云南省2006—2015年不透水表面時空擴張差異機制

徐 瑞，何光熊，，李 婕，史亮濤，方海東，史正濤

(1.云南師范大學 a.地理學部；b.云南省高原地理過程與環境變化重點實驗室，昆明 650500；2.云南省農業科學院 a.熱區生態農業研究所；b.元謀干熱河谷植物園，云南 元謀 651300)

0 引 言

不透水表面是指水難以下滲進入土壤的土地覆蓋類型(屋頂、 人行道、 柏油公路等), 是全球最劇烈的土地利用/土地覆蓋變化形式[1]。由于不透水表面阻隔了降水等液體進入土壤, 導致地表徑流下滲減弱, 短時間的強降雨勢必引起城市內澇; 不透水表面改變了下墊面的熱力屬性, 導致下墊面吸收更多的太陽輻射, 從而引發城市熱島效應, 造成大量污染物聚集在熱島中心, 威脅人們的生命健康; 此外, 不透水表面的擴張占用了大量的耕地、 林地等其他地表覆蓋類型, 造成耕地減少、 生物多樣性降低, 威脅到國家糧食安全和生態安全[2]。1970—2000年, 全球不透水表面增長了4倍[3], 不透水表面的快速擴張必將影響人類的生存。因此, 研究不透水表面的時空擴張特征, 探索不透水表面擴張的驅動因子, 對深入理解不透水表面擴張的機理、 促進國土空間優化管理以及實現人與自然協調發展具有重要意義。分析不透水表面時空擴張特征及驅動力因子已成為優化國土資源管理、 協調人地關系的重要環節。

近年來, 隨著遙感理論與技術的革新以及許多衛星影像的免費獲取, 多傳感器、 多空間分辨率、 多時間分辨率的不透水表面數據逐漸問世, 極大地促進了人類對不透水表面擴張的時空特征的理解。沈謙等用DMSP和MODIS數據提取我國干旱區城市近20年不透水表面, 將其擴張過程分為高速、 快速、 中速和低速擴張型[4]。張翰超等以高分辨率遙感影像數據提取2000—2015年的中國省會城市不透水表面, 結果表明中國省會城市不透水表面保持了高速增長趨勢[5]。鐘芳芳等用利Landsat遙感影像反演地表溫度和提取地表覆蓋信息, 研究了1989—2017年南昌市景觀格局的變化對熱環境的影響, 結果表明不透水表面景觀空間分布越集中, 斑塊越緊湊, 密度越大, 將導致地表溫度升高, 熱島效應進一步增強[6]。社會因子和自然因子是不透水表面擴張的主要驅動力。近年來, 不透水表面擴張的驅動因子研究方法呈現多元化, 如多元線性回歸(MLR)[3,7-8]、 邏輯回歸(LG)[9-10]、 增強型回歸樹(BRT)[11]、 灰色關聯[12-14]、 主成分分析法[15]等多種定量分析方法被應用到對不同因子不透水表面擴張貢獻量評價中, 但是這些分析方法主要基于數量關系進行單驅動因子貢獻分析, 卻忽略了不透水表面擴張驅動因子之間的關聯性。地理探測器是一種從空間分異性角度來探測其背后驅動力的統計方法, 最初主要應用于公共健康問題的環境因子識別[16-17], 目前適用于土地利用[18-20]、 區域經濟[21]、 遙感[22]、 環境[23]、 生態[24]等方面, 它可以從空間分層異質性定性、 定量分析影響不透水表面擴張的驅動因子及各驅動因子之間的交互作用。

云南省以其山地系統復雜、 地形地貌及立體氣候特征, 孕育了豐富的能源、 礦產、 動植物等資源, 是我國西南生態安全屏障構建的橋頭堡、 全球生物多樣性保護關鍵區、 長江上游經濟帶建設的戰略區域, 亦是我國山地城市發展的核心區域之一。“十一五”(2005—2010年)和“十二五”(2010—2015年)期間, 云南省不透水表面經歷了劇烈的擴張過程, 但由于云南多高山峽谷, 立體氣候明顯, 加之區域多元民族聚集, 經濟文化模式多樣, 導致對云南省不透水表面擴張空間差異及其影響機制的研究有待完善, 因此本文對2006—2015年云南省不透水表面進行時空擴張特征分析, 并用地理探測器探索不透水表面擴張的驅動因子, 對理解不透水表面擴張的機理和過程提供依據, 為進一步優化我國西南山地區域國土空間優化管理、 促進長江上游經濟帶高質量發展提供數據支撐。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

云南省(東經97°31′—106°11′, 北緯21°08′—29°15′)地處中國西南邊境, 與老撾、 越南和緬甸接壤。總面積39.41萬km2, 共包含16個地州市(昆明市、 曲靖市、 玉溪市、 紅河哈尼族彝族自治州、 楚雄彝族自治州、 大理白族自治州、 昭通市、 文山壯族苗族自治州、 保山市、 臨滄市、 普洱市、 西雙版納傣族自治州、 麗江市、 德宏傣族景頗族自治州、 迪慶藏族自治州、 怒江傈僳族自治州)。云南屬山地高原地形, 多山的地形條件, 限制了城市化的進程, 常出現違規亂建房屋的情況, 例如占用耕地建房造成耕地減少, 對耕地紅線以及糧食安全造成威脅。在自然保護區內建房, 對環境造成污染、 破壞了保護區的生態系統, 激化人與自然的矛盾[25-26]。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 不透水表面數據 不透水表面數據采用清華大學的GAIA(global artificial impervious area)數據(http: //data.ess.tsinghua.edu.cn/gaia.html), 該數據是基于GEE(Google Earth Engine)云計算平臺, 以Landsat數據為主, Sentinel-1 SAR和VIIRS NTL數據為輔提取的全球不透水表面數據。GAIA是全球唯一一個跨越30年、 空間分辨率為30 m的年度數據集, 平均總體分類精度高于90%[27]。此外, 從Google Earth上采集驗證樣本, 對2015年昆明市的GAIA數據進行精度驗證, 結果顯示總體分類精度為92.38%, Kappa系數為0.849 4, 表明GAIA數據具有可靠性。采用該數據集統計2006、 2010、 2015年云南省的不透水表面面積, 該數據集只具備地理坐標, 不具備投影坐標, 因此在統計面積之前需要對其進行拼接、 投影、 裁剪等操作。

1.2.2 驅動力數據 本文使用的驅動因子數據來源于省級統計數據(本研究所需的驅動因子在國家級的統計數據中不齊全), 而云南省統計局公布的《云南統計年鑒》數據是從2007年開始的, 且所使用的最新數據均來自上年年報, 如《2007云南統計年鑒》所記錄的最新數據為2006年的年報數據統計。使用地理探測器對不透水表面擴張進行驅動因子分析。以往的研究表明, 決定中國不透水表面擴張的關鍵驅動因子可分為自然因子和社會因子[28-30]。其中自然因子包括海拔、 坡度、 降水、 溫度, 社會因子包括人均GDP、 人口密度數據、 第二產業值、 第三產業值、 財政收入、 公路里程、 糧食產量[28,31-36]。自然因子中的海拔和坡度數據根據美國航天局提供的航天飛機雷達地形任務(SRTM)的數字高程模型(http: //gdex.cr.usgs.gov/gdex/, 空間分辨率為30 m)計算得到。年均降水(mm)、 年均溫度(℃)、 人均GDP(元/人)、 人口密度數據(人/km2)、 第二產業值(萬元)、 第三產業值(萬元)、 財政收入(萬元)、 公路里程(km)、 糧食產量(t)數據均來自于云南省統計年鑒數據(http: //stats.yn.gov.cn/tjsj/tjnj/)。其中, 年均降水、 年均溫度、 人均GDP、 人口密度數據、 財政收入、 糧食產量數據屬于縣級數據, 第二產業值、 第三產業值、 公路里程數據是州級數據。由于海拔和坡度數據以及不透水表面數據均屬于柵格數據, 為方便后續的驅動因子分析, 需要將來自《云南統計年鑒》的降水、 溫度、 GDP、 人口密度數據、 第二產業值、 第三產業值、 財政收入、 公路里程、 糧食產量數據轉換至相應的幾何面狀數據中, 并將其轉換成柵格數據。此外, 地理探測器要求輸入數據是離散數據, 還需要將所選驅動因子連續變化量離散化為類型量。

2 研究方法

2.1 不透水表面擴張度量方法

不透水表面擴張度量方法主要從時間或空間兩個維度表征城市用地擴張的過程及特征, 因此本文用4個指標對不透水表面的擴張進行度量: AI (annual increase, km/a)用來度量不透水表面的擴張速度; AGR(annual growth rate, %)通過消除城市規模的影響來衡量同一時期不同地區不透水表面的擴張; EI (expansion intensity, %)用來衡量不透水表面的擴張強度; ESI (expansion shape index, 擴展形態指數)指一定時期內不透水表面的擴張速度與上一時期的擴張速度之比, 用來分析不透水表面的擴張類型, 當01時表示此時不透水表面擴張模式為加速型擴展,ESI=1時為勻速擴張[37-39]。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:Astart、Aend表示起始和結束年份的不透水表面面積;n表示年份跨度;AI2、AI1表示某一時段和上一時段不透水表面的擴張速度。

2.2 驅動因子分析方法

地理探測器是探測空間分異性、 揭示其背后驅動力的統計學方法[18], 其包括了4個探測因子: 分異及因子探測、 交互作用探測、 風險區探測、 生態探測。分異及因子探測: 探測因變量之間是否存在空間分異性, 以及自變量對因變量的解釋力達到多少(用q值表示); 交互作用探測: 識別不同自變量的交互作用對因變量的解釋力是否增強; 風險探測: 判斷子區間的屬性均值是否存在顯著差別; 生態探測: 用于比較不同自變量對因變量的相對重要性。分析了2006—2015年云南省不透水表面的時空擴張特征, 探索不透水表面擴張的驅動因子, 并分析驅動因子之間的交互作用。因此, 選擇地理探測器中的分異及因子探測器探測社會因子及自然因子中的11個驅動因子對云南省不透水表面擴張的解釋力大小, 用交互作用探測器探測11個驅動因子之間的交互作用對不透水表面擴張的解釋力是否增強。

① 分異及因子探測的表達式為

(5)

② 交互作用探測: 識別不同自變量X之間的交互作用。先計算Xi和Xj對Y的q值, 再計算Xi和Xj相交形成新圖層對Y的q值, 對q(Xi)、q(Xj)與q(Xi∩Xj)進行比較, 從而判斷自變量Xi和Xj共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力, 或這些因子對Y的影響是否是相互獨立的。交互作用的判斷表達式如表1所示。

表1 自變量Xi和Xj對因變量Y的交互作用類型

3 結果與分析

3.1 云南省不透水表面變化

云南省16個地州市2006、 2010、 2015年的不透水表面面積與面積增量如圖1所示, 不透水表面時空分布特征如圖2所示。

圖1 云南省 16個地州市2006、 2010、 2015年不透水表面面積(a)與面積增量(b)Fig.1 Impervious surface(a) and area increment(b) of 16 prefectures and cities in Yunnan in 2006, 2010 and 2015

圖2 16個地州市不透水表面時空分布特征Fig.2 Temporal and spatial distribution characteristics of impervious surfaces in 16 prefectures and cities

2006、 2010、 2015年, 云南省16個地州市不透水表面面積的最大值和最小值分別在昆明市和怒江州, 其不透水表面面積分別為380.23、 518.87、 840.82 km2和9.12、 10.63、 16.08 km2。截至2015年, 不透水表面面積超過200 km2的地州市有4個, 即昆明、 曲靖、 玉溪和紅河; 不透水表面面積在100～200 km2的地州市有4個, 即保山、 楚雄、 大理和文山; 不透水表面面積低于100 km2的地州市有8個, 分別是德宏、 迪慶、 麗江、 怒江、 臨滄、 普洱、 西雙版納和昭通, 由此可見, 云南省16個地州市不透水表面面積的擴張存在顯著差異。

基于不透水表面面積增量(圖1b)和不透水表面時空分布特征(圖2)可知: 云南省16個地州市2010—2015年不透水表面擴張的幅度較2006—2010年顯著增加, 且16個地州市的不透水表面面積擴張主要在原有的不透水表面的基礎上進行擴張, 其具體的擴張面積與擴張方向如下: 由圖1b、 2a可知昆明市的不透水表面擴張面積最大, 為460.59 km2, 擴張的不透水表面主要集中在昆明市南部、 西南部(官渡區、 呈貢區、 晉寧區以及安寧市), 其他方位不透水表面擴張面積較小; 曲靖市2006—2015年不透水表面增加了180.35 km2, 擴張的不透水表面主要集中在西南方向(麒麟區、 馬龍縣、 陸良縣), 西南方向的擴張面積為78.15 km2, 其他方向的擴張幅度較小(圖1b、 2b); 玉溪市不透水表面的擴張主要集中在東北方向(紅塔區、 澄江縣)和東部(江川區、 通海縣、 華寧縣)(圖1b、 2c), 擴張了113.16 km2; 紅河州2006—2015年的不透水表面增加了137.13 km2, 擴張的不透水表面主要在東部(個舊市、 蒙自市, 擴張面積為50.24 km2)、東北方向(開遠市、瀘西縣、彌勒市,擴張面積為35.89 km2)、西北方向(建水縣、 石屏縣, 擴張面積為41.93 km2)(圖1b、 2d)。

保山市的不透水表面增加了49.15 km2, 擴張的不透水表面主要集中在東北方向(隆陽區, 擴張面積為18.51 km2), 其次是西部(騰沖市, 擴張面積為10.41 km2), 其他方位的擴張幅度不大(圖1b、 2e); 楚雄州的不透水表面主要集中在南部的楚雄市(圖1b、 2f); 大理州的不透水表面在此期間擴張了91.00 km2, 擴張的不透水表面主要集中在東南方向(大理市、 祥云縣、 彌渡縣、 巍山彝族回族自治縣、 南澗彝族自治縣, 擴張的面積為50.29 km2), 其他方位的擴張幅度不大(圖1b、 2g); 文山州2006—2015年的不透水表面增加了70.28 km2, 擴張的不透水表面主要在西南方向(文山市, 擴張面積為30.94 km2), 其次是西部(硯山縣), 其他方位的不透水表面雖有擴張, 但是擴張面積很小(圖1b、 2h)。

德宏州不透水表面擴大了30.13 km2, 擴張的不透水表面主要集中在西南方向(瑞麗市, 擴張面積為9.68 km2)和東部地區(芒市, 擴張面積為7.41 km2), 其他方位擴張并不明顯(圖1b、 2i); 迪慶州的不透水表面擴張主要集中在東南方向 (香格里拉市), 擴張的面積為 3.88 km2, 其他方位的不透水表面擴張幅度非常小 (圖1b、 2j); 麗江市2006—2015年的不透水表面擴增24.55 km2, 擴張的不透水表面主要集中在西部地區 (古城區, 擴張面積為15.58 km2) (圖1b、 2k); 怒江州的不透水表面擴張主要集中在東南方向 (蘭坪縣, 擴張面積為3.27 km2), 其他方位的不透水表面擴張幅度非常小(圖1b、 2l); 臨滄市的不透水表面擴張主要集中在東部 (臨翔區, 擴張面積為11.90 km2)、 東北部 (鳳慶縣、 云縣, 擴張面積為8.82 km2) (圖1b、 2m); 2006—2015年普洱市的不透水表面增加了49.46 km2, 普洱市的不透水表面擴張主要集中在東南方向 (思茅區、 江城縣、 寧洱縣, 擴張面積為24.27 km2)和西南方向 (瀾滄縣、 孟連縣、 西盟縣, 擴張的面積為10.58 km2) (圖1b、 2n); 2006—2015年, 西雙版納州的不透水表面增加了29.86 km2, 擴張的不透水表面主要集中在西部和西北部, 即主要集中在景洪市和勐臘縣, 擴張面積分別為12.23 、 10.69 km2(圖1b、 2o); 昭通市不透水表面擴張主要集中在西南方向(昭陽區, 擴張面積為23.48 km2) (圖1b、 2p)。

AI用于度量不透水表面的擴張速度, AGR通過消除城市規模的影響來衡量同一時期不同地區不透水表面的擴張, EI用來衡量不透水表面的擴張強度, 通過ESI值可分析不透水表面的擴張類型。由圖3可知, 2010—2015年云南省16個地州市的AI、 EI、 AGR值均高于2006—2010年。此外, 2006—2015年期間, 昆明市的AI值最高(51.18 km2/a), 其次是曲靖市(20.04 km2/a)、 玉溪市(15.86 km2/a)和紅河州(15.24 km2/a), 怒江州的AI值最低(0.77 km2/a); 2006—2015年西雙版納州的AGR和EI值最高(36.29%和41.13%), 德宏州的AGR值和EI值最低(1.46%和1.88%)。16個地州市的ESI值均大于1, 表明2006—2015年期間云南省16個地州市的不透水表面擴張均屬于加速型擴張類型(ESI>1時表示不透水表面擴張模式為加速型擴展[39])。

圖3 云南省16個地州市不透水表面擴張特征Fig.3 Impermeable surface expansion characteristics of 16 prefectures and cities in Yunnan

綜上所述, 2006—2015年, 昆明市的不透水表面擴張面積最大, 擴張速度最快, 其次是曲靖市, 依次是玉溪市和紅河州; 怒江州的不透水表面擴張面積最小, 擴張速度最慢, 其次是迪慶州。在消除城市規模的條件下, 2006—2010年, 西雙版納州的年增長率最高(AGR=36.29%), 擴張強度最大(EI=41.13%); 德宏州的年增長率最低、 擴張強度最小(AGR=7.88%,EI=5.12%)。云南省16個地州市的不透水表面均屬于加速擴張類型。以上分析結果充分表明: 云南省16個地州市不透水表面擴張存在地域差異、 擴張不均衡的問題。

3.2 云南省不透水表面擴張度量

統計2006、 2010和2015年云南省的不透水表面面積, 再計算云南省2006—2010、 2010—2015、 2006—2015年不透水表面的擴張指數AI、AGR、EI、ESI, 其結果如表2所示。云南省2006年不透水表面面積為1 114.62 km2, 2010年不透水表面面積為1 535.01 km2, 2015年不透水表面面積為2 533.34 km2。2006—2010年云南省不透水表面面積增加了420.39 km2; 2010—2015年云南省不透水表面面積增加了998.33 km2。2010—2015年云南省不透水表面的AI、EI、AGR值均高于2006—2010年(2010—2015年AI、EI、AGR分別為199.67 km2/a、 10.54%、 13.01%, 2006—2010年AI、EI、AGR分別為105.10 km2/a、 6.61%、 9.43%), 結果表明, 2010—2015年是云南省不透水表面擴張速度最快、 年增長率最高、 強度最大的時期。2006—2015年云南省不透水表面一共擴張了1 418.72 km2/a, 擴張類型指數ESI值為1.90, 說明此時云南省不透水表面擴張模式為加速型擴張。

表2 云南省2006—2015年不透水表面擴張情況

對2006—2015年云南省在各個方位的不透水表面面積進行統計分析, 結果如圖4所示。云南省近10 年的不透水表面擴張主要集中昆明市、 曲靖市, 其次是玉溪市、 紅河州, 其他方位不透水表面也在擴張, 但是擴張幅度沒有東部以及東南部強烈。

圖4 云南省2006—2015年不透水表面變化情況Fig.4 Changes of impervious surface in Yunnan from 2006 to 2015

3.3 不透水表面擴張差異機制

基于地理探測器, 以不透水表面的擴張速度AI作為Y因子, 選取6個社會因子X1～X6(人均GDP、 人口密度、 第二產業值、 第三產業值、 公路里程、 財政收入)和5個自然因子X7～X11(糧食產量、 年均降水、 年均氣溫、 海拔、 坡度)作為X因子, 對云南省2006—2015年不透水表面擴張進行驅動因子分析, 依據模型運算, 結果如表3所示。

表3 不透水表面擴張因子的影響力及其顯著性檢驗

社會因子和自然因子對不透水表面擴張的影響達到極顯著水平(p<0.001),其影響力大小q在0.009 4～1.000 0。整體而言, 社會因子對不透水表面擴張影響強度大于自然因子,具體排序為:第二產業值X3、第三產業值X4、公路里程X5>年均氣溫X9>人口密度X2>年均降水X8>糧食產量X7>人均GDPX1>財政收入X6>海拔X10>坡度X11。社會因子中,第二產業值X3、第三產業值X4和公路里程X5數據的影響力最大,q值均為1,代表這3個因子完全控制了不透水表面的擴張;其次是人口密度X2、糧食產量X7、人均GDPX1和財政收入X6(q<0.200 0)。就自然因子而言,年均氣溫X9對不透水表面的擴張影響力最大,q值為0.333 4;其次是年均降水X8,q值為0.253 8;海拔X10與坡度X11對云南省不透水表面的擴張影響力最小,均低于0.080。

云南省不透水表面擴張的主要因子為第二、 三產業的發展和公路里程的增加。近年來, 在國家政策的推動下, 云南省的產業結構發生變化, 逐步由原來的第一產業主導變成第二、 三產業主導的產業結構[40], 產業結構在逐步的優化, 這種變化對于云南省的發展起到良好的促進作用。第二、 三產業的發展能帶動云南省的經濟發展、 提高人民收入, 并且改善人民生活質量, 因此不透水表面擴張面積的大小是衡量人民生活水平高低的一個重要指標, 故而第二、 三產業的發展是不透水表面擴張的重要因子。2005—2016年云南省大力發展經濟, 不斷加強西南與東部沿海城市的貿易溝通, 省內的公路建設有所加強[41], 而隨著城市化的不斷發展, 城鎮用地不斷增加, 因此在公路建設的助力下, 云南省的不透水表面圍繞著道路擴張, 且交通條件較好的主干道周邊劇增。

在大多數生態系統中, 因子間通常是相互關聯的, 一個因子的功能可以根據同一系統中其他因素的影響而增強或者減弱[35]。由表4可知, 社會因子和自然因子對不透水表面的擴張均存在交互作用, 不透水表面的擴張是多種驅動因子共同作用的結果, 并且不同驅動因子之間的交互作用對不透水表面擴張均有增強作用(q(Xi∩Xj)>q(Xi)或q(Xj))。除了Rain(年均降水)∩DEM(海拔)和Temp(年均氣溫)∩DEM屬于雙因子增強(判斷依據:q(Rain∩ DEM)>max(q(Rain)、q(DEM)),q(Temp∩DEM)>max(q(Temp)、q(DEM))), 其他因子兩兩交互作用均屬于非線性增強(q(Xi∩Xj)>q(Xi)+q(Xj)), 說明年均降水和海拔交互作用, 以及年均氣溫和海拔交互作用對不透水表面的擴張的影響力比其他因子兩兩交互作用對不透水表面擴張的影響力小。

表4 不透水表面擴張因子的交互探測結果

4 結 論

以云南省為研究區, 分析了2006—2015年不透水表面的時空擴張特征, 基于地理探測器探索影響云南省不透水表面擴張的驅動因子, 得出了以下結論:

(1)云南省16個地州市的不透水表面雖然都經歷了前所未有的擴張, 但是存在地域差異、 擴張不均衡等問題, 其中昆明市、 曲靖市、 紅河州、 玉溪市擴張強度較大, 擴張面積分別為460.59、 180.35、 137.13和113.16 km2, 擴張速度分別為51.18、 20.04、 15.24和15.86 km2/a。

(2)時間序列上, 云南省不透水表面呈現加速持續擴張的狀態。全省不透水表面面積從1 114.62 km2增至2 533.34 km2, 擴張速度為159.64 km2/a, 年均增長率為17.85%, 擴張的強度為14.14%, 擴張形態指數為1.90, 屬于加速型擴張; 其中, 2006—2010年的擴張速度為105.10 km2/a, 年增長率為6.61%, 擴張強度為9.43%, 2010—2015年的年增長率更高(10.54%), 擴張速度更快(199.67 km2/a), 擴張強度為13.01%。

(3)影響云南省2006—2015年不透水表面擴張的主要因子是第二產業值、 第三產業值、 公路里程, 且不同因子之間的交互作用對不透水表面的擴張均有增強作用。