董敏 明彥利

（福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 福建福州 350108）

0 引言

隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地規(guī)模不斷向郊區(qū)擴(kuò)張，“城市病”帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)也愈發(fā)嚴(yán)重，城市生態(tài)問(wèn)題日益嚴(yán)峻，及時(shí)客觀地對(duì)城市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估具有重要意義［1］。

合肥市位于安徽中部地區(qū)，是長(zhǎng)三角城市群副中心之一，合肥都市圈中心城市，自2000 年以來(lái)城市化進(jìn)程和現(xiàn)代化建設(shè)快速發(fā)展。根據(jù)合肥市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2000年作為“九五”計(jì)劃最后1 年，合肥市基本完成建成城市大框架的任務(wù)。2011 年完成行政區(qū)劃調(diào)整，將廬江縣和縣級(jí)市巢湖市劃歸轄下。2020 年，根據(jù)新一線城市研究所發(fā)布《2020 城市商業(yè)魅力排行榜》，合肥市首次獲評(píng)“新一線城市”。

與合肥市高速發(fā)展的城市建設(shè)相比，在城市發(fā)展過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注仍相對(duì)較少。以往的研究更多地集中在長(zhǎng)三角城市群［2］、京津冀城市群［3］和粵 港澳大灣區(qū)［4］等 地區(qū)，針對(duì)合肥市基于多指標(biāo)、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究還不多見(jiàn)。因此，本文擬采用新型遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）對(duì)合肥市2000—2020 年的城市生態(tài)變化進(jìn)行綜合研究。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)

合肥市作為安徽省省會(huì)，是全省政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，中國(guó)東部地區(qū)重要城市，常住人口818.9 萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率76.33%。合肥屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量適中，年平均氣溫15.7 ℃，年降水量約1 000 mm。本文選取合肥市老城區(qū)及其周邊區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，總面積約為2 326 km2（圖1）。

圖1 合肥市研究區(qū)示意圖

1.2 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

本文選取2000-04-08 和2020-05-17 的Landsat TM 和OLI/TIRS 圖像，兩幅遙感影像的季相接近，植被生長(zhǎng)狀態(tài)相似，保證生態(tài)研究結(jié)果的可比性。使用二階多項(xiàng)式和最近鄰重新采樣對(duì)不同年份的兩個(gè)圖像進(jìn)行幾何校正和配準(zhǔn)，并且配準(zhǔn)的均方根誤差（RMSE）小于0.5 像素。使用Chander 等［5］和Chavez［6］的IACM 大氣校正模 型進(jìn)行Landsat TM5 圖像的輻射校正。使用Landsat 8 網(wǎng)站上公布的參數(shù)和模型進(jìn)行輻射校正，以減少不同階段圖像的地形、光線和大氣的差異［7］。

1.3 研究方法

RSEI 指數(shù)是由徐涵秋提出的遙感生態(tài)指數(shù)［8］（Remote Sensing based Ecological Index），遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）選擇了與人類生活相關(guān)的4 個(gè)因素，即綠度、濕度、干度和熱度，作為反映生態(tài)質(zhì)量諸多自然因素中的生態(tài)評(píng)價(jià)因子，并利用現(xiàn)有的遙感技術(shù)從遙感圖像快速提取4 項(xiàng)指標(biāo)的信息，即采用歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）、纓帽變換（TCT）的濕度分量（WET）、由建筑指數(shù)（IBI）和裸土指數(shù)（SI）合成的干度指數(shù)（NDBSI）、以及地表溫度（LST）分別代表綠度、濕度、干度和熱度。各指標(biāo)表述如下：

（1）綠度指標(biāo)。歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）是最廣泛使用的植被指數(shù)之一，是植被覆蓋度、植被生物量和葉面積指數(shù)的重要指標(biāo)［9］。因此，本文選擇NDVI 作為綠度指標(biāo)。

（2）濕度指標(biāo)。纓帽變換后的濕度分量（TCW）可反映地表植被、水體和土壤的濕度狀況［10］。

（3）干度指標(biāo)。造成土壤干燥的主要原因是建設(shè)用地和裸地。本文選擇建筑指數(shù)IBI 和土壤指數(shù)SI 來(lái)代表干度指標(biāo)［11］。

（4）熱度指標(biāo)。熱度指標(biāo)由地表溫度（LST）表示［12］。

（5）基于遙感的生態(tài)指標(biāo)RSEI 的構(gòu)建。將得到的4 個(gè)指標(biāo)通過(guò)主成分分析（PCA）耦合，使用歸一化后的第一主成分（PC1）構(gòu)建RSEI。由于上述4 個(gè)指標(biāo)的維數(shù)不均勻，如果這些指標(biāo)直接用于計(jì)算PCA，則每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重將是不平衡的。因此，在計(jì)算PCA 之前，將上述指標(biāo)歸一化，即每個(gè)指標(biāo)值轉(zhuǎn)換為0～1 范圍內(nèi)的無(wú)量綱值。每個(gè)指數(shù)的通用歸一化公式如式（1）。

式中：NIi是歸一化指標(biāo)值；Ii是指標(biāo)中像元I 的值；Imax是該指標(biāo)的最大值；Imin是該指標(biāo)的最小值。在4 個(gè)指標(biāo)歸一化之后，借助于遙感軟件的主成分分析模塊計(jì)算PC1。為了使大值表示較好的生態(tài)，可用1 減去PC1 來(lái)獲得初始生態(tài)指數(shù)RESI0，見(jiàn)式（2）。

同樣，為了獲得的RSEI 值在不同時(shí)間和空間的可比性，RSEI0值也應(yīng)該進(jìn)行歸一化處理，見(jiàn)式（3）：

式中：RSEI 即為所求的遙感生態(tài)指數(shù)，取值范圍為［-1，1］，且值越大代表生態(tài)質(zhì)量越好。

（6）RSEI 計(jì)算。首先將圖像的4 個(gè)生態(tài)指標(biāo)歸一化后組合成新的圖像，并使用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）掩膜水體，以消除水體對(duì)主成分分析結(jié)果的影響。最后，對(duì)新合成的圖像進(jìn)行主成分變換，得到不同年份的RSEI 圖像（圖2）。

圖2 RSEI 生態(tài)指數(shù)

2 結(jié)果與分析

通過(guò)主成分分析獲得2000 年和2020 年研究區(qū)4 個(gè)指標(biāo)對(duì)PC1 的荷載值，并計(jì)算4 個(gè)指標(biāo)和RSEI 的均值及其變化幅度（表1）。

表1 不同年份4 個(gè)指標(biāo)和RSEI 統(tǒng)計(jì)

自2000 年至2020 年，研究區(qū)生態(tài)狀況總體呈下降態(tài)勢(shì)，RSEI 均值由2000 年0.592 下降至2020 年0.544，下降了6.42%。對(duì)生態(tài)狀況起積極作用的綠度均值上升，升幅為4.24%，濕度均值下降，降幅為2.43%，對(duì)生態(tài)狀況起負(fù)面作用的干度均值上升，升幅為34.08%，熱度下降，降幅為28.42%。綠度上升、熱度下降為生態(tài)帶來(lái)的積極作用不及濕度下降、干度上升帶來(lái)的負(fù)面作用，研究區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量降低。

為進(jìn)一步探究研究區(qū)內(nèi)局部生態(tài)質(zhì)量變化，將歸一化后的RSEI 生態(tài)指數(shù)用等間隔法劃分為5 個(gè)等級(jí)，數(shù)值由低到高分別表示生態(tài)極差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優(yōu)秀（0.8～1.0），并統(tǒng)計(jì)各個(gè)生態(tài)等級(jí)的面積及其所占比例（表2）。

表2 研究區(qū)不同年份RSEI 生態(tài)指數(shù)等級(jí)劃分及面積占比

2000 年研究區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量以中等和良好為主，面積占比分別為44.508 6%和44.965 7%，合計(jì)89.474 3%，生態(tài)較差和優(yōu)秀區(qū)域所占面積極少，分別為6.946 2%和3.579 1%，生態(tài)極差區(qū)域面積僅占0.004%。2020 年研究區(qū)總體生態(tài)狀況發(fā)生改變，生態(tài)中等和良好的面積減少，面積占比分別為33.896 9%和28.882 1%，降幅分別為10.611 7%和16.083 6%，生態(tài)極差、較差和優(yōu)秀區(qū)域面積增加，升幅分別為0.635 1%、17.554 2%和8.506 0%。值得注意的是，雖然研究區(qū)整體生態(tài)狀況呈下降趨勢(shì)，但生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)秀（0.8～1.0）區(qū)域面積占比卻有所上升，從RSEI 圖像（圖2）可以看到，2000 年生態(tài)中等和良好的區(qū)域由于合肥市不斷發(fā)展，城市建設(shè)向周圍郊區(qū)擴(kuò)張，RSEI 生態(tài)指數(shù)等級(jí)出現(xiàn)明顯下降，但城市新建城區(qū)周邊生態(tài)狀況有所改善。

3 結(jié)論

本文對(duì)安徽省合肥市2000 年到2020 年間的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)果表明，合肥市城區(qū)生態(tài)質(zhì)量整體處于中等良好水平，但由于近年來(lái)的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)張，生態(tài)狀況呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。合肥市老城區(qū)生態(tài)質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，建成區(qū)面積擴(kuò)大，新開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)生態(tài)質(zhì)量出現(xiàn)下降。近年來(lái)，由于合肥市城市規(guī)劃對(duì)綠地系統(tǒng)布局和生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的重視，依托巢湖、紫蓬山、大蜀山風(fēng)景名勝區(qū)和三十崗生態(tài)旅游區(qū)等景區(qū)進(jìn)行綠地系統(tǒng)布局和生態(tài)優(yōu)化工程建設(shè)，新建成城區(qū)周邊區(qū)域生態(tài)狀況明顯改善。綜上可知，大面積的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張會(huì)導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，但科學(xué)生態(tài)規(guī)劃的實(shí)施有利于生態(tài)狀況的恢復(fù)和改善。因此，生態(tài)環(huán)境優(yōu)化是當(dāng)前城市規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中不可忽視的重點(diǎn)內(nèi)容。