責任編輯:李 瑜)

Research on the Relationship Between Urban Landscape Pattern and Hydrological Effect Based on Remote Sensing and GIS

QI Xiao － ming1，2，DU Pei－ jun1，ZHOU Yu － liang3，WU Zhi－ yong4
(1．Department of Remote Sensing and Geographical Information Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;2．Department of Computer Science and Technology，Bengbu College，Bengbu 233000，China;3．College of Civil and Conservancy Engineering，HeFei University of Technology，Hefei230009，China;4．Research Institute of Water Problems，Hohai University，Nanjing 210098，China)

With Hefei City as the study area，the authors investigated the relationship between urban landscape pattern and hydrological effect．The landscape classification maps were obtained from Landsat TM/ETM+images taken in 1995，1999，2003 and 2007 with the support vector machine classifier．The thermal radiance transfer equation was estimated by mono－window algorithm designed by Qin Zhihao．The relationship between urban landscape pattern and hydrological effect was analyzed using landscape indices derived from the land cover classification maps．The result shows that urban hydrology and landscape structure are highly correlated with each other in Hefei City．With the increase and centralization of the built－ up land，the surface runoff and urban water supply capacity have also increased，but the per capita water consumption has relatively decreased and the water quality is relatively low．It is concluded that adjusting the pattern of the urban landscape is effective for the improvement of the urban hydrologic effect．

Landscape pattern;Hydrologic effect;Hefei

戚曉明(1975－)，男，講師，博士后，主要從事水文學(xué)及水資源、地理信息系統(tǒng)研究工作。

X 820;X 87

A

1001－070X(2010)04－0103－05

2009－12－28;

2010－03－21

國家863高技術(shù)發(fā)展計劃支持項目(編號:2007AA12Z162)。