重慶市都市區NDMI時空分異特征研究

陳 丹, 王福海

(重慶工商大學融智學院, 重慶 400033)

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重慶市都市區NDMI時空分異特征研究

陳 丹, 王福海

(重慶工商大學融智學院, 重慶 400033)

NDMI是研究城市化進程中城市生態環境的一個重要指標和過程參數，研究NDMI時空分異特征重在把握人為干擾環境的力度。利用重慶市都市區TM遙感數據，綜合運用地形位指數、分布指數、平面重心模型以及重心遷移速率等方法，研究分析NDMI時空數量結構分布特征。研究結果表明：隨著建設用地面積擴展和城市發展，地表水汽含量總體減少；各等級NDMI之間以相鄰轉換最為突出；低水汽指數區域集中分布在300～500 m的平地和100～400 m的低緩坡區域，高水汽指數在1，2級地形位的分布指數最優。研究旨在為重慶市都市區維持區域生態系統的穩定性和改善人居環境質量提供參考和依據。

“3S”技術; NDMI; 時空分異特征; 重慶市都市區

隨著城市化進程的高速發展，城市用地面積擴張，城市生態安全將受到不同程度威脅。城市地表參量是城市生態系統量化指標要素，能有效地揭示城市環境的變化。歸一化水汽指數(NDMI)是研究城市化進程中城市生態環境的一個重要指標和過程參數，它表征了土壤或植被等水汽含量的多少[1]。研究地表水汽含量，能揭示地表水汽空間變化規律，分析研究區生態環境，對維持區域生態系統的穩定性，改善人居環境以及城市化進程可持續發展有一定的指導意義。

學者們利用NDMI主要研究水汽指數與土壤濕度的關系[2-3]、歸一化濕度指數對熱力景觀格局的影響[4]、溫濕指數對不透水表面的響應[5]等方面，缺乏對地表水汽含量水平和垂直方向上時空分布特征以及與城市生態環境結合的研究。地表水汽含量的遙感測定對農、林業和水文研究具有重要的意義，在物質、能量的交換中起著重要作用，是城市熱島效應、土壤濕度和地表溫濕度等研究領域的重要環境因子和過程參數[1,5-6]；重慶市都市區作為城市發展的典型代表區域，其區域內NDMI的空間分布特征更具有研究價值。

1 研究區概況

重慶市位于中國內陸西南部、長江上游地區，年平均降水量較豐富，以丘陵、山地地形為主，坡地面積較大。都市區是重慶市經濟最發達、城鎮化水平最高、人口最密集的區域，包含渝中區、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9個行政區全部轄區范圍，總面積約5 473 km2。近年來，都市區城市擴展迅速，城市的生態環境和人居環境倍受關注。

2 數據源與數據預處理

2.1 數據源

采用美國陸地衛星1988年、2000年、2002年、2007年、2010年同時節的TM遙感數據作為研究都市區水汽指數(NDMI)的影像數據源，空間分辨率為30 m；同時采用都市區對應年份的土地利用現狀解譯數據，并收集1∶50 000 DEM數據、行政區劃數據和相關社會經濟統計數據。

2.2 數據預處理

2.2.1 影像數據處理 對Landsat TM遙感數據進行輻射較正和幾何精校正處理，減少遙感數據收集和處理過程中產生的誤差與形變。采用Albers投影，105°的中央經線，雙標準緯線采用25°，47°。通過圖像增強改善圖像視覺效果，更有利于對遙感影像數據的識別。結合TM遙感數據各波段的數據信息，根據本次研究目的，分別提取每期遙感影像的4，5波段數據，并對遙感數據進行剪切和拼接處理。

2.2.2 DEM數據處理 首先利用1∶50 000 DEM數據生成都市區坡度數據。國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會依據地貌特征將坡度分為7個等級[7]：0°～0.5°為平原，0.5°～2°為微斜坡，2°～5°為緩斜坡，5°～15°為斜坡，15°～35°為陡坡，35°～55°為峭坡，55°～90°為垂直壁；全國第二次土地調查中將耕地坡度分為≤2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°五個坡度級。結合重慶山地城市的地形地貌特征，將研究區坡度劃分為0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°六個坡度級。

根據學者們對與都市區具有類似地形區域的研究，都市區以及其周圍區縣的城區平均海拔高度為400，300～600 m海拔范圍內的土地利用類型呈現明顯的多樣性特征，1 200 m海拔以上的土地利用類型趨于單一[8]。依據本次研究收集的DEM數據，都市區的高程區間為100～1 600 m，故將研究區內100～300 m高程單獨劃分為一類，高程為600～1 200 m單獨劃分為一類，大于1 200 m的單獨劃分為一類，對300～600 m范圍內的高程要進行細分。高程在300～600 m范圍內，土地利用強度大，隨高程變化，土地利用變化明顯，為充分研究該范圍內高程對土地利用的影響，采用內插法以100 m進行細分。因此，結合都市區實際情況將研究區高程劃分為6級，即100～300，300～400，400～500，500～600，600～1 200，>1 200 m。

3 研究方法

3.1 水汽指數及分類

NDMI由近紅外波段和中紅外波段的差異獲得[9]。近紅外波段TM4具有最大的反射率，中紅外波段TM5反射率減少是因為中紅外是水的吸收波段[6]。因此，利用TM4，TM5水汽含量的差異可以求得NDMI值，值越高表明地表含水量越大。NDMI計算公式為[10]：

NDMI=(band4-band5)/(band4+band5)

(1)

式中：band4，band5——TM圖像的第4波段、第5波段。

由于獲取的各年份的水氣指數為一個瞬時值，要將各時段的瞬時值進行比較，首先對各時段的水汽指數進行歸一化處理，歸一化計算方法如下：將其歸一化到0～1，再利用自然斷點結合土地利用現狀數據的方法，分別對各時段水汽指數進行分級，將研究區NDMI等級劃分為低水汽指數區域、較低水汽指數區域、中度水汽指數區域、較高水汽指數區域、高水汽指數區域5個級別。

NDMINEW=(NDMI-NDMIMIN)/(NDMIMAX-NDMIMIN)

(2)

式中：NDMINEW——歸一化之后水汽指數值；NDMIMAX——原始水汽指數中最大值；NDMIMIN——原始水汽指數中最小值；NDMI——原始水汽指數值。

3.2 分布指數

為了消除不同地形區段的面積差異和不同景觀組分的面積比重差異的影響，本文引入分布指數來描述各等級NDMI在地形梯度上的分布情況，其計算公式如下[11-12]：

(3)

式中：P——分布指數；e——地形因子；Sie——e地形因子某等級下第i級NDMI指數的占地面積；Si——研究區內第i級NDMI的占地總面積；Se——整個研究區內e地形因子某等級的總面積；S——整個研究區的面積。

3.3 地形位指數及分級

本文借用地形位指數來度量地形梯度[12]，定量分析NDMI與地形梯度之間的相互關系,進而更深入地分析土地利用類型與NDMI之間的相互關系。地形位指數計算公式如下[13]：

(4)

根據高程分級間隔點和坡度分級間隔點，同時結合地形位指數計算方法，依次推算出相應地形位指數的分級間隔點，將地形位指數劃分為6個級別：0～0.699，0.699～1.054，1.054～1.541，1.541～1.942，1.942～2.642，>2.642。

3.4 平面重心模型

平面重心模型可計算NDMI在平面坐標下重心的位置，從而分析在地理二維空間各時期重心位移，揭示NDMI在水平空間的變化過程。平面重心模型計算公式如下[14-15]：

(5)

式中：Xk——k級NDMI重心X坐標值；Aki——k級NDMI中圖斑i的面積；Xki——k級NDMI中圖斑i對應范圍內X坐標的平均值；Ak——k級NDMI總面積；Yk——k級NDMI重心Y坐標值；Yki——k級NDMI中圖斑i對應范圍內Y坐標的平均值。

3.5 重心遷移速率

重心遷移速率能更直接揭示各NDMI等級空間變化速度，其計算公式如下[14-15]：

(6)

(7)

式中：Vk——k等級NDMI垂直重心或坡度重心遷移速率；Bk(t2)，Bk(t1)——k等級NDMI在t2，t1兩個時間段的垂直重心或坡度重心值；t2，t1——截至時間和起始時間；Pk——k等級NDMI平面重心遷移速率；xk，yk——t時間k等級NDMI重心x，y坐標值。

4 結果與分析

4.1 歸一化水汽指數數量結構分布特征

從表1、圖1可以看出，中度水汽指數區域在空間上的分布面積皆為最大，所占區域面積接近50%，其次是較高水汽指數，高水汽指數區域空間分布面積最小。1988—2000年，1，2，3等級水汽指數的區域面積減少，4，5級水汽指數的區域面積增加，在此階段都市區地表水汽指數整體呈現上升趨勢；到2002年，3級水汽指數區域的面積與4，5級水汽指數區域的面積一并呈現增加趨勢，中高級水汽指數區域面積逐漸上升；到2007年，都市區區域水汽指數的分布面積變化趨勢與前幾年間呈現的變化趨勢相反，中低級水汽指數的分布面積增大，高級水汽指數的分布面積減少，水汽指數在區域空間上呈現出下降的趨勢；到2010年，區域各級水汽指數空間分布面積的變化規律又逐步恢復為中高級水汽指數面積增加的趨勢，整個區域的地表水汽逐步增多。

表1 1988-2010年各級NDMI面積分布

圖1 重慶市都市區各等級NDMI變化量

4.2 歸一化水汽指數空間地域分布特征

從圖2可以看出，1988—2010年，建成區中以渝中區為中心的低、較低水汽指數區域面積持續擴大，西北方區域環境通過治理得到了一定恢復；都市區東南方區域2002—2007年NDMI指數下降，近年東南方區域NDMI指數基本呈上升趨勢。

1988—2010年渝中區和大渡口區中低水汽指數面積占其總面積最大；巴南區水汽含量較高，第4級、第5級NDMI指數分布面積最多；江北區在1988—2002年中高水汽指數所占面積較大，2002—2010年中高水汽指數面積大幅度減少，中低水汽指數面積增加；九龍坡區、南岸區、沙坪壩區在1988—2002年高水汽指數所占面積略大于中低水汽指數的面積，2002—2010年中低水汽指數面積增加，2007—2010年中低水汽指數面積超過了中高水汽指數所占的面積。渝北區1988—2007年第4級、第5級NDMI面積一直呈下降趨勢，2007—2010年有所回升，中低水汽指數在1988—2010年面積基本呈現下降趨勢，2002—2007年面積略微上升。

圖2 不同年份NDMI分布

4.3 歸一化水汽指數各等級轉移變化特征

由表2可以看出，1988—2002年各個等級的NDMI轉出量大小排序：中NDMI>較高NDMI>較低NDMI>低NDMI>高NDMI，各個等級的NDMI轉入量大小排序同樣為：中NDMI>較高NDMI>較低NDMI>低NDMI>高NDMI，該順序與各等級區域面積的大小具有一致性。中度NDMI、較高NDMI面積增加，且轉換量最大，變化活躍度最高；低NDMI、較低NDMI面積減少；高NDMI不論是轉入或轉出的量都相對較少，通過與土地利用現狀對比可知高NDMI區域基本屬于水域，變換量較少；NDMI各等級之間的轉換主要集中在相鄰等級之間，符合向臨近等級轉換的規律。

表2 1988-2002年NDMI等級面積轉移矩陣 km2

由表3可以看出，2002—2010年重慶都市區NDMI各等級變化與1988—2002年有相似規律，即各NDMI等級的轉移量排序與該等級的原始面積大小順序一致，其中NDMI和較高NDMI變化活躍度最高，且各等級轉換符合向臨近等級轉換的規律。2002—2010年中NDMI、較低NDMI面積增加，較高NDMI面積減少較為明顯，高NDMI和低NDMI變化量較少。轉換較為活躍的是較低NDMI、中NDMI和較高NDMI三個等級，相對轉換最少的為高NDMI。

4.4 歸一化水汽指數水平重心分布特征

利用公式(4)、(6)、(7)分別計算，得到圖3、表4。從NDMI平面空間重心分布圖中可以看出各個等級的NDMI遷移軌跡沒有一個嚴格的路徑，1988—2010年第1等級的平面空間重心變化幅度相對最大，整體情況為向西南方向遷移，只有2000—2002年表現為向西北方向轉移；第2等級NDMI在1988—2000年重心向東北方移動，2000—2002年向正西方平移，且具有最大速率3 624.80 m/a，2002—2007年向東南方移動，2007—2010年向西南方移動，整體表現為先向北再向西南方遷移；第3等級NDMI遷移范圍相對較小，最大遷移速率出現在2000—2002年，為1 249.90 m/a；NDMI第4等級遷移方向為先向西南方，然后向東南，再向西北，最后向東方遷移；NDMI第5等級1988—2002年表現為向東方遷移，然后向西北方，最后向東南方向移動。

表3 2002-2010年NDMI等級面積轉移矩陣 km2

2000—2002年NDMI各個等級之間變換最為活躍，各等級的最大遷移速率均出現在此階段，其次是2007—2010年較為活躍；除第3等級外，其他等級NDMI遷移距離皆較大。

圖3 重慶市都市區各等級NDMI指數平面空間重心遷移分布

表4 重慶市都市區各地類平面空間重心遷移速率 m/a

4.5 基于地形梯度下的歸一化水汽指數分布特征

利用公式(3)，計算得到表5、圖4。由圖4可以看出，低水汽指數在1級地形位上分布指數均大于1，分布指數幾乎是逐年遞減的變化趨勢，在4，5，6級地形位上分布指數較低。較低水汽指數在2，3級地形位上呈優勢分布，大多集中在300～1 200 m高程的平地、600 m高程以下的低緩坡以及500 m以下的高緩坡；5，6級地形位上分布指數變化幅度較大。中度水汽指數在3，4，5級地形位上分布指數較大，且各年份中在4，5級地形位上分布指數較穩定，1，6級地形位上分布指數偏低。較高水汽指數在1，2，3級地形位分布指數偏低，從3級地形位分布指數普遍升高，4，5，6級地形位分布指數較高。高水汽指數在不同時期不同地形位上的分布指數差異較為明顯，1988年和2002年的變化趨勢相同，1—2級地形位上分布指數大幅度升高，2—6級地形位分布指數呈現明顯下降趨勢，且在2級地形位上呈明顯的優勢分布；2002年、2007年、2010年在1—2級分布指數大幅度減少，2—6級地形位上2002年和2010年分布指數較平穩，2007年在5—6級地形位上分布指數有所上升。

綜合分析以上數據可以得出，2007年和2010年地表水汽的變化不大；低水汽指數區域在高坡度和高海拔內分布指數波動較大，集中分布在300～500 m高程的平地和100～400 m的低緩坡區域中，該區域為建設用地集中分布區域；中度水汽指數中分布指數在1—3級地形位上增加，在3—6級地形位上呈現減少的趨勢；較高水汽指數中分布指數在1—3級地形位總體略微減少，在3—6級地形位上增多；高水汽指數在1，2級地形位的分布指數最多，主要是重慶都市區長江和嘉陵江流經的區域主要集中在1，2級地形位。

表5 各高程與坡度組合下的地形位分布指數級別分布

圖4 不同地形位等級下的NDMI分布指數變化

5 結 論

(1) 1988—2010年各等級NDMI在每個時間點上面積分布的大小順序都呈現出相同的規律，即中度水汽指數>較高水汽指數>較低水汽指數>低水汽指數>高水汽指數。

(2) 渝中區中低水汽指數面積所占其總面積比例一直最大，巴南區中高水汽指數面積占都市區中高水汽指數總面積比例最大。隨著建設用地面積的擴大，城市的發展，地表水汽含量總體有所減少。

(3) 各等級NDMI的面積轉換主要集中在相鄰等級之間，符合向臨近等級轉換的規律。

(4) 從平面重心變化上，1，2級NDMI與城市建設用地的遷移軌跡呈現相似性，2000—2002年各等級NDMI的最大遷移速率均出現在此階段。

(5) 從垂直重心變化上，低水汽指數區域在高坡度和高海拔內分布指數波動較大，集中分布在300～500 m高程的平地和100～400 m的低緩坡區域中，高水汽指數在1，2級地形位的分布指數最多。

[1] 錢樂祥,崔海山.歸一化水汽指數與地表溫度的關系[J].地理研究,2008,27(6):1358-1366.

[2] 張佳華,姚鳳梅,李莉,等.基于遙感和地面試驗的水分指數與土壤濕度及生理指標關系[J].農業工程學報,2010,26(4):151-155.

[3] 陳書林,劉元波,溫作民.衛星遙感反演土壤水分研究綜述[J].地球科學進展,2012,27(11):1192-1203.

[4] 王剛,管東生.植被覆蓋度和歸一化濕度指數對熱力景觀格局的影響:以廣州為例[J].應用生態學報,2012,23(9):2429-2436.

[5] 李仕峰,錢樂祥,王瑾.基于陸地衛星TM/ETM+改進的溫濕指數及其對不透水表面的響應[J].地理與地理信息科學,2013,29(2):112-115.

[6] 任霞,高超,張潔.城市熱島效應與地表特征參數的定量研究[J].科技信息,2011(12):440-441.

[7] 中華人民共和國國土資源部.第二次全國土地調查技術規程TD/T1014—2007[S]北京:中國標準出版社,2007.

[8] 陳丹,周啟剛,何昌華,等.重慶山地都市區1985—2010年土地利用變化地形特征分異研究[J].水土保持研究,2013,20(3):86-91.

[9] 周鵬,丁建麗,王飛,等.植被覆蓋地表土壤水分遙感反演[J].遙感學報,2010,14(5):966-973.

[10] 李少青.湘江流域土地利用變化的地表水熱環境響應研究[D].湖南湘潭:湖南科技大學,2012.

[11] 陳楠,楊武年,李娟.巴中市丘陵山區土地利用在地形梯度上的分布特征[J].水土保持通報,2012,32(1):185-188.

[12] 周啟剛,陳丹.重慶山地都市區土地利用地形特征分異研究[J].水土保持研究,2013,21(3):86-91.

[13] 許寧,張廣錄,劉紫玉.基于地形梯度的河北省太行山區土地利用時空變異研究[J].中國生態農業學報,2013,21(10):1284-1292.

[14] 周啟剛,陳丹,陳倩.重慶山地都市區1985—2010年土地利用重心遷移研究[J].水土保持研究,2013,20(4):1-5.

[15] 李建輝,周啟剛,陳倩,等.基于RS和GIS的建設用地變化研究:以重慶市主城九區為例[J].重慶工商大學學報:自然科學版,2012,29(1):76-81.

Research on the Spatiotemporal Differentiation Characteristics of NDMI in Chongqing Metropolitan Area

CHEN Dan, WANG Fuhai

(RongzhiCollegeofChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400033,China)

Normalized Difference Moisture Index (NDMI) is one of the important indexes and process parameters as used to examine urban ecological environment in urbanization process. The key to study the spatiotemporal differentiation characteristics of NDMI is to determine the interference from human. We took the TM data of Chongqing metropolitan area as the remote sensing data source. These methods including terrain niche index, distribution index, plane center model and the center migration rate were used to analyze the spatiotemporal distribution characteristics of NDMI. The results showed that with the extension of construction land and the development of city, land surface moisture content generally reduced; the transfer characteristics between each grade NDMI mainly demonstrated the features with adjacent conversion; low moisture index mainly distributed in the flat with altitudes ranging from 300 m to 500 m and the gental slope with the altitudes varying from 100 m to 400 m; the highest moisture index mainly distributed in the first and the second terrain niche. These results can provide reference and basis for maintaining ecosystem stability and improving the quality of inhabited environment in Chongqing metropolitan area.

3S technology; NDMI; spatiotemporal differentiation characteristics; Chongqing metropolitan area

2014-08-22

2014-09-09

國家自然資助項目(41101503);國家社科基金重大項目(11&ZD161)

陳丹(1990—),女,重慶人,碩士,研究方向為3S理論與應用、國土資源管理與環境評價研究。E-mail:cd1105@163.com

X22; X16

1005-3409(2015)05-0234-06