利用城市夜間燈光資料和NDVI研究成都地區(qū)植被覆蓋度變化

程志剛　楊欣悅　董思言　孫晨　吳洋（ 成都信息工程大學大氣科學學院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 605； 國家氣候中心，中國氣象局，北京 0008）

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利用城市夜間燈光資料和NDVI研究成都地區(qū)植被覆蓋度變化

程志剛1楊欣悅1董思言2孫晨1吳洋1
（1 成都信息工程大學大氣科學學院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225；2 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081）

摘要：利用SPOT VEG NDVI植被覆蓋度數(shù)據(jù)和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對成都地區(qū)近16年來城市化進程對植被覆蓋度的影響進行了研究。結(jié)果表明：成都地區(qū)城市化進程呈增長的趨勢，但各地區(qū)發(fā)展程度差異較大。1998—2013年成都地區(qū)植被整體覆蓋度較好，且植被覆蓋度與夜間燈光亮度值呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達－0.78以上。城市活動越強烈的地方植被覆蓋度越小，即城市中心植被覆蓋度最低，距離城市中心越遠植被覆蓋度較高，城市化發(fā)展迅速的城市周邊植被覆蓋度變化最大?？傮w而言，成都地區(qū)植被覆蓋程度處于增加趨勢或保持相對穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：城市化進程，NDVI，植被覆蓋度，夜間燈光數(shù)據(jù)

0　引言

城市化是一種最強烈的土地利用變化[1]，是全球變化的重要組成部分。20世紀90年代以來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平逐步提高，建成區(qū)面積增長迅速，快速的城市發(fā)展改變了城市下墊面性質(zhì)，使大量植被逐漸消失[2]。近年來很多學者針對我國城市空間不斷擴張與重建引起的植被覆蓋狀況變化的問題進行了大量研究，但研究區(qū)域主要集中于華北[3-5]、西北[6-7]、東北[8-9]等地區(qū)的發(fā)達城市及城市群。李景剛等[10]利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和SPOT NDVI數(shù)據(jù)評價了環(huán)渤海城市群快速城市化過程的生態(tài)效應(yīng)；安佑志等[11]利用MODIS時序數(shù)據(jù)分析了城市化進程中長江三角洲地區(qū)植被覆蓋度變化，發(fā)現(xiàn)城市及周邊地區(qū)植被指數(shù)呈顯著下降趨勢，表明隨著城市化進程的加速，長江三角洲地區(qū)植被覆蓋狀況正面臨著惡化。成都作為四川省的省會城市，近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，土地利用方式發(fā)生了較大改變[12]。因此，有必要結(jié)合成都地區(qū)的城市化現(xiàn)狀，從時空分布變化特征著手對其生態(tài)環(huán)境變化進行較為細致深入的研究。有鑒于此，本文選取1998—2013年SPOT VEG NDVI數(shù)據(jù)及美國軍事氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological SatelliteProgram，DMSP）線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（Operational Linescan System，OLS）傳感器的夜間燈光數(shù)據(jù)，研究了成都及周邊衛(wèi)星城近16年來城市化特征及其與植被覆蓋度之間的關(guān)系，以期加深對該地區(qū)的城市群發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的認識，為城市的合理布局提供一定的科學依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料介紹

美國軍事氣象衛(wèi)星DMSP搭載的OLS傳感器最初是為云層監(jiān)測而專門設(shè)計的振蕩掃描輻射計，此后逐漸被應(yīng)用于探測城鎮(zhèn)燈光、漁火等地表活動。目前，該系列數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于城市化、經(jīng)濟評估、人口估算等研究。本文采用的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國國家地理數(shù)據(jù)中心（http://ngdc.noaa.gov/eog/），選用了基于低燈光數(shù)據(jù)（月光微弱條件下獲取的數(shù)據(jù)）的穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)排除了亮云和水體的影響，空間分辨率為1km×1km。

本次所采用的植被覆蓋度的遙感數(shù)據(jù)為基于10d最大值合成（MVC）的1998年4月—2014年2月的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km×1km，該產(chǎn)品經(jīng)過了系統(tǒng)誤差糾正、大氣校正、輻射校正、幾何校正等，并將－1～－0.1的NDVI值設(shè)置為－0.1，且DN值轉(zhuǎn)化為NDVI值的關(guān)系式為NDVI=0.004×DN－0.1。

1.2資料處理方法

1.2.1夜間燈光圖像校正

本研究所采用的夜間燈光數(shù)據(jù)DMSP/OLS來自6個不同的傳感器：F10（1992—1994年）、F12（1994—1999年）、F14（1997—2003年）、F15（2000—2007年）、F16（2004—2009年）、F18（2010—2012年），由于不同傳感器之間的固有差異及成像環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致不同年份、不同傳感器的長時間序列數(shù)據(jù)之間不具有連續(xù)性和可比性[13-14]，參照鄒進貴等[15]的校正模型對夜間燈光圖像進行校正。

1.2.2區(qū)域復(fù)合燈光指數(shù)

利用夜間燈光影像可以構(gòu)建綜合燈光指數(shù)來反映城市化的水平，對地區(qū)城市化發(fā)展狀況開展有效的監(jiān)測[16]。為了使燈光指數(shù)與城市化水平的關(guān)系具有統(tǒng)一性和一致性，我們選用陳晉[17]等建立的復(fù)合燈光指數(shù)（CNLI）來研究成都市城市化水平。

其中，DNi為區(qū)域內(nèi)第i級像元灰度值，ni為區(qū)域內(nèi)該灰度級像元總數(shù)，DNM為最大可能灰度值（63），NL、AreaN分別表示為區(qū)域內(nèi)滿足條件（P≤DN≤63）的像元總數(shù)和所占的總面積，Area為整個區(qū)域的面積。P為去除誤差的閾值，本研究確定誤差為成都區(qū)域內(nèi)燈光像元總數(shù)逐年增加且數(shù)值最小的灰度值為最佳閾值。

1.2.3最大值合成法

NDVI值最大值合成法（Maximum Value Composites，MVC）是將NDVI值按月、季或年中各旬數(shù)據(jù)取最大值，從而進一步消除云、大氣、太陽高度角等的干擾[18-19]。本文取一年中36旬的NDVI最大值（MNDVI）作為年植被覆蓋度數(shù)據(jù)，計算公式為：

其中，NDVIi是第i個月的NDVI值，NDVIij是第i月第j旬的NDVI值，MNDVI，i是像元上NDVI的最大值。

1.2.4植被覆蓋度水平計算

為使植被指數(shù)能夠定量反映植被信息，將NDVI值歸一到0～255之間，再根據(jù)前人的研究成果[20-23]將歸一后的NDVI像元灰度值分級，使得定量評價該植被生態(tài)景觀面積變化規(guī)律更為直觀：NDVI0～255的取值范圍在0～128，近紅外波段對植被的反射值很低，地物類型基本為荒漠、水域和居民區(qū)等無植被的地區(qū)；NDVI0～255的取值范圍在129～255之間，像元灰度值與植被覆蓋度呈正相關(guān)，像元灰度值越大，植被覆蓋程度越高。該計算公式如下：

式中，NDVI0～255為歸一到0～255的植被指數(shù)值，NDVImin、NDVImax分別為研究區(qū)內(nèi)該年份的最小、最大植被指數(shù)值。植被覆蓋率用于分析植被覆蓋水平的年際變化。

2　結(jié)果與分析

2.1成都地區(qū)城市擴展時空變化特征

前人研究認為[24]，夜間燈光數(shù)據(jù)能較好地反映城市面積。為此，我們對比分析1998和2012年成都市夜間燈光分布數(shù)據(jù)（圖1），結(jié)果表明，成都市城市化進程明顯，主城區(qū)與周邊郊縣燈光亮值大值區(qū)逐漸擴大，連片狀分布趨勢明顯。由于CNLI指數(shù)兼顧了區(qū)域平均燈光強度及燈光面積兩方面的屬性特征，具有較高的年際可比性，能夠較客觀地反映出區(qū)域的城鎮(zhèn)面積規(guī)模，人口密度水平和經(jīng)濟發(fā)達程度[25]。我們分析了復(fù)合燈光指數(shù)CNLI隨時間變化的趨勢（圖2），結(jié)果表明，成都地區(qū)城市化水平整體上呈持續(xù)上升的趨勢，增長速率為0.09/10a，說明CNLI隨時間增長的趨勢比較明顯，成都地區(qū)城市化水平呈持續(xù)穩(wěn)定的增長趨勢。夜間燈光的亮度可以表示區(qū)域城市化的程度，同時夜間燈光亮度值的平均值較大則意味著該地區(qū)的城市化水平相對較高。我們以成都市各區(qū)縣行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，統(tǒng)計各區(qū)縣多年夜間燈光亮度值的平均值和最大值，可以看出，各區(qū)縣的城市化程度差異較大，其中成都市區(qū)及其周圍市縣（雙流、新都、郫縣、都江堰等）城市化水平相對較高，而城市化發(fā)展程度較低的地區(qū)為距離成都市區(qū)較遠的大邑、蒲江、邛崍、金堂等地區(qū)夜間燈光亮度值偏?。▓D3）。

圖1　校正后的夜間燈光亮值像元分布（圓點為城鎮(zhèn)所在地，下同）Fig.1　The distribution of the corrected DMSP/OLS images(black points represent locations of cities)

圖2　1998—2012年成都地區(qū)年際CNLI指數(shù)變化趨勢Fig.2　Trends of CNLI index from 1998 to 2012 in Chengdu

圖3　成都市區(qū)縣夜間燈光亮度值統(tǒng)計Fig.3　The statistics of DMSP/OLS nightlight value in counties of Chengdu

2.2城市化進程中成都地區(qū)城市植被覆蓋率變化特征

2.2.1植被覆蓋度時空變化分析

將計算得到的植被覆蓋度水平按照表1進行分類，比較分析1998和2013年植被覆蓋等級及其面積，我們發(fā)現(xiàn)1、3、4級植被面積均明顯增加，其變化率分別為16.4%、12.39%、17.18%，5級植被減少顯著，達50.06%。由此，我們認為低植被覆蓋度區(qū)域植被覆蓋有所改善，而植被覆蓋度較好的區(qū)域植被則有所退化。為進一步反映該地區(qū)植被覆蓋水平，將歸一化后1998—2013年的NDVI值求平均值，以成都市區(qū)核心區(qū)為交點，沿東—西（W-E）、南—北（N-S）、西南—東北（SW-NE）和西北—東南（SE-NW）四個方向繪制穿越建成區(qū)及非建成區(qū)的四條不同方向直線，分析其NDVI變化趨勢。結(jié)果表明（圖4），成都市城市中心處達到最低值，在成都周邊較發(fā)達的市縣達到次低值，遠離城市則表現(xiàn)為高值。沿SE-NW剖線，剖線依次穿過都江堰、郫縣、成都市區(qū)和龍泉驛形成4個低值區(qū)，最小數(shù)值分別為95、135、5、110，可以看出低值區(qū)范圍與大小明顯與城市化程度成正比，則城市化程度依次為：成都市區(qū)＞龍泉驛＞都江堰＞郫縣，相應(yīng)的NDVI值也呈現(xiàn)出相同的大小關(guān)系。為印證以上結(jié)論，我們提取2000、2004、2008和2012年NDVI＜128（即代表較低植被覆蓋度）的像元并疊置（圖5）。由圖可見，成都市區(qū)較低植被覆蓋度范圍不斷向外擴展，而成都市區(qū)周邊的城市，如郫縣、都江堰、彭州、新都、龍泉、雙流等，較低植被覆蓋度區(qū)域均朝著成都市區(qū)的方向擴展，成都市區(qū)周邊2000年離散的低值區(qū)在后期已連成片區(qū)，與圖4結(jié)論一致。

表1 歸一化NDVI與植被覆蓋等級對應(yīng)表Table 1 The correspondence between normalized NDVI and vegetation coverage grade

圖4　1998—2013成都地區(qū)多年歸一化NDVI平均值分布及其剖面線（W-E、N-S、SE-NW和SW-NE為穿越成都市區(qū)的剖面線）Fig.4　The distribution of normalized NDVI mean values and their profile lines in Chengdu area from 1998 to 2013(W-E,N-S,SE-NW and SW-NE represent four section lines across Chengdu)

2.2.2NDVI變化趨勢分析

斜率變化（SLOPE）的絕對值大小反映變化趨勢的程度，值越大，則變化程度越大，反之越小。將成都地區(qū)最大NDVI均值變化率按表3分為以下5類，分別代表中度退化、輕微退化、輕微改善、中度改善、明顯改善五種植被覆蓋情況。

由此可以看到成都地區(qū)本身生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)較好，總體植被覆蓋有所改善，植被覆蓋輕微改善和中度改善占整個研究區(qū)的主體。成都市區(qū)由于經(jīng)濟發(fā)展已達到一定水平，加之2002年以來成都市政府提出創(chuàng)建“國家環(huán)保模范城市”，加大綠化建設(shè)的力度，對市區(qū)主要街道的綠化進行加密，因此成都市區(qū)的植被覆蓋度有所改善。而遠離城市區(qū)域，由于社會經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低，且政府環(huán)保觀念的提升等因素，植被覆蓋度也隨之增加。相反，成都市周邊地區(qū)及其衛(wèi)星城，由于社會經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程不斷加快，建成區(qū)面積不斷擴大，大量土地利用類型被改變，從而導(dǎo)致植被覆蓋度表現(xiàn)為減小趨勢。

圖5　1998—2013年成都地區(qū)城市化進程NDVI＜128的像元變化Fig.5　The pixel changes of NDVI＜128 in the process of urbanization in Chengdu area from 1998 to 2013

表2 1998和2013年各級植被覆蓋的面積及所占比例Table 2 The area and percentage of vegetation coverage in 1998 and 2013

表3 1998—2013年成都地區(qū)最大NDVI均值變化趨勢統(tǒng)計Table 3 The statistics of variation trend of NDVI in Chengdu from 1998 to 2013

2.3成都地區(qū)植被覆蓋度變化與城市發(fā)展關(guān)系的探討

為了考察成都地區(qū)城市化進程中植被覆蓋度的變化，我們選取相同年份的植被覆蓋度和夜間燈光數(shù)據(jù)，并進行7a平均值的差值計算，即用2006—2012年的平均值減去1999—2005年的平均值，從而濾去年際變率的影響。從圖6a中可以看出，成都地區(qū)近10年各城市的城郊地區(qū)城市化變化最明顯，其中成都市城郊變化最大，其次為成都周邊衛(wèi)星城，對比圖6a、6b可以看出，植被覆蓋度變化最大的區(qū)域同樣集中于城市擴展的城郊地區(qū)，且與燈光灰度值的差值空間分布具有較好的空間對應(yīng)關(guān)系，表明成都地區(qū)近年來的植被覆蓋情況與城市化進程密切相關(guān)，城市化發(fā)展快的城市周邊城郊區(qū)域植被覆蓋度低，遠離城市及城市中心的區(qū)域植被覆蓋度較好且變化程度小。影響植被覆蓋度變化的起因復(fù)雜多樣，圖6b中成都地區(qū)最北部非城市化區(qū)域的NDVI也表現(xiàn)為負值則可能是由于氣溫及降水等氣象因素共同作用的結(jié)果，其成因有待進一步討論。

圖6　2006—2012年與1999—2005年夜間燈光灰度值（a）與同時期NDVI（b）平均值的差值分布Fig.6　Distributions of value difference between the mean of 2006—2012 and the mean of 1999-2005(a)DMSP/OLS nightlight value(b)NDVI

為進一步研究城市化進程中城市化強弱與植被覆蓋度強度的關(guān)系，采用分層采樣的方法隨機選取300個樣點，既保證所選樣點夜間燈光亮度分布均勻，又剔除采樣點選取的人為因素影響。具體方法為：將多年平均夜間燈光亮度值（DN值）以10為間隔分層（如0～10，10～20，…，50～63），共6層，每層隨機選取50個樣點，提取采樣點對應(yīng)的多年平均NDVI，以分析多年平均的夜間燈光值與植被覆蓋度像元值之間關(guān)系。若相關(guān)系數(shù)為正，則表示該區(qū)域的植被覆蓋隨夜間燈光亮度值的增加而增加，反之，則表示呈減少趨勢。從圖7可以看出，NDVI與夜間燈光亮度平均值呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達－0.901（通過0.05的顯著性檢驗）。結(jié)果表明，夜間燈光亮度值越大，對應(yīng)的NDVI值越小。這也說明，城市化程度越高，植被覆蓋度越小，城市化對植被覆蓋度起削弱作用，與安佑志等[11]、劉沁萍等[26]結(jié)論一致。同時，為了進一步闡明城市化與植被覆蓋的顯著關(guān)系，我們選擇了圖6a中夜間燈光灰度值平均值差值大于10的像元范圍作為城市化活動強烈地區(qū)的代表，計算了成都地區(qū)1998—2012年夜間燈光亮度值與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)（p≤0.05）的空間分布（圖8），其相關(guān)系數(shù)為－0.936～0.606，由圖可見，且絕大部分城市化活動強烈的地區(qū)夜間燈光像元與植被覆蓋度呈顯著的負相關(guān)，進一步說明了城市化對植被覆蓋度的影響：城市化活動集中的城市邊緣城郊地區(qū)，城市化活動越強烈，植被覆蓋度越低。

圖7　隨機采樣點示意圖（a）及多年NDVI與夜間燈光DN值散點圖（b）Fig.7　The sketch map of(a)random sampling point and(b)the scatter diagram of average NDVI and DMSP/OLS nightlight value for 15 years

圖8 城市化活動強烈區(qū)域內(nèi)NDVI與夜間燈光亮度相關(guān)系數(shù)空間分布圖（p≤0.05）Fig.8 The spatial distribution of correlation coefficient of NDVI and DMSP/OLS nightlight value in the strong area of urbanization

3　結(jié)論與討論

本文利用植被覆蓋度SPOT VEG NDVI數(shù)據(jù)和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，對成都地區(qū)城市城市化進程及其植被覆蓋度變化情況進行了研究，并初步探討了二者之間的關(guān)系，得到的主要結(jié)論有：

1）成都地區(qū)城市化總體水平呈平穩(wěn)速率增長，但發(fā)展過程中存在區(qū)域城市化不均衡的特點：市區(qū)和近郊縣的城市化水平較高，遠郊縣的城市化發(fā)展滯后。

2）1998—2013年成都地區(qū)植被覆蓋離散程度增加，低植被覆蓋度區(qū)域與城市化程度成正比，城市活動越強烈的地區(qū)植被覆蓋度越小，具體表現(xiàn)為城市中心植被覆蓋度最低，遠離城市則表現(xiàn)為較高的植被覆蓋度，在城市化發(fā)展迅速的城市周邊城郊地區(qū)，植被覆蓋度變化最大。

3）植被覆蓋度及夜間燈光亮度值相關(guān)分析表明，植被覆蓋度與夜間燈光亮度值呈顯著負相關(guān)關(guān)系，說明城市化程度越高的地區(qū)植被覆蓋度越低。但總體而言，除城市擴展區(qū)存在植被覆蓋度顯著減小的情況外，城市化并沒有帶來大面積的植被減少，成都地區(qū)整體植被覆蓋度處于增加或保持不變的趨勢。

本文雖使用NDVI數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)對成都地區(qū)近10多年來植被變化、城市化水平及二者間相關(guān)關(guān)系進行了探討，但由于僅使用了較短時間序列的植被覆蓋數(shù)據(jù)，且植被覆蓋度受氣候因素影響十分明顯，因此今后有必要利用長時間序列數(shù)據(jù)并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對成都地區(qū)城市化進程中植被變化進行分析。

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Vegetation Coverage Changes in Chengdu Based on DMSP/OLS and SPOT-VEG NDVI

Cheng Zhigang1,Yang Xinyue1,Dong Siyan2,Sun Chen1,Wu Yang1
(1 Chengdu University of Information Technology,Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610225 2 National Climate Centre,China Meteorological Administration,Beijing 100081)

Abstract:The effect of urbanization process on vegetation coverage was analyzed by using SPOT VEG NDVI and DMSP/OLS data in the Chengdu region from 1998 to 2013.The results show that:the urbanization in Chengdu experienced a continuing and rapid process,but the degree of development of each region has a big difference.From 1998 to 2013,the overall coverage of vegetation in Chengdu was good,and the vegetation coverage and the night lights brightness values were significantly negative correlated,the correlation coefficient is above 0.78.The more intense urban activities,the smaller the vegetation coverage is,that is,in the center of the city,the vegetation coverage has the smallest value,the farther the distance from the city center,the higher the vegetation coverage is.The change of the vegetation around the city where urbanization is developed fast is the largest.As a whole,the degree of vegetation coverage in the Chengdu region remains relatively stable and increase smoothly.

Keywords:urbanization process,NDVI,vegetation coverage,night light data

通信作者：楊欣悅（1990—），Email:xinyuey@foxmali.com

收稿日期：2015年10月27日；修回日期：2016年1月8日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.002

第一作者：程志剛（1979—），Email:chengzg@cuit.edu.cn

資助信息：四川省教育廳重點項目（13ZA0076）；國家自然科學基金（41275033）