基于GIS技術(shù)的武漢市江漢區(qū)綠地動態(tài)變化分析

孫偉博 嚴青亮

(湖北美術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

引言

2015年中央城市工作會議中明確要統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活、生態(tài)3大布局，提高城市發(fā)展的宜居性。城市發(fā)展要把握好生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀。城市是一個自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其中城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)中一類重要的多功能組分，發(fā)揮著重要的生態(tài)、休閑、娛樂等功能，能夠改善城市居民生理及心理健康狀況、緩解工作壓力、增強幸福感[1]。

在現(xiàn)階段城市綠色空間建設(shè)主觀性較強，缺少系統(tǒng)科學(xué)分析的大環(huán)境下，定量分析綠色空間的類型組成、數(shù)量特征和動態(tài)演變等結(jié)構(gòu)特征可以幫助理解綠色空間的發(fā)展演變過程，為分析快速城市化及人類活動影響下的城市空間格局的優(yōu)化調(diào)控提供至關(guān)重要的科學(xué)依據(jù)[2]。武漢作為華中地區(qū)快速城鎮(zhèn)化的城市之一，位處城區(qū)中心的江漢區(qū)是場地變化最強烈的區(qū)塊。近年來，不少學(xué)者已經(jīng)對武漢城市中的景觀格局、綠地公平性等問題開展了研究。如，潘峰等選取武漢園博園為代表探討當(dāng)下城市綠地景觀設(shè)計中的生態(tài)修復(fù)[3]；李海防等采用聚類分析法以武鋼工業(yè)區(qū)為例探討對當(dāng)下城市綠地開展景觀評價[4]；孫青麗等運用景觀生態(tài)學(xué)以武漢經(jīng)濟開發(fā)區(qū)為例展開城市綠地景觀格局分析，并基于GIS進行單因子評價后開展城市綠地規(guī)劃[5，6]。但對于城區(qū)中心綠色空間動態(tài)變化的研究還相對較少?；诖?，在存量規(guī)劃背景下，本研究以立足于景觀生態(tài)學(xué)以武漢市江漢區(qū)近20年的綠地變化為例，探究其綠地變化特征，為城市綠地規(guī)劃設(shè)計和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究著重探討城市綠地動態(tài)變化，因此實踐樣本選擇武漢市江漢區(qū)(N30°34′～30°38′，E111°13′～114°17′)，其南臨長江，西瀕漢江，北抵張公堤，處于漢口地區(qū)中部，地理位置優(yōu)越。研究包括下轄13個街道、江漢經(jīng)濟開發(fā)區(qū)以及武漢中央商務(wù)區(qū)管理委員會，已實現(xiàn)100%城鎮(zhèn)化，總面積為28.29km2。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

研究選取來自于地理空間數(shù)據(jù)云2001年、2008年、2015年、2021年4個年份的Landsat遙感數(shù)據(jù)影像作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。為能良好地觀察江漢區(qū)綠色空間演變，影像選擇日期集中于4—10月，該時期武漢植被多處于綠色，光譜信息顯著，利于分辨，見表1[7]。同時，通過水經(jīng)注地圖下載器收集研究區(qū)的矢量邊界以及4個時期18級的Google earth高分辨的歷史影像進行對比驗證。

表1 2001—2021年Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)詳情

數(shù)據(jù)預(yù)處理過程主要基于ENVI 5.3軟件進行，包括輻射定標、大氣校正、圖像融合以及裁剪。運用Radiometric Calibration工具對Landsat影像進行輻射定標，以此保障遙感數(shù)據(jù)的準確性；因?qū)嶒炗跋裨屏吭?%～12%不等，在得到研究區(qū)域內(nèi)平均海拔和影像時間后，使用FLAASH Atmospheric Correction工具對其進行大氣校正以減少大氣和光照對研究的干擾；由于研究區(qū)域面積相對較小，原始影像30m的空間分辨率在一定程度上會干擾后期監(jiān)督分類等研究，故此應(yīng)用Gram-Schmidt Pan Sharpening工具對大氣校正后的影像和15m空間分辨率的單波段影像進行圖像融合，以此提高樣本的可讀性，減少研究誤差；應(yīng)用Subset工具以江漢區(qū)矢量邊界(shp文件)對圖像融合過后的影像進行裁剪，得到最終研究區(qū)實踐影像。

2.2 植被覆蓋度計算

由于植被覆蓋度和植被歸一化指數(shù)(NDVI)之間存在較高的線性關(guān)系，因此采用NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度，統(tǒng)計平均植被覆蓋度具有一定的參考價值[8]。在本研究中所使用的是李苗苗等在像元二分模型基礎(chǔ)上改進的像元二分模型，原理公式[9]：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×

NDVImax)/(FVCmax-FVCmin)

NDVIveg=[(1-FVCmin)×NDVImax-(1-FVCmax)

×NDVImin]/(FVCmax-FVCmin)

式中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋的歸一化植被指數(shù)；NDVIveg為完全植被覆蓋的歸一化植被指數(shù)。

具體操作：運用ENVI 5.3將預(yù)處理完成的影像數(shù)據(jù)，使用Band Math工具計算得到NDVI數(shù)據(jù)，公式：

NDVI=(b1-b2)/(b1+b2)

通過Compute Statistics工具進行NDVI數(shù)值統(tǒng)計后，根據(jù)反射率置信度區(qū)間選取5%～95%的數(shù)值。以Band Math工具進行波段計算得到最終FVC值，公式：

FVC=(b1ltNDVIsoil)×0+(b1gtNDVIveg)×1+

(b1geNEVIsoilandb1leNDVIveg)×[(b1-

NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)]

式中，b1指近紅外波段的像素值；b2指紅光波段像素值。

2.3 地物類型分布計算

因本研究區(qū)域面積為28.29km2，Landsat5TM影像空間分辨率僅有30m，而經(jīng)過圖像融合后Landsat7ETM、Landsat8OLI遙感影像空間分辨率為15m，且研究對象主要為綠地空間，故此研究以《土地利用現(xiàn)狀分類》為參考，將研究區(qū)域地物類型分為水體、建設(shè)用地、林草地3類，其中，林草地指喬木、灌木、地被植物為主的場地，包括公園綠地、市政綠化等，見表2。

表2 研究區(qū)地物類型信息

在實地勘察和Google earth影像(包含歷史影像)的支持下，以樣本類型全面和圖面分布均衡為原則，對4個時期實踐影像中的地物類型分別建立50個以上的訓(xùn)練樣本，在保證樣本分離度在1.9以上后，應(yīng)用ENVI 5.3中的支持向量機對影像進行監(jiān)督分類。監(jiān)督分類后，導(dǎo)入Google earth 18級影像(包含歷史影像)，以同樣方式對其進行訓(xùn)練樣本的采集，運用Confusion Matrix Using Ground Truth ROIs工具建立混淆矩陣進行影像驗證，計算得出研究中4個時期實踐數(shù)據(jù)總體精度在97%以上，Kappa系數(shù)在0.93以上，判別精度較理想，具有一定參考價值，見表3。

表3 精度評價結(jié)果

2.4 地物類型變化計算

為更好地觀察綠地變化趨勢，將4期數(shù)據(jù)進行兩兩對比，建立地物類型轉(zhuǎn)移矩陣并且制作地物類型動態(tài)變化圖，不僅可以對地物類型變化進行定量描述，還可以全面的觀察出綠地轉(zhuǎn)移去向[10]。

基于監(jiān)督分類后的4個時期地物類型分布數(shù)據(jù)，使用Arcgis 10.8在數(shù)據(jù)屬性表內(nèi)添加地物類型字段后，將數(shù)據(jù)柵格轉(zhuǎn)面為矢量數(shù)據(jù)進行融合，由此運用相交工具將2001—2008年、2008—2015年、2015—2021年時段數(shù)據(jù)進行相交，在添加雙精度字段以計算幾何計算出地物類型變化數(shù)據(jù)下，以表轉(zhuǎn)Excel工具進行導(dǎo)出，使用Excel對地物類型轉(zhuǎn)移矩陣進行分析，結(jié)果詳見表4～6。此外，對相交過后的數(shù)據(jù)進行文本字段添加，分別輸入轉(zhuǎn)出類型后，在該數(shù)據(jù)符號系統(tǒng)中進行應(yīng)用調(diào)整便可制作出3個時段的地物類型變化圖，結(jié)果詳見圖4。

3 結(jié)果與分析

3.1 江漢區(qū)綠地空間動態(tài)變化總體分析

經(jīng)過對2001—2021年4期遙感數(shù)據(jù)進行解譯后，獲取到的江漢區(qū)地物分類結(jié)果，見圖1，后經(jīng)ArcMap和Excel外部工具輔助計算下得到4個時期的地物類型變化圖，見圖2。

圖1 2001—2021年武漢市江漢區(qū)地物分類圖

江漢區(qū)是武漢市的老城區(qū)，城市化建設(shè)較早，早在20世紀時期南部臨江區(qū)域內(nèi)城市建設(shè)便較為完善。由圖1、圖2可知，在2001—2008年，城市化由南向北至江漢區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)以及漢興街道建設(shè)擴展，綠地面積減少6%為3.86km2，水體減少41%至1.04km2，故此綠地和水體面積減少，建設(shè)用地增加為這一時期的典型特征；2008—2015年江漢區(qū)域內(nèi)城市建設(shè)基本完善，綠地也出現(xiàn)了明顯增加，增加至5.65km2，約江漢區(qū)總面積的20%；2015—2021年，在國家生態(tài)城市建設(shè)和武漢市綠地政策的助力下，綠地面積以每年0.3km2的速度，增加至7.5km2，約占區(qū)域總面積26%，這其中主要來自于市政綠化的高覆蓋度和高密度。

圖2 2001—2021年武漢市江漢區(qū)地物類型變化圖

3.2 江漢區(qū)綠地分布特征的動態(tài)變化分析

江漢區(qū)20年間綠地空間先減少后增加，其中在2021年達到歷史綠地覆蓋度的最大值。在通過像元二分模型估算得到4個時期的植被覆蓋度分析圖中，可以較為直觀地得知綠地分布特征變化，見圖3。

圖3 2001—2021年武漢市江漢區(qū)植被覆蓋度

其中，2001年大型綠地空間多集中在遠離市區(qū)的北部和西部，主要為少量農(nóng)田、濕地以及公園，表現(xiàn)出集中且分布不均的特征；到2008年后，由于深度城市化的腳步，整體綠地覆蓋相對減少，但是綠地分布已經(jīng)出現(xiàn)了北部向中部，西部向東部逐步覆蓋的特征，這與該江漢區(qū)發(fā)展方向一致；2015年由于對空閑的建設(shè)用地進行深入開發(fā)使用，以萬松街道為代表的大面積綠地逐步呈現(xiàn)分散特征，且中部和北部區(qū)域呈現(xiàn)出分散且相對均勻的特征；2021年江漢區(qū)達26%的植被覆蓋度，綠地呈現(xiàn)分散且高密度特征，但是滿春街道、民權(quán)街道、民意街道等南部區(qū)域除江邊綠地外，因為建筑密度和人口密度高等原因仍處相對低綠地覆蓋度。

3.3 江漢區(qū)綠地分布特征的動態(tài)變化分析

基于監(jiān)督分類后的影像數(shù)據(jù)，運用Arcgis 10.8將2001—2008年、2008—2015年、2015—2021年3個時段矢量數(shù)據(jù)進行融合以及疊加相交處理，得到地物類型變化圖，見圖4，通過3個時段的地物類型變化圖配合地物類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表4～6，可以定量分析出江漢區(qū)20年間綠地轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入的動態(tài)變化。

圖4 2001—2021年武漢市江漢區(qū)地物類型轉(zhuǎn)移圖

表4 2001—2008年武漢江漢區(qū)地物類型轉(zhuǎn)移矩陣

表5 2008—2015年武漢江漢區(qū)地物類型轉(zhuǎn)移矩陣

表6 2015—2021年武漢江漢區(qū)地物類型轉(zhuǎn)移矩陣

2001—2008年，綠地和水體因城市建設(shè)在不同程度上轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，其中綠地轉(zhuǎn)出面積為0.16km2，綠地總面積減少5%，水體轉(zhuǎn)出面積為0.66km2，水體總面積減少38%，轉(zhuǎn)出主要為北部的農(nóng)田和林草田；2008—2015年中綠地轉(zhuǎn)入面積為1.82km2，約占2008年綠地總面積的47%，主要來自于北部空閑的建設(shè)用地和夢澤湖公園、王家墩公園為主的公園綠地和水體濕地；2015—2021年，在100%城市化背景下，江漢區(qū)生產(chǎn)建設(shè)和生態(tài)建設(shè)協(xié)同發(fā)展，綠地建設(shè)成效顯著，綠地轉(zhuǎn)入面積為1.83km2，在2015年的基礎(chǔ)上增加32%綠地空間，這其中主要轉(zhuǎn)入來自于建設(shè)用地的植被覆蓋。

4 結(jié)語

武漢市江漢區(qū)過去20年由于人口城市化和經(jīng)濟城市化等影響下，水體總面積減少約47%，其中大部分轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和林草地，而城市綠地空間呈現(xiàn)出先減后增、先集中后分散的變化特征，綠地空間相較于2001年整體上升12%，受限于城市中心的地理位置，面積總量漲幅雖不大，但是結(jié)合FVC值得知植被總體覆蓋度呈現(xiàn)大幅增長，結(jié)合Google earth影像初步判斷其中一部分原因在于原始植被的生長，另一部分原因在于城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，人種植被不斷在建設(shè)空間中增加，這也是綠地空間呈現(xiàn)分散的主要原因，同時揭示了人們在生態(tài)建設(shè)相關(guān)政策和社會環(huán)境的影響下，對綠地的建設(shè)意識有所提高。

在當(dāng)前社會發(fā)展不平衡不充分新背景下，面對居民健康需求日益增長、人居環(huán)境優(yōu)化提質(zhì)的新要求，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要[11]。在明確這一點的前提下，對城市綠地進行歷史動態(tài)研究、景觀格局分析、供需平衡等多維度的研究不僅拓展了人居環(huán)境提高的的理論與方法，也有利于城市管理者健康合理的利用城市用地，形成生態(tài)持續(xù)發(fā)展。