莆田市城市空間擴展及其對植被覆蓋變化的影響

林 欣，張 貴，李建軍

（ 1.莆田學院 工藝美術(shù)學院，福建 莆田 351100；2.中南林業(yè)科技大學 理學院，湖南 長沙 410004）

21世紀以來，中國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，以平均每年1.35%的速度發(fā)展，2050年之前，中國的城鎮(zhèn)化率將提高到70%以上。在這個過程中，城市空間將不斷擴展，將致使土地利用/覆蓋類型由植被為主的自然景觀逐漸被水泥、瀝青等不透水面取代，從而導致生物多樣性下降、城市熱島效應、水土流失等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1]。如李廣宇等[2]通過長三角地區(qū)植被退化的研究結(jié)果表明：城市的快速擴展對植被覆蓋（NDVI）具有重要的影響；陳亮等對湖北省植被覆蓋變化及其對地形因子影響進行研究[3]，黎良財也對喀斯特山區(qū)植被覆蓋進行研究[4]，也得出了相同結(jié)論。王濤等以西安為例分析了植被NDVI對城市擴展的響應，結(jié)果也表明城市擴展等人為干擾對植被NDVI的影響超過了氣候變化[5]。因此研究城市空間擴展及其對植被覆蓋變化的影響，有利于進一步掌握兩者之間的權(quán)衡關(guān)系，對今后城鎮(zhèn)化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的意義[5]。

衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)具有大尺度、可追溯性、快速和實時等優(yōu)點已被廣泛地用于對區(qū)域植被、城市、河流等各種土地覆蓋的監(jiān)測和評價[6]。然而，目前國內(nèi)研究城市擴展多數(shù)停留在針對個別重點城市，如北京[7]、杭州[8]、廈門[6]等一線城市，而對三線城市的關(guān)注不夠。莆田市地處福建沿海中部，東面與臺灣隔海相望，被列為第一批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點地區(qū)，且獲得“2018年國家森林城市”榮譽稱號。因此，其城市空間擴展是否給生態(tài)環(huán)境造成破壞是當前人們關(guān)注的問題。本研究擬利用遙感技術(shù)對莆田市2000年—2016年間的城市空間擴展及其對植被NDVI的影響進行定量化分析，找出城市空間擴展與植被覆蓋變化關(guān)系，以期為該國家森林城市的科學規(guī)劃和建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

莆 田 市（118°27′～ 119°39′E，24°59′～25°46′N），位于福建沿海中部，東面與臺灣隔海相望，西北與省會城市福州毗鄰，南接泉州。地形以沿海山地、丘陵為主，地勢由東南向西北逐漸抬升，背山面海，東南部平原廣闊，中部丘陵起伏，西北部山巒疊嶂，海拔介于500～1 800 m之間。屬海洋性亞熱帶季風氣候，年均溫度為18～21 ℃，年降水量為1 000～1 800 mm。2016年末，全市常住人口289萬人，其中，城鎮(zhèn)常住人口167.9萬人，占總?cè)丝诒戎貫?8.1%，居全省第4位。2002年2月1日，國務院批準調(diào)整莆田市部分行政區(qū)劃，目前包含城廂、涵江、荔城、秀嶼4個區(qū)和仙游1個縣。2018年10月，獲得“2018年國家森林城市”榮譽稱號。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載的衛(wèi)星遙感影像，為了數(shù)據(jù)處理的一致性，所有遙感數(shù)據(jù)均采用Landsat衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)，選取莆田市陸地面積為研究對象，以2000-06-29的Landsat5 TM影像、2010-08-04的Landsat7 ETM+影像和2016-07-27的Landsat8 OLI_TIRS影像作為最終影像數(shù)據(jù)。所選影像季相相近、質(zhì)量完好，空間分辨率30 m，影像信息，如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)基本信息Table1 Basic information of remote sensing image data

2.2 遙感數(shù)據(jù)預處理

影像下載于地理空間數(shù)據(jù)云官方網(wǎng)站Landsat的Level 1T產(chǎn)品，該產(chǎn)品無需幾何校正，研究區(qū)3景影像疊加準確。影像預處理主要利用ENVI軟件進行輻射定標和大氣校正，用Chander等[9-10]和Chavez[11]的模型和參數(shù)將原始影像的灰度值（DN）轉(zhuǎn)換為傳感器處反射率，以減少不同時相的影像在地形、光照和大氣等方面的差異；FLAASH大氣校正采用與研究區(qū)緯度和季節(jié)相對應的Tropical（熱帶的）模型，氣溶膠模型選擇Urben（城市）模型；不同時相的影像之間采用二次多項式和最鄰近像元法進行配準，配準的RMS誤差都小于0.5個像元。在輻射校正后的遙感影像基礎(chǔ)上計算歸一化的植被指數(shù)（NDVI）和歸一化建筑指數(shù)（NDBI），最后結(jié)合莆田市的行政區(qū)劃矢量圖對兩種指數(shù)影像圖進行裁剪，得到所需要的研究區(qū)指數(shù)遙感圖像（圖1和圖2）。

2.3 指數(shù)提取

2.3.1 植被指數(shù)提取

歸一化的植被指數(shù)NDVI 是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，因此本研究采用NDVI反演植被信息。公式為：

式（1）中：NIR為近紅外波段，Red為紅外波段。NDVI值在[-1，1]之間，負值表示地面覆蓋為水體等，對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和Red波段近似相等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

2.3.2 建筑指數(shù)提取

NDBI指數(shù)源于對歸一化植被指數(shù)（NDVI）的深入研究和分析，也稱為仿植被歸一化指數(shù)[12]。NDVI之所以能夠有效地提取植被信息，是因為植被在NIR波段上的灰度值大于Red波段，而其他地類都相反，因此在NDVI指數(shù)圖像上大于0的大都是植被。城鎮(zhèn)用地的灰度值在NIR和NIR波段反射增強，而其他地類都變小，因此，模仿NDVI指數(shù)的提取方法，查勇[13]提出的歸一化建筑指數(shù)NDBI，可用于提取研究區(qū)的建筑用地，公式為：

NDBI=[p(MIR)-p(NIR)]/[p(MIR)+p(NIR)]。（2）式（2）中：MIR為中紅外波段。NDBI指數(shù)法是一種有效的城鎮(zhèn)用地提取方法，精度高于非監(jiān)督分類，與監(jiān)督分類的精度接近，但NDBI比較客觀。

3 結(jié)果與分析

3.1 莆田市2000—2016年建筑用地擴展分析

NDBI值介于-1與1之間，經(jīng)比對谷歌地圖等高清歷史影像，人為確定-0.20為建筑用地閾值，即NDBI值大于-0.20為建筑用地，NDBI值小于-0.20為非建筑用地；從而獲取了莆田市3個時相的城市建筑用地擴展信息（圖1），并對其建筑用地與非建筑用地面積占比進行統(tǒng)計（表2）。

圖1 2000—2016年莆田市建設(shè)用地擴展Fig.1 The expansion of construction land in Putian City from 2000 to 2016

從表2可以看出，2000—2016年間莆田市城市建筑用地面積占比有了較大幅度的增長，由22.70%增至28.84%，凈增6.14%。建筑用地增長的速率和模式呈現(xiàn)出階段性特征；前10 a增長了2.04%，后6 a增長了4.10%，后6 a的增長速率大于前10 a，這表明莆田市城市空間的快速擴展時期為后6 a。從擴展模式上看，2000—2010年間破碎散布在全市各地的建筑用地斑塊逐漸在東南部平原形成大片的面狀核心城區(qū)，而西北部散布的建筑用地轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙ㄖ玫?；而? a間不僅在2010年形成的面狀核心城區(qū)內(nèi)進行填充，而且在西北山區(qū)原有的非建筑用地上出現(xiàn)大量分散的建筑用地（圖1）。

表2 莆田市2000—2016年建筑用地/非建筑用地面積占比Table2 Proportion of construction land/non-construction land in Putian City from 2000 to 2016

總體而言，16 a間莆田市區(qū)的擴展表現(xiàn)為先慢后快，先東南后西北的時空變化特點。擴展模式是從全市零星散布轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南部平原集中連片的面狀城區(qū)，繼而面狀城區(qū)內(nèi)部和西北部又出現(xiàn)破碎斑塊；擴展幅度東南平原最大，中部丘陵次之，西北山區(qū)最小。

3.2 莆田市2000—2016年植被景觀變化規(guī)律分析

根據(jù)植被覆蓋指數(shù)（NDVI）模型分別反演出各研究年份的植被覆蓋指數(shù)（圖2），經(jīng)歸一化后植被覆蓋指數(shù)（NDVI）介于0到1之間，以0.2為間隔將NDVI由低到高分為低、較低、中、較高、高五類，并計算出它們的面積占比（表3）。由表3可知，2000—2010年期間NDVI等級為高的面積占比由37.32%增至48.89%，NDVI等級為較高的面積由30.31%減至17.94%，NDVI等級為中、較低和低3個等級的面積占比基本相同；而2010—2016年期間NDVI等級為高和較高的面積占比有所下降，NDVI等級為中、較低和低的面積占比均上升，表明后6 a期間大面積地表植被覆蓋下降。由圖2可知，2010年影像與2000年影像對比中部丘陵地帶綠色加深，表明前10 a期間大面積地表的植被覆蓋增加；2016年影像在2010年影像NDVI等級為高和較高的位置出現(xiàn)大量NDVI等級為中、較低和低的小斑塊，表明這部分森林覆蓋質(zhì)量下降。

圖2 2000—2016年莆田市歸一化植被指數(shù)NDVI的空間分布Fig.2 Spatial distribution of the NDVI in Putian City from 2000 to 2016

表3 莆田市2000—2016年NDVI分類面積占比Table3 Area ratios of different grades of NDVI in PutianCity from 2000 to 2016

將圖2中各研究年份反演出的NDVI值相減，以-0.1、0.1為分割點進行NDVI指數(shù)變化分類，差值由低到高分為變差、不變和變好3類，獲得莆田市植被覆蓋指數(shù)年際變化（圖3），并計算出它們的面積占比（表4）。從表4可知，2000—2016年NDVI變差的面積為37.26%，NDVI變好的面積占28.87%，變差相較于變好的面積多出8.39%，說明在這16 a里植被覆蓋在減少。由圖4可知，2000—2016年NDVI年際變化具體表現(xiàn)為變差與變好的斑塊相互交錯，西北部大部分地表NDVI指數(shù)變差，中部大部分地表NDVI指數(shù)變好，東南部大部分地表NDVI指數(shù)變差。這表明城市建筑用地的拓展會造成植被覆蓋度下降。

圖3 2000—2016年莆田市歸一化植被指數(shù)NDVI的變化Fig.3 Changes of NDVI in Putian City from 2000 to 2016

如果將研究的時間段分為2000—2010年和2010—2016年兩個階段，則前一個階段整個莆田市NDVI變好的面積減去變差面積年均有1.29%面積的地表植被獲得恢復，在圖3中具體表現(xiàn)為中部和西北有大面積NDVI變好，而東南部有大面積地表NDVI變差，但植被恢復的面積要高于植被損失的面積。而后一個階段NDVI變差的面積年均凈增2.80%，表明每年有2.80%面積的植被受到破壞，圖3中具體表現(xiàn)為西北部大面積地表NDVI變差，僅有東南部城市邊緣有少部分地表NDBI變好；后一階段植被損失比前一階段植被恢復快了一倍多。

表4 莆田市2000—2016年NDVI年際變化Table4 Interannual variation of NDVI in Putian City from 2000 to 2016

3.3 莆田市2000—2016年建筑指數(shù)與植被指數(shù)相關(guān)性分析

將2000—2010年、2010—2016年兩階段的建筑用地擴展過程和植被變化規(guī)律的相關(guān)性進行定性分析可知，前后兩個階段建筑用地面積分別增加了2.04%和4.10%，兩階段建筑面積占比均增加；但前一階段年均有1.29%面積的植被獲得恢復，而后一階段年均有2.80%面積的植被遭到破壞。兩階段植被的變化規(guī)律截然相反，因為前一階段消除了大量破碎分散的建筑用地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)榧忻鏍詈诵某菂^(qū)，而后一階段產(chǎn)生了大量破碎的建筑用地斑塊。由此可知大量破碎且分散的建筑用地斑塊會造成大面積地表植被覆蓋度下降。

為了進一步分析建筑指數(shù)（NDBI）對植被覆蓋指數(shù)（NDVI）的影響，分別將各研究年份的建筑指數(shù)影像和它們對應的植被覆蓋指數(shù)影像做回歸分析（圖4）。在影像上按500 m×500 m的網(wǎng)格隨機采樣，每個年份的NDBI和NDVI各采增加15 556個樣本，大量的樣本有助于增加統(tǒng)計分析的代表性和客觀性。由圖4可知，從各年份的回歸模型來看，建筑指數(shù)（NDBI）和植被覆蓋指數(shù)（NDVI）呈線性負相關(guān)關(guān)系，說明建筑用地的增加會使地表植被覆蓋下降。從所獲得的回歸方程來看，在莆田市，建筑指數(shù)每提升10%，地表植被覆蓋指數(shù)最少降低0.77。如果從最新的2016年回歸模型來看，建筑指數(shù)每提升10%，則降低的地表植被覆蓋指數(shù)高達0.86，說明莆田市城市空間的拓展會造成地表植被覆蓋度急劇下降，且后期對植被的負面影響會越來越大。

圖4 2000—2016年莆田市建筑指數(shù)與植被指數(shù)回歸分析Fig.4 Regression analysis of NDBI and NVEI in Putian City from 2000 to 2016

4 結(jié)論與討論

1）莆田市城市空間拓展伴隨部分地區(qū)地表植被覆蓋指數(shù)變差。在城市發(fā)展進程中，城市建筑用地面積占比由22.70%增至28.84%，凈增6.14%；整個研究區(qū)植被覆蓋指數(shù)變差的面積占37.26%，而植被覆蓋指數(shù)變好的面積占28.87%，變差面積凈增8.39%，植被覆蓋指數(shù)變差地位于城市空間拓展較快的西北部山區(qū)和東南部平原地帶。

2）從莆田市發(fā)展階段來看，建筑用地面積增加較快時段植被破壞較嚴重。在2000—2010年間，全市建筑用地面積占比增加了2.04%，建筑用地呈向東南部集中面狀，扣除NDVI變差面積年均有1.29%面積的植被獲得恢復；在2010—2016年間，建筑用地面積占比增加4.10%，市內(nèi)西北部出現(xiàn)大量破碎分散的建筑用地斑塊，扣除NDVI變好面積年均有2.80%面積的植被遭到破壞；莆田市的建筑指數(shù)（NDBI）和植被覆蓋指數(shù)（NDVI）呈線性負相關(guān)關(guān)系，建筑指數(shù)每提升10%，植被覆蓋指數(shù)可降低0.77～0.86，后期城市擴展對植被景觀的影響更大。

3）城市空間的拓展會導致地表植被覆蓋指數(shù)變差，但在部分地區(qū)也存在植被恢復變好的狀況，當出現(xiàn)破碎分散的建筑用地斑塊時植被破壞較嚴重；當建筑用地斑塊集中出現(xiàn)在某區(qū)域時，植被覆蓋指數(shù)會變好?？赡艿脑蚴请S著城市拓展和人們生活水平的提高，人們對美好生活的需求也體現(xiàn)在對景觀的需求上，景觀規(guī)劃質(zhì)量自然提升。如何利用衛(wèi)星圖像對城市空間拓展與城市地表植被覆蓋指數(shù)進行監(jiān)測，通過監(jiān)測部分特征指標來弄清城市空間拓展中植被覆蓋指數(shù)的變化，詳細討論城市空間拓展與植被覆蓋指數(shù)質(zhì)量的關(guān)系，為城市大尺度空間景觀規(guī)劃提供指導依據(jù)，需在以后的研究中深入探討。