東莞市近30年不透水面時(shí)空演變研究

◎ 黃 燕 陳明輝 謝卓君

東莞市近30年不透水面時(shí)空演變研究

◎ 黃 燕 陳明輝 謝卓君

城市不透水面作為城市化生態(tài)影響評價(jià)的重要因素受到社會的廣泛關(guān)注，掌握不透水面的空間分布和動態(tài)變化信息，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和“海綿城市”建設(shè)具有重要的意義。本研究以東莞市為研究區(qū)，選取1988年、1994年、2005年和2015年四期TM/OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源，采用不透水面指數(shù)法提取研究區(qū)的不透水面信息，并結(jié)合景觀格局指數(shù)分析探究東莞市近30年不透水面分布的時(shí)空演變規(guī)律。研究結(jié)果表明：ENDISI指數(shù)法可以有效消除山體陰影噪音信息引起的不透水面信息誤判，具有較高的提取精度，能較好地反映城市擴(kuò)張趨勢，可為城市內(nèi)澇治理和“海綿城市”建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；東莞市近30年來不透水面景觀格局變化極其顯著，面積增長近25.4倍，呈“主－副多中心、軸線延伸式”快速發(fā)展，不透水面優(yōu)勢度大幅提升，其連通性和聚集度在1994年之后逐漸加強(qiáng)。

不透水面 景觀格局 時(shí)空演變 東莞市

一、引言

城市化是一個(gè)城市實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，是20世紀(jì)以來最顯著的人類活動過程，其突出特征就是大量不透水面逐漸取代植被和水體等自然景觀。根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒—2016》[1]顯示，2015年我國城市化水平達(dá)到56.10%，進(jìn)入城市化快速發(fā)展階段。日益加劇的城市化進(jìn)程推動了社會進(jìn)步和繁榮，也引發(fā)了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。不透水面是阻止水滲入土壤的土地覆蓋表面，主要包括屋頂、瀝青或水泥道路、停車場等具有不透水性的地表面[2]，是衡量城市化水平和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。大面積增加的不透水面阻止地表水的下滲作用，影響地表徑流數(shù)量、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，加劇城市內(nèi)澇[2，4]，增強(qiáng)非點(diǎn)源污染物的擴(kuò)散[5]；同時(shí)改變地面導(dǎo)熱率和溫度，引發(fā)城市熱島效應(yīng)[6]。因此，及時(shí)準(zhǔn)確掌握不透水面分布信息對城市排水系統(tǒng)和“海綿城市”建設(shè)規(guī)劃、洪澇治理、非點(diǎn)源污染控制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)源的多樣化，多種不透水面估算方法相繼提出并日趨成熟[7，8]，為大范圍城市不透水面信息的獲取提供成本低廉、快速有效的手段，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。近年來，不少學(xué)者將景觀生態(tài)分析方法引入城市空間發(fā)展研究中[9]，利用景觀格局指數(shù)定量研究城市化區(qū)域的時(shí)空動態(tài)變化特征和挖掘城市化進(jìn)程機(jī)制[10，11]。隨著城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，東莞市的下墊面發(fā)生了劇烈變化，本文借助遙感技術(shù)，提取東莞市近30年的不透水面信息，從景觀格局角度定量分析不透水面時(shí)空變化，以期為東莞市“海綿城市”建設(shè)規(guī)劃及生態(tài)文明城市建設(shè)提供參考。

二、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

（一）研究區(qū)概況

東莞市位于廣東省中南部、珠江三角洲東北部，東江下游地帶，地理位置為22°39′～23°09′N，113°31′～114°15′E ，全市總面積為2465km2。地勢西北低東南高，西北部是沖積平原，地勢低平、水網(wǎng)縱橫；東南部為丘陵臺地, 山體龐大、分割強(qiáng)烈、集中連片，海拔多在200～600m，坡度30°左右，地勢起伏較大；屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，水系發(fā)達(dá)，常受臺風(fēng)、暴雨的侵襲。改革開放以來，東莞市依托其地緣優(yōu)勢和投資環(huán)境，成為珠三角地區(qū)外商投資中心之一，迅速實(shí)現(xiàn)從農(nóng)村到城市化的蛻變，成為享譽(yù)國內(nèi)外的國際制造業(yè)名城，工業(yè)的飛速發(fā)展帶動了東莞市經(jīng)濟(jì)高速增長和城市迅速擴(kuò)展，同時(shí)導(dǎo)致東莞市土地利用類型和景觀格局發(fā)生巨大變化，是中國快速城市化的典型樣本。

（二）研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

考慮云、季相變化、傳感器等因素的影響，盡可能減少遙感影像的誤差，需要選用月份比較一致、研究區(qū)內(nèi)圖像質(zhì)量良好且無云和條帶影響的遙感影像，保證各時(shí)相遙感數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可比性。本研究選取了4期Landsat系列遙感影像作為數(shù)據(jù)源（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，是已經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正、幾何校正和地形校正的L1T級數(shù)據(jù)產(chǎn)品），軌道號為path122/row44，影像獲取時(shí)間分別為1988年11月24日(TM)、1994年10月24日（TM）、2005年10月22日(TM)、2015年10月18日(OLI)，其大地坐標(biāo)系為WGS－84 ，投影坐標(biāo)系為UTM（Zone 49N），空間分辨率均重采樣為30m。

其他輔助數(shù)據(jù)為東莞市行政邊界矢量圖，經(jīng)地圖投影轉(zhuǎn)換為UTM/WGS84 投影坐標(biāo)系數(shù)據(jù)。借助ENVI5.2軟件對遙感影像進(jìn)行波段合成、圖像裁剪等預(yù)處理工作，得到本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖1為東莞市1988年Landsat TM 數(shù)據(jù)7、4、1波段假彩色合成影像。

三、研究方法

本文借助遙感技術(shù)提取東莞市不透水面信息，結(jié)合景觀格局指數(shù)分析，定量分析1988—2015年東莞市不透水面時(shí)空演變規(guī)律，主要方法如下：

圖1 東莞市1988年Landsat TM數(shù)據(jù)7、4、1波段假彩色合成圖

（一）歸一化植被指數(shù)(NDVI)

Rouse等人提出的歸一化植被指數(shù)（NDVI）是植被信息的最佳指示因子[12]，是目前應(yīng)用最廣泛的一種遙感植被指數(shù)，比用單波段探測植被更具有靈敏性，能在很大程度上消除地形起伏和地物陰影對地物波譜信息的影響[13-15]，其計(jì)算公式為：

式中，NIR和Red分別為近紅外波段和紅光波段的像元亮度值，對應(yīng)TM影像的4和3波段（或OLI影像的5和4波段）。

（二）改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）

徐涵秋[16]在Mcfeeters創(chuàng)建的歸一化水體指數(shù)(NDWI)[17]基礎(chǔ)上修正指數(shù)的波段組合，提出改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），有效去除建筑物和陰影等噪音信息[16]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Green和MIR1分別為綠光波段和中紅外波段的像元亮度值，對應(yīng)TM影像的2和5波段（或OLI影像的3和6波段）。

（三）增強(qiáng)的歸一化不透水面指數(shù)（ENDISI）

徐涵秋[18，19]研究發(fā)現(xiàn)不透水面普遍具有在熱紅外波段輻射率高，而在近紅外波段反射率低的特征；但植被在近紅外波段具有遠(yuǎn)高于不透水面地類的反射率，土壤和沙地在中紅外波段和可見光波段普遍具有高于不透水材料的反射率，水體在可見光波段處的反射率可高于或低于不透水材料，進(jìn)一步加入中紅外波段和可見光波段，與近紅外波段共同構(gòu)成不透水面地類的弱反射組，采用復(fù)合波段比值法構(gòu)建歸一化不透水面指數(shù)（NDISI），可以較好地區(qū)分不透水面與沙土、水體等信息[20，21]，可以應(yīng)用于大面積地區(qū)的快速計(jì)算，被稱為高效且計(jì)算相對簡單的方法[7]，該指數(shù)表達(dá)式為：

式中，TIR、VIS1、NIR和MIR1分別為熱紅外波段、任一可見光波段、近紅外波段、中紅外波段的像元亮度值。

當(dāng)水體在可見光波段的反射率低于不透水面時(shí)，用MNDWI水體指數(shù)替換可見光波段[22]，擴(kuò)大水體和不透水面的反差，消除不透水面信息中的水體噪音，其表達(dá)式為：

式中，TIR、NIR和MIR1分別為熱紅外波段、近紅外波段、中紅外波段的像元亮度值，對應(yīng)TM影像的6、4和5波段（或OLI影像的10、5和6波段）；MNDWI為改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)。TIR波段和MNDWI必須按多光譜波段的數(shù)值范圍進(jìn)行線性拉伸[8]，以轉(zhuǎn)換為和其他波段一致的8位灰度值[18]或16位灰度值，其中TM影像作0～255級的線性拉伸，OLI影像作0～65535級的線性拉伸。

東莞市東南部多大型成片山體，坡度高達(dá)30°左右，山體陰影顯著，植被在近紅外波段反射率甚至低于不透水面，因此，本研究使用NDVI植被指數(shù)替代近紅外波段來消除地形起伏和陰影的影響，構(gòu)建增強(qiáng)的歸一化不透水面指數(shù)（ENDISI），其表達(dá)式為：

同樣，也必須將NDVI作0～255（或0～65535）級的線性拉伸，以統(tǒng)一各波段的量化級數(shù)。

（四）景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指景觀的空間格局，是大小、形狀、屬性不一的斑塊在空間上的分布與組合規(guī)律[23]。景觀格局指數(shù)用于概括景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的定量指標(biāo)[23，24]，側(cè)重景觀空間格局特征分析[25，26]，是研究景觀格局變化的重要工具。景觀格局指數(shù)包括斑塊水平、類型水平和景觀水平3個(gè)層次指數(shù)[23]，本研究僅分為不透水面和可透水面兩類，為了減少指數(shù)的冗余性，從類型水平選取斑塊面積（CA）、斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、聚集度指數(shù)（AI）、斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)等6個(gè)指數(shù)；從景觀水平上選取香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）2個(gè)指數(shù)。然后借助Fragstats4.2景觀分析軟件計(jì)算各景觀格局指數(shù)（各指數(shù)生態(tài)學(xué)意義如表1），分析東莞市不透水面的景觀格局演變特征。

表1 景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義

四、結(jié)果與分析

（一）不透水面提取結(jié)果與精度評價(jià)

借助ENVI5.2軟件計(jì)算東莞市4個(gè)時(shí)相影像的ENDISI指數(shù)，對不透水面信息進(jìn)行增強(qiáng)顯示（圖2），并選擇合適的閾值提取不透水面專題信息（圖3）。

圖2 4個(gè)時(shí)相東莞市ENDISI不透水面信息增強(qiáng)圖像

分別從4個(gè)時(shí)相遙感影像上隨機(jī)抽取驗(yàn)證樣本（1988年抽取480個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，1994年抽取481個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，2005年抽取457個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，2015年抽取564個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)），采用混淆矩陣方法對不透水面提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，各期的總精度分別為95.42%（1988年）、95.63%（1994年）、98.25%（2005年）、96.28%（2015年），kappa系數(shù)分別為0.900、 0.900 、0.965、0.925，說明采用此方法的提取結(jié)果比較理想。

（二）不透水面動態(tài)變化分析

單一土地利用動態(tài)度常用于表示研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[28-30]，其表達(dá)式為：

式中，U1、U2分別為研究期初與期末某種土地利用類型的面積，T為研究時(shí)段長，當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，K的值為研究區(qū)某一時(shí)間段某種土地利用類型的年變化率。

根據(jù)公式計(jì)算可得1988－2015年間東莞市不透水面面積、比重及單一土地利用動態(tài)度（表2）。

圖3 4個(gè)時(shí)相東莞市不透水面提取結(jié)果

表2 1988－2015年東莞市不透水面動態(tài)變化情況

結(jié)果表明, 1988－2015年期間東莞市不透水面增長極其顯著，面積由1988年的45.79 km2（1.86%）增長到2015年的1208.76km2（49.04%），增長近25.4倍，東莞市城市化達(dá)到較高水平。其中，1988－1994年間，年均擴(kuò)展面積為7.98km2，1994－2005年間，年均擴(kuò)展面積為51.22km2，2005－2015年間，年均擴(kuò)展面積為55.13km2，年均增長量不斷增加，東莞市城市化進(jìn)程不斷加劇。3個(gè)階段不透水面單一動態(tài)度隨著城市發(fā)展呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，各階段變化幅度不盡相同，其中1994－2005年是不透水面增長最快時(shí)期，單一動態(tài)度達(dá)到54.68%。

表3 各時(shí)期東莞市不透水面景觀格局指數(shù)

（三）不透水面空間格局演變分析

由圖3可見，東莞市不透水面的空間形態(tài)以粗放的“攤大餅”方式擴(kuò)張，表現(xiàn)出以主城區(qū)為中心、鎮(zhèn)為衛(wèi)星、主要交通干線為增長軸的快速蔓延態(tài)勢。1988年東莞市不透水面的分布非常集中，主要分布在莞城，1988－1994年不透水面的擴(kuò)張主要集中在靠近莞城的東莞西北部城鎮(zhèn)，表現(xiàn)出城市化初期的“輻射式”擴(kuò)張模式；1994－2005年以中心城區(qū)及長安、厚街、塘廈等鎮(zhèn)為基礎(chǔ)向外擴(kuò)張較為顯著，進(jìn)入城市擴(kuò)張的快速成長期，呈現(xiàn)“圈層式”加速擴(kuò)張模式；2005－2015為東莞市城市擴(kuò)張的成熟期，在現(xiàn)有城市用地為基礎(chǔ)向外擴(kuò)張外，新增了大量“飛地”型不透水面，以“圈層式”和“跳躍式”復(fù)合模式向外擴(kuò)張。城市格局在不同階段呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，交通因素深刻地影響著不透水面時(shí)空格局變化，交通路網(wǎng)的逐漸完善，帶動不透水面沿交通干線呈現(xiàn)廊式軸向擴(kuò)張。

從東莞市不透水面景觀格局指數(shù)來看(表3、圖4)，1988－2015年不透水面斑塊數(shù)量（NP）先增加后減少，1994年之前以每年約1209個(gè)斑塊數(shù)量的速率急劇增加，從1988年的6902個(gè)增加到1994年的14154個(gè)，之后21年不透水面積迅速增長但斑塊數(shù)量持續(xù)減少，2015年僅余8119個(gè)，說明不透水面景觀異質(zhì)性先增加后減少，1994年之前不透水面破碎化趨勢明顯，1994年之后新增的不透水面斑塊多在原有不透水面基礎(chǔ)上向外蔓延式擴(kuò)張并逐漸連通，破碎化趨勢逐漸降低；聚集度指數(shù)（AI）先減少后增加，說明1994年之前不透水面主要呈分散式擴(kuò)展，1994年之后不透水面格局演變逐漸由分散式向聚合式增長，以向外部蔓延式擴(kuò)張為主。近30年來，不透水面最大斑塊指數(shù)（LPI）和斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）逐漸增加，其優(yōu)勢度不斷上升，自然連通性逐漸加強(qiáng)，1994－2005年間變化尤其顯著；景觀形狀指數(shù)（LSI）先增加后減少，整體較大，在2005年達(dá)到最大，說明不透水面空間形狀在2005年之前趨向不規(guī)則化和復(fù)雜化，而從2005年之后開始趨于規(guī)則化。

1994-2005年香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）增加趨勢顯著，分別增加了0.6和0.86，說明自然干擾和人類活動增多，快速城市化使得景觀破碎度不斷加大，東莞市不透水面和透水面結(jié)構(gòu)復(fù)雜性逐漸提高，異質(zhì)性增強(qiáng)，優(yōu)勢組分的支配地位顯著降低。SHDI普遍較小，1994-2005年變化最大，與城市快速擴(kuò)張密切相關(guān)；1988年SHEI僅為0.13，2015年SHEI接近于1，說明研究初期景觀優(yōu)勢組地位突出，但是不透水面面積隨著城市化水平的提高而顯著增加，不斷蠶食農(nóng)田及水域等透水面，導(dǎo)致透水面對景觀控制作用減弱，景觀格局趨于均勻化。

圖4 1988－2015年東莞市不透水面景觀格局指數(shù)變化情況

五、結(jié)語

本研究基于1988、1994、2005和2015年Landsat影像數(shù)據(jù)，采用ENDISI指數(shù)法提取東莞市不透水面信息，有效解決了山體陰影噪音信息對不透水面影響的問題，提高了不透水面估算精度，總體精度超過95%，kappa系數(shù)可達(dá)0.90。結(jié)合RS技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)方法，分析了東莞市近30年不透水面時(shí)空格局變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在城市化進(jìn)程推動下東莞市不透水面景觀格局變化極其顯著，主要表現(xiàn)為：總體來看，1988-2015年東莞市不透水面面積由45.79km2增長到1208.76km2，年增加量達(dá)43.07km2/a，不透水面呈現(xiàn)快速遞增的發(fā)展趨勢，3個(gè)階段不透水面的年均增長量逐漸上升。1988-2015年，東莞市不透水面以外部蔓延式擴(kuò)張為主，內(nèi)部填充為輔，1994年之前不透水面破碎化程度顯著，1994年之后不透水面格局在交通路網(wǎng)建設(shè)下呈現(xiàn)“主－副多中心、軸線延伸式”快速發(fā)展態(tài)勢，不透水面優(yōu)勢度大幅提升，景觀格局逐漸趨于連通。不透水面的擴(kuò)張得益于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)，早期的“三來一補(bǔ)”大量吸納海外資本與技術(shù)，迅速帶動了東莞市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量土地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫兀浑S著宏觀調(diào)控政策和城市規(guī)劃的介入，引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)而影響不透水面格局的變化，因此規(guī)劃好城市發(fā)展對不透水面格局分布具有重要指導(dǎo)意義。

21世紀(jì)以來，不透水面遙感估算廣泛應(yīng)用于城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市熱島效應(yīng)、水文研究及城市規(guī)劃等領(lǐng)域[7，8]。不透水面準(zhǔn)確快速提取及空間格局變化定量分析助于以后探討不透水面變化對流域徑流量和城市熱環(huán)境影響的研究，可為“海綿城市”建設(shè)規(guī)劃和城市內(nèi)澇治理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為更好地推進(jìn)新型城市化建設(shè)提供可靠的決策參考。隨著生態(tài)城市建設(shè)理念的加強(qiáng)，東莞市在未來發(fā)展中應(yīng)協(xié)調(diào)好不透水面與植被、水體資源的比例配置，避免過高不透水面帶來生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，把東莞建設(shè)成為“國際制造名城，現(xiàn)代生態(tài)都市”。

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The Evolution of Impervious Surface during the Past Three Decades in Dongguan

Huang Yan, Chen Minghui, Xie Zhuojun

Impervious surfaces receive extensive social attention because of its importance to evaluation of ecological impact of urbanization. Its spatial distribution and dynamic variation is key to the protection of ecological environment and the construction of sponge cities. Taking the city of Dongguan as an example, we select TM/OLI remote-sensing images from 1988, 1994,2005 and 2015 as our data sources, extract information of impervious surfaces through index and analyze its rule of evolvement during the past three decades. Results show that the ENDISI index method is more precise in reflecting the trend of urban expansion, preventing urban rainstorm disasters, and providing basic data for the construction of sponge cities. The impervious surface landscape patterns in Dongguan has improved remarkably by 25.4 times and been experiencing multi-core rapid development, with better connectivity and convergence since 1994.

impervious surface; landscape pattern; evolvement; Dongguan

P901

10.3969/j.issn.1674-7178.2017.03.006

黃燕，東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心測繪工程師，主要從事GIS、遙感及城市規(guī)劃的研究與應(yīng)用工作。陳明輝（通訊作者），博士，東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心教授級高級工程師，主要從事GIS、遙感及城市規(guī)劃的研究與應(yīng)用工作。謝卓君，廣州城市信息研究所有限公司，主要從事GIS、遙感的研究與應(yīng)用工作。

（責(zé)任編輯：李鈞）