基于遙感和GIS的城市景觀格局演變與水文效應關系研究

戚曉明，杜培軍，周玉良，吳志勇

(1．中國礦業大學地理信息與遙感科學系，徐州 221116;2．蚌埠學院計算機科學與技術系，蚌埠 233000;3．合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009;4．河海大學水問題研究所，南京 210098)

基于遙感和GIS的城市景觀格局演變與水文效應關系研究

戚曉明1，2，杜培軍1，周玉良3，吳志勇4

(1．中國礦業大學地理信息與遙感科學系，徐州 221116;2．蚌埠學院計算機科學與技術系，蚌埠 233000;3．合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009;4．河海大學水問題研究所，南京 210098)

基于多時相TM/ETM+遙感影像，運用支持向量機分類方法對合肥市景觀進行分類，解譯得到1995、1999、2003和2007年土地利用專題圖;應用單窗算法解譯得到地表亮溫專題圖。采用景觀指數法分析了合肥市景觀格局與城市水文效應間的關系。研究表明:城市水文要素與景觀指數之間存在相關性，城市化水文特征明顯;建筑用地有增加并集中趨勢，不透水面積增加，年降水量增大;供水排水能力平穩增長，人均用水量相對減少，城市飲用水水源地水質偏差。調整城市景觀格局，有利于優化城市水文狀況。

景觀格局;城市水文;合肥

0 引言

城市化是一個國家進步和發展的必然趨勢，城市化帶來的水問題是城市水文研究的主要內容。隨著我國城市的數量和規模不斷擴大，城市水問題日益突出［1］。城市化的發展和城市人口密度的增加，降雨帶來的水文和水質問題對城市水體的影響越來越大，對水的時空分布、水分循環及水的理化性質、水環境產生了各種各樣的影響。城市土地利用類型與水體水質之間存在相關關系，這種關系受到土地利用類型及其空間分布的影響［2，3］。對于這些城市化面臨的重大問題，離開城市水文狀況研究的支撐，很難找到科學有效的解決辦法［4］。

合肥市位于我國中部，117°10'E ～117°22'E，31°48'N ～31°58'N 之間，地處江淮丘陵，江淮分水嶺橫貫其東西，形成較低緩的魚背狀。合肥市有丘陵崗地、低山殘丘、河湖低洼平原3種地貌，以丘陵崗地為主。市內最高峰為大蜀山(海拔282 m)，地勢西北高、東南低。合肥市水文建設處于薄弱環節，對城市水文的規律還掌握不多，市政建設中存在的隱患只有當發生暴雨和洪水襲擊時才暴露出來。因此，把握合肥市景觀格局特征，研究景觀組分與格局的變化規律及其驅動因素，分析景觀格局變化與城市水文效應的相互作用，對于分析城市發展過程中的水文環境影響，優化市政投資，提高抗災水平、保護市民健康具有理論和現實意義。

1 城市景觀格局分析

1．1 數據來源與處理

遙感圖像在土地覆蓋/利用信息提取、景觀變化分析及水文過程影響評價中都具有重要的地位。陸地衛星TM數據是應用最為廣泛的遙感數據。本次研究選用TM/ETM+圖像，成像時間分別為1995－09－18(Landsat－5 TM)、1999－10－10(Landsat－7 ETM+)、2003－03－08(Landsat－7 ETM+)和 2007－10－05(Landsat－5 TM)［5］，軌道號為 121 －38，成像質量和成像時的天氣狀況都比較理想，成像季節均為秋季或春季。研究區以合肥市主城區為中心，向四周擴展形成了一個矩形區域(對角點為117．12°E，31．72°N;117．38°E，31．92°N)。采用ENVI 4．5幾何糾正模塊，利用同名控制點和多項式糾正模型進行圖像的幾何精糾正，利用Google Earth上部分地區具有的高分辨率影像，對土地利用/覆被變化遙感監測解譯過程中部分不確定地物進行補判，以滿足景觀格局分析的精度要求。此外，還應用了《中國統計年鑒》、《安徽省統計年鑒》、中國宏觀數據挖掘分析系統的統計數據以及中國氣象科學數據共享服務網合肥市環境監測系統的數據。

1．2 城市景觀分類與解譯

參照國家通用的土地利用分類系統［6－8］，結合土地利用方式屬性，依據研究區的實際情況和景觀格局特點，對合肥市景觀類型進行景觀分類，選取的典型景觀類型有水體(包括湖、水庫、河流及其他水域)、林地(包括高覆蓋度的喬木、灌木叢、植被等)、耕地和草地(地表有農作物在生長的田地、地表暫處于閑置的田地、草地)、建筑用地(主城區、非主城區的居民地和道路)以及裸地(未開發利用的區域)。衛星熱紅遙感技術是目前能大范圍獲取地表溫度空間分布的途徑之一。本研究采用覃志豪的單窗算法［9］，以TM6的熱紅外遙感數據反演地表溫度，研究合肥市地表亮溫演變格局。運用ENVI 4．5軟件進行合肥市土地利用景觀類型分類、地表亮溫分類和分類后處理，分類結果如圖1所示，采用支持向量機分類方法(SVM)和最大似然法(MLC)精度統計如表1所示。

表1 各分類方法的總精度和Kappa系數Tab．1 The classification accuracies of SVM and M LC classifiers

1．3 城市景觀指數計算

景觀格局是由景觀組分的不相似性造成的，格局的特性在很大程度上影響穿越景觀的能量和物流，它可以通過土地屬性之間的差別觀察到。在遙感圖像上可觀察到的最明顯的地表形態和地類屬性就是地貌、植被和水體(包括開闊的水面和水系格局)。因此，分析地表景觀格局，如地物影像的形狀、型式和大小等，已成為區分地類屬性最明顯、最自然的方法。

景觀指數能夠高度抽象表達景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面的特征，定量描述和監測景觀結構特征隨時間的變化［6］。本文利用Fragstats 3．3軟件，計算合肥市景觀面積指數(CA)、斑塊密度(PD)及平均破碎度指數(FRAC_MN)等。斑塊密度反映景觀的破碎化程度，斑塊密度越大，異質性也越高;平均破碎度指數強調的是斑塊的自相似性，一般來說，受人類活動干擾小的自然景觀的分維數值高，而受人類活動影響大的景觀的分維數值低［10，11］。圖 2 是合肥市 CA(單位為km2)、PD、FRAC_MN景觀指數變化圖。

2 合肥市水文情況

城市土地利用性質改變，建筑物、道路及供排水管網的建設，極大地改變了當地的雨洪徑流形成條件，使合肥市天然水循環和社會水循環的模式和量發生了變化。隨著城鎮人口增長和市政基礎設施投入的增加，與城市化直接有關的基礎設施(包括防洪堤、內河溝網、道路、下水道、地下車場、排澇(閘)站、人飲工程等)都發生了顯著變化。表2是選取的合肥市水文相關統計數據。

表2 1995～2007年合肥市轄區水文情況Tab．2 1995 ～2007 Hydrological of Hefei City

3 景觀格局與水文效應分析

3．1 景觀格局與供排水總量

從遙感分類圖中可以看到，圖1(a)～(c)反映了城市發展表現出的擴展→集中發展→有序擴張的特點，近12 a來合肥市區域明顯擴展，特別是城市西南方向城市化程度不斷提高。圖2(左)的CA趨勢反映出水域面積基本沒變，建設用地增加迅速，耕地減少比較明顯。從圖2(右)中可以看出，建設用地、耕地和草地的平均分形維數有較強的相關性，這和建設用地大量占用耕地是密不可分的，說明耕地的干擾程度有先增長后減小的趨勢。

隨著合肥城市規模增大，人口增加，工業迅速發展，城市需水量逐年增加。城市排水量和排水強度也明顯增大，原有管網無法負擔新增加的雨水的負荷，促使全市地下排水管網密度逐年增加。景觀指數與水文變化關系見圖3。從表2和圖3(a)中的建設用地CA與供水總量的關系上看，城市的供水能力有從初期不符合建設規模的發展到逐步與城市擴張力度同步增加的趨勢;而建設用地CA與工業排水總量的關系則反映了用水量在發生著由耗水型向節水型的轉變，水的利用率逐步提高。也可以從表2中得到證實，隨著合肥市社會經濟發展對水的需求量增大，廢、污水排放總量有所減少，處理達標率增加大到了94%。這一拐點出現在2003年前后。由于生活方式、衛生要求、經濟條件的改變，居民的生活用水量呈下降趨勢。

圖3 景觀指數與水文變化關系Fig．3 The relation between landscape pattern index and hydrological Effect

3．2 景觀格局與降水徑流

從表2可以看出，城市降水量顯著增加。圖2(中)PD趨勢圖反映出裸地、耕地和草地、建設用地斑塊數目呈減少的趨勢，說明景觀結構在向集中方向發展。其中建筑用地的PD減少劇烈，這說明建設用地連成了一體，城市不透水面集中度加強。城市中的徑流系數與不透水面積的比例呈正相關性［7］，雨水能較快地從地表流走(大暴雨除外)，進入下水道;徑流系數明顯提高，約增加10% ～20%。從圖3(b)建設用地PD與年降水量的關系看，建設用地破碎化有利于降水徑流量的減少;但是當建設用地破碎度指數PD達到15的時候，降水徑流量會隨著景觀破碎度的的增加而增加。同理，城市林地PD與降水的關系與前述類似，不同的是拐點為18。因此，城市中加強綠地的建設，增加其斑塊化會比集中建設綠地的水文效果更好些。

3．3 城市濕地景觀與地表亮溫

濕地是地球生態環境重要的組成部分之一，具有調節氣候、調蓄洪水等重要功能。濕地景觀是有機物質和能量聯系的多重等級組織，是濕地景觀要素有機秩序的具體表達形式，也是濕地各個要素得以體現的現實承載要素。城市濕地景觀是自然與人文結合、功能與藝術統一的景觀復合體。從圖4的地表亮溫變化圖可以看出，1995～2007年間，城市濕地景觀減少了23%，水文效益降低。城市亮溫沿著主要交通線路(鐵路和公路)呈輻射狀分布，城市高溫區呈離散狀分布。結合表2的年平均氣溫逐年增高的趨勢可以看出，隨著合肥市的城市擴張，全年平均氣溫逐漸提高，城市熱島現象明顯增強。

圖4 合肥市多時相地表亮溫分類Fig．4 Multi－ phase remote sensing classification of landscape pattern of Hefei City

3．4 景觀格局與水質

圖2(右)反映出各地類受人為干擾的強度呈加強趨勢，水域受到人為干擾強度在2003年影響非常大。合肥市內大型水利工程主要有董鋪水庫和大房郢水庫，對合肥市區影響最主要的河流是南淝河。合肥地區的引用水、湖泊水、地下水水質長期維持在III－IV水平上，降低了水資源的可利用性，影響了居民的用水安全。從合肥市環境監測數據來看，城區水體污染的來源有3個方面:一是城市居民日常生活排放的生活污水，它使水體的氮磷、生化耗氧量指數嚴重超標;二是城區工業廢水，是造成高錳酸鉀、氨氮、重金屬(汞、鉛、鎘等)水體污染的最主要來源;三是雨淋沖刷不透水面。隨著城市擴張合肥市需水量有增長趨勢，研究尋找、開發新的水源地，應是解決合肥城市優質水源的根本出路。地，不透水面積增大，改變了原有的產匯流條件，使得匯流時間加快。

(2)合肥市城市亮溫沿著主要交通線路(鐵路，公路)呈現輻射狀，城市高溫區呈離散狀分布，熱島現象明顯;城市濕地景觀減少了23%，使得城市的調蓄洪水能力減弱。

(3)合肥市的景觀格局平均分維數較高，反映出城市發展過程中受人為干擾的強度呈加強趨勢;水域水質長期維持在III—IV水平上，降低了水資源的可利用性，影響了居民的用水安全和水環境。

4 結論

(1)合肥市建筑用地景觀格局指數與水文指標之間的存在相關性。建設用地急速增長，破碎度趨于減小，完整性加強，建設用地占用了耕地、附屬綠

［1］傅國斌，劉昌明．遙感技術在水文學中的應用與研究進展［J］．水科學進展，2001，12(4):547 －55．

［2］Schultz G A．Remote Sensing in Hydrology［J］．Journal of Hydrology，1988(100):239－265．

［3］Smith L C．Satellite Remote Sensing of River Inundation Area，Stage，and Discharge:A review ［J］．Hydrological Processes，1997(11):1427－1439．

［4］王裕德．試論城市水文效應及城市水環境［J］．貴州師范大學學報(自然科學版)，1995，14(2):34 －36．

［5］http://glovis．usgs．gov/ImgViewer/Java1ImgViewer．html．

［6］李崇巍，劉世榮，孫鵬森，等．岷江上游景觀格局及生態水文特征分析［J］．生態學報，2005，25(4):691 －698．

［7］徐麗華，岳文澤，曹 宇．上海市城市土地利用景觀的空間尺度效應［J］．應用生態學報，2007，18(12):2827 －2834．

［8］Yue W Z，Xu JH，Tan W Q．Spatial Analysis of the Urban Landscape Pattern［J］．Ecologic Science，2005，24(2):102 － 106．

［9］覃志豪，李文娟，徐 斌，等．利用Landsat TM6反演地表溫度所需地表輻射率參數的估計方法［J］．海洋科學進展，2004，22(B10):129－137

［10］鄔建國．景觀生態學——格局、過程、尺度與等級［M］．北京:高等教育出版社，2000:96－97．

［11］Wu JG．Efects of Changing Scale on Landscape Pattern Analysis:Scaling Relations［J］．Landscape Ecology，2004，19(2):125 －130．

(責任編輯:李 瑜)

Research on the Relationship Between Urban Landscape Pattern and Hydrological Effect Based on Remote Sensing and GIS

QI Xiao － ming1，2，DU Pei－ jun1，ZHOU Yu － liang3，WU Zhi－ yong4
(1．Department of Remote Sensing and Geographical Information Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;2．Department of Computer Science and Technology，Bengbu College，Bengbu 233000，China;3．College of Civil and Conservancy Engineering，HeFei University of Technology，Hefei230009，China;4．Research Institute of Water Problems，Hohai University，Nanjing 210098，China)

With Hefei City as the study area，the authors investigated the relationship between urban landscape pattern and hydrological effect．The landscape classification maps were obtained from Landsat TM/ETM+images taken in 1995，1999，2003 and 2007 with the support vector machine classifier．The thermal radiance transfer equation was estimated by mono－window algorithm designed by Qin Zhihao．The relationship between urban landscape pattern and hydrological effect was analyzed using landscape indices derived from the land cover classification maps．The result shows that urban hydrology and landscape structure are highly correlated with each other in Hefei City．With the increase and centralization of the built－ up land，the surface runoff and urban water supply capacity have also increased，but the per capita water consumption has relatively decreased and the water quality is relatively low．It is concluded that adjusting the pattern of the urban landscape is effective for the improvement of the urban hydrologic effect．

Landscape pattern;Hydrologic effect;Hefei

戚曉明(1975－)，男，講師，博士后，主要從事水文學及水資源、地理信息系統研究工作。

X 820;X 87

A

1001－070X(2010)04－0103－05

2009－12－28;

2010－03－21

國家863高技術發展計劃支持項目(編號:2007AA12Z162)。