基于RSEI 指數的合肥市城市生態變化

董敏 明彥利

（福州大學環境與安全工程學院 福建福州 350108）

0 引言

隨著中國城市化的快速發展，城市建設用地規模不斷向郊區擴張，“城市病”帶來的負面效應也愈發嚴重，城市生態問題日益嚴峻，及時客觀地對城市生態環境變化進行檢測和評估具有重要意義［1］。

合肥市位于安徽中部地區，是長三角城市群副中心之一，合肥都市圈中心城市，自2000 年以來城市化進程和現代化建設快速發展。根據合肥市國民經濟和社會發展統計公報，2000年作為“九五”計劃最后1 年，合肥市基本完成建成城市大框架的任務。2011 年完成行政區劃調整，將廬江縣和縣級市巢湖市劃歸轄下。2020 年，根據新一線城市研究所發布《2020 城市商業魅力排行榜》，合肥市首次獲評“新一線城市”。

與合肥市高速發展的城市建設相比，在城市發展過程中的生態環境問題關注仍相對較少。以往的研究更多地集中在長三角城市群［2］、京津冀城市群［3］和粵 港澳大灣區［4］等 地區，針對合肥市基于多指標、大范圍、長時間序列的生態變化動態監測研究還不多見。因此，本文擬采用新型遙感生態指數（RSEI）對合肥市2000—2020 年的城市生態變化進行綜合研究。

1 研究區及研究方法

1.1 研究區

合肥市作為安徽省省會，是全省政治、經濟和文化中心，中國東部地區重要城市，常住人口818.9 萬人，城鎮化率76.33%。合肥屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量適中，年平均氣溫15.7 ℃，年降水量約1 000 mm。本文選取合肥市老城區及其周邊區域為研究區，總面積約為2 326 km2（圖1）。

圖1 合肥市研究區示意圖

1.2 遙感數據來源和處理

本文選取2000-04-08 和2020-05-17 的Landsat TM 和OLI/TIRS 圖像，兩幅遙感影像的季相接近，植被生長狀態相似，保證生態研究結果的可比性。使用二階多項式和最近鄰重新采樣對不同年份的兩個圖像進行幾何校正和配準，并且配準的均方根誤差（RMSE）小于0.5 像素。使用Chander 等［5］和Chavez［6］的IACM 大氣校正模 型進行Landsat TM5 圖像的輻射校正。使用Landsat 8 網站上公布的參數和模型進行輻射校正，以減少不同階段圖像的地形、光線和大氣的差異［7］。

1.3 研究方法

RSEI 指數是由徐涵秋提出的遙感生態指數［8］（Remote Sensing based Ecological Index），遙感生態指數（RSEI）選擇了與人類生活相關的4 個因素，即綠度、濕度、干度和熱度，作為反映生態質量諸多自然因素中的生態評價因子，并利用現有的遙感技術從遙感圖像快速提取4 項指標的信息，即采用歸一化差異植被指數（NDVI）、纓帽變換（TCT）的濕度分量（WET）、由建筑指數（IBI）和裸土指數（SI）合成的干度指數（NDBSI）、以及地表溫度（LST）分別代表綠度、濕度、干度和熱度。各指標表述如下：

（1）綠度指標。歸一化差異植被指數（NDVI）是最廣泛使用的植被指數之一，是植被覆蓋度、植被生物量和葉面積指數的重要指標［9］。因此，本文選擇NDVI 作為綠度指標。

（2）濕度指標。纓帽變換后的濕度分量（TCW）可反映地表植被、水體和土壤的濕度狀況［10］。

（3）干度指標。造成土壤干燥的主要原因是建設用地和裸地。本文選擇建筑指數IBI 和土壤指數SI 來代表干度指標［11］。

（4）熱度指標。熱度指標由地表溫度（LST）表示［12］。

（5）基于遙感的生態指標RSEI 的構建。將得到的4 個指標通過主成分分析（PCA）耦合，使用歸一化后的第一主成分（PC1）構建RSEI。由于上述4 個指標的維數不均勻，如果這些指標直接用于計算PCA，則每個指標的權重將是不平衡的。因此，在計算PCA 之前，將上述指標歸一化，即每個指標值轉換為0～1 范圍內的無量綱值。每個指數的通用歸一化公式如式（1）。

式中：NIi是歸一化指標值；Ii是指標中像元I 的值；Imax是該指標的最大值；Imin是該指標的最小值。在4 個指標歸一化之后，借助于遙感軟件的主成分分析模塊計算PC1。為了使大值表示較好的生態，可用1 減去PC1 來獲得初始生態指數RESI0，見式（2）。

同樣，為了獲得的RSEI 值在不同時間和空間的可比性，RSEI0值也應該進行歸一化處理，見式（3）：

式中：RSEI 即為所求的遙感生態指數，取值范圍為［-1，1］，且值越大代表生態質量越好。

（6）RSEI 計算。首先將圖像的4 個生態指標歸一化后組合成新的圖像，并使用改進的歸一化水體指數（MNDWI）掩膜水體，以消除水體對主成分分析結果的影響。最后，對新合成的圖像進行主成分變換，得到不同年份的RSEI 圖像（圖2）。

圖2 RSEI 生態指數

2 結果與分析

通過主成分分析獲得2000 年和2020 年研究區4 個指標對PC1 的荷載值，并計算4 個指標和RSEI 的均值及其變化幅度（表1）。

表1 不同年份4 個指標和RSEI 統計

自2000 年至2020 年，研究區生態狀況總體呈下降態勢，RSEI 均值由2000 年0.592 下降至2020 年0.544，下降了6.42%。對生態狀況起積極作用的綠度均值上升，升幅為4.24%，濕度均值下降，降幅為2.43%，對生態狀況起負面作用的干度均值上升，升幅為34.08%，熱度下降，降幅為28.42%。綠度上升、熱度下降為生態帶來的積極作用不及濕度下降、干度上升帶來的負面作用，研究區總體生態質量降低。

為進一步探究研究區內局部生態質量變化，將歸一化后的RSEI 生態指數用等間隔法劃分為5 個等級，數值由低到高分別表示生態極差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優秀（0.8～1.0），并統計各個生態等級的面積及其所占比例（表2）。

表2 研究區不同年份RSEI 生態指數等級劃分及面積占比

2000 年研究區總體生態質量以中等和良好為主，面積占比分別為44.508 6%和44.965 7%，合計89.474 3%，生態較差和優秀區域所占面積極少，分別為6.946 2%和3.579 1%，生態極差區域面積僅占0.004%。2020 年研究區總體生態狀況發生改變，生態中等和良好的面積減少，面積占比分別為33.896 9%和28.882 1%，降幅分別為10.611 7%和16.083 6%，生態極差、較差和優秀區域面積增加，升幅分別為0.635 1%、17.554 2%和8.506 0%。值得注意的是，雖然研究區整體生態狀況呈下降趨勢，但生態質量優秀（0.8～1.0）區域面積占比卻有所上升，從RSEI 圖像（圖2）可以看到，2000 年生態中等和良好的區域由于合肥市不斷發展，城市建設向周圍郊區擴張，RSEI 生態指數等級出現明顯下降，但城市新建城區周邊生態狀況有所改善。

3 結論

本文對安徽省合肥市2000 年到2020 年間的生態質量進行了監測與分析。結果表明，合肥市城區生態質量整體處于中等良好水平，但由于近年來的快速發展，城市建設用地面積迅速擴張，生態狀況呈現下降趨勢。合肥市老城區生態質量未發生明顯變化，建成區面積擴大，新開發建設區生態質量出現下降。近年來，由于合肥市城市規劃對綠地系統布局和生態環境優化的重視，依托巢湖、紫蓬山、大蜀山風景名勝區和三十崗生態旅游區等景區進行綠地系統布局和生態優化工程建設，新建成城區周邊區域生態狀況明顯改善。綜上可知，大面積的城市建設用地擴張會導致區域生態環境質量下降，但科學生態規劃的實施有利于生態狀況的恢復和改善。因此，生態環境優化是當前城市規劃和建設過程中不可忽視的重點內容。