基于干濕度規律的中國溫帶城市與區域NDVI空間變化研究

張雅倩, 馬俊杰

(西北大學 城市與環境學院, 陜西 西安 710127)

基于干濕度規律的中國溫帶城市與區域NDVI空間變化研究

張雅倩, 馬俊杰

(西北大學 城市與環境學院, 陜西 西安 710127)

[目的] 探索中國溫帶地區城市與區域生態差異的地帶性規律，為不同區域城市生態建設提供重要依據。[方法] 利用250 m空間分辨率MODIS NDVI遙感影像數據，采用最大合成法和高斯函數擬合方法，選擇中國從東部到西部的臨沂、許昌、白銀、吐魯番和克拉瑪依5個典型地級城市的植被歸一化指數(NDVI)，去探索中國溫帶地區城市與區域生態差異的地帶性規律。[結果] 從城市中心到邊緣10 km范圍內，由濕潤區到極干旱區域，城市與區域NDVI指數的變化呈現由“U”型—波浪型—“倒U型”的變化規律，但干旱區與極干旱地區由于依托綠洲建設城市，其NDVI指數可表現為“花M型”；不同地帶城市內部的NDVI指數有趨同現象，但人為強化城市生態建設，可有效提高城市NDVI指數。[結論] 按照不同地域城市與周邊區域的NDVI關系，在城市與周邊區域NDVI呈“U型”的城市，應以楔入式引入型生態建設為主體，在“倒U型”的城市，應以圈層式防護型生態建設為主體。

干濕度規律; 城市; 區域; NDVI; 空間變化

文獻參數： 張雅倩, 馬俊杰.基于干濕度規律的中國溫帶城市與區域NDVI空間變化研究[J].水土保持通報，2017,37(3)：210-215.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.035； Zhang Yaqian, Ma Junjie. Research on NDVI spatial variation of cities and region in temperate zone of China based on dryness and humidity regularity[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：210-215.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.035

隨著經濟實力的不斷提升，中國城市化進程已經進入中期(成長)階段[1]。城市化進程帶動和促進了周邊區域的發展，提高了城市居民生活質量，但同時也使城市與環境之間矛盾日漸突出，產生了環境污染、城市五島效應(干島、濕島、熱島、雨島及濁島問題)[2]、交通擁堵等問題。如何緩解城市環境污染與五島效應，不同的學者從自然、生態、經濟、社會等各種角度展開研究，在城市生態研究方面，常將城市空間分為城市灰色空間和城市綠色空間[3]。城市灰色空間是指城市建筑以及功能性水泥、瀝青地面所占據的空間(如停車場、道路)[3]；城市綠色空間是由具有光合作用的綠色植被與其周圍光、土、水、氣等環境要素共同構成的具有生命支撐、社會服務和環境保護等多重功能的城市地域空間[4]。城市綠色空間在阻滯塵粒、涵養水源、凈化空氣等方面發揮著改善城市人居環境重要的作用[5]。目前，城市綠色空間的研究主要集中在綠色空間的分布規律及空間特征，包含城市綠地與城市空間結構、綠色空間功能、綠色生態規劃等[3]。

城市綠色空間梯度變化逐漸受到國內外學者關注。如Uy P D等[6]以越南河內為研究對象，Rafiee等[7]研究以馬什哈德市為對象，Hahs等[8]以墨爾本市為研究對象，分析了從城市中心到邊緣的綠色空間分布規律。中國學者大多數從市域、城區的角度去探索城市綠色空間，如孫海清等[9]以北京市作為研究對象，研究得出北京市綠地空間格局演變特征及影響因素；俞龍生等[10]以廣州市番禺區為對象，研究城區和城鄉融合區演變特征，指出社會經濟的快速發展是其景觀格局顯著變化及城鄉融合區特征凸現的主要驅動因素。這些以單個城市為研究對象的城市生態研究，對于具體城市生態建設具有重要意義。但從大范圍區域角度，探討不同地域城市綠色空間及其梯度變化差異研究略顯不足。

中國溫帶地區東西經度地帶性規律明顯。東部地區氣候濕潤、地勢平坦，經濟發達，人口密度大，城市數量多、規模大；西部地區氣候干燥，土地荒漠化嚴重，人口密度小，城市數量少、規模小；中部地區氣候相對干旱、降水量較少，城市發展水平介于東部和西部之間。由于受自然條件尤其是氣候條件的影響，社會經濟條件和城市建設理念的差異，東、中和西部城市及其生態建設也可能存在較大的差異，探究不同區域城市與周邊區域的生態變化規律，對于宏觀制定不同區域城市生態管理具有重要意義。

本文擬從大區域角度研究城市與腹地區域生態指標空間差異的變化規律，以中國溫帶地區干濕度變化規律為基礎，以干燥度變化梯度為依據，從東到西選擇臨沂、許昌、白銀、克拉瑪依和吐魯番等五個典型地級市為研究對象，利用250 m分辨率的植被遙感影像產品作為數據源，使用高斯函數擬合不同城市的NDVI數據，研究由城市中心向外10 km范圍內NDVI數據的空間變化規律，總結不同區域城市生態建設特征，深化基于干濕度規律下城市生態建設變化規律認識，為強化不同地域城市生態建設與管理提供依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

中國溫帶地區東西經度范圍廣，干濕度分帶明顯，氣候、植被、土壤地帶性規律顯著。考慮到氣溫條件和水分條件的差異，依據陳建偉[11]提出的干濕度劃分方法，可以將中國干濕氣候區劃分為5大區域，包括濕潤區(K<1)、半濕潤區(1K>3)和極干旱區(K>8)。結合中國干燥度數據圖，本文選取了5大區域內部5個典型城市為研究對象，具體包括濕潤區的臨沂市(a)、半濕潤區的許昌市(b)、半干旱區的白銀市(c)、干旱區的克拉瑪依市(d)和極干旱區的吐魯番市(e)。受地理位置和自然條件影響，城市發展綠化水平基礎條件不盡一致。加之受城市建設的影響，不同城市綠色空間建設投入資金和政策有所不同，導致不同區域內城市綠地建設水平的差異。

1.2 數據來源與處理

本文使用數據主要來自美國國家航空航天局NASA網站(http:∥glovis.usgs.gov)提供的MOD13 Q1數據產品，其空間分辨率為250 m×250 m，地圖投影為正弦曲線投影，每16 d合成一幅影像，2015年6月至9月每個城市分別有6幅影像，詳細的軌道號和時間見表1。在數據處理中，首先對NDVI產品進行投影轉換、影像拼接等預處理工作(影像統一投影為UTM-WGS84)；其次結合國家基礎地理信息提供的我國各地級市邊界，裁剪出5個典型地級市的研究范圍；再次，使用最大合成法，利用ARGGIS軟件對5個典型地級市夏季NDVI值進行提取；最后使用OriginPro 8軟件，繪制NDVI空間變化曲線，比較分析城市與區域NDVI分布差異。

表1 城市樣點相關信息

注：每個典型地級市所獲取MODIS NDVI合成影像時間相同。

1.3 研究方法

1.3.1 最大合成法 NDVI可以表征區域植被狀況[12]。為了消除不同時期影像的云、大氣、太陽高度角等因素對NDVI產品的干擾，采用目前國際上通用的最大合成法(maximum value composites, MVC)，以計算的5個典型城市夏季6，7，8月NDVI最大值作為各城市的NDVI值，具體見公式1：

M(NDVIi)=max(NDVIij)

(1)

式中：M(NDVIi)——第i個像元的夏季NDVI最大值； NDVIij——第i個像元第j幅影像的NDVI值。

1.3.2 采樣方法 對于每一個城市而言，首先選取城市中心附近具有明顯標志的地物作為中心點，以此中心點為參照，設置E-W，N-S，SE-NW，NE-SW 4個方向的射線，并以250 m為間距設置40個同心圓，利用ARCGIS中的值提取點工具，提取各條射線和同心圓交點(采樣點)的距離和NDVI值。以N，NE，E，SE向為正向，以S，SW，W，NW向為負向，繪制每條射線上的NDVI變化曲線。

1.3.3 高斯函數擬合 高斯函數曲線是由無數個離散點(Xi，Yi)(i=1，2，3等)構成的曲線[13]。每一個高斯函數均由4個參數決定，峰高A、峰位Xc、半寬W和偏移量Y0。其中峰高A決定高斯函數的開口方向和峰的高度;峰位Xc決定峰的中心位置，即達到峰高時對應的X坐標；Y0為基準偏移量；半寬度W為當縱坐標達到(Yo+A/(2) 時所對應的橫坐標與峰位的差值除以2的值，代表峰的橫向寬度。具體函數形式如公式2所示：

(2)

式中：Y0——城市周邊區域的指數水平。

2 結果與分析

受人類活動的影響，不同城市從城市中心到城市邊緣腹地，土地利用類型差異較大，變化較為復雜，城市建筑與綠化等呈現空間犬牙交錯、雜亂無章的特征[9]。通過每個城市4個方向的NDVI值變化觀察，發現不同方向上曲線波動差異較大，本文選取了東—西和南—北2個方向作為典型方向來探討不同城市NDVI空間變化規律，并以東—西向為樣本，利用高斯函數擬合其空間變化特征(圖1)。

從圖1 a可知，在臨沂市東西和南北2個方向上，從城市中心到城市邊緣區NDVI值變化趨勢呈“U型”，即城市中心低于城市腹地區域。在東西方向上，距離城市中心西5 940 m，西8 580 m，西10 000 m，東1 540 m，東2 860 m，東6 820 m大多數為農田和河岸綠化。在南北方向，距離城市中心南7 260 m，南9 020 m，北7 700 m，北9 900 m各分布著雙月湖公園中綠地、羅主動物園和農田等。從圖1b和表1可知，高斯擬合曲線的A值為-1.452 2，W值為11 918.76 m，Y0值為1.807。說明臨沂市城市NDVI小于周邊區域，城市面積較大，周邊區域NDVI最高。

從圖1c可知，許昌市東西和南北兩個方向NDVI值從城市中心到城市邊緣的總體趨勢臨沂市一致，均呈“U型”曲線。但在東西方向上，距離城市中心西6 380 m，東10 000 m的NDVI值高于城市中心，原因在于距離城市中心4 620 m以上，大多數為城市周邊的農田和在建的香山公園。從南北方向看，城市北7 060 m處出現峰值，原因是城市周邊鑲嵌農田的影響。從圖1d和表1可知，高斯擬合曲線的A值為-0.552，W值為3 918.767 m，Y0為0.883，說明許昌市城市NDVI小于周邊區域，城市面積和周邊區域NDVI小于臨沂市。

從圖1e可知，白銀市東西和南北兩個方向NDVI值波動較大，城市綠地與城市灰色建筑鑲嵌分布特征明顯。在東西方向上，距城市中心西2 420 m，西8 580 m，東2 420 m和東5 940 m處曲線出現峰值，其原因在于東西方向上分布著帶狀綠地、農田、西山公園和林地。在南北方向上，距城市中心南220 m，南2 420 m，南6 380 m，北9 460 m處分布著白銀文化廣場、街旁綠地、農田和林地等4個峰值。從圖1f和表1可知，高斯擬合曲線的A值為0.161，W值為3 813.463 m，Y0為0.190，說明白銀市城市NDVI略大于周邊區域，城市面積與許昌相近，但周邊區域NDVI小于臨沂和許昌市。

注：曲線1為除去吐魯番市外層的綠洲距離的擬合高斯曲線曲線； 曲線2和3分別代表根據實際曲線(東西方向)左、右峰值分別擬合兩個高斯曲線。表2同。

圖1 5個典型城市4個方向上NDVI曲線(左)和東西方向上高斯擬合曲線(右)

從圖1g可知，克拉瑪依市東西方向上NDVI值變化最為顯著，呈現“倒U型”，表現為城市中心高于城市腹地區域。東西方向上，距離城市中心西1 100 m，東6 820 m處出現高峰值，原因在于分布著生態公園和河濱綠化；南北方向上,距離城市中心北3 740 m出現最高峰，主要與大面積苗圃有關。從圖1h和表1可知，高斯擬合曲線的A值為0.407，W值為1 418.240 m，Y0為0.190，說明克拉瑪依市城市NDVI大于周邊區域，城市面積最小，與前述城市相比，其周邊區域NDVI很小。

從圖1i可知，吐魯番市NDVI值梯度變化東西方向要比南北方向顯著，呈“花M型”，表現為城市內部低、四周高、外圍更低的趨勢。東西方向上，受城市周邊農田的影響，距離城市中心東4 180 m處和西7 700 m處的NDVI值達到最大。南北向上，受北邊城市周邊農田、南邊農田和沙漠植物園的影響，距離城市中心北5 149 m和南4 180 m，NDVI指數達到高峰值。從圖1j和表1可知，高斯擬合曲線1的A值為-0.465，W值為1 788.762 m，Y0為0.768，說明吐魯番市城市NDVI小于周邊區域，城市面積較小，周邊區域NDVI較高。

進一步分析發現，吐魯番市周邊均為綠洲，通過對東、西兩側綠洲的擬合(曲線2，3)，發現綠洲外圍的峰高(A)大于0，偏移量(Y0)僅為0.077，說明綠洲外圍更大范圍區域的NDVI是本研究所選城市周邊區域中最小的區域。

表2 不同城市高斯函數擬合參數表

圖2是典型城市干燥度與高斯擬合曲線Y0值的關系。由圖2可知，Y0值與干燥度呈現顯著的冪函數反相關關系(R2=0.98)。即隨著干燥度的增加，不同區域內城市的Y0值逐漸降低。

圖2 城市干燥度與高斯擬合曲線Y0值的關系

由圖3中可以看出，5個典型城市中心NDVI峰值(A)變化于0.262～0.510，其中克拉瑪依市最大(0.51039)，吐魯番市最小(0.2622)。臨沂市、許昌市和白銀市分別為0.35197，0.32837，0.35393，其NDVI值相差較小。說明這3個典型城市中心的NDVI值趨向于一致，綠化水平相近。

圖3 不同區域城市高斯擬合

3 討論與結論

3.1 結 論

本文對比分析了5個典型城市NDVI擬合曲線，發現高斯函數擬合效果較好(除白銀市外，R2均大于0.75)，但不同城市差異很大，而這種差異具有一定程度的合理性，并呈現明顯的空間分異的規律。

(1) 不同城市與區域NDVI值與干燥度呈負相關關系。在大尺度背景下，城市建設所依的區域NDVI在遞減，這種規律符合在中國溫帶地區的經度地帶性規律。

(2) 不同城市內部NDVI總體趨同，但極端氣候和過強投入對城市NDVI有不可忽視的影響。高斯擬合曲線在城市中心NDVI值代表著城市中心綠化水平。克拉瑪依市雖地處戈壁，但由于以石油產業為主，人均GDP遠高于全國其他城市，城市生態建設意識超前，超常規的城市生態建設投入，使得其城市生態水平明顯領先于其他城市。吐魯番市雖地處吐魯番盆地，但城市周邊以綠洲農業開發為主，其城市生態建設資金有限，加之氣候極度干旱，降水極少，城市綠化水平最低。

(3) 城市與區域NDVI空間變化由“U型”向“倒U型”變化，干旱區“花M型”普遍。以臨沂市和許昌市為代表的中國溫帶濕潤和半濕潤地區，城市NDVI擬合曲線呈“U型”(A<0)(圖3和表2)。說明在濕潤和半濕潤地區，由于降水條件較好，城市建設的區域生態背景優越，城市建設用地開發對區域生態沖擊明顯，城市生態水平明顯降低。

在中國半干旱區，白銀市NDVI曲線呈“波浪型”，擬合曲線呈不顯著的“倒U型”(A=0.16，R2=0.293 8)(圖3和表2)，說明城市中心綠化水平稍大于城市外圍綠化。原因在于白銀市地處半干旱區，多年平均降水量為250 mm，區域生態背景較差。結合其與濕潤、半濕潤區的臨沂市和許昌市的空間關系，可以猜想，在中國半干旱區降水量約300 mm、干燥度約2.5的城市，其城市與區域生態水平大體相當，NDVI擬合曲線呈現由“U型”到“倒U型”的轉換。在中國干旱地區和極干旱地區，NDVI擬合曲線呈顯著的“倒U型”(A>0)(圖3和表2)，呈這種分布特征的有克拉瑪依市和吐魯番市，其中以克拉瑪依市為典型代表。但在中國干旱和半干旱地區，綠洲作為水資源最為豐富的地區，常作為區域產業發展和城市建設的依托區，城市與周邊區域常呈現“荒漠—綠洲—城市—綠洲—荒漠”的地域分布格局，其NDVI分布也常呈現出“花M型”特征，即城市中心的低值區—綠洲的高值區—荒漠戈壁的最低值區的特點。

不同城市及其區域NDVI空間變化規律與城市生態建設模式的選擇。中國溫帶地區從東部到西部，隨著干燥度增加，由典型城市中心至10 km范圍內NDVI呈現為“U型”—“波浪型”—“倒U型(或花M型)”的變化規律，反映了不同城市與周邊區域的空間生態關系。對于濕潤和半濕潤地區，城市與周邊區域NDVI呈“U型”分布特點，說明城市建設所塑造的以建筑為主的城市生態條件，劣于周邊區域以自然或農業為主的生態條件。對于干旱與半干旱地區，城市與周邊區域NDVI呈“倒U型”分布特點，說明城市只要充分重視城市生態或綠化建設，就能形成雖以建筑為主體但綠化明顯高于周邊以荒漠、戈壁為主體的生態條件。在此種條件下，城市周邊的干旱、高溫、風沙等生態因子，均會嚴重影響城市生態系統的建設與維護。

3.2 討 論

基于不同干濕度區域內城市NDVI曲線呈“U型”—“波浪型”—“倒U型(或花M型)”的變化規律，在不同城市生態建設中，建議采取相應的綠化體系建設策略。對于濕潤和半濕潤地區的城市，城市生態建設要充分借助空氣流通、水體流動、動植物傳播等自然過程，把城市周邊區域的各種生態因子引入城市。即在充分考慮城市主導風向的基礎上，合理控制建筑高度，預留城市風道，利用河流濕地、道路綠化、電力走廊等建設城市楔形藍帶和綠帶，并將其與城市內部的點、線、面狀綠化有機結合，形成以楔入式引入型為主體的生態建設格局，將會顯著改善城市生態狀況，節約城市生態建設投資。

對于干旱與半干旱地區的城市，城市建設充分考慮應對區域嚴酷生態因子對城市生態系統的沖擊，并通過強化城市內部點、線、面狀綠化系統建設及其維護，形成以圈層式防護型為主體的生態建設格局。在依托綠洲建設的城市，應充分研究綠洲水資源對城市發展的支撐作用，但應充分重視綠化建設和管理中節水措施的應用，減少水資源消耗。

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Research on NDVI Spatial Variation of Cities and Region in Temperate Zone of China Based on Dryness and Humidity Regularity

ZHANG Yaqian, MA Junjie

(CollegeofUrbanandEnvironmentSciences,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] To explore zonal regularity of ecological differences among different cities and regions in temperate zone of China and to discover the significance exerted on the development of urban green construction. [Methods] By employing the 250 m resolution data offered by NDVI MODIS remote sensing image and with the aid of the maximum synthesis method and Gauss's function fitting method, the study intended to explore zonal regularity of urban areas and regional ecological differences in temperate regions of China in terms of vegetation normalization index(NDVI), which covered Linyi, Xuchang, Baiyin, Turpan and Karamay 5 typical cities in China from east to west. [Results] Viewed from the humid region transition to the hyper-arid region, the change of urban and regional NDVI index presented a “U” type to wave type to “inverted U” changes regulations from center city to the <10 km edge and. However, because these cities rely on oasis in the arid area and hyper-arid region, NDVI index can be expressed as “M” type. In conclusion, the study demonstrated that NDVI index presented a convergence trend in different regions of the city, whereas, it can be effectively improved the city NDVI index by strengthening urban ecological construction artificially. [Conclusion] When NDVI index of a city is the “U” type，the urban green arrangement should be arranged with dot and line as the main part. When NDVI index of a city is the “inverted U” type，the city green arrangement should be arranged with several rings as the main part.

dryness and humidity regularity; urban; region; NDVI; spatial variation

2016-12-29

2017-02-22

國家自然科學基金青年基金資助項目“基于城市物質代謝視角的生態城市建設研究：以西安國際化大都市為例”(51208423)

張雅倩(1992—),女(漢族),山西省晉城市人，碩士研究生,研究方向為城市生態與環境。E-mail:xbchxyzyq@163.com。

馬俊杰(1962—),男(漢族),陜西省西安市人，教授,博士生導師,主要從事環境評價與規劃。E-mail:xdhgvip@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0210-06

K921，Q948