吳雷云，程朋根,2*，高 涵

(1. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，330013，南昌；2. 自然資源部環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌)

0 引言

城市化是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是現(xiàn)代化的標(biāo)志，區(qū)域經(jīng)濟(jì)要想獲得發(fā)展，最重要的一點(diǎn)就是加快城市化進(jìn)程，為經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力[1]。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)城市化水平高提升顯著，尤其是近些年，城市化進(jìn)程處快速增長(zhǎng)階段，快速、不合理的城市化進(jìn)程使得區(qū)域發(fā)展不均、環(huán)境污染嚴(yán)重以及土地植被質(zhì)量下降。而遙感夜光數(shù)據(jù)的分享與發(fā)展給城市化的快速、實(shí)時(shí)獲取也提供了便利，因此，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)城市化與城市環(huán)境的廣泛研究。李景剛綜合利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和SPOT/VGT時(shí)間序列數(shù)據(jù)等多源遙感信息，以NDVI與時(shí)間的積分值來(lái)表征一定時(shí)間段內(nèi)的植被初級(jí)生產(chǎn)力，探索城市化過(guò)程對(duì)植被初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)性變化影響[2]。彭建利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和SPOT/VGT數(shù)據(jù)探討基于閾值分割法的大尺度區(qū)域生態(tài)用地多源遙感快速識(shí)別方法，整體識(shí)別精度達(dá)到85.6%，較好地彌補(bǔ)了單一遙感數(shù)據(jù)難以快速區(qū)分所有生態(tài)用地類型的缺點(diǎn)[3]。程志剛利用SPOT、NDVI和DMSP數(shù)據(jù)研究成都2016年城市化進(jìn)程對(duì)植被覆蓋度的影響，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度和夜間燈光亮度、城市化程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[4]?，F(xiàn)有的研究大多都是單數(shù)據(jù)源提取城市用地信息，而多源長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)具有更豐富的時(shí)空信息，精度更高、更有利于研究細(xì)化，隨著城市化進(jìn)程的加速，土地利用發(fā)生了較大的改變，因此，結(jié)合城市化現(xiàn)狀，從時(shí)空變化特征著手對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行研究是有必要的。

南昌市作為江西省的省會(huì)城市，是江西省發(fā)展最快速的區(qū)域，在帶動(dòng)江西發(fā)展中處于關(guān)鍵的作用。因此，本文通過(guò)對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)的研究，構(gòu)建夜間燈光數(shù)據(jù)與植被數(shù)據(jù)，對(duì)南昌市2003—2018年城市化發(fā)展特征與植被變化進(jìn)行研究，為南昌市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

南昌市(如圖1所示)，地處江西省中北部，位于東經(jīng)E115°27′～116°27′，北緯N28°27′～29°27′，濱臨全國(guó)最大的淡水湖鄱陽(yáng)湖，全市面積大約7 400 km2，主要以平原為主，雨水豐富，氣候濕潤(rùn)溫和，日照充足，是中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院命名的“國(guó)家級(jí)歷史文化名城”，有著江南水鄉(xiāng)之稱和2000多年的文化底蘊(yùn)。

圖1 南昌市遙感影像圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

目前，常用的能觀測(cè)夜光數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星：一是國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(defense meteorological satellite program，DMSP)始于20世紀(jì)60年代中期，是美國(guó)國(guó)防部的一項(xiàng)氣象計(jì)劃，搭載的傳感器(rational linescan system，OLS)，旨在晝夜收集全球云層覆蓋數(shù)據(jù)。另一種是Suomi國(guó)家極軌合作伙伴(Suomi national polar-orbit partnership，S-NPP)衛(wèi)星上搭載的可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite，VIIRS)[5]。另外，中國(guó)2018年由武漢大學(xué)和相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)發(fā)射的“珞珈一號(hào)”，是首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從燈光數(shù)據(jù)處理、不透水面提取、城市建成區(qū)提取、人口分布空間化、經(jīng)濟(jì)參數(shù)空間化等方面展開(kāi)了廣泛的研究，取得了一系列豐碩的成果?？紤]到數(shù)據(jù)的獲取性和時(shí)間的延續(xù)性選取DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，投影采用Albert圓錐等面積投影，并根據(jù)南昌市行政區(qū)劃圖裁剪出南昌市的影像，由于傳感器的不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間序列之間具有不連續(xù)、不可對(duì)比，因此參照張夢(mèng)琪等校正模型對(duì)夜間燈光影像進(jìn)行校正。NPP/VIIRS數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)合成來(lái)擬合DMSP/OLS數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的一致性[6]。

植被覆蓋度采取Landsat數(shù)據(jù)利用波段合成的NDVI值作為植被覆蓋值，Landsat數(shù)據(jù)，是由美國(guó)航空航天局(NASA)發(fā)射，主要用來(lái)拍攝地表的遙感衛(wèi)星，主要用于調(diào)查、監(jiān)測(cè)各種自然資源和環(huán)境污染，以及繪制專題圖等[7]。本文選用Landsat5 TM和Landsat8 ORL/TIRS用作研究，需要對(duì)Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接裁剪等預(yù)處理操作。以上數(shù)據(jù)參數(shù)如表1。

表1 數(shù)據(jù)源以及參數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 城市建成區(qū)的提取 夜間燈光數(shù)據(jù)能反映交通、居民地等與人口和城市等密切相關(guān)信息，具有很強(qiáng)的光電放大能力，能探測(cè)甚至小規(guī)模居民燈、車流燈等，憑借長(zhǎng)序列、大尺度的特點(diǎn)，使得夜間燈光數(shù)據(jù)可以快速、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)城市夜間燈光范圍，可以精確快速提取分析城市建成區(qū)。夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)常用的方法有經(jīng)驗(yàn)閾值法[8]、突變檢測(cè)法[9]、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法[10]、輔助數(shù)據(jù)空間比較法[11]。為了保證精度，利用突變檢測(cè)法提取城市建成區(qū)邊界。該方法認(rèn)為存在某個(gè)閾值，當(dāng)閾值增大時(shí)，建成區(qū)周長(zhǎng)減小，當(dāng)閾值達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，建成區(qū)的周長(zhǎng)會(huì)突然增大，可將臨界閾值視為城市與非城市的最佳閾值，提取城市建成區(qū)邊界，由于夜間燈光數(shù)據(jù)有飽和特性，導(dǎo)致城區(qū)范圍精準(zhǔn)度不夠，為了更直接反映城市建設(shè)用地情況，提高建成區(qū)提取精度，結(jié)合2003年、2008年、2013年、2018年、2021年5個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)，以共同部分作為最終建成區(qū)范圍，基于GIS軟件分別提取出各時(shí)期南昌市城市建城區(qū)范圍。

2.2.2 城市擴(kuò)張分析 分別使用城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度、城市擴(kuò)張速率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析城市擴(kuò)張情況，選擇緊湊度指數(shù)分析城市空間擴(kuò)張外部的形態(tài)變化。城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度是單位時(shí)間內(nèi)城市建設(shè)用地的變化幅度，城市擴(kuò)張速度是單位時(shí)間內(nèi)城市建設(shè)用地面積變化的幅度，緊湊度可以反映城市空間形態(tài)特征，緊湊度的量化能表示城市在擴(kuò)張過(guò)程中的形態(tài)變化[12]。表達(dá)式分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中：V、K和C分別代表城市擴(kuò)張速度、城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度和緊湊度，Ai和An+i分別為第i年和第i+n年的城市建成區(qū)斑塊面積；n為時(shí)間間隔；Pi為第i年城市建成區(qū)斑塊外圍周長(zhǎng)。

2.2.3 植被變化分析 植被作為一種資源，是人類自然生存環(huán)境重要的組成部分，也是評(píng)價(jià)環(huán)境最重要的指標(biāo)。利用遙感數(shù)據(jù)提取NDVI的技術(shù)已基本成熟，作為最廣泛使用的歸一化植被指數(shù)，它與植物生物量密切相關(guān)、同植被葉面積指數(shù)有關(guān)且能較好地反映植被覆蓋度和生長(zhǎng)狀況的差異情況[13]。其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：ρnir和ρred分別代表Landsat影像的近紅外波段和紅波段。

基于提取得到的城市建設(shè)用地邊界，采用區(qū)域內(nèi)NDVI值作為評(píng)價(jià)建成區(qū)植被覆蓋情況的指標(biāo)，計(jì)算方法如下[14]：

(5)

其中：Undvi代表建成區(qū)NDVI均值，pi代表每個(gè)像元內(nèi)NDVI的值；n代表像元個(gè)數(shù)，NDVI值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，介于(0，1)之間，NDVI值越大，表明建成區(qū)植被生長(zhǎng)越好，反之則植被狀況越差。

采用建成區(qū)內(nèi)NDVI均值與建成區(qū)外背景區(qū)NDVI均值的比值作為衡量城市擴(kuò)張過(guò)程人為影響對(duì)植被變化的指標(biāo)，計(jì)算公式如下[15]：

(6)

式中：Ri為第i年建成區(qū)的NDVI比值，Undvii代表第i年建成區(qū)NDVI均值，Bndvii為第i年背景區(qū)NDVI均值。Ri值大于1，說(shuō)明人為影響對(duì)植被具有有利作用，促進(jìn)植被狀況轉(zhuǎn)好，且差值越大越有利；Ri值小于1，則說(shuō)明人為影響對(duì)植被產(chǎn)生不利作用，植被狀況變差，差值越小，不利影響越大。

變異系數(shù)是描述數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，可用于評(píng)價(jià)NDVI在時(shí)間序列上的穩(wěn)定性。公式如下[16]：

(7)

式中：CV為NDVI的變異系數(shù)，ST為第i年NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差；Mean為NDVI的平均值，CV的值越小代表越穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。

2.2.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于指標(biāo)的數(shù)據(jù)量綱不統(tǒng)一，還需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，避免因量綱不統(tǒng)一而造成結(jié)果權(quán)重失衡。正規(guī)化處理公式如下：

(8)

式中：Ni是正規(guī)化后的標(biāo)準(zhǔn)值，Ii為指標(biāo)在像元i處的值，Imin為指標(biāo)的最小值，Imax為指標(biāo)的最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市建成區(qū)擴(kuò)張時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

圖2為夜間燈光像元值的分布，表2為不同時(shí)期城市擴(kuò)張指標(biāo)值。由圖2發(fā)現(xiàn)2003年、2008年、2013年、2018年以及2021年的南昌市夜間燈光值呈明顯的空間分布差異。整體上，南昌市形成了多翼狀空間形態(tài)，將青山湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)、東湖區(qū)連接在一起，南昌市在2003—2018年間主要圍繞贛江發(fā)展。分析南昌市城市擴(kuò)張速度與城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度發(fā)現(xiàn)(表2)，南昌市2003—2008年間，城建區(qū)面積由302.97 km2增加到了548.70 km2，城市擴(kuò)張速度為49.14 km2/a，城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度為16.22%，城市擴(kuò)張迅速。2008—2013年間，城市擴(kuò)張下降，建成區(qū)面積增漲88.26 km2，擴(kuò)張速度相比上個(gè)5 a，下降接近2/3，擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度也降至3.2%。2013—2018年間，城市擴(kuò)張持續(xù)下降，建成區(qū)面積增加74.98 km2，擴(kuò)張速度較上一階段下降了2.66 km2/a，擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度下降至2.3%。2018—2021年，建成區(qū)面積增長(zhǎng)41.06 km2，擴(kuò)張速度提高1.69 km2/a，擴(kuò)張動(dòng)態(tài)度下降0.4%。2003—2021年，研究區(qū)城市形態(tài)緊湊度經(jīng)歷先上升再下降的過(guò)程，2008年緊湊度達(dá)到最高值0.55，后一直處于下降趨勢(shì)，2021年緊湊度最低0.16，說(shuō)明城市外部擴(kuò)張相對(duì)無(wú)序?？偟膩?lái)看，南昌市城市擴(kuò)張表現(xiàn)先增后減逐漸趨向穩(wěn)定的趨勢(shì)。

表2 不同時(shí)期城市擴(kuò)張指標(biāo)值

圖2 南昌市夜間燈光分布圖

3.2 建成區(qū)植被變化特征分析

圖3為南昌市NDVI的分布圖，綠色越多代表植被覆蓋度高，根據(jù)NDVI分布圖和Landsat影像發(fā)現(xiàn)，顏色綠的區(qū)域多為植被和耕地，分布在南昌縣、安義縣、灣里區(qū)、新建區(qū)周圍。表3為南昌市建成區(qū)植被指標(biāo)值，隨著城市建成區(qū)的擴(kuò)張，研究區(qū)城市建成區(qū)NDVI值呈上升趨勢(shì)，2003—2008年，建成區(qū)面積增長(zhǎng)，NDVI均值下降0.03，2008—2013年，NDVI均值增至0.606，增加量為0.119，植被狀況有所改善，2013—2018年，相比上一階段下降了0.035，2018—2021年上升0.054，整體上，NDVI均值增長(zhǎng)0.108，表明南昌市研究期間南昌市植被保護(hù)措施做的較好。

為進(jìn)一步探討城市擴(kuò)張伴隨的人類活動(dòng)對(duì)建成區(qū)植被的影響，計(jì)算了NDVI比值及變化量。從表3看出，NDVI比值的區(qū)間在0.7～0.82之間，2003—2018年間，NDVI比值變化量為減小、增加再減小的趨勢(shì)，其中NDVI比值最小的年份為2008年，表明2008年建成區(qū)人類活動(dòng)對(duì)植被的不利影響最大，植被狀況較差。分析南昌市城市建成區(qū)NDVI的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，NDVI的變異系數(shù)介于0.3～0.45間，變異系數(shù)偏大，植被變化大，為不穩(wěn)定區(qū)域，2021年變異系數(shù)值最小，相比其他時(shí)間植被比較穩(wěn)定。根據(jù)分析結(jié)果，為促進(jìn)城市擴(kuò)張與建成區(qū)植被協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)統(tǒng)籌城市擴(kuò)張與建成區(qū)植被保護(hù)，避免城市擴(kuò)張與植被之間的矛盾，合理規(guī)劃城市空間，提高城市化質(zhì)量，重視生態(tài)環(huán)境治理，加大生態(tài)環(huán)境污染的防治力度。

表3 南昌市建成區(qū)植被指標(biāo)值

圖3 南昌市NDVI分布圖

3.3 城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力分析

經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政府宏觀政策的出臺(tái)是城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)是城市擴(kuò)張的根本動(dòng)力，根據(jù)南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒，南昌市地區(qū)生產(chǎn)總值從2003年的642.02億元上升到2020年5 745.51億元，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致城市規(guī)模的擴(kuò)張，會(huì)造成城市量上的擴(kuò)張，發(fā)展促進(jìn)人民生活水平的提高，則造成城市質(zhì)的擴(kuò)張，政策與規(guī)劃也是影響城市發(fā)展和限制城市擴(kuò)張的重要因素，南昌在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，2002年出臺(tái)《南昌市城市總體規(guī)劃》，突破瓶頸，向東、向南跨贛江發(fā)展。從時(shí)間擴(kuò)張來(lái)看，2003—2008年南昌市城市發(fā)展呈驟增趨勢(shì)，而2008—2021年間發(fā)展速度較為緩慢。究其原因，2003—2008年期間，處于重工業(yè)化時(shí)期，犧牲資源和環(huán)境換取發(fā)展，城市發(fā)展迅速，城市擴(kuò)張占用了天然林草地，建成區(qū)建筑高度的增加，也影響了植被的光照條件，導(dǎo)致植被覆蓋度下降，所以2008年的植被狀況較差，2008—2021期間，隨著城市建成區(qū)的擴(kuò)張，植被總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，這與生態(tài)工程建設(shè)密切相關(guān)，落實(shí)環(huán)境保護(hù)優(yōu)先戰(zhàn)略，城市擴(kuò)張也逐漸走向慢擴(kuò)張。

3.4 城市擴(kuò)張與城市植被相關(guān)性分析

通過(guò)線性回歸模型和Pearson相關(guān)系數(shù)揭示南昌市城市擴(kuò)張與建成區(qū)植被變化的相關(guān)關(guān)系。以城市建設(shè)用地面積為自變量，建成區(qū)NDVI均值為因變量，建立城市擴(kuò)張與建成區(qū)植被變化的回歸模型(圖4)?；貧w結(jié)果R2=0.498，表明城市擴(kuò)張與建成區(qū)植被存在正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)計(jì)算出2003—2008年、2008—2013年、2013—2021年3個(gè)時(shí)期的Pearson系數(shù)值分別為0.902、0.886、0.822，不同的城市發(fā)展時(shí)期，城市擴(kuò)張對(duì)城市建成區(qū)植被的影響情況具有差異性，2003—2008年處城市發(fā)展初期，大量人口向城市遷移，使得空間迅速擴(kuò)張，大量的林地農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地，公共基礎(chǔ)設(shè)施等，城市環(huán)保意識(shí)薄弱，加劇了建成區(qū)植被的破壞程度，因此2008年的NDVI均值較低，其相關(guān)性也較高，說(shuō)明城市擴(kuò)張主要來(lái)源于林草地。因此要堅(jiān)持保護(hù)林草地、有效控制新增建設(shè)用地總量，盤活建設(shè)用地，提高空間利用率，減少建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用林草地面積。而2008—2013年、2013—2021年相較于2003—2008年2個(gè)階段的相關(guān)性結(jié)果，Pearson系數(shù)相較有所降低，說(shuō)明城市發(fā)展后期，隨著城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國(guó)家以及地方政府對(duì)城市生態(tài)越來(lái)越重視，進(jìn)行了一系列的宏觀調(diào)控，城市規(guī)劃理念發(fā)生轉(zhuǎn)變，2008—2021年總體上NDVI值逐漸上漲，城市擴(kuò)張速率受到一定程度的抑制，城市擴(kuò)張對(duì)植被的影響也在逐漸減小。

圖4 城市擴(kuò)張與植被關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文利用DMSP/OLS、NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)、Landsat數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)南昌市城市擴(kuò)張對(duì)建成區(qū)植被覆蓋度變化情況進(jìn)行了研究，夜間燈光數(shù)據(jù)能反映人類活動(dòng)的強(qiáng)弱，可以很好地彌補(bǔ)大尺度城市建成區(qū)提取和城市化進(jìn)程中城市擴(kuò)張資料不足、復(fù)雜等問(wèn)題，南昌市城市擴(kuò)張和建成區(qū)植被變化分析表明，夜間燈光數(shù)據(jù)能高效快速地獲取城市空間信息，為城市化進(jìn)程和植被變化提供基礎(chǔ)，研究得出的主要結(jié)論如下。

1)南昌市擴(kuò)張形成了多翼狀空間形態(tài)，在2003—2018年間，城市擴(kuò)張速度、動(dòng)態(tài)度和緊湊度上，都是先增長(zhǎng)后減速的趨勢(shì)，其中，2003—2008年期間，城市擴(kuò)張速度、動(dòng)態(tài)度以及緊湊度相較于2008—2013年和2013—2021年階段更大，在2013年之后表現(xiàn)為相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展。

2)南昌市建成區(qū)植被狀況在空間和時(shí)間上總體呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好趨勢(shì)。建成區(qū)NDVI均值隨著城市建成區(qū)的不斷上升；NDVI均值在2003—2021年間整體呈上漲趨勢(shì)，2021年相比2003年，NDVI均值增加了20.8%

3)南昌市城市建成區(qū)植被狀況相較背景區(qū)普遍更差。一方面，2003—2018年間，研究區(qū)NDVI比值均小于1，代表城市擴(kuò)張對(duì)建成區(qū)植被均產(chǎn)生了不利影響；另一方面，城市建成區(qū)植被穩(wěn)定性較差，植被變異系數(shù)的值偏大，但穩(wěn)定度在研究期間不斷增強(qiáng)，變異系數(shù)值不斷變小。