基于GIS和RS的重慶市主城區(qū)NDBI分布特征研究

張曉媛, 周啟剛

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

基于GIS和RS的重慶市主城區(qū)NDBI分布特征研究

張曉媛, 周啟剛

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

利用RS技術(shù)快速、精確地獲取監(jiān)測城鎮(zhèn)用地信息，有助于城市的合理規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境的保護。采用2002年、2007年、2010年Landsat TM遙感數(shù)據(jù)提取重慶主城區(qū)建筑指數(shù)(NDBI)，獲取重慶主城區(qū)建筑指數(shù)的數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間分布特征，并結(jié)合分形理論，對NDBI的分維數(shù)與穩(wěn)定性進行研究。結(jié)果表明：2002—2010年低建筑區(qū)減少，高建筑區(qū)增加；在空間分布上，巴南區(qū)的建筑指數(shù)明顯低于其他區(qū)域，九龍坡區(qū)以及渝北區(qū)的建筑指數(shù)相對較高；低建筑區(qū)的斑塊復(fù)雜程度明顯高于高建筑區(qū)，而高建筑區(qū)域的穩(wěn)定性則高于低建筑區(qū)，主要是建設(shè)用地相對集中，斑塊形狀較為規(guī)整，從而受外界的干擾較小。研究結(jié)果為重慶市城市土地利用管理與城市生態(tài)保護提供參考。

NDBI; RS&GIS; 重慶市主城區(qū)

歸一化建筑指數(shù)(NDBI)以其卓越的城鎮(zhèn)用地信息表達能力，成為城鎮(zhèn)用地及其變化研究的重要分析工具[1]。NDBI 指數(shù)的前身是楊山提出的仿歸一化植被指數(shù)，用于研究城鄉(xiāng)聚落形態(tài)信息提取。查勇等改稱為歸一化建筑指數(shù)(Normalized Difference Built-up Index)，且利用其自動提取了無錫市的城鎮(zhèn)用地信息，吳宏安等在研究西安城市邊界信息提取時指出，NDBI從本質(zhì)上講揭示了地表裸露特征，因此將NDBI定義為歸一化裸露指數(shù)(Normalized Differenced Barren Index)[2-8]?，F(xiàn)目前，對于NDBI的研究主要集中于NDBI的提取方法，而對于NDBI與土地利用之間的關(guān)系及其分布特征研究較少[9-11]。重慶市作為典型的山地城市，其建筑指數(shù)(NDBI)的分布特征研究有助于重慶市城市用地管理與城市生態(tài)管理。研究采用美國陸地衛(wèi)星2002年、2007年、2010年TM遙感數(shù)據(jù)提取重慶都市區(qū)建筑指數(shù)(NDBI)，并設(shè)置閾值對NDBI進行等級劃分，得到重慶都市區(qū)建筑指數(shù)的數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間分布特征。最后，結(jié)合分形理論，對建筑指數(shù)(NDBI)的特征參數(shù)——分維數(shù)與穩(wěn)定性進行研究。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于長江上游，四川盆地以東，東經(jīng)105°17′—110°11′、北緯28°10′—32°13′，是長江上游最大的經(jīng)濟文化中心、重要的水陸交通換乘地以及西南部重要經(jīng)濟增長極之一。其中，主城區(qū)包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)9個行政區(qū)，總面積為5 463.9 km2。區(qū)域地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要為中山、低山、丘陵，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，冬暖夏熱。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究分別以Landsat-TM2002年、2007年和2010年8月的遙感影像數(shù)據(jù)作為研究重慶市都市區(qū)建筑指數(shù)(NDBI)的影像數(shù)據(jù)源，其軌道號為127039，127040，128039，128040，來源為Landsat7，空間分辯率為30 m，同時收集重慶市都市區(qū)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了能夠更精確地提取城市建筑用地指數(shù)，必須對Landsat TM影像進行預(yù)處理，具體包括影像的正射校正、輻射校正等。首先，根據(jù)重慶1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，選取控制點對影像進行正射校正，選取的控制點需均勻分布等，校正精度在1個像元之內(nèi)。在正射校正后，裁減出覆蓋重慶都市區(qū)的圖像，利用ERDAS 8.7對裁減后的影像進行大氣校正。

2.3 NDBI計算方法

NDBI指數(shù)源于對歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)的深入分析?；赥M遙感影像的NDBI指數(shù)計算公式為：

NDBI=(band5-band4)/(band5+band4)

(1)

式中，band4，band5分別指ETM 圖像的第4，5波段，取值在- 1到1之間。

2.4 NDBI分類方法

根據(jù)NDBI的計算結(jié)果，在ArcGIS軟件支持下，采用自然斷點法進行分級，將其分為高建筑區(qū)、較高建筑區(qū)、中等建筑區(qū)、較低建筑區(qū)、低建筑區(qū)區(qū)共5個等級。

2.5 NDBI各等級分形指數(shù)分析

NDBI等級斑塊不僅能反映NDBI的總體特征，而且能通過內(nèi)在的圖形信息特征，即斑塊形狀信息，揭示NDBI空間形態(tài)特征，現(xiàn)采用分維數(shù)、穩(wěn)定指數(shù)指標，整體分析重慶主城區(qū)的NDBI斑塊形態(tài)特征。

(1) 分維數(shù)：分維數(shù)主要是用來解釋NDBI各等級的形狀和面積大小之間的相互關(guān)系，公式如下[12]：

D=2ln(P/4)ln(A)

(2)

式中：D——分維數(shù)；P——斑塊周長；A——斑塊面積。D值的大小表示景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性，D值越大，表明斑塊形狀越復(fù)雜，D值的理論范圍為1.0～2.0，1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，2.0表示等面積下周邊最復(fù)雜的斑塊。

(2) 對于某種景觀要素而言，D值越大，表示該要素的鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，D=1.50時，表示該等級類型處于一種類似于布朗運動的隨機狀態(tài)，即最不穩(wěn)定狀態(tài)，由此還可以定義景觀要素的穩(wěn)定性指數(shù)(SK)[13]：

SK=│1.5-D│

(3)

SK值越小，表明該要素越不穩(wěn)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDBI數(shù)量結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)公式(1)計算重慶都市區(qū)2002年、2007年、2010年三期NDBI數(shù)據(jù)，采用自然斷點法對計算結(jié)果進行分級，并統(tǒng)計各級NDBI的面積，得到表1。

由表1可以看出，重慶都市區(qū)NDBI各等級面積分布差異明顯，以中度建筑區(qū)和較低建筑區(qū)為主。其中，2010年，中度建筑區(qū)面積為2 613.87 km2，占總面積的47.84%；較低建筑區(qū)共占總面積的37.92%，僅次于中度建筑區(qū)；高建筑區(qū)和較高建筑區(qū)面積分別為108.45 km2和570.65 km2，占評價面積的1.98%和10.44%；低建筑區(qū)面積最小，為99.01 km2，主要因為重慶都市區(qū)森林覆蓋度極高的區(qū)域較小。2007年，重慶都市區(qū)NDBI各等級數(shù)量結(jié)構(gòu)與2010年基本相同，依次為中度建筑區(qū)3 176.14 km2，占總面積的58.19%；較低建筑區(qū)所占比例為25.89%，面積1 420.49 km2；較高建筑區(qū)622.52 km2，占比例為11.39%；高建筑區(qū)152.91 km2；低建筑區(qū)91.85 km2，占總面積的比例僅為1.68%。2002年，重慶都市區(qū)NDBI各等級數(shù)量結(jié)構(gòu)有所改變，其中，面積最大的依然為中度建筑區(qū)，而面積最小的是高建筑區(qū)，具體表現(xiàn)為中度建筑區(qū)較>低建筑區(qū)>較高建筑區(qū)>低建筑區(qū)>高建筑區(qū)。

重慶都市區(qū)NDBI各級面積均發(fā)生變化，2002—2010年，低建筑區(qū)面積變化不明顯，且三年面積均未超過2 km2；較低建筑區(qū)總體有所增加，由2002年的1 492.446 km2變?yōu)? 071.938 km2，這主要是由于近年來重慶都市區(qū)大力植樹造林，改善城市綠化環(huán)境所導(dǎo)致；中度建筑區(qū)逐年減少，且變化明顯，由3 646.228 km2減少為2 071.938 km2，這主要是因為城市大面積擴張，對耕地與草地的替代；較高建筑區(qū)變化較為明顯，2002—2010年，增加了358.536 km2；高建筑區(qū)面積2002—2007年大幅度增加，但2007—2010年有所減少，主要原因為2002—2007年重慶市城市快速發(fā)展，建設(shè)用地大面積增加，而2007—2010年城市建筑老化，反射率降低，導(dǎo)致高建筑區(qū)面積減少。

3.2 NDBI空間分布特征分析

根據(jù)公式(1)計算重慶都市區(qū)2002年、2007年、2010年三期NDBI數(shù)據(jù)，采用自然斷點法對計算結(jié)果進行分級，得到NDBI空間分布圖(圖1)，進而分析重慶都市區(qū)NDBI空間分布特征。

圖1 重慶都市區(qū)NDBI空間分布

由圖1可以看出，重慶都市區(qū)NBDI各等級在空間上的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，高建筑區(qū)與較高建筑區(qū)分布集中，低建筑區(qū)主要分布于長江流域。2010年高建筑區(qū)位于渝北區(qū)、南岸區(qū)以及九龍坡區(qū)，渝北區(qū)因兩江新區(qū)的建設(shè)，新增城鎮(zhèn)用地大量增加，而南岸區(qū)則因茶園新區(qū)的發(fā)展，導(dǎo)致其具有較高的建筑指數(shù)；其次，建筑指數(shù)較高的區(qū)域包括渝中區(qū)、渝北區(qū)等區(qū)縣的已建成區(qū)，該區(qū)域因其建設(shè)用地面積較大，但建筑相對老化，導(dǎo)致其具有較高的建筑指數(shù)；中度建筑區(qū)所占面積較大，且較為分散，主要因為重慶都市區(qū)綠化相對較好，稀疏植被面積較大；較低建筑區(qū)主要分布于重慶都市區(qū)西南的巴南區(qū)、嘉陵江部分區(qū)域以及渝北區(qū)的銅鑼山區(qū)域，巴南區(qū)地勢較為平坦，植被覆蓋面積較大，城市建設(shè)開發(fā)活動相對較少，建筑指數(shù)較低，銅鑼山則因其較高的植被覆蓋率；低建筑區(qū)主要集中分布于長江流域。2007年重慶都市區(qū)NDBI的分布態(tài)勢與2010年相似，但其高建筑區(qū)比2010年所占面積較大，說明2007年重慶都市區(qū)城市建設(shè)活動較大；2007年嘉陵江整個區(qū)域建筑指數(shù)表現(xiàn)為較低，表明水域環(huán)境相對2010年較差。2002年重慶都市區(qū)高建筑區(qū)與較高建筑區(qū)主要集中于渝中、江北以及九龍坡區(qū)，低建筑區(qū)主要覆蓋長江流域。

在垂直空間分布上，重慶市山地丘陵區(qū)的NDBI與較平坦地區(qū)的NDBI呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。在山地丘陵地區(qū)，植被覆蓋率保持相對穩(wěn)定，且海拔越高，植被覆蓋率越高，NDBI越小。這主要是由于高海拔地區(qū)地勢陡峭，不利于土地的開發(fā)和利用，且都市區(qū)各大山脈都劃入了限制建設(shè)區(qū)或禁止建設(shè)區(qū)，使植被得以較好的保護。地勢平緩區(qū)域為人類活動和建設(shè)用地擴張的主要區(qū)域，其建筑指數(shù)相對較高。

重慶都市區(qū)高建筑區(qū)與較高建筑區(qū)呈現(xiàn)外延式和多核心擴展的趨勢。以重慶都市區(qū)各行政區(qū)已建成區(qū)為中心向外擴展，同時部分區(qū)域沿長江和嘉陵江兩岸擴展，特別是渝北區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、北碚區(qū)和巴南區(qū)增速最快。這主要是由于直轄以來，這幾個區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展迅速，建設(shè)用地面積急劇增加，城市綠化的速度跟不上建設(shè)用地擴張的速度，導(dǎo)致建筑指數(shù)不斷增加。低建筑區(qū)基本保持穩(wěn)定，表明長江水域環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)定。較低建筑區(qū)域面積擴大，說明重慶都市區(qū)生態(tài)保護工程效果明顯，植被覆蓋呈逐步恢復(fù)的狀態(tài)。

3.3 NDBI各等級分維數(shù)分析

對計算分形維數(shù)的公式兩邊取對數(shù)，將2002年、2007年以及2010年重慶都市區(qū)NDBI各等級每個圖斑的面積和周長數(shù)據(jù)代入對數(shù)公式，對每一對數(shù)據(jù)作出散點圖，分析NDBI各等級斑塊面積與周長的線性關(guān)系。從統(tǒng)計結(jié)果來看，重慶都市區(qū)NDBI各等級圖斑分布具有較好的自相似性，因此應(yīng)用分形理論對NDBI各等級從總體上進行分形分析是可行的。根據(jù)公式(2)與公式(3)計算重慶都市區(qū)NBDI各等級的分維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)，計算結(jié)果見表2。

利用分形理論對重慶都市區(qū)NBDI空間行為結(jié)果進行研究，主要是研究NDBI空間行為對土地形態(tài)的改變，并對此做出行為解釋。因此，應(yīng)關(guān)注的是NDBI分形維數(shù)的變化情況。由表2可知，2002年NDBI各等級分維數(shù)最小的為高建筑區(qū)，最大的為低建筑區(qū)，主要因為建設(shè)用地較為集中所導(dǎo)致；2007年分維數(shù)最大的仍為低建筑區(qū)，而2010年分維數(shù)大小排序依次為：低建筑區(qū)>較高建筑區(qū)>中度建筑區(qū)>較低建筑區(qū)>高建筑區(qū)。

對照2002年和2007年NBDI各等級的分形數(shù)據(jù)，分形維數(shù)降低的等級有低建筑區(qū)，其他等級的分形維數(shù)在增加。低建筑區(qū)分形維數(shù)減少量為0.061 9，分形維數(shù)增加最多的是較高建筑區(qū)，增加量為0.077 9。2007—2010年，低建筑區(qū)、較低建筑區(qū)以及高建筑區(qū)分維數(shù)降低，而中度建筑區(qū)與較高建筑區(qū)的分維數(shù)增加，其中變化量最大的僅為0.017 7，表明2007—2010年間，重慶都市區(qū)NDBI各等級圖斑較為穩(wěn)定。綜合分析2002—2010年從各等級分形維數(shù)的變化量來看，NDBI各等級變化的程度不是很大，說明重慶都市區(qū)NDBI空間行為總體上對土地形態(tài)的改變比較小。從分形的角度來看，分形維數(shù)越大，相同面積NDBI圖斑的周長越長，斑塊越復(fù)雜。分形維數(shù)降低表明NDBI斑塊的形狀越來越規(guī)整，分形維數(shù)增加則斑塊形狀越復(fù)雜。一般來講，合理的城市規(guī)劃行為會使得NDBI斑塊更規(guī)整，從而朝著降低NDBI斑塊分形維數(shù)的方向發(fā)展。從景觀生態(tài)的角度來看，分形維數(shù)越低，NDBI各等級斑塊的接觸面越少，受外界及相互干擾的機會越少。

在2002—2010年間，重慶都市區(qū)境內(nèi)沒有發(fā)生大的自然災(zāi)害，NDBI各等級形態(tài)及格局的改變絕大部分是由城市開發(fā)空間行為引起的。對于分形維數(shù)降低的等級而言，城市開發(fā)行為對空間的合并或分割使這些等級類型沿著一定的方向發(fā)展，分形維數(shù)降低的程度，說明NDBI各等級斑塊形態(tài)規(guī)整化的程度及人們改善NDBI空間形態(tài)的行為強度，如植樹造林、退耕還林。對于分形維數(shù)增加的等級而言，城市開發(fā)空間行為使NDBI斑塊形態(tài)向著破碎化的方向發(fā)展，分形維數(shù)增大的多少反映了這種無序行為的強度。

表2 重慶都市區(qū)NBDI各等級分維數(shù)與穩(wěn)定性

3.4 NDBI各等級穩(wěn)定指數(shù)分析

由表2可知，重慶都市區(qū)NDBI各等級穩(wěn)定性存在差異，高建筑區(qū)的穩(wěn)定性最強。其中，2002年，高建筑區(qū)的穩(wěn)定性最強，指數(shù)為0.289 9，較高建筑區(qū)穩(wěn)定性其次，低建筑區(qū)最不穩(wěn)定，指數(shù)僅為0.003 1，表明此等級極易受外界干擾。2007年，重慶都市區(qū)NDBI各等級穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)與2002年有所改變，其中穩(wěn)定性最強與最弱的依然為高建筑區(qū)與較高建筑區(qū)，而中度建筑區(qū)與較高建筑區(qū)穩(wěn)定性則低于較低穩(wěn)定區(qū)。2010年，重慶都市區(qū)NDBI各等級穩(wěn)定性表現(xiàn)為高建筑區(qū)>較低建筑區(qū)>中度建筑區(qū)>較高建筑區(qū)>低建筑區(qū)。

對比2002年和2007年重慶都市區(qū)NDBI各等級穩(wěn)定性指數(shù)，低建筑區(qū)的穩(wěn)定性增加，其他等級穩(wěn)定性都減弱。在所有等級中，穩(wěn)定性降低最多的是較高建筑區(qū)，降低了0.077 9，表明其受其他干擾較大。2007—2010年，低建筑區(qū)與較低建筑區(qū)的穩(wěn)定性增加，其中，低建筑區(qū)穩(wěn)定性增加了0.059 2，說明重慶都市區(qū)的生態(tài)改造與保護工程作用效果明顯；中度建筑區(qū)與較高建筑區(qū)的穩(wěn)定性降低，但改變較小。整體分析，從變化的情況來看，重慶都市區(qū)2002—2010年間NDBI各等級斑塊的穩(wěn)定性變化較小。

根據(jù)穩(wěn)定性與分形維數(shù)的關(guān)系，NDBI圖斑分形維數(shù)在越接近1.5的時候越不穩(wěn)定；分形維數(shù)小于1.5時，NDBI各等級圖斑分形維數(shù)增加，其穩(wěn)定性降低；分形維數(shù)大于1.5，斑塊分形維數(shù)增加，其穩(wěn)定性也增加。因此，土地利用規(guī)劃與城市規(guī)劃，應(yīng)結(jié)合分形統(tǒng)計分析，嚴格控制城市的發(fā)展形態(tài)以及對生態(tài)的保護。

4 結(jié) 論

(1) 重慶都市區(qū)NDBI 2002—2010年發(fā)生了顯著變化，中低建筑區(qū)減少，高建筑區(qū)增加，主要是因為近幾年重慶城市化的大力發(fā)展所導(dǎo)致。

(2) 在空間分布上，巴南區(qū)的建筑指數(shù)明顯低于其他區(qū)域，九龍坡區(qū)以及渝北區(qū)的建筑指數(shù)相對較高。

(3) 通過對重慶都市區(qū)NDBI的研究發(fā)現(xiàn)，低建筑區(qū)的斑塊復(fù)雜程度(即分維數(shù))高于高建筑區(qū)；2002—2007年，低建筑區(qū)分形維數(shù)降低，其他等級的分形維數(shù)在增加，2007—2010年，低建筑區(qū)、較低建筑區(qū)以及高建筑區(qū)分維數(shù)降低，而中度建筑區(qū)與較高建筑區(qū)的分維數(shù)增加。

(4) 高建筑區(qū)域的穩(wěn)定性高于低建筑區(qū)，主要是建設(shè)用地相對集中，斑塊形狀較為規(guī)整，從而受外界的干擾較?。?002—2007年低建筑區(qū)的穩(wěn)定性增加，其他等級穩(wěn)定性減弱，2007—2010年，低建筑區(qū)與較低建筑區(qū)的穩(wěn)定性增加，中度建筑區(qū)與較高建筑區(qū)的穩(wěn)定性降低。

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StudyonNDBIDistributionCharateristicsinMainDistrictofChongqingCityBasedonGISandRS

ZHANG Xiao-yuan, ZHOU Qi-gang

(SchoolofTourismandLandResources,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

RS technique was used to quickly and accurately obtain and monitor urban land-use information, which is helpful to rationally plan city and protect ecological environment. Chongqing Main City Zone Normalized Differences Built-up Index (NDBI) was extracted through the data sources including 2002, 2007, 2010 Landsat TM remote sensing data, and the quantitative structure and spatial distribution characteristic of Chongqing Main City Zone NDBI were obtained.The NDBI of fractal dimension and stability were studied based on fractal theory. The results indicated that the low building district was decreased and the high building district was increased from 2002 to 2010. With respect to spatial distribution, Banan district built-up index is lower than other districts obviously, Jiulongpo district and Yubei district built-up index are relatively high. The low building district of the patches′ complexity is higher than the high building district, and the high building district of stability is higher than the low building district. It is mainly because that the construction land is relatively concentrated, and patch shape is more regular, little in external interference. The results offer reference for urban land utilization and management and the city ecology protection of Chongqing.

NDBI; RS&GIS; main city zone of Chongqing

2013-11-02

：2013-12-08

國家自然基金項目“三峽庫區(qū)屏障帶土地利用生態(tài)風(fēng)險數(shù)值模擬”(41101503);國家社科基金重大項目(11&ZD161)

張曉媛(1990—),女,在讀碩士生;主要研究方向:3S理論與應(yīng)用、土地利用與規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測與保護。E-mail:xiaoyuan.kul@163.com

周啟剛(1976—),男,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師;主要研究方向:3S理論與應(yīng)用、土地利用與規(guī)劃、環(huán)境保護。

TP79;F301.24

：A

：1005-3409(2014)05-0111-05