武漢市城區(qū)綠地時(shí)空分布規(guī)律分析

張 飛，明銳華，馬吉萍

(1．貴陽市測繪院，貴州貴陽550000;2．武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079)

城市土地系統(tǒng)是一個自然－經(jīng)濟(jì)－社會復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。而近年來，我國大型城市和超大型城市(如北京、上海、深圳和武漢等)的持續(xù)建設(shè)對城市內(nèi)部的土地生態(tài)系統(tǒng)造成了深刻的影響［1］。城市土地利用特征與城市發(fā)展的關(guān)系已成為國內(nèi)外探討的熱點(diǎn)［2－3］。其中，城市的綠地系統(tǒng)由于功能的多樣性和分布的廣泛性，能非常好地反映一個城市的環(huán)境狀況。因此，對城市綠地系統(tǒng)分布與變化的研究就顯得非常重要［4］。

傳統(tǒng)的反映城市綠地的指標(biāo)主要是城市綠地面積和覆蓋度等［5］。隨著遙感和地理信息技術(shù)的成熟，研究城市綠地的空間分布、結(jié)構(gòu)、格局和演化等成為了可能。例如，杜寧睿等探討了利用遙感分析城市綠地空間演變規(guī)律的可行性及理論方法［6］。宋志明等根據(jù)TM影像，對廣州市綠地的空間格局、功能演變進(jìn)行了定量分析［7］。李宗華等基于GIS分析了武漢“城中村”改造區(qū)的綠地景觀格局［8］。這些研究初步提出了采用遙感和景觀格局分析研究城市綠地的方法，并取得了一些成果，但是目前對武漢市綠地系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析的研究還比較少。因此筆者在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，基于多時(shí)相Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，綜合多種綠地提取方法，進(jìn)而從基本特征、類型特征和景觀格局特征3個方面系統(tǒng)性分析武漢市綠地的時(shí)空分布規(guī)律，為武漢市綠地的監(jiān)測、決策和規(guī)劃提供科學(xué)客觀的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該研究選取武漢市作為研究區(qū)，如圖1所示。武漢市位于湖北省中東部，是湖北省省會，華中地區(qū)最大的城市及中心城市，“一路一帶”建設(shè)的開放排頭兵。全市總面積8 494 km2，常住人口1 002萬人，其中7個中心城區(qū)(江岸、江漢、硚口、漢陽、武昌、青山和洪山)人口共達(dá)570萬，另外還有6個郊區(qū)(東西湖區(qū)、漢南、蔡甸、江夏、黃陂和新洲)。武漢市近些年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度非常快，2014年武漢市GDP達(dá)到10 069．48億元，增速達(dá)9．7%。但是，在發(fā)展過程中也遇到了城區(qū)土地合理配置的難題。如何有效評估當(dāng)前武漢市各類土地利用類型的時(shí)空分布，對于最大化配置武漢市土地利用資源，兼顧發(fā)展與生存具有重要意義。另外，2006年武漢市榮獲“國家園林城市”稱號。2007年國家發(fā)改委正式批準(zhǔn)武漢城市圈為全國“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，這是對武漢市在資源與環(huán)境保護(hù)上所取得的成果的肯定，也標(biāo)志著國家對城市資源環(huán)境的逐漸重視。因此，筆者所選取的武漢市，作為城市綠地時(shí)空分布規(guī)律分析的研究區(qū)，非常具有代表性。

2 研究方法

2．1 方法整體流程 為了研究武漢市綠地的時(shí)空分布規(guī)律，筆者設(shè)計(jì)了如圖2所示的技術(shù)路線。整體上分為兩個部分:綠地信息提取與時(shí)空分布、景觀格局分析?；诙嗥谖錆h市Landsat TM影像(來自于美國地質(zhì)調(diào)查局USGS)，筆者探討了如何更加精確地提取出武漢市綠地。隨后，筆者從基本特征、類型特征、空間格局特征等多方面對武漢市綠地進(jìn)行了評價(jià)。

2．2 綠地信息最優(yōu)提取方法 首先將從USGS網(wǎng)站上下載下來的遙感影像經(jīng)過幾何校正、大氣校正和影像裁剪等預(yù)處理。然后，為精確提取武漢市的綠地信息，必須選擇最合適的波段或波段組合。TM遙感影像各波段之間存在一定的冗余信息。為了減少相互干擾，提高后續(xù)分類精度，信息提取過程應(yīng)選擇信息量較大、相關(guān)性較小的波段參與分析［9］。該研究首先采用波段相關(guān)性分析、主成分分析和植被指數(shù)法進(jìn)行多波段信息融合，然后再將生成的“衍生”波段進(jìn)行最優(yōu)組合，以得到綠地信息提取的較高精度。

進(jìn)行TM影像各個波段間的相關(guān)性分析采用了波段相關(guān)矩陣表。另外，為了能在不同波段組合中選取相關(guān)性最差，即包含最多信息的波段組合，可以使用最佳指數(shù)法(OIF)。最佳指數(shù)OIF(OptimumIndexFactor)概念是由美國維茨教授提出來的，其數(shù)學(xué)公式為:

式中，Si為第i波段的標(biāo)準(zhǔn)差，Rij是第i波段與第j波段之間的相關(guān)系數(shù)。OIF值越大，說明波段組合包含的信息量越大。

如果圖像各波段之間高度相關(guān)，分析所有的波段是不必要的，因此，主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)除去了波段之間多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個轉(zhuǎn)換波段。這意味著利用波段之間的相互關(guān)系，在盡可能不丟失信息的同時(shí)，可以用幾個綜合性波段代表多波段的原圖像，使處理的數(shù)據(jù)量減少。

圖1 研究區(qū)域概況

歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，在使用遙感圖像進(jìn)行植被研究和植物物候研究中應(yīng)用廣泛，它是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算公式為:式中，NIR是近紅外波段，R是紅色波段。對于TM影像來說，NDVI=(TM4－TM3)/(TM4+TM3)。

以上3種方法雖然都能提取出綠地信息，并能達(dá)到一定的精度要求，但實(shí)際效果并不理想。因此，基于上述3種方法得到的“衍生”波段和TM自身的7個波段，該研究采用進(jìn)一步組合的方法，選取區(qū)分綠地能力最強(qiáng)的組合方法，最終采用監(jiān)督分類就可以得到武漢市高精度綠地分布數(shù)據(jù)［10］。

2．3 綠地基本特征研究 基于武漢市綠地監(jiān)督分類的結(jié)果，首先進(jìn)行綠地分布密度、中心和離散度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對武漢市綠地基本特征的整體認(rèn)識。

分布密度是指單位分布區(qū)域內(nèi)的分布對象的數(shù)量。因此，分布密度是兩個比率尺度數(shù)據(jù)的比值，為確定面狀要素的分布密度，就必須首先明確分布的范圍。在該研究中，城市綠地分布密度ρ的計(jì)算公式如下:

式中，P為綠地面積，C為城區(qū)總面積。

綠地分布中心的計(jì)算是將城市綠地抽象為空間離散的點(diǎn)(點(diǎn)狀要素的質(zhì)心)，并以斑塊綠地面積占全部綠地面積的比例為權(quán)重，計(jì)算綠地分布的加權(quán)平均中心。其計(jì)算公式為:

式中，W(Pi)為第i個面的權(quán)重(即面積)，xi為第i個面的X坐標(biāo)，yi為第i個面的Y坐標(biāo)。計(jì)算出來的X0為綠地分布中心的X坐標(biāo)，Y0為綠地分布中心的Y坐標(biāo)。

離散度是對面狀區(qū)域離散點(diǎn)分布狀況的描述，是除了分布密度和分布中心外，另一種能反映地物的分布狀況的指標(biāo)，是對上述兩種指標(biāo)的補(bǔ)充。在分布密度、分布中心相同的情況下，通過離散度的不同，也可以反映出地物空間分布狀況的不同。離散度一般是通過所有點(diǎn)到分布中心的距離來描述的，設(shè)分布中心為P0(x0，y0)，則d是所有綠地質(zhì)心與分布中心距離的加權(quán)平均值。

圖2 技術(shù)路線

式中，W(Pi)為第i個面的權(quán)重(即面積)，xi和yi分別是第i個面的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，x0，y0分別是綠地分布中心點(diǎn)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。

2．4 武漢市綠地景觀類型特征分析 綠地景觀類型特征分析分別從綠地斑塊形狀指數(shù)、斑塊分維數(shù)、斑塊孔隙度和斑塊內(nèi)緣比等方面開展。

斑塊形狀指數(shù)指某一斑塊周長與等面積的圓周長之比值，其表達(dá)式為:

式中，A為平均斑塊面積，L為平均周長。

斑塊分維數(shù)采用周長與面積關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算。

式中，P為斑塊的周長，A是斑塊的面積，F(xiàn)d是分維數(shù)，k為常數(shù)，對于柵格景觀而言，k=4。一般來說，歐幾里得幾何形狀的分維數(shù)為1;具有復(fù)雜邊界斑塊的分維數(shù)則大于1，小于2。

斑塊孔隙度即景觀的類型斑塊密度，即景觀類型斑塊數(shù)與景觀類型面積的比值。某一類型在景觀上的斑塊密度(孔隙度)揭示出景觀基質(zhì)被類型斑塊分割的程度，對生物保護(hù)、物質(zhì)和能量分布具有重要影響，孔隙度高表明某一類型的景觀中分布廣、影響大。而斑塊內(nèi)緣比是通過斑塊周長和斑塊面積之比值來表示斑塊體的邊界效應(yīng)。

2．5 景觀空間格局分析 景觀生態(tài)格局是指區(qū)域景觀系統(tǒng)中各種斑塊的空間分布式樣。斑塊是組成景觀的基本單元，它的數(shù)量、空間組合和變化將決定某一景觀的基本結(jié)構(gòu)、功能及形態(tài)演變。通過格局和異質(zhì)性分析，把景觀的空間特征與過程聯(lián)系起來，進(jìn)而了解景觀的內(nèi)在規(guī)律性［11］。該研究對武漢市中心城區(qū)進(jìn)行景觀分析，主要采用5個異質(zhì)性特征指標(biāo):多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度、均勻度、分離度和蔓延度。

多樣性指數(shù)反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化。單景觀由單一類型構(gòu)成時(shí)，景觀是均質(zhì)的，其多樣性為0;由兩個以上類型構(gòu)成的景觀，單個景觀類型所占比例相等時(shí)，其景觀多樣性指數(shù)最高。各景觀類型所占比例差別增大，則景觀的多樣性下降。雖然該研究中監(jiān)督分類的結(jié)果僅僅將地物分成了綠地、水域、其他3類，但計(jì)算這一指標(biāo)仍有一定的意義。

優(yōu)勢度表示景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度，或描述景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度。優(yōu)勢度指數(shù)越大，表明偏離程度越大，即組成景觀的各景觀類型所占比例差異大，或者說某一種或少數(shù)景觀類型占優(yōu)勢;優(yōu)勢度小，則表明偏離程度小，即組成景觀的各種景觀類型所占比例大致相當(dāng);優(yōu)勢度為0，表示各種景觀類型所占比例相等。

景觀均勻度是描述不同景觀類型的分配均勻程度，均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。在景觀格局分析軟件Fragstats中，反映均勻度的指標(biāo)有3個:香農(nóng)均勻度指數(shù)、Simpson均勻度指數(shù)和修正Simpson均勻度指數(shù)。這里選取最后一個指標(biāo)。

景觀分離度是指某一景觀類型中不同元素個體分布的分離程度，分離度越大，表明景觀在地域分布上越分散。

蔓延度是測量景觀是否有多種要素聚集分布的指標(biāo)，低蔓延度表明這種景觀類型連接性不好，高蔓延度則表明該景觀類型有良好的連接性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 武漢市綠地信息提取 以2009年9月6日的數(shù)據(jù)為例，通過ERDAS軟件的空間建模工具計(jì)算了除TM6波段外的其他6個波段的相關(guān)系數(shù)矩陣(TM6波段為熱紅外波段，分辨率較低，且對研究沒有任何作用，研究中并未使用該波段)，如表1所示。通過對相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，TM1、TM2、TM3 3個波段的數(shù)據(jù)相關(guān)性高，TM5與TM7兩個波段的相關(guān)性高，TM4波段與上述兩組波段之間的相關(guān)性較低。

因此，在選取波段組合時(shí)，應(yīng)該在TM1、TM2、TM3 3個波段中選取一個波段，TM5和TM7中選擇一個波段，并且必須選擇TM4波段，這樣就有如下這些波段組合:TM154、TM174、TM254、TM274、TM354、TM374。

隨后，計(jì)算出來的OIF如表2所示。

表1 2009年9月6日波段間相關(guān)矩陣

表2 OIF指數(shù)表

圖3 2001～2009年武漢市綠地提取結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，TM154波段組合的OIF指數(shù)最 大，因此成為第一個“衍生”波段。隨后，也分別進(jìn)行了主成分分析和NDVI指數(shù)計(jì)算。所以，最終選取的波段組合為TM154。最后采用監(jiān)督分類得到武漢市的綠地信息提取結(jié)果(圖3)。

3．2 武漢市綠地基本特征 通過統(tǒng)計(jì)綠地這一地物類型像元數(shù)占總像元的比例，得到了武漢市2001～2009年的城區(qū)綠化率(圖4)。

圖4 武漢市城區(qū)2001～2009年綠化率

由上述的計(jì)算結(jié)果可以看出，2001～2005年武漢市中心城區(qū)的綠化率有一定的上升，而2005～2009年綠化率有比較大幅度的下降，說明這些年對武漢市的綠地保護(hù)做得不夠。為了能更加清楚地反映武漢市的綠地狀況，可以將武漢市各區(qū)的綠化率進(jìn)行對比，得出的結(jié)果如圖5所示。

圖5 武漢市各城區(qū)2001～2009年綠化率

從圖表中可以非常清楚地看出，武漢市中心城區(qū)的綠化率遠(yuǎn)低于武漢市郊區(qū)的綠化率。在所有區(qū)域中，江夏區(qū)的綠化率最高，其2009年9月的綠化率達(dá)到了35．07%，中心城區(qū)的7個區(qū)中，洪山區(qū)的綠化率最高，漢口的3個區(qū)，包括江岸、江漢、硚口，其綠化率都非常低，其中江漢區(qū)2009年9月的綠化率才1．3%。2001～2009年，總體上說，各個區(qū)域的綠化率都有一定程度的下降。

如圖6所示，武漢市中心城區(qū)的綠地分布中心位于洪山區(qū)，且有向東南方移動的趨勢。如圖7所示，在2001～2005年，武漢市綠地離散度變大，而2005～2009年離散度變小，這說明在2001～2005年，武漢市的綠地分布更加分散，而在2005～2009年，綠地分布更加集中。

3．3 武漢市綠地類型特征分析 基于綠地類型特征分析方法，得到了如表3所示的結(jié)果。

表3 武漢市景觀類型評價(jià)指標(biāo)

從表3中的計(jì)算結(jié)果可以看出，2001～2005年，武漢市中心城區(qū)綠地的形狀指數(shù)變小，到2009年又變大，這說明在2005～2009年，武漢市的綠地形狀變得更加不規(guī)則，更加復(fù)雜。而武漢市中心城區(qū)綠地的斑塊分維數(shù)先變大，后變小，

說明從2005～2009年，武漢市的綠地形狀變得更加復(fù)雜，更加不規(guī)則，這與上面計(jì)算的形狀指數(shù)結(jié)論一致。武漢市中心城區(qū)綠地的孔隙度在2001～2009年持續(xù)減小，說明單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)量逐年減少。從武漢市中心城區(qū)綠地的斑塊內(nèi)緣比可以發(fā)現(xiàn)，從2001～2005年，內(nèi)緣比逐漸變大，說明綠地斑塊邊界變得復(fù)雜。從2005～2009年可以看出，內(nèi)緣比逐漸變小，說明斑塊邊界變得逐漸簡單。

3．4 武漢市綠地景觀空間格局分析 基于綠地景觀空間格

局分析方法，得到了如表4所示的結(jié)果。

表4 武漢市景觀格局指數(shù)

從計(jì)算結(jié)果可知，2001～2009年，景觀多樣性指數(shù)減小，說明景觀類型所占比例差別增大。由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，武漢市中心城區(qū)的景觀優(yōu)勢度非常接近1，且變動幅度不大，說明武漢市各景觀類型所占比例差異很大。還可以發(fā)現(xiàn)，從2001～2009年，武漢市中心城區(qū)的景觀均勻度逐漸減小，說明各景觀類型的分布更加不均勻。另外，武漢市2001年、2005年、2009年的分離度表明武漢市近些年景觀分離度減小，說明景觀在地域分布上變得越來越集中。對城市綠地來說，為了更好地發(fā)揮綠地的功能，最理想的狀況應(yīng)該是均勻地分布于城市的每一個角落。就這一指標(biāo)來說，武漢市的綠地狀況正在逐漸變差。最后，從2001年到2009年，武漢市中心城區(qū)的這一指標(biāo)逐漸升高，表明景觀的連接性逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié)論和展望

武漢市中心城區(qū)的綠地覆蓋率遠(yuǎn)低于城區(qū)，且非常集中在洪山區(qū)，漢口的3個區(qū)綠化覆蓋率非常低。總體來說，近些年來武漢市的綠化覆蓋率呈下降的趨勢。武漢市中心城區(qū)的綠地中心處于洪山區(qū)，且有向東南方移動的趨勢。就綠地離散度來說，近些年來武漢市綠地分散度有變小的趨勢，說明武漢市綠地分布變得更加集中。以上這些都說明武漢市的綠地環(huán)境有逐漸惡化的趨勢。

通過景觀類型特征分析可以發(fā)現(xiàn)，近些年武漢市的綠地形狀變得更加不規(guī)則，更加復(fù)雜，且單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)量逐漸減少。通過景觀空間格局分析可以發(fā)現(xiàn)，武漢市各類景觀類型分布更加不均勻，景觀在地域分布上變得越來越集中，這些都反映出武漢市的綠地狀況正在變差。未來將通過更加精確的城市綠地提取方法，結(jié)合更長時(shí)序的遙感影像，更加精細(xì)地分析武漢市綠地的時(shí)空演變。同時(shí)，從建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、耕地變更、圍湖造田等諸多方面探討城市綠地與其他土地利用類型的關(guān)系和平衡。

圖6 2001～2009年武漢市綠地分布中心空間遷移

圖7 武漢城區(qū)2001～2009年綠地離散度

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