黃河三角洲建設(shè)用地與植被覆蓋度時(shí)空變化及其相關(guān)性分析

王發(fā)亮 林 康 孫憲龍

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

0 引言

建設(shè)用地是反映區(qū)域發(fā)展水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。植被類型與土壤類型的關(guān)系密切,因此,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大給自然環(huán)境帶來了一系列負(fù)面影響,比如建筑用地占用植被用地,導(dǎo)致城市及周邊環(huán)境質(zhì)量降低。自改革開放以來,我國(guó)的自然植被覆蓋面積迅速減少,嚴(yán)重影響著人們周圍的環(huán)境。因此,探討建設(shè)用地的發(fā)展對(duì)植被覆蓋度的影響具有重要的意義[1]。

遙感技術(shù)(Remote Sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)統(tǒng)稱為“3S”技術(shù)。隨著3S技術(shù)快速發(fā)展,可以獲得更多的時(shí)空信息來檢測(cè)研究城市化進(jìn)程與城市的景觀生態(tài)。RS可以迅速有效地提供地表自然變化和現(xiàn)象的宏觀信息,借助RS與GIS可以對(duì)建筑用地以及地表綠化覆蓋度進(jìn)行分析研究。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者利用RS對(duì)城市建設(shè)發(fā)展以及綠地變化進(jìn)行了大量研究:龐博等[2]采用歸一化植被指數(shù)法、主成分分析差異法和基于C5.0決策樹的分類后比較法對(duì)森林變化區(qū)域進(jìn)行分析,提供了提取林地植被的有效方法;姚靜等[3]基于專題制圖儀(Thematic Mapper,TM)遙感影像,運(yùn)用遙感圖像處理系統(tǒng)軟件(ERDAS)對(duì)某地城市綠地專題信息進(jìn)行提取。得到了對(duì)植被景觀目視效果最好的方法為歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)法。代穎懿等[4]介紹了幾種常用的建筑用地指數(shù)構(gòu)建原理,得到普適性建筑用地信息提取優(yōu)先使用指數(shù)型建筑用地指數(shù)(Enhanced Index Building Land Index,EIBI)的結(jié)論。吳志杰等[5]以Landsat TM/ETM+圖像為數(shù)據(jù)源,用歸一化差值法(Keyuords中有EIBI)提取的建筑用地信息客觀,可信度高,提取精度達(dá)到90%以上,適合于同時(shí)提取城市和農(nóng)村建筑用地信息。路廣等[6]選用Landsat等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù),利用像元二分模型估算并分析了黃河三角洲1986—2015年長(zhǎng)時(shí)間序列植被覆蓋度時(shí)空變化過程及影響因素(水分條件、鹽分條件、人類活動(dòng))。李曉謙等[7]利用1992和2013年Landsat TM數(shù)據(jù),在遙感與GIS平臺(tái)支持下,采用景觀格局和梯度分析相結(jié)合的方法分析沈陽市城市化進(jìn)程中景觀格局變化,為了解城市化過程中城市形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生態(tài)變化提供依據(jù)和參考。

學(xué)者們對(duì)建筑、植被提取方法以及城市化發(fā)展過程研究較多，但在建設(shè)用地對(duì)植被覆蓋影響上的研究較少。因此，本文以黃河三角洲為研究區(qū),利用遙感的手段,通過研究建設(shè)用地面積和植被覆蓋的時(shí)空變化,揭示1985—2010年城市化進(jìn)程建設(shè)用地的發(fā)展對(duì)自然環(huán)境的影響,研究結(jié)果對(duì)于人類活動(dòng)與自然環(huán)境的關(guān)系具有重要意義,為黃河三角洲的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了有效信息。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

黃河三角洲是我國(guó)三大河口三角洲之一。屬溫帶季風(fēng)氣候,季節(jié)變化較為明顯,植被覆蓋率較高,自然資源豐富。本文裁剪了37°3′～38°11′N, 118°16′～119°40′E之間的影像數(shù)據(jù)為研究范圍,主要包括渤海灣和萊州灣的灣口。

1.2 遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理方法

本實(shí)驗(yàn)用的黃河三角洲遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。選擇1985年5月、1995年5月、1999年5月、2005年5月、2010年5月的Landsat TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),運(yùn)用了1～5波段和7波段,空間分辨率為30 m。

為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。依次進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、彩色合成,最后對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裁剪。本文進(jìn)行裁剪時(shí),首先利用Spatial Subset工具對(duì)TM影像按照37°3′～38°11′N,118°16′～119°40′E進(jìn)行規(guī)則裁剪,然后通過矢量文件裁剪出陸地部分。

利用NDVI與EIBI對(duì)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)中的植被與建筑進(jìn)行提取,分析得到研究區(qū)25 a的植被與建筑變化情況。對(duì)建筑用地與植被進(jìn)行相關(guān)性分析,得出結(jié)論。本文為了更好地對(duì)黃河三角洲建設(shè)用地對(duì)植被覆蓋度的影響進(jìn)行分析,將黃河三角洲植被覆蓋度分為4級(jí),即低植被覆蓋度區(qū)(<30%)、較低植被覆蓋度區(qū)(30%～40%)、中植被覆蓋度區(qū)(40%～50%)、高植被覆蓋度區(qū)(>50%)。結(jié)合之前學(xué)者對(duì)黃河三角洲濕地的研究以及本文對(duì)植被覆蓋度的分級(jí)及實(shí)地分析,近代黃河三角洲低、較低植被覆蓋區(qū)大多為水域、裸地、灘涂、未利用地等,中植被覆蓋區(qū)為草地和稀疏草地林地等,高植被覆蓋區(qū)多為優(yōu)質(zhì)灌草地、優(yōu)質(zhì)農(nóng)田和優(yōu)質(zhì)林地等。為研究黃河三角洲建設(shè)用地對(duì)多種類型的植被覆蓋度的影響,指導(dǎo)黃河三角洲濕地的合理開發(fā)和植被保護(hù),選擇整個(gè)三角洲濕地作為研究對(duì)象而沒有選擇主要城區(qū)作為研究對(duì)象。

2 研究方法與技術(shù)路線

2.1 植被覆蓋度2.1.1 NDVI提取綠地

利用歸一化差異植被指數(shù)NDVI對(duì)植被進(jìn)行提取。其計(jì)算公式為

I=(RIN-R)/(RIN+R)

(1)

其中,RIN指近紅外波段,R是紅色波段。歸一化植被指數(shù)I是反映植物生長(zhǎng)狀況的重要參數(shù),I為正值時(shí)地面覆蓋為植被,且值越大,植被覆蓋越大[8]。

2.1.2VFC計(jì)算植被覆蓋度

根據(jù)像元二分模型原理,得到植被覆蓋度表達(dá)式

C=(I-Isoil)/(Iveg-Isoil)

(2)

其中,C為像元植被覆蓋度,Iveg為無植被覆蓋區(qū)I值,Isoil為100%植被覆蓋區(qū)I值。但由于研究對(duì)象與目的不同,以及其他因素影響,導(dǎo)致Iveg與Isoil為不定值。在計(jì)算過程中采用植物生長(zhǎng)當(dāng)季的I最大值和最小值來代替Iveg和Isoil。因此,本研究植被覆蓋度計(jì)算公式如下所示

C=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(3)

根據(jù)I累計(jì)頻率表,提取累計(jì)頻率為5%的I值作為Imin,累計(jì)頻率為95%的I值作為Imax。利用遙感圖像處理平臺(tái)(The Environment for Visualizing Images,ENVI)對(duì)遙感影像植被覆蓋度進(jìn)行提取。

2.2 建設(shè)用地覆蓋度

對(duì)于黃河三角洲這種土地類型復(fù)雜的地區(qū),不適合用NDBI和IBI對(duì)建筑用地信息直接提取。在土地類型復(fù)雜的地區(qū),NDBI和IBI都會(huì)受到低植被覆蓋區(qū)的影響;裸地與建筑用地的光譜特征很相似,用NDBI和IBI直接提取建筑信息是不可靠的,提取的建筑用地信息中常夾雜有植被噪音。因此,采用增強(qiáng)的指數(shù)型建筑用地指數(shù)IEIB提取建設(shè)用地信息。

(4)

其中,IN為歸一化差值裸地與建筑用地指數(shù);IE為增強(qiáng)型的裸土指數(shù);IM為歸一化差值水體指數(shù);IS為增強(qiáng)建筑用地信息的植被指數(shù),其模型表達(dá)式為

(5)

計(jì)算IS時(shí),所取L為土壤調(diào)節(jié)因子,經(jīng)過取值實(shí)驗(yàn),L=0.5時(shí)土壤亮度差異減到最小。

2.3 相關(guān)性分析

結(jié)合植被覆蓋區(qū)與建筑用地覆蓋區(qū)變化情況,假設(shè)是否具有相關(guān)性。做出散點(diǎn)圖,趨勢(shì)線。建立Spearman相關(guān)模型分析來確定建筑用地的發(fā)展對(duì)植被的影響[9]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度與植被覆蓋空間變化

結(jié)合圖1與表1可知,黃河三角洲的植被覆蓋度從1985年的42.7%增長(zhǎng)到2010年的50.8%,整體呈上升趨勢(shì),年均變化量為0.358 4;1985年的植被覆蓋度在研究年份中最低,2010年最高,1995、2005、2010年植被覆蓋度有小幅的增長(zhǎng)。1985—1995年主要以中植被覆蓋區(qū)為主,但面積減少583.77 km2,在這10 a中,較低植被覆蓋區(qū)顯著減少且高植被覆蓋區(qū)顯著增加,由圖1可知,高植被覆蓋區(qū)增長(zhǎng)區(qū)域分布在三角洲西南部。1995—2010年高植被覆蓋區(qū)面積增加2 557.17 km2,中植被覆蓋區(qū)減少2 535 km2。在黃河三角洲濱海地區(qū),由較低植被覆蓋去變?yōu)橹兄脖桓采w區(qū),黃河附近從中植被覆蓋區(qū)變?yōu)楦咧脖桓采w區(qū),植被覆蓋增加[10]。

圖1 植被覆蓋區(qū)域變化

表1 植被覆蓋變化表

3.2 建筑用地面積變化建筑用地空間變化

1985—1995年黃河三角洲建設(shè)用地面積變化較大,面積增長(zhǎng)了117 km2,1995—2010年面積增長(zhǎng)緩慢,增長(zhǎng)了43.03 km2;1985—1999年建設(shè)用地面積持續(xù)增加,并且增加顯著,共增加了約153.08 km2;1999—2010年建筑用地面積有小幅度的增加,增加了約6.94 km2。黃河三角洲建設(shè)用地主要分布在西南部和南部,并且沿著黃河建筑用地面積也在增加,如表2所示。

表2 建設(shè)用地面積變化表

3.3 相關(guān)性分析

為研究植被變化與建設(shè)用地變化的關(guān)系,對(duì)兩者進(jìn)行相關(guān)性分析。由于時(shí)代關(guān)系,1985年黃河三角洲地區(qū)建設(shè)指數(shù)面積與其他年份差別太大,所以進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)選擇了2008年影像數(shù)據(jù)作為參考,所提取植被覆蓋度為49.73%,低植被覆蓋區(qū)面積為202.40 km2,較低植被覆蓋區(qū)面積為803.41 km2,中植被覆蓋面積為2 502.31 km2,高植被覆蓋面積為5 031.2 km2,建筑面積為286.81 km2。

通過觀察圖1與圖2可知,在空間上高植被覆蓋區(qū)與建設(shè)用地都主要分布在黃河三角洲西南部和南部,且西南部的中植被覆蓋區(qū)是在1995—2010年逐漸演變?yōu)楦咧脖桓采w區(qū)。濱海地區(qū),1995—1999年,有部分低或較低植被覆蓋區(qū)變?yōu)橹兄脖桓采w區(qū)。1999年之后低或較低植被覆蓋區(qū)變化不明顯。研究植被覆蓋度與建設(shè)用地的趨勢(shì)變化(圖3),因數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性,使用 Spearman 相關(guān)系數(shù)研究相關(guān)性,具體分析得植被覆蓋度和建設(shè)用地面積之間的相關(guān)系數(shù)值為0.7,接近于0,并且顯著性P值為0.188>0.05,因而說明植被覆蓋度和建設(shè)用地面積之間并沒有相關(guān)關(guān)系。

圖2 建筑用地區(qū)域變化

圖3 近代黃河三角洲建設(shè)用地與植被覆蓋度變化

進(jìn)一步研究建設(shè)用地面積與不同植被覆蓋區(qū)域面積的相關(guān)性,得到趨勢(shì)變化圖(圖4),用Spearman相關(guān)系數(shù)分析低、較低植被覆蓋區(qū)與建設(shè)用地的相關(guān)性,得到兩者相關(guān)系數(shù)為相關(guān)系數(shù)值為-0.486,接近于0,并且顯著性P值為0.329>0.05,說明兩者沒有相關(guān)性,分析高植被覆蓋區(qū)與建設(shè)用地的相關(guān)性,得到兩者相關(guān)系數(shù)為0.891,顯著性P值為0.043,說明兩者存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,建設(shè)用地面積的增加一定程度上促進(jìn)了高植被覆蓋區(qū)面積的增加。隨著建設(shè)用地發(fā)展,更多的農(nóng)田、林地、灌草地增加,人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加使兩者同時(shí)增加。分析中植被覆蓋區(qū)與建設(shè)用地的相關(guān)性,得到兩者相關(guān)系數(shù)為-1,并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性,因而說明中植被覆蓋區(qū)和建設(shè)用地面積之間有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。并且結(jié)合圖1和圖2可以看出建設(shè)用地的增加對(duì)草地和稀疏草地林地發(fā)展變化起到了抑制作用。

圖4 近代黃河三角洲建設(shè)用地與植被覆蓋面積變化

本文利用遙感手段,基于遙感影像數(shù)據(jù),對(duì)1985—2010年植被覆蓋度和建筑用地面積進(jìn)行了時(shí)空分析,主要結(jié)論如下:

(1)植被覆蓋度從1985年的42.7%增長(zhǎng)到2010年的50.8%,建筑用地面積從1985年的126.927 km2增加到2010年的286.942 5 km2,總體上建設(shè)用地沒有對(duì)植被產(chǎn)生較大影響,但1985年是改革開放初期,建設(shè)用地較少,大多為未開墾的荒地[11-12]。

(2)建設(shè)用地的發(fā)展對(duì)低、較低植被覆蓋區(qū)影響不大,因?yàn)榈?、較低植被覆蓋區(qū)大多為裸地、灘涂、未利用地,分布在濱海地區(qū),建設(shè)用地沒有向?yàn)I海地區(qū)發(fā)展;建設(shè)用地面積的與高植被覆蓋區(qū)存在正相關(guān)關(guān)系,隨著建設(shè)用地發(fā)展,更多的農(nóng)田、林地、灌草地增加,人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加使兩者同時(shí)增加;中植被覆蓋區(qū)和建設(shè)用地面積之間有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。建設(shè)用地的增加對(duì)草地和稀疏草地林地發(fā)展變化起到了抑制作用,黃河附近從中植被覆蓋區(qū)變?yōu)楦咧脖桓采w區(qū)[13]。

(3)建設(shè)用地的發(fā)展主要發(fā)生在黃河沿岸、黃河三角洲南部和西南部,植被覆蓋的變化發(fā)展主要發(fā)生在黃河沿岸和濱海地區(qū)[14]。

4 結(jié)束語

本文采用歸一化植被指數(shù)法與增強(qiáng)的建設(shè)用地指數(shù)方法對(duì)黃河三角洲地區(qū)植被與建設(shè)用地信息進(jìn)行提取,得到1985—2010年六期植被與建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)(2008年數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充)。結(jié)合影像目視解譯對(duì)比分析25 a來植被覆蓋度與建筑用地的面積與空間變化信息。在得到三角洲地區(qū)建筑與植被空間覆蓋變化的基礎(chǔ)上,通過趨勢(shì)線分析、Spearman相關(guān)模型對(duì)城鎮(zhèn)建筑用地對(duì)植被覆蓋度的影響進(jìn)行分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,兩者沒有明顯相關(guān)性,但是建設(shè)用地與高植被覆蓋區(qū)與中植被覆蓋區(qū)存在明顯相關(guān)性,建設(shè)用地的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)田、林地、灌草地的發(fā)展,抑制了稀疏草地和林地發(fā)展。

(1)從總體看,研究區(qū)建筑用地面積與植被面積都有所增加,植被增加面積增加了8%,建筑物用地面積增加了142.2 km2。植被面積的增加主要得益于高覆蓋區(qū)面積植被的增加,主要原因?yàn)榇罅坎莸榈茸匀恢脖坏貐^(qū)被人們開墾為農(nóng)用地、耕地。而建筑用地的發(fā)展與植被覆蓋區(qū)發(fā)展在黃河沿岸重合,從西南部到沿海地區(qū)遞減。表明水鹽條件及人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋及城鎮(zhèn)建設(shè)用地時(shí)空變化影響較大。

(2)本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于首次通過增強(qiáng)的指數(shù)型建筑用地指數(shù)(EIBI)與歸一化植被指數(shù)(NDVI)相結(jié)合提取信息,并通過Spearman相關(guān)來分析區(qū)域發(fā)展時(shí)植被與建筑用地的相互關(guān)系。為有關(guān)部門對(duì)該地區(qū)土地的保護(hù)提供了指導(dǎo)意見。