武漢市城區綠地時空分布規律分析

張 飛，明銳華，馬吉萍

(1．貴陽市測繪院，貴州貴陽550000;2．武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢430079)

城市土地系統是一個自然－經濟－社會復合生態系統。而近年來，我國大型城市和超大型城市(如北京、上海、深圳和武漢等)的持續建設對城市內部的土地生態系統造成了深刻的影響［1］。城市土地利用特征與城市發展的關系已成為國內外探討的熱點［2－3］。其中，城市的綠地系統由于功能的多樣性和分布的廣泛性，能非常好地反映一個城市的環境狀況。因此，對城市綠地系統分布與變化的研究就顯得非常重要［4］。

傳統的反映城市綠地的指標主要是城市綠地面積和覆蓋度等［5］。隨著遙感和地理信息技術的成熟，研究城市綠地的空間分布、結構、格局和演化等成為了可能。例如，杜寧睿等探討了利用遙感分析城市綠地空間演變規律的可行性及理論方法［6］。宋志明等根據TM影像，對廣州市綠地的空間格局、功能演變進行了定量分析［7］。李宗華等基于GIS分析了武漢“城中村”改造區的綠地景觀格局［8］。這些研究初步提出了采用遙感和景觀格局分析研究城市綠地的方法，并取得了一些成果，但是目前對武漢市綠地系統進行系統性分析的研究還比較少。因此筆者在借鑒前人研究的基礎上，基于多時相Landsat TM遙感數據，綜合多種綠地提取方法，進而從基本特征、類型特征和景觀格局特征3個方面系統性分析武漢市綠地的時空分布規律，為武漢市綠地的監測、決策和規劃提供科學客觀的依據。

1 研究區概況

該研究選取武漢市作為研究區，如圖1所示。武漢市位于湖北省中東部，是湖北省省會，華中地區最大的城市及中心城市，“一路一帶”建設的開放排頭兵。全市總面積8 494 km2，常住人口1 002萬人，其中7個中心城區(江岸、江漢、硚口、漢陽、武昌、青山和洪山)人口共達570萬，另外還有6個郊區(東西湖區、漢南、蔡甸、江夏、黃陂和新洲)。武漢市近些年來經濟發展速度非常快，2014年武漢市GDP達到10 069．48億元，增速達9．7%。但是，在發展過程中也遇到了城區土地合理配置的難題。如何有效評估當前武漢市各類土地利用類型的時空分布，對于最大化配置武漢市土地利用資源，兼顧發展與生存具有重要意義。另外，2006年武漢市榮獲“國家園林城市”稱號。2007年國家發改委正式批準武漢城市圈為全國“資源節約型、環境友好型社會”綜合配套改革試驗區，這是對武漢市在資源與環境保護上所取得的成果的肯定，也標志著國家對城市資源環境的逐漸重視。因此，筆者所選取的武漢市，作為城市綠地時空分布規律分析的研究區，非常具有代表性。

2 研究方法

2．1 方法整體流程 為了研究武漢市綠地的時空分布規律，筆者設計了如圖2所示的技術路線。整體上分為兩個部分:綠地信息提取與時空分布、景觀格局分析。基于多期武漢市Landsat TM影像(來自于美國地質調查局USGS)，筆者探討了如何更加精確地提取出武漢市綠地。隨后，筆者從基本特征、類型特征、空間格局特征等多方面對武漢市綠地進行了評價。

2．2 綠地信息最優提取方法 首先將從USGS網站上下載下來的遙感影像經過幾何校正、大氣校正和影像裁剪等預處理。然后，為精確提取武漢市的綠地信息，必須選擇最合適的波段或波段組合。TM遙感影像各波段之間存在一定的冗余信息。為了減少相互干擾，提高后續分類精度，信息提取過程應選擇信息量較大、相關性較小的波段參與分析［9］。該研究首先采用波段相關性分析、主成分分析和植被指數法進行多波段信息融合，然后再將生成的“衍生”波段進行最優組合，以得到綠地信息提取的較高精度。

進行TM影像各個波段間的相關性分析采用了波段相關矩陣表。另外，為了能在不同波段組合中選取相關性最差，即包含最多信息的波段組合，可以使用最佳指數法(OIF)。最佳指數OIF(OptimumIndexFactor)概念是由美國維茨教授提出來的，其數學公式為:

式中，Si為第i波段的標準差，Rij是第i波段與第j波段之間的相關系數。OIF值越大，說明波段組合包含的信息量越大。

如果圖像各波段之間高度相關，分析所有的波段是不必要的，因此，主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)除去了波段之間多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數幾個轉換波段。這意味著利用波段之間的相互關系，在盡可能不丟失信息的同時，可以用幾個綜合性波段代表多波段的原圖像，使處理的數據量減少。

圖1 研究區域概況

歸一化植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，又稱標準化植被指數，在使用遙感圖像進行植被研究和植物物候研究中應用廣泛，它是植物生長狀態以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關。歸一化植被指數(NDVI)的計算公式為:式中，NIR是近紅外波段，R是紅色波段。對于TM影像來說，NDVI=(TM4－TM3)/(TM4+TM3)。

以上3種方法雖然都能提取出綠地信息，并能達到一定的精度要求，但實際效果并不理想。因此，基于上述3種方法得到的“衍生”波段和TM自身的7個波段，該研究采用進一步組合的方法，選取區分綠地能力最強的組合方法，最終采用監督分類就可以得到武漢市高精度綠地分布數據［10］。

2．3 綠地基本特征研究 基于武漢市綠地監督分類的結果，首先進行綠地分布密度、中心和離散度計算，實現對武漢市綠地基本特征的整體認識。

分布密度是指單位分布區域內的分布對象的數量。因此，分布密度是兩個比率尺度數據的比值，為確定面狀要素的分布密度，就必須首先明確分布的范圍。在該研究中，城市綠地分布密度ρ的計算公式如下:

式中，P為綠地面積，C為城區總面積。

綠地分布中心的計算是將城市綠地抽象為空間離散的點(點狀要素的質心)，并以斑塊綠地面積占全部綠地面積的比例為權重，計算綠地分布的加權平均中心。其計算公式為:

式中，W(Pi)為第i個面的權重(即面積)，xi為第i個面的X坐標，yi為第i個面的Y坐標。計算出來的X0為綠地分布中心的X坐標，Y0為綠地分布中心的Y坐標。

離散度是對面狀區域離散點分布狀況的描述，是除了分布密度和分布中心外，另一種能反映地物的分布狀況的指標，是對上述兩種指標的補充。在分布密度、分布中心相同的情況下，通過離散度的不同，也可以反映出地物空間分布狀況的不同。離散度一般是通過所有點到分布中心的距離來描述的，設分布中心為P0(x0，y0)，則d是所有綠地質心與分布中心距離的加權平均值。

圖2 技術路線

式中，W(Pi)為第i個面的權重(即面積)，xi和yi分別是第i個面的X坐標和Y坐標，x0，y0分別是綠地分布中心點的X坐標和Y坐標。

2．4 武漢市綠地景觀類型特征分析 綠地景觀類型特征分析分別從綠地斑塊形狀指數、斑塊分維數、斑塊孔隙度和斑塊內緣比等方面開展。

斑塊形狀指數指某一斑塊周長與等面積的圓周長之比值，其表達式為:

式中，A為平均斑塊面積，L為平均周長。

斑塊分維數采用周長與面積關系曲線進行計算。

式中，P為斑塊的周長，A是斑塊的面積，Fd是分維數，k為常數，對于柵格景觀而言，k=4。一般來說，歐幾里得幾何形狀的分維數為1;具有復雜邊界斑塊的分維數則大于1，小于2。

斑塊孔隙度即景觀的類型斑塊密度，即景觀類型斑塊數與景觀類型面積的比值。某一類型在景觀上的斑塊密度(孔隙度)揭示出景觀基質被類型斑塊分割的程度，對生物保護、物質和能量分布具有重要影響，孔隙度高表明某一類型的景觀中分布廣、影響大。而斑塊內緣比是通過斑塊周長和斑塊面積之比值來表示斑塊體的邊界效應。

2．5 景觀空間格局分析 景觀生態格局是指區域景觀系統中各種斑塊的空間分布式樣。斑塊是組成景觀的基本單元，它的數量、空間組合和變化將決定某一景觀的基本結構、功能及形態演變。通過格局和異質性分析，把景觀的空間特征與過程聯系起來，進而了解景觀的內在規律性［11］。該研究對武漢市中心城區進行景觀分析，主要采用5個異質性特征指標:多樣性指數、優勢度、均勻度、分離度和蔓延度。

多樣性指數反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化。單景觀由單一類型構成時，景觀是均質的，其多樣性為0;由兩個以上類型構成的景觀，單個景觀類型所占比例相等時，其景觀多樣性指數最高。各景觀類型所占比例差別增大，則景觀的多樣性下降。雖然該研究中監督分類的結果僅僅將地物分成了綠地、水域、其他3類，但計算這一指標仍有一定的意義。

優勢度表示景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度，或描述景觀由少數幾個主要景觀類型控制的程度。優勢度指數越大，表明偏離程度越大，即組成景觀的各景觀類型所占比例差異大，或者說某一種或少數景觀類型占優勢;優勢度小，則表明偏離程度小，即組成景觀的各種景觀類型所占比例大致相當;優勢度為0，表示各種景觀類型所占比例相等。

景觀均勻度是描述不同景觀類型的分配均勻程度，均勻度和優勢度指數呈負相關。在景觀格局分析軟件Fragstats中，反映均勻度的指標有3個:香農均勻度指數、Simpson均勻度指數和修正Simpson均勻度指數。這里選取最后一個指標。

景觀分離度是指某一景觀類型中不同元素個體分布的分離程度，分離度越大，表明景觀在地域分布上越分散。

蔓延度是測量景觀是否有多種要素聚集分布的指標，低蔓延度表明這種景觀類型連接性不好，高蔓延度則表明該景觀類型有良好的連接性。

3 實驗結果與分析

3．1 武漢市綠地信息提取 以2009年9月6日的數據為例，通過ERDAS軟件的空間建模工具計算了除TM6波段外的其他6個波段的相關系數矩陣(TM6波段為熱紅外波段，分辨率較低，且對研究沒有任何作用，研究中并未使用該波段)，如表1所示。通過對相關系數矩陣進行分析可以發現，TM1、TM2、TM3 3個波段的數據相關性高，TM5與TM7兩個波段的相關性高，TM4波段與上述兩組波段之間的相關性較低。

因此，在選取波段組合時，應該在TM1、TM2、TM3 3個波段中選取一個波段，TM5和TM7中選擇一個波段，并且必須選擇TM4波段，這樣就有如下這些波段組合:TM154、TM174、TM254、TM274、TM354、TM374。

隨后，計算出來的OIF如表2所示。

表1 2009年9月6日波段間相關矩陣

表2 OIF指數表

圖3 2001～2009年武漢市綠地提取結果

由以上計算結果可知，TM154波段組合的OIF指數最 大，因此成為第一個“衍生”波段。隨后，也分別進行了主成分分析和NDVI指數計算。所以，最終選取的波段組合為TM154。最后采用監督分類得到武漢市的綠地信息提取結果(圖3)。

3．2 武漢市綠地基本特征 通過統計綠地這一地物類型像元數占總像元的比例，得到了武漢市2001～2009年的城區綠化率(圖4)。

圖4 武漢市城區2001～2009年綠化率

由上述的計算結果可以看出，2001～2005年武漢市中心城區的綠化率有一定的上升，而2005～2009年綠化率有比較大幅度的下降，說明這些年對武漢市的綠地保護做得不夠。為了能更加清楚地反映武漢市的綠地狀況，可以將武漢市各區的綠化率進行對比，得出的結果如圖5所示。

圖5 武漢市各城區2001～2009年綠化率

從圖表中可以非常清楚地看出，武漢市中心城區的綠化率遠低于武漢市郊區的綠化率。在所有區域中，江夏區的綠化率最高，其2009年9月的綠化率達到了35．07%，中心城區的7個區中，洪山區的綠化率最高，漢口的3個區，包括江岸、江漢、硚口，其綠化率都非常低，其中江漢區2009年9月的綠化率才1．3%。2001～2009年，總體上說，各個區域的綠化率都有一定程度的下降。

如圖6所示，武漢市中心城區的綠地分布中心位于洪山區，且有向東南方移動的趨勢。如圖7所示，在2001～2005年，武漢市綠地離散度變大，而2005～2009年離散度變小，這說明在2001～2005年，武漢市的綠地分布更加分散，而在2005～2009年，綠地分布更加集中。

3．3 武漢市綠地類型特征分析 基于綠地類型特征分析方法，得到了如表3所示的結果。

表3 武漢市景觀類型評價指標

從表3中的計算結果可以看出，2001～2005年，武漢市中心城區綠地的形狀指數變小，到2009年又變大，這說明在2005～2009年，武漢市的綠地形狀變得更加不規則，更加復雜。而武漢市中心城區綠地的斑塊分維數先變大，后變小，

說明從2005～2009年，武漢市的綠地形狀變得更加復雜，更加不規則，這與上面計算的形狀指數結論一致。武漢市中心城區綠地的孔隙度在2001～2009年持續減小，說明單位面積內的斑塊數量逐年減少。從武漢市中心城區綠地的斑塊內緣比可以發現，從2001～2005年，內緣比逐漸變大，說明綠地斑塊邊界變得復雜。從2005～2009年可以看出，內緣比逐漸變小，說明斑塊邊界變得逐漸簡單。

3．4 武漢市綠地景觀空間格局分析 基于綠地景觀空間格

局分析方法，得到了如表4所示的結果。

表4 武漢市景觀格局指數

從計算結果可知，2001～2009年，景觀多樣性指數減小，說明景觀類型所占比例差別增大。由計算結果可以發現，武漢市中心城區的景觀優勢度非常接近1，且變動幅度不大，說明武漢市各景觀類型所占比例差異很大。還可以發現，從2001～2009年，武漢市中心城區的景觀均勻度逐漸減小，說明各景觀類型的分布更加不均勻。另外，武漢市2001年、2005年、2009年的分離度表明武漢市近些年景觀分離度減小，說明景觀在地域分布上變得越來越集中。對城市綠地來說，為了更好地發揮綠地的功能，最理想的狀況應該是均勻地分布于城市的每一個角落。就這一指標來說，武漢市的綠地狀況正在逐漸變差。最后，從2001年到2009年，武漢市中心城區的這一指標逐漸升高，表明景觀的連接性逐漸增強。

4 結論和展望

武漢市中心城區的綠地覆蓋率遠低于城區，且非常集中在洪山區，漢口的3個區綠化覆蓋率非常低。總體來說，近些年來武漢市的綠化覆蓋率呈下降的趨勢。武漢市中心城區的綠地中心處于洪山區，且有向東南方移動的趨勢。就綠地離散度來說，近些年來武漢市綠地分散度有變小的趨勢，說明武漢市綠地分布變得更加集中。以上這些都說明武漢市的綠地環境有逐漸惡化的趨勢。

通過景觀類型特征分析可以發現，近些年武漢市的綠地形狀變得更加不規則，更加復雜，且單位面積內的斑塊數量逐漸減少。通過景觀空間格局分析可以發現，武漢市各類景觀類型分布更加不均勻，景觀在地域分布上變得越來越集中，這些都反映出武漢市的綠地狀況正在變差。未來將通過更加精確的城市綠地提取方法，結合更長時序的遙感影像，更加精細地分析武漢市綠地的時空演變。同時，從建設用地擴張、耕地變更、圍湖造田等諸多方面探討城市綠地與其他土地利用類型的關系和平衡。

圖6 2001～2009年武漢市綠地分布中心空間遷移

圖7 武漢城區2001～2009年綠地離散度

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