基于TM影像的重慶市都市區NDVI時空變化特征

李 輝，周啟剛，焦 歡，王福海，國洪磊

（1.重慶工商大學 旅游與國土資源學院，重慶400067；2.重慶工商大學 融智學院，重慶400033）

植被覆蓋是全球及區域水文氣候模型模擬中所需要的重要信息，也是描述生態系統的重要基礎數據［1］。在城市化高速發展的現代社會，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對于揭示地表空間變化規律，探討變化的驅動因子，研究區域生態環境以及優化城市生態環境都具有重要意義［2］。

隨著“3S”技術的快速發展，通過遙感技術反演植被覆蓋逐漸成為城市生態環境監測的重要手段［3－5］。目前國內外有關城市植被覆蓋變化的遙感應用研究方興未艾，國內學者已利用不同傳感器、不同時相、不同分辨率的衛星影像對一些城市的植被覆蓋情況進行了專題研究。可以看出，此類研究大多集中在北京、上海、廣州等東部發達城市，對西部城市，特別是山地城市的相關研究相對欠缺［6－7］。

本文利用 ArcGIS 10.2和erdas imagine 2010軟件對重慶市都市區1988年、2000年、2002年以及2012年的4期LandsatTM.遙感數據進行處理，提取植被覆蓋指數，監測并分析了其植被空間覆蓋與動態變化情況。

1 研究區概況

重慶市位于四川盆地的東南部，長江的上游，與湖北、湖南、貴州、四川、陜西等省接壤，地跨東經105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′的四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶。轄區總面積為8.24萬平方km，2013年重慶市都市區人口已達808萬人，屬于中國面積最大的內陸城市。有長江和嘉陵江兩江流經區內，氣候濕潤溫和。其都市區主要包括重慶都市九區，即：渝中區、大渡口區、江北區、南岸區、沙坪壩區、九龍坡區、北碚區、渝北區、巴南區；主要分布在長江沿線，四面環山，以丘陵，低山為主，地形起伏較大，平均高程為400m。研究區總面積為5 465 km2，占全市總面積的6.63%，截止2012年常駐人口為772.31萬人。研究區從南北面向長江嘉陵江河谷傾斜，起伏較大，呈現“一山一槽二嶺”的自然景觀，是典型的特大山地城市［8］。

重慶市作為新中國最年輕的直轄市，是西南地區經濟發展的中心之一，對于帶動西南片區經濟飛速發展具有重要的意義。近年來，重慶市經濟發展迅猛，城市建設用地擴展進一步加快，城市生態環境問題日益突出。選取重慶山地都市區作為研究對象，對于城市建設用地擴展與地表特征參數變化研究具有理論與實踐意義。

2 數據源與研究方法

2.1 數據源

本研究應用的主要數據為研究區的數字高程圖和遙感數據。其中遙感數據為LandsatTM/ETM影像，及獲取年份依次為1988年、2000年、2002年、2012年。所有影像數據采用Albers投影，中央經線為東經105°，雙標準緯線分別為北緯25°和47°。LandsatTM 影像數據1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30m，6波段空間分辨率為120m。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI的表達式：

式中：p（nir）——TM4（近紅外）波段的亮度值；p（red）——TM3（可見光紅光）波段的亮度值。

對于Landsat TM數據而言，歸一化植被指數通常可表示為：

式中：R3，R4——TM影像波段3和波段4的反射率。

利用式（3）可得到1988—2000年和2000—2012年研究區歸一化植被指數變化分布圖。

式中：NDVIC——前后兩個目標年份之間的NDVI變化值；NDVIn——第n年份研究區的NDVI值；NDVIn－1——前一個年份研究區的NDVI值。

將上式的計算結果進行標準化分級，分別化分為負向變化、正向變化和無顯著變化［9－10］：

式中：n——像元數量，根據公式（4），（5）和（6），可以對重慶都市區不同研究時段內的植被覆蓋情況進行總體分析。

2.2.2 NDVI空間分布重心遷移模型 分析NDVI的重心變化能具體反映出NDVI在研究年限內的空間分布變化，其研究的計算模型如下［9－10］：

式中：Xt，Yt——第t年 NDVI的重心坐標；cti——第i塊NDVI斑塊的面積；Xi，Yi——第i塊NDVI斑塊的重心坐標。

3 結果與分析

3.1 重慶市都市區NDVI時間變化分析

3.1.1 重慶市都市區NDVI總體分析 重慶市都市區NDVI在時間序列上呈現出明顯的差異。從1988—2012年，NDVI指數較低的區域面積逐漸擴大，特別是渝北區、南岸區、九龍坡區、北碚區和巴南區增速最快。這主要是由于重慶直轄以來，這幾個區的經濟發展迅速，建設用地面積急劇增加，城市綠化的速度跟不上城市建設的速度，所以導致NVDI指數降低。此外，NDVI指數較高的區域基本保持穩定，只有局部地區產生變化。

通過數據分析可以得到1988年、2000年、2002年以及2012年研究區平均NDVI分別為0.2，0.13，0.32，0.3；由此可知，1988—2012年重慶市都市區平均NDVI水平變化十分明顯，都市區平均NDVI分布在時間上呈現出明顯的階段性。從1988—2002年，平均NDVI值變化十分明顯，特別是渝北區、南岸區、九龍坡區、北碚區和巴南區NDVI變化最快。這主要是由于直轄以來，這幾個區的經濟發展迅速，建設用地面積急劇增加，城市綠化的速度跟不上建設用地擴張的速度，導致低NVDI區域面積不斷增加；同時在城市發展的過程中，由于生態觀念的加強，都市區對山林的管制力度也大幅增加。從2002—2012年，可以看出都市區平均NDVI區域基本保持穩定，只有局部區域產生變化。

3.1.2 重慶市都市區分區NDVI變化分析 利用ArcGIS 10.2以及Erdas 8.7軟件的相關功能，可以準確的得到1988—2012年重慶都市各區的NDVI平均值，再利用相關統計軟件即可得到重慶市都市各區在研究年限內的變化趨勢圖。

從圖1可以明顯地看出，重慶市都市各區在1988—2012年平均NDVI的變化趨勢，總體而言，重慶都市各區在研究年限內平均NDVI變化幅度均比較明顯；相比之下，沙坪壩區和渝北區的變化比較小。各區從1988—2012年平均NDVI呈現上下浮動趨勢，其中渝中區、南岸區、大渡口區以及江北區變化較大，而渝中區平均NDVI值最低，且下降速度較快。九龍坡區、渝北區以及巴南區的平均NDVI指數始終保持較高水平，說明這幾個區的生態環境較好；另一方面，渝中區以及南岸區在2012年平均NDVI指數有所上升，可以分析出幾個區的NDVI呈逐步恢復的狀態。

圖1 1988－2012年重慶市都市各區平均NDVI變化趨勢

此外，由于重慶市都市區各區所處的地理位置不同，比如有些區處于地勢高區域，有些處于低地勢范圍。其次，有些區的山脈較多，有些區地勢平坦。因此，研究海拔與坡度對各區NDVI變化的影響具有重要意義。

3.1.3 重慶市都市區NDVI分級分析 為了更加科學和直觀的對比重慶市都市區1988年、2000年、2002年以及2012年的NDVI數據以及變化趨勢；在ArcGIS 10.2軟件的支持下，文章以自然斷點分類法將重慶市都市NDVI指數分為5個等級，分別是第一級（低）、第二級（較低）、第三級（中）、第四級（較高）、第五級（高），以便更深層次的揭示出重慶市都市區NDVI變化規律，具體分級數據見表1。

表1 1988－2012年都市區不同NDVI級別所占面積與比例

從表1中可以看出，重慶市都市區1988—2012年都市區不同NDVI級別所占面積與比例呈現一定的規律性；都市區NDVI第一級（低）水平面積比例呈現先增加后減少的趨勢，第二級（較低）水平面積比例總體呈現上升趨勢。另一方面，都市區NDVI第三級（中）水平、第四級（較高）水平以及第五級（高）水平所占比例在1988—2012年均較大，但是，隨著時間的推移，這三個水平的NDVI所占面積和比例呈現出上下浮動的變化趨勢，尤其是第四等級與第五等級在總體上呈現下降趨勢。通過查閱重慶市都市區城市自然概括以及城市發展數據不難發現，由于重慶市都市區處于山區，研究區內包含四條天然山脈，且植被覆蓋度保持良好，而重慶市城市的快速發展和建設用地的不斷擴展以及相關政策的實施也影響到不同NDVI水平在區域范圍的不斷變化。

從表2中，我們可以明顯看出，重慶市都市區在研究年限內，平均NDVI指數均發生了明顯變化，通過分析可以發現，這種變化呈現出一定的規律性。

此外，都市區NDVI第三級（中）水平、第四級（較高）水平以及第五級（高）水平均變化不大；這是由于都市所處地理位置的原因，都市區的四條山脈的植被覆蓋比較完好。此外，無論是1988—2000年，2000—2002年，還是2002—2012年；都市區NDVI第一級（低）水平和NDVI第二級（較低）水平在研究年限內，均發生了十分顯著的變化。其中，都市區NDVI第一級（低）水平是變化最明顯的等級，在ArcGIS的技術支持下，可以分析出，NDVI第一級（低）水平所代表的區域類型主要是建設用地和河流；在重慶市城市化水平的逐年提高，特別是重慶直轄以來，城市迅速發展以及建設用地大規模擴張的背景下，導致研究區NDVI第一級（低）水平變化十分明顯。

總體而言，隨著時間的推移，研究區不同級別NDVI指數所占的面積和比例不斷地發生著變化；因此，關注區域NDVI指數的變化有利于城市生態環境的保護和改善。

表2 1988－2012年都市區不同NDVI級別轉化面積及速率

表3 1988－2002年都市區不同NDVI級別面積轉移矩陣

表4 2002－2012年都市區不同NDVI級別面積轉移矩陣

通過表3，可以十分清晰的看出，1988—2002年重慶市都市區不同NDVI級別相互間轉移的情況。從總體來看，不同NDVI級別逐級轉移的情況比較明顯，而且轉移面積和轉移比例都比較大；跨級轉移的情況雖然存在，但是所轉移的面積和比例都相對較少。因此，1988—2002年重慶市都市區不同NDVI級別相互間轉移呈現出一定的規律性，研究區NDVI整體水平有所提升。

從上述都市區NDVI轉移的情況，可以大致分析產生這種變化的主要原因，在1988—2002年間，由于生態環境保護觀念的不斷深入，重慶市加強了對都市區山脈的開發管制與綠地保護，此外，不斷提升的都市區的綠化水平也是一個重要原因。

結合 表3和表4，我們可以明顯看出，一方面，從2002—2012年的總體情況而言，研究區NDVI指數變化不大，另一方面，在2002—2012年間，重慶市都市區各等級轉移情況對比1988—2002年較明顯。

通過分析可以看出，2002—2012年重慶市都市區各等級NDVI較顯著地相互間轉移現象，其主要體現在高NDVI指數向較高NDVI指數轉移上，二者相互間轉移的比例甚至達到了90%；其次也體現在較高NDVI指數向中NDVI指數的轉移上。這說明，在研究年限內，研究區高NDVI區域發生了較大變化，造成這種變化的原因是復雜多樣的；通過分析，我們可以發現，造成這種變化的主要原因還是由于重慶市自直轄以來，快速的城市化和建設用地的大規模擴張。研究區在1988年，2000年，2011年城市建設用地面積分別達到17 145hm2，28 603hm2，80 396hm2。

3.2 重慶市都市區NDVI空間變化分析

利用 NDVI計算公式，在 ArcGIS 10.2以及Erdas 8.7軟件的支持下，對重慶市都市區1988年、2000年、2002年和2012年的NDVI進行反演，獲得了都市區四年的NDVI分布圖（附圖9—10）。從分布圖中可以看出，都市區NDVI在不同年份的空間分布呈現出明顯的差異性，這種差異隨時間而改變而呈現出一定規律性。

通過都市區NDVI分布圖可知，研究區歸一化植被指數分布在空間上呈明顯的差異性，這種差異隨時間的變化呈現出一定的規律性，且這種規律性隨著時間的不斷推移，越發明顯，城市建設區的不斷擴展使得大片區域的NDVI指數降低，另一方面，由于“四山管制”規劃的實施，在一定程度上緩解了都市區NDVI指數的快速下降。

3.2.1 NDVI水平空間變化分析 從NDVI指數的水平空間分布情況來看，研究區NDVI指數總體呈現降低。此外，低NDVI指數的區域除分布在城市建成區外，還集中在長江與嘉陵江流域；另一方面，山地丘陵區的植被覆蓋率與較平坦地區的植被覆蓋率呈明顯的差異，呈現出明顯的垂直地帶性。在山地丘陵地區，植被覆蓋率保持相對穩定，且海拔越高，植被覆蓋率越高。這主要是由兩個方面的原因造成的，一方面是由于高海拔地區地勢陡峭，土地不利于開發和利用；另一方面，都市區各大山脈都劃入了限制建設區或禁止建設區，使得這些區域的植被保護較好。地勢平緩區域為重慶市農田和園地的集中分布區，也是研究年限內建設用地擴張的主要區域，也是植被覆蓋率變化最大的區域，這也說明建設用地對農田和園地的大規模替代能顯著改變地表植被的覆蓋狀況。

在ArcGIS 10.2的支持下，利用處理好的研究區數據，得到了1988—2012年重慶市都市區各NDVI等級重心坐標轉移趨勢圖以及重心轉移示意圖（圖2）。

從圖2，我們可以很直觀的看出1988—2012年都市區各等級NDVI重心轉移坐標變化趨勢，這種變化趨勢呈現出一定的等級和年份規律性。總體上來說，各等級在研究年限內重心變化相對較小。

研究區NDVI指數第一等級，這個等級在研究區5個NDVI等級中處于最低水平，主要代表的土地利用類型為建設用地、裸地以及河流水面；其集中在重慶市都市區兩江交匯處。因此，通過觀察該NDVI等級重心的變化，也可以在一定程度上間接反映出研究區建設用地的擴張方向。

圖2 1988－2012年都市區各等級NDVI重心轉移坐標變化趨勢

從圖2可以看出，在1988—2012年間，研究區NDVI指數第一等級的重心坐標轉移并不明顯，其轉移范圍主要限定在狹小的區域。研究區NDVI指數第二等級僅此于NDVI指數第一等級，其重心變化也不明顯，但較NDVI指數第一等級重心變化來說相對較大；說明在1988—2012年間，NDVI指數第二等級所占面積和區域有一定程度的變化以及轉移。

研究區NDVI指數第三等級以及第四等級所處范圍的重心位置變化不明顯，但是也其重心位置也經歷了“北遷”和“南移”的過程；但是從該兩個等級重心的總體轉移情況來看，其變化范圍不大，并且也限定在了一定范圍之內。

研究區NDVI第五等級是NDVI指數最高的等級，其主要代表的土地利用類型是森林和耕地；從圖2我們可以明顯的看出，該等級重心位置變化相當明顯，其重心位置由最初的“南移”變為最后的“北遷”，變化范圍比較大。通過分析可知，研究區NDVI第五等級重心變化如此明顯，可以說明該等級NDVI指數所處的范圍在研究年限內發生了顯著地變化。這種變化的主要原因是由于都市區高植被覆蓋區不斷變化引起的。

3.2.2 NDVI垂直空間變化分析 在垂直空間分布上，研究區NDVI分布呈現出明顯的垂直地帶性（表5）。

在山地丘陵地區，NDVI指數較高，且保持相對穩定狀態，隨著海拔的升高，NDVI也越高。通過分析可知，造成這種情況的原因主要是由兩個方面的原因造成的，一方面是由于高海拔地區地勢陡峭，一般不利于土地的開發和利用；另一方面，由于重慶市將都市區各大山脈都劃入了限制建設區或禁止建設區，使植被得以較好的保護。地勢平緩區域是人類活動的主要區域，也是植被覆蓋率變化最大的區域，說明建設用地擴展對農田和園地的大規模替代能顯著改變區域NDVI狀況。通過對研究區不同海拔地區與NDVI分布情況之間相互關系的分析可以看出，不同級別NDVI的分布情況與海拔差異存在一定的聯系。在低海拔地區，隨著時間的推移，較低NDVI在低海拔區域保持相對穩定，較高NDVI面積比例在低海拔區域逐年遞減；在中海拔地區，由于該區是城市建設的主要分布區域，較高NDVI有所較少，較低NDVI有所增加；在高海拔地區，在環境保護意識的加強和新能源燃料的普及背景下，較高NDVI面積比例有所提升。

總的來說，研究區NDVI指數不僅受高程因素的影響，也在人們環保意識與相關政策的變化下產生差異性。因此，在保護好現有高植被覆蓋度的同時，也要大力加強對低海拔區域植被覆蓋度的恢復與提升。

表5 不同年份不同海拔區域各NDVI等級分布面積比例 %

4 結 論

本文基于RS和GIS技術，對重慶市都市區1988—2012年間的NDVI在數量、結構、空間上進行分析，得到結論如下：

（1）在研究年限內，無論是在時間還是空間上，研究區的NDVI指數都發生了十分顯著的變化，且這種變化呈現出一定的規律性。

（2）在時間變化上，研究區低NDVI指數和較低NDVI指數區域面積在不斷增加，而較高NDVI指數與高NDVI指數區域面積有所減少；尤其是在2002—2012年間，這種現象更加突出。

（3）在空間變化上，通過分析不同NDVI指數等級重心遷移軌跡，可以看出各等級的重心位置雖在不斷變化，但從整個研究時相內，各等級的重心位置偏移位置相對較小，呈現出比較穩定的狀態。

［1］ 陳穎彪，吳志峰，程炯，等.遙感與GIS支持下的城市綠地提取方法研究：以深圳市為例［J］.生態環境，2004，13（3）：362－364.

［2］ 丁艷梅，張繼賢，王堅，等.基于TM數據的植被覆蓋度反演［J］.測繪科學，2006，31（1）：43－45.

［3］ 龔建周，夏北成.基于遙感影像的廣州市植被覆蓋度內部結構與時空變化［J］.植物資源與環境學報，2006，15（4）：25－29.

［4］ 韓貴鋒，徐建華，袁興中，等.1998—2001年重慶市都市區植被的時空變化［J］.生態學，2007，26（9）：1412－1417.

［5］ 田野，徐恒力，劉雙，等.基于歸一化植被指數變化分級的千山植被變化［J］.中國水土保持，2010（1）：25－28.

［6］ 樸世龍，方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動態變化［J］.第四紀研究，2001，21（4）：294－302.

［7］ 馬志勇，沈濤，張軍海，等.基于植被覆蓋度的植被變化分析［J］.測繪通報，2007（3）：45－48.

［8］ 李建輝，周啟剛，陳倩，等.基于RS和GIS的建設用地變化研究：以重慶市都市九區為例［J］.重慶工商大學學報，2012，29（1）：76－81.

［9］ 湯國安，楊昕.地理信息系統空間分析試驗教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［10］ 李苗苗.植被覆蓋度的遙感估算方法研究［D］.北京：中國科學研究院遙感應用研究所，2003.

［11］ 王福海，馬澤忠，向敬華，等.基于TM的重慶山地都市區建設用地擴展與地表特征參數時空變化研究［J］.水土保持研究，2014，21（4）：107－113.