基于RS 和GIS 的哈爾濱中心城區(qū)不透水面研究

王鈺

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 概述

不透水面是指天然的或人工的能阻斷或消弱地表水向地下滲透到土壤層中的表面[1,2]。國(guó)內(nèi)方面，不透水面已成為監(jiān)測(cè)城市空間的通用指標(biāo)，遙感技術(shù)因具有空間連續(xù)、高效等優(yōu)勢(shì)成為不透水面研究的首選技術(shù)手段[3,4]。計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯是目前主流提取方法，光譜和幾何特征的結(jié)合是不透水面信息提取的發(fā)展趨勢(shì)[5]。國(guó)外方面，Ridd[6]提出的植被-不透水層-土壤(VIS)模型成為定量獲取不透水面信息主要的技術(shù)手段。Weng 等利用不透水面指數(shù)和植被覆蓋度指數(shù)，定量分析了不透水面與熱島效應(yīng)的關(guān)系[7]。Hanson 對(duì)城市不透水面、地表溫度進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明不透水面是引發(fā)城市熱島效應(yīng)最主要的因素[8]。因此，本研究利用遙感技術(shù)獲取1987 年-2016 年近30 年時(shí)間的城市不透水面，分析其景觀格局時(shí)空變化，為哈爾濱地區(qū)的城市規(guī)劃提供了參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為哈爾濱市南崗、香坊、道里、道外、松北、平房這幾個(gè)區(qū)。經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建成區(qū)面積擴(kuò)大，城市不透水面增加。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

所 需 遙 感 影 像 為1987、1997、2007、2017 四 個(gè) 年 份 的Landsat 衛(wèi)星影像，影像軌道編號(hào)為118/28，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)為一個(gè)行政區(qū)劃，來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。輻射光線通常在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)會(huì)被散射和吸收，遙感影像不能真實(shí)記錄地表信息，這對(duì)本研究所做出的反演不透水面具有較大干擾，需要及時(shí)進(jìn)行大氣糾正[9]。在ENVI 軟件中，運(yùn)用FLAASH 模塊對(duì)其進(jìn)行糾正。通過(guò)研究區(qū)邊界的裁剪，最后保存為橫軸墨卡托投影（見(jiàn)表1）。

表1 橫軸墨卡托投影參數(shù)

3 不透水面時(shí)空演變分析

在ENVI 環(huán)境中利用波段計(jì)算器進(jìn)行基于NDISI 指數(shù)的計(jì)算，提取的哈爾濱中心城區(qū)不透水面信息，各年份哈爾濱中心城區(qū)不透水面不同級(jí)別面積及百分比如表2 所示。不透水面被劃分為7 個(gè)級(jí)別：極低、低等、較低、中等、較高、高等、極高（圖1至圖4）。

圖4 2016 年不透水面信息

圖1 1987 年不透水面信息

結(jié)果表明：1987 年和1997 年，研究區(qū)周邊地帶以極低和低等兩個(gè)級(jí)別為主，中等以上的不透水面主要分布在香坊和南崗在東北處的交界地帶，不透水面變化不大，主要是因?yàn)檫@一時(shí)期哈爾濱經(jīng)濟(jì)發(fā)展困難，以已有建成區(qū)內(nèi)部密度的增加為主，城市擴(kuò)展緩慢。2007 年，整個(gè)研究區(qū)中等以上不透水面分布范圍明顯加大，香坊和南崗在東北處的交界地帶由以前的中等以上不透水面為主變成高等以上不透水面為主。松北南部和平房西北部形成有一定規(guī)模的高等級(jí)不透水面。2005 年，哈爾濱市政府搬遷到松北南部，帶動(dòng)此處城市發(fā)展，平房工業(yè)園區(qū)也進(jìn)行了大規(guī)模建設(shè)，城市化率在這一時(shí)期快速提升。2007 年和2016 年的不透水面分布，相比前兩個(gè)年份，中心地帶的高等及以上不透水面有向南、西、東三個(gè)方向的擴(kuò)展趨勢(shì)，松花江限制了向北的發(fā)展。

景觀格局指數(shù)表征地物空間結(jié)構(gòu)，通常組合選取多種指數(shù)來(lái)描述景觀特征。本研究主要選取了斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、聚集度(AI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)這7 個(gè)景觀指數(shù)[10]。

圖2 1997 年不透水面信息

在Fragstats 軟件下進(jìn)行景觀指數(shù)計(jì)算（見(jiàn)表3）。結(jié)果顯示：研究區(qū)不透水面的斑塊數(shù)量在1987 年至1997 年間大幅增多，破碎的程度也開(kāi)始上升，1997 年至2007 年間大幅度地有所減少，2016 年也仍然維持著下降的趨勢(shì)，漸漸地趨于穩(wěn)定。1987 年至1997 年間最大斑塊指數(shù)主要呈現(xiàn)出增加，1997 年至2016 年主要呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

表3 不透水面景觀指數(shù)

圖3 2007 年不透水面信息

1997 年之前，景觀形狀指數(shù)一直呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)，隨后開(kāi)始持續(xù)地下降，表明1997 年之前，研究區(qū)不透水面的斑塊復(fù)雜程度及曲折程度是逐漸趨向上升的，1997 年之后復(fù)雜程度及曲折程度開(kāi)始逐漸趨向下降。散布與并列指數(shù)在1987 年至1997 年間呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，說(shuō)明各個(gè)不透水面類型間相鄰的不透水面類型不斷增多，不透水面景觀分布趨于分散，在1997年至2016 年間開(kāi)始逐漸下降，說(shuō)明不透水面類型間相鄰的不透水面類型逐漸明顯減少。

從景觀尺度來(lái)看，景觀多樣性指數(shù)在1.49-1.59 之間，景觀均勻度指數(shù)在0.72-0.76 之間，表明研究區(qū)受到人為活動(dòng)干擾，景觀多樣性水平很低，斑塊類型分布較均勻，不透水面優(yōu)勢(shì)景觀類型較少。

4 結(jié)論與討論

4.1 1987 年至2016 年間，不透水面的總體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為高等、較低級(jí)別的不透水面積的占比持續(xù)增長(zhǎng)，說(shuō)明哈爾濱的城市化建設(shè)進(jìn)程仍然是正在持續(xù)、更好地推進(jìn)中。極低層次級(jí)別的不透水面迅速減少，說(shuō)明在城市工程建設(shè)和規(guī)劃擴(kuò)張的過(guò)程中，不透水面級(jí)別分布特征發(fā)生了變化，一些農(nóng)田等自然用地已轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ懿煌某鞘薪ㄔO(shè)用地。

4.2 哈爾濱市景觀格局演變與哈爾濱市城市化的發(fā)展相關(guān)。在城市規(guī)劃建設(shè)的過(guò)程中，交通路網(wǎng)等設(shè)施的建設(shè)和完善是提升不透水面景觀銜接性的一個(gè)重要因素。經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得土地資源綜合利用的需求量增加，哈爾濱市對(duì)周邊地區(qū)的輻射影響也在城市化進(jìn)程中起到了重要推動(dòng)作用。本研究對(duì)不透水面景觀格局變化的定量分析為今后分析研究不透水面所帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)奠定了良好基礎(chǔ)。