新疆博樂市生態環境變化對城市建設用地擴張的響應

約日古麗卡斯木，孜比布拉·司馬義，王 蕾，肖合來提·巴義

?

新疆博樂市生態環境變化對城市建設用地擴張的響應

約日古麗卡斯木1,3，孜比布拉·司馬義1,2,3※，王 蕾1,3，肖合來提·巴義1,2,3

（1. 新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學資源與環境科學學院智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室，烏魯木齊 830046；3. 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

城市化進程不斷加快帶來一系列的環境問題，其中，以城市生態惡化為表現形式的“城市病”越來越受到政府和社會的關注。因此，及時、準確、快速地探究生態環境演變對城市擴張的響應顯得尤為重要。該研究基于遙感生態指數（remote sensing ecological index, RSEI）分析博樂市2000―2016年生態環境變化情況并通過引入城市擴張強度、重心位移模型等方法，對博樂市城市空間擴張強度與形態進行分析，揭示城市生態環境變化對城市用地擴張的響應。結果表明：1）RSEI不僅適用于城市主城區的環境監測而且以行政邊界為界限的整個城區的生態環境監測中同樣可行；2）2000―2016年間博樂市生態環境質量有一定程度的惡化趨勢，即RSEI均值從2000―2011年下降4.97%；從2011―2016年下降15.4%；3）生態環境變好的區域主要分布在山前平原區，老城區及其周圍；生態環境惡化的區域主要分布在主城區的外圍地區，沿博爾塔拉河兩岸帶狀分布；4）城市擴張的區域與RSEI評價結果顯示的生態環境狀況惡化的區域基本重合。

土地利用；生態；環境；建設用地；城市擴張；RSEI；博樂市；新疆

0 引 言

自20世紀起，全球城市化呈現快速發展趨勢。伴隨著經濟建設的快速發展，城市人口持續增長，城市建筑群規模不斷擴大，城市氣候、環境問題日益突出[1]。為響應國家的經濟戰略，在20世紀90年代起實行“西部大開發”戰略以來，中國西部地區社會經濟發展迅速，為此推動了中國西部干旱區工業化和城市化的發展進程。因工業化及城市化發展引起的大量建設用地的增多會導致劇烈的土地利用/土地覆被（LUCC）變化，這種現象在城市擴張過程中較為普遍，且當其作為關鍵因素集中作用于某一區域時會對當地的生態環境變化帶來重大影響，如：生物多樣性、全球變暖、城市熱島效應和水資源供應緊張等[2-4]。隨著城市化水平的提高，中國西部內陸干旱綠洲也成為人地關系較緊張的區域之一，干旱的自然環境決定了其生態系統的敏感性，而脆弱的生態環境及突出的生態問題己成為制約西部地區經濟發展的瓶頸[5]。要實現可持續發展，必須對生態狀況和變化進行監測和評估，以發現這些復雜的問題，從而保護生態完整性[6]；但遙感技術和GIS技術的日益發展為解決此問題提供了快速識別環境時空變化的工具[7-8]。

經濟飛速發展的今天，人類改變地球表面的速度、幅度和空間范圍是史無前例的。隨著國家對新疆地區的各種優惠政策的實施，中國西部地區土地利用發生了巨大的變化，如環塔里木地區綠洲城市、天山北坡經濟帶、吐魯番哈密綠洲城市等。這些地區在經濟改革之后，工業化、城市化進程的加快和人口的增加，通過建成區和城市擴張對土地利用變化產生很大的影響。

近年來，城市生態環境遙感監測的研究也有很大發展，主要側重于利用遙感技術從土地利用變化[9-10]、城市熱島效應[11-12]、不透水面蓋度[13-14]、植被徑流變化[15]、等生態因子角度開展城市生態效應影響評價。與其他數據相比，遙感(RS)數據具有記錄完全覆蓋陸地表面時空數據的獨特能力。它已經被廣泛應用于多種領域[16]。以往的研究中，這些應用主要集中在單方面的單個生態因子的生態狀況，如：歸一化植被指數（NDVI）[16]、地表溫度（LST）、凈初級生產量（NPP）、歸一化差異水體指數(MNDWI)等。由于生態系統的復雜性，要較全面、準確的監測生態環境動態變化，需要用綜合指標全面考慮各種因素。國內外學者在利用遙感生態指數（RSEI）進行生態環境評價方面開展了大量研究工作[17-21]。在此基礎上，Reza等[22]開發了一個綜合的區域生態完整性的方法； Gupta等[23]提出城市鄰里綠色指數（UNGI），通過監測城市綠地質量來反映城市生態環境。這些大多數為定性研究，或者基于單個生態因子的研究[24]，同時主要側重于經濟發達的大城市的生態環境研究，而在干旱綠洲小城市開展遙感生態變化研究基本沒有。本研究選取新型綜合生態指數RSEI法，對典型綠洲小城市博樂市生態環境動態變化及其對城市建設用地擴張的響應進行分析，為干旱綠洲小城市生態環境保護提供科學依據。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

博樂市位于新疆維吾爾自治區西北部（圖1），東臨艾比湖，天山西段北麓，東北與準噶爾盆地相接，即（44.57°N，82.08°E）。其為博爾塔拉蒙古自治州首府，是絲綢之路上的要塞，行政區面積7 790 km2，有“中國西部第一門戶”之稱[25]。博樂市城鎮化率達到55.64%，城鎮化水平已達全國平均城市化水平，在西北地區具有發展潛力。

圖1 研究區示意圖

1.2 數據來源與預處理

本研究選取軌道號為146/29和147/29的2景Landsat遙感影像數據為主要數據源（地理空間數據云網站http://glovis.usgs.gov，如表1所示），數據獲取日期分別為：2000年8月17日（TM），2011年9月23日（ETM）和2016年8月16日（OLI）（表1）。數據質量完好，滿足研究需要。

根據解譯需要，對獲取的影像數據進行輻射定標、幾何校正、大氣校正、波段組合、圖像鑲嵌等預處理工作。對Landsat8OLI發布的數據已經進行了幾何校正，無需重復操作，誤差控制在0.5個像元內。為了減少誤差，將所有數據以墨卡托投影（UTM）和世界大地測量系統（WGS-1984）為基準。結合室內判讀與野外調查的方法，參考中國土地利用二次分類方案，按照研究區實際情況，將經過幾何校正的TM/OLI影像，經過波段的最優化處理，把TM543和OLI652生成標準加彩色合成，組合后使影像上的地物具有代表性[26]。

表1 遙感影像數據來源

建設用地的提取，結合研究區遙感數據和研究目標，將其土地利用分為林草地、水域、耕地、城鎮用地和裸地5類。通過野外調查建立解譯標志，進而在ENVI5.3軟件平臺上采用最大似然法監督分類，完成對遙感數據的解譯，得到博樂市（2000―2016年）三期的土地利用變化圖。三期影像監督分類結果精度分別為88.7%、84.3%、82.9%，Kappa系數值為0.87、0.837、0.809可滿足研究需求。再運用ArcGIS軟件，提取博樂市城鎮用地類型，以便在空間上準確識別其空間動態變化過程。研究區生態環境的評價指標）的提取，采用ENVI5.3軟件的Band math功能實現（計算公式及過程見圖2）。

2 研究方法

2.1 遙感生態評價指標

針對城市生態環境監測，本研究使用基于遙感信息的且集成多種指標因素的遙感綜合生態指數RSEI。其獲取指標的過程及方法參考文獻[27-31]。RSEI計算流程如圖2所示。

圖中，B、G、R、NIR、SWIR1、SWIR2分別代表TM的1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率。具體計算系數參考文獻[32-34]。

2.2 綜合指數的構建

本研究監測博樂市生態環境，參考徐涵秋指出的遙感綜合生態指數（RSEI），綜合指數中提出的這4種指標是人類直觀感覺生態質量好壞的典型因素，因此，這綜合指數常被用在生態環境評價中[35]，而且這4個指標可以從遙感圖像中快速提取出來。計算綜合生態指數的公式和具體步驟參考文獻[36-37]。

注：RSEI表示遙感生態指數，NDVI表示綠度，WET表示濕度，NDBSI表示熱度，LST表示地表溫度。DN 為像元灰度值，gain和 bias 分別為波段增益值和偏置值，L6/10分別為 TM/TIRS 熱紅外波段像元在傳感器處的輻射值，SI表示裸地指數，IBI表示建筑指數，T表示傳感器處溫度值，K1,K2表示定標參數，λ表示熱紅外波段的中心波長，e為地物的比輻射率。B、G、R、NIR、SWIR1、SWIR2分別代表TM的1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率。

2.3 城市擴展特點評價指數

2.3.1 擴展強度指數

年均城市用地擴展面積/土地總面積。通過計算城市擴展強度，能揭示不同時期城市擴張的強弱及趨勢[38]。

式中AGR代表城市年均擴張強度，UA+i和UA分別代表第+年和第年城市土地面積(km2)，以年為單位。

2.3.2 城市重心轉移模型

1）城市重心坐標

本文運用ArcGIS10.3軟件對博樂市在不同時期的建設用地圖層進行融合分析，計算出重心坐標，進而分析重心轉移情況[39]。計算公式如下

式中X、Y分別為時城市用地重心坐標；X、Y為第塊城市用地的幾何中心坐標；C為第個片區面積(km2)。

2）重心轉移距離

根據城市重心坐標，計算2個不同時期內的城市建設用地重心的轉移距離，然后對城市重心轉移特點進行定量描述。計算公式如下

式中是城市重心之間的轉移距離；1、1是城市建設用地初期的重心坐標；2、2是城市建設用地后期的重心坐標[40]。

3 結果與分析

3.1 博樂市生態環境時空動態變化分析

從表2（各年份指標及RSEI均值、PC1荷載值）可知，博樂市的RSEI均值從2000年0.703到2011年的0.688，下降4.97%；從2011年的0.668再到2016年的0.565，下降15.4%，最近幾年下降的幅度較大。在過去的16a間，博樂市RSEI指數呈現下降的趨勢。相應地，這種情況在圖3（博樂市遙感生態指數RSEI影像圖）有所體現，2000―2016年，城市生態環境較差的區域面積逐漸在擴大，繼而取代生態環境優的區域。

表2 各年份指標及RSEI均值、PC1荷載值變化

同時，從表2中各年不同指標的PC1載荷值進行對比可知，濕度（WET）和綠度（NDVI）值為正值，表明二者對生態環境有促進作用，干度（NDSI）和熱度（LST）載荷值為負值，這兩者對生態環境有阻礙作用，該結果與實際情況相符。本研究進一步對各年份各指標的PC1的絕對值進行對比發現，干度和熱度對結果的貢獻都較大，并呈現逐年增長的趨勢，這表明建設用地的變化對生態環境監測結果影響較大。

為了更明確的體現RSEI的生態效應，對其進行定量化、可視化分析，將各年份的結果以0.2為間隔分為5個等級[41]：差、較差、中、優、良（如圖4）。同時，對2000年、2011年、2016年的每個等級所占面積比例進行統計分析（表3）。由表3可知，從2000—2016年，博樂市生態環境具有明顯的變化，2000年博樂市生態環境中、良、優的區域占總面積的81.78%；2011年占比為76.8%；到2016年占比降到64.15%；在這17a間下降了17.63個百分點。說明博樂市的生態環境質量每年平均下降1個百分點，生態質量逐年下降。同時，研究區生態環境狀況為差、較差的區域面積比例從2000年的18.22%上升到2011年的23.15%和2016年的35.85%，可以說明博樂市生態質量逐漸下滑的趨勢。

圖3 博樂市遙感生態指數圖

從圖4可知，2000年表示博樂市生態環境良和中的區域占研究區總面積的比例較大，包括林草地、耕地等土地利用類型，生態環境較差的區域主要集中在以人民公園和南城區為中心的居民住宅及建設用地，這時博樂市生態差的區域面積不大。2011年開始隨著博樂市城鎮建設用地的逐步擴大，生態質量差和較差的面積逐漸擴大，主要分布在博爾塔拉河兩岸。這時期出現生態質量較差的面積明顯比2000年增加，主要受政府政策的影響，擴大城市規模，隨之出現生態質量下降的趨勢。這時，博樂市生態狀況差的區域面積擴散而不集中。

圖4 RSEI結果等級圖

表3 博樂市生態環境等級面積與比例

到2016年，生態差和較差的區域面積明顯增加，主要分布在博爾塔拉河東西兩岸，尤其河流東岸擴張面積明顯增加，受政策的影響建設大規模的城市新區，新增化工業、輕工制造業等不同類型的企業。博樂市生態差的區域面積較大且集中。

為了更明確博樂市17 a間的生態環境動態變化，基于以上5種等級的劃分，對博樂市各年份RSEI結果兩兩進行差值變化監測。

由表4可知，2000—2016年間，生態環境變好的面積為1 051.65 km2（占比13.50%）；生態環境變差的面積為3 064.59 km2（占比39.34%）。這說明這17a間，博樂市生態環境總體呈現惡化的趨勢，但仍有部分區域生態環境改善。從圖4可知，生態環境優良的區域主要分布在山前平原區，博樂老城區及周圍，因為受政府政策的影響山前平原和老城區大量植樹還林、園林綠化，因此，此地環境有改善的趨勢；其中，從2012年開始博樂市以創建國家園林城市和全國文明城市為目標，實施“種大樹、大種樹”，見縫插針、見空插綠，不斷增加城市綠量；黨的十八大把生態文明建設納入到中國特色社會主義偉大事業之后，博爾塔拉蒙古自治州啟動“生態立州”計劃，因此，優化了主城區的生態環境；生態環境基本穩定的區域主要集中在阿拉套山和崗吉格山等山地、丘陵地區和賽里木湖及周圍的區域以及分布在博樂市北部的農田區域，這些區域因為其植被覆蓋率高，生態沒被嚴重破壞；生態環境惡化的區域主要分布在主城區的外圍地區，沿博樂河兩岸帶狀分布，其主要原因是博樂市大規模的城鎮建設與擴張。

表4 博樂市生態等級與面積比例變化

3.2 博樂市城市擴張動態分析

3.2.1 博樂市建成區面積變化

按城市發展速度博樂市的發展過程可以分為2個階段：2000—2011年，低中速發展階段：這個階段博樂市的建設用地面積有了較穩步地增加。2000年和2011年從遙感影像提取的建設用地面積分別13.1和15.23 km2，12a間建成區占總面積的比例分別為和0.17%和0.21%。從計算結果看，博樂市建設用地一直保持持續增長趨勢，2000年到2011年博樂市建成區面積增加了2.13km2，增加幅度不大。2011—2016年，快速發展階段：博樂市建設用地面積分別為15.23 km2和24.14 km2，6a間博樂市建成區面積占總面積的比例分別為0.21%和0.39%。這說明僅僅5 a的時間里博樂市建成區面積有明顯增加的趨勢，從2011年到2016年建成區面積增加了8.91 km2，增長速度較快。17 a間博樂市建成區面積共增加了11.04 km2。相應地，從圖5可知，從2000—2016年博樂市建設用地面積變化呈現出逐漸擴張的趨勢。

3.2.2 博樂市建成區重心轉移分析

城市重心位移結果如圖5所示，從2000—2011年博樂市以帶狀方式擴張，城市重心向東南方向（SE）位移了2.13 km；2011—2016年，城市重心向東北方向（NE）位移了5.17 km，城市以面狀方式擴張；2000—2016年，城市除了往南北方向小幅度擴張外，更多的是大幅度地向東、小幅度的向西以面狀方式擴張。

城市重心轉移的主要驅動因素為：自然因素、老城區的改造和建設。博樂市城市重心的轉移也是由多因素共同作用下產生的。其中起主導作用的是國家對新疆的土地和產業政策的扶持。政策推動下博樂市增加了城市用地類型，即一些荒地納入到建設用地范圍內，這導致博樂市城市建設向多方向擴張。

3.3 生態環境對城市擴張的響應

近年來，隨著城市化進程的加快，城市不透水面的快速擴展，導致極具生態價值的植被和水體等生態資源用地日漸縮小和破碎[41-43]。從2016年開始博樂市實施“城市更新”運動，增強主城區中心繼續向周邊城鎮輻射的影響力。在政策引導下，伴隨博樂市近16余年來經濟建設飛速發展，城市擴張展現出一定的規模性和方位性。如圖5所示，博樂市以主城區為中心向東南擴張，以南城區為中心向東北擴張，向東北擴張的區域主要沿著交通干線和博爾塔拉河擴展。

圖5 博樂市建設用地擴張趨勢與重心位移圖

從圖3、4、5看出，博樂市生態環境變化對城市擴張的響應，這種響應總體上呈現出一種“脅迫”的趨勢。如圖5所示的博樂市城市擴張在以小幅度的往南北方向逐步擴張的同時以較大幅度的往東和西方向擴張，其中往東擴展的區域面積較大。圖3所示的綜合生態指數RSEI呈現的生態環境差的區域面積逐步擴大，其中往東擴張的幅度較大。圖4所示的綜合生態指數RSEI等級中，在博樂市中部和東部表示差和較差的區域面積最大。總之，圖5所示的城市用地擴張的區域和方位與圖3、4所示的遙感生態指數RSEI及等級，生態環境動態監測結果顯示的生態環境差、惡化的區域基本吻合。這說明建設用地擴張導致城市植被綠地降低、地表溫度升高等問題，從而造成城市生態環境日益惡化。

4 結 論

采用Landsat遙感數據，基于遙感生態指數RSEI方法，提取NDVI（綠度）、LST（熱度）、Wet(濕度)、NDBSI（干度）等城市生態系統典型的4個指標；客觀、定量的評價博樂市生態環境17 a間的生態環境變化情況。同時，引入城市擴張強度、重心位移模型等方法，對博樂市城市空間擴張強度與形態進行分析。本研究的主要結果如下：

1）2000—2016年間，博樂市生態環境質量整體上呈逐年下降趨勢。研究區內生態狀況為優、良的區域占總面積的比例在2000—2016年間下降了17.63個百分點。

2）2000—2016 年間，博樂市生態環境變好的區域主要分布在山前平原區；生態環境變差的區域沿博爾塔拉河兩岸帶狀分布，主要分布在主城區的外圍地區；山地、林草地和耕地等地類分布的區域生態環境保持穩定。

3）2000—2011年為博樂市建成區面積的緩慢增長期；2011—2016年為快速增長期。從2000—2011年，博樂市以帶狀方式擴張，城市重心向東南方向位移；2011—2016年，城市重心向東北方向（NE）位移，城市以面狀方式擴張。

4）2000—2016年，博樂市城市擴張方向、形態和區域等與遙感生態指數RSEI評價結果顯示的生態環境狀況惡化的區域基本吻合，表明該研究區建設用地增加是導致城市生態環境惡化的主要驅動。

[1] 韓瑞丹，張麗，鄭藝，等. 曼谷城市擴張生態環境效應[J]. 生態學報，2017，37(19)：6322－6334. Han Ruidan, Zhang Li, Zheng Yi, et al. Urban expansion and its ecological environment effects in Bangkok Thailand[J]. Acta Ecological Sinica, 2017, 37(19): 6322－6334. (in Chinese with English abstract)

[2] Xu H, Ding F, Wen X. Urban expansion and heat island dynamics in the Quanzhou Region, China[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing, 2009, 2(2): 74－79.

[3] Hansen M C, Potapov P V, Moore R. High-resolution global maps of 21st-century forest cover change[J]. Science, 2014, 344(6187): 850－853.

[4] Hu X, Wu Z, Wu C, et al. Effects of road network on diversiform forest cover changes in the highest coverage region in China: An analysis of sampling strategies[J]. Science of the Total Environment, 2016, 565: 28－39.

[5] Bohnet I, Pert P. Patterns, drivers and impacts of urban growth: A studyfrom Cairns, Queensland, Australia from 1952 to 2031[J]. Landsc. Urban Plann, 2010, 97(4): 239–248.

[6] Lin T, Ge RB, Huang J, et al. A quantitative method to assess the ecological indicator system’s effectiveness: A case study of the ecological province construction indicators of China[J]. Ecol Ind,2016, 62: 95－100.

[7] Huang J, Jr R G P, Li Q, et al. Use of intensity analysis to link patterns with processes of land change from 1986 to 2007 in a coastal watershed of southeast China[J]. Applied Geography, 2012, 34(3): 371－384.

[8] Kerchove V D, Goossens, Lhermitte, et al. Spatio-temporal variability in remotely sensed land surface temperature and its relationship with physiographic variables in the Russian Altay Mountains[J]. International Journal of Applied Earth Observation & Geoinformation, 2013, 20(2): 4－19.

[9] 史培軍，潘耀忠，陳晉.深圳市土地利用/覆蓋變化與生態環境安全分析[J]. 自然資源學報，1999，14(4)：293－299. Shi Peijun, Pan Yaozhong, Chen Jin. Land use/cover change and environmental security in Shenzhen region[J]. Journal of Natural Resources, 1994, 14(4): 293－299. (in Chinese with English abstract)

[10] 尹占娥，許世遠. 上海浦東新區土地利用變化及其生態環境效應[J]. 長江流域資源與環境，2007，16(4)：430－430. Yin Zhan e, Xu Shiyuan. Changes in land-use and land cover and their effect on eco-environment in Pudong new area of Shanghai[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2007, 16(4): 430－439. (in Chinese with English abstract)

[11] 陳命男，張浩，唐靖寅，等. 上海城市地表熱環境多時期遙感研究[J]. 中國環境科學，2011，31(7)：1143－1151. Chen Mingnan, Zhang Hao, Tang Jingyan, et al. Study on the thermal environment of land surface in Shanghai with multi- temporal remote sensing images[J]. China Environmental Science, 2011, 31(7): 1143－1151. (in Chinese with English abstract)

[12] 張楊，江平，陳奕云，等. 基于Landsat TM影像的武漢市熱島效應研究[J]. 生態環境學報，2012，21(5)：884－889. Zhang Yang, Jiang Ping, Chen Yiyun, et al. Study on heat island effect in Wuhan city based on Landsat TM remote sensing[J]. Ecology and Environmental Science, 2012, 21(5): 884－889. (in Chinese with English abstract)

[13] 崔秋洋，潘云，楊雪. 基于Landsat 8遙感影像的北京市平原區不透水層蓋度估算[J]. 首都師范大學學報(自然科學版)，2015，36(2)：89－92. Cui Qiuyang, Pan Yun, Yang Xue. Beijing plain area of remote sensing images based on Landsat 8 impermeable layer coverage estimates[J]. Journal of Capital Normal University: Natural Science Edition, 2015, 36(2): 89－92. (in Chinese with English abstract)

[14] 任鵬飛，甘淑，謝顯奇，等. 基于ETM+遙感探測山地城市不透水面及其動態分析[J]. 水土保持通報，2013，33(5)：109－112. Ren Pengfei, Gan Shu, Xie Xianqi, et al. Dynamic analysis of mountain city impervious surface based on ETM+fused images[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013, 33(5): 109－112. (in Chinese with English abstract)

[15] 李佩武，李貴才，陳莉，等. 深圳市植被徑流調節及其生態效益分析[J]. 自然資源學報，2009，24(7)：1223－1233. Li Peiwu, Li Guicai, Chen Li, et al. Analysis of Shenzhen vegetation: flood control and ecological benefit[J]. Journal of Natural Resources, 2009, 24(7): 1223－1233. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhang J Q, Zhu Y Q, Fan F L. Mapping and evaluation of landscape ecological status using geographic extracted from remote sensing imagery of the Pearl River Delta, China, between 1998 and 2008[J]. Environ.Earth Sci, 2016, 75: 327－342.

[17] 江振藍，沙晉明，楊武年.基于GIS的福州市生態環境遙感綜合評價模型[J]. 國土資源遙感，2004(3)：46－48. Jiang Zhenlan, Sha Jinming, Yang Wunian. Multiple factores: Based remote sensing evaluation of ecological environment in FUzhou[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2004(3): 46－48. (in Chinese with English abstract)

[18] 安靜，劉紅玉，郝敬鋒，等.南京仙林新市區景觀生態質量變化研究[J].水土保持研究，2012(2)：231－235. An Jing, Liu Hongyu, Hao Jingfeng, et al. Study on the change of landscape ecological quality in Xianlin new city of Nanjing[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012(2): 231－235. (in Chinese with English abstract)

[19] 周靜，管衛華. 基于生態足跡方法的南京可持續發展研究[J]. 生態學報，2012(20)：6471－6480. Zhou Jing, Guan Weihua. Study on sustainable development in Nanjing based on ecological footprint model[J]. Acta Ecological Sinica, 2012(20): 6471－6480. (in Chinese with English abstract)

[20] 劉洪岐.基于RS和GIS的北京市生態環境評價研究[D]. 北京：首都師范大學，2008. Liu Hongqi. Evaluation of Beijing's Ecological Environment Based on RS and GIS[D]. Beijing: Capital Normal University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[21] 徐涵秋. 城市遙感生態指數的創建及其應用[J]. 生態學報，2013，33(24)：7853－7862. Xu Hanqiu. A remote sensing urban ecological index and its application[J]. Acta Ecological Sinica, 2013, 33(24): 7853－7862. (in Chinese with English abstract)

[22] Reza M I H, Abdullah S A. Regional index of ecological integrity: A need for sustainable management of natural resources[J]. Ecological Indicators, 2015, 11(2): 220－229.

[23] Gupta K, Kumar P, Pathan S K, et al. Urban neighborhood green index :A measure of green spaces in urban areas[J]. Landscape & Urban Planning, 2012, 105(3): 325－335.

[24] 劉智才，徐涵秋，李樂，等. 基于遙感生態指數的杭州市城市生態變化[J]. 應用基礎與工程科學學報，2015(4)： 728－739. Liu Zhicai, Xu Hanqiu, Li Le, et al.Ecological change in the Hangzhou area using the remote sensing based ecological index[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2015(4): 728－739. (in Chinese with English abstract)

[25] 趙順陽，王文科，喬岡，等.艾比湖流域生態環境質量評價[J].干旱區資源與環境，2007，21(5)：63－67. Zhao Shunyang, Wang Wenke, Qiao Gang, et al. Eco- environmental quality assessment of Ebinur watershed[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2007, 21(5): 63－67. (in Chinese with English abstract)

[26] 王萍，鄭永果，張繼賢，等.基RS的土地利用/土地覆蓋變化信息提取方法：以甘肅石羊河流域為例[J]. 資源開發與市場，2003，19(6)：387－389. Wang Ping, Zheng Yongguo, Zhang Jixian, et al. Extraction method of land use/land cover Information change based on RS:taking Gansu Shiyanghe valley as an example[J]. Resource Development & Market, 2003, 19(6): 387－389. (in Chinese with English abstract)

[27] 王俊祺，潘文斌. 生態環境變化遙感評價指數的應用研 究：以敖江流域為例[J]. 環境科學與管理，2014，39(12)：186－190. (in Chinese with English abstract) Wang Junqi, Pan Wenbin. Application of remote sensing index in assessing ecological change of Aojiang watershed[J]. Environmental Science and management, 2014, 39(12): 186－190. (in Chinese with English abstract)

[28] Xu H. A New Index for DelineatingBuilt-up Land Features in satellite imagery[J]. International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(14): 4269－4276.

[29] Rikimaru A, Roy P S, Miyatake S. Tropical forest cover density mapping [J]. Tropical Ecology, 2002, 43: 39－47.

[30] Nasa. Landsat 7 science data user’s handbook[J]. General Interest Publication, 1998. Doi：10.3133/7000070.

[31] Nasa. Landsat8 Data Users Handbook[Z]. General Interest Publication, 2011.

[32] Baig M H A, Zhang L, Tong S, et al. Derivation of a tasseled cap transformation based on Landsat 8 at-satellite reflectance [J]. Remote Sensing Letters, 2014, 5(5): 423－431.

[33] Sobrino J A, Jiménez-Mu?oz J C, Paolini L. Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM 5[J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 90(4): 434－440.

[34] 王海波，馬明國. 基于遙感的湖泊水域動態變化監測研究進展[J]. 遙感技術與應用，2009，24(5)：674－684. Wang Haibo, Ma Mingguo. Research progress on monitoring of lake water dynamic changes based on remote sensing[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2009, 24(5): 674－684. (in Chinese with English abstract)

[35] 徐涵秋. 基于壓縮數據維的城市建筑用地遙感信息提取[J]. 中國圖象圖形學報，2005，10(2)：223－229. Xu Hanqiu. Remote sensing information extraction of urban build up land based on a data dimension compression technique [J]. Journal of Image and Graphics, 2005, 10(2): 223－229. (in Chinese with English abstract)

[36] Chavez P S J. Image-based atmospheric corrections: Revisited and improved[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 1996, 62(9): 1025－1036.

[37] 徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數(MNDWI)提取水體信息的研究[J]. 遙感學報，2005，9(5)：589－595. Xu Hanqiu. A study on information extraction of water body with the modified normalized difference water index (MNDWI)[J]. Journal of Remote Sensing, 2005, 9(5): 589－595. (in Chinese with English abstract)

[38] 茹克亞·薩吾提，阿里木江·卡斯木，玉蘇普江·艾麥提. 基于多遙感數據的喀什市1972—2010年城市擴展研究[J]. 冰川凍土，2014，36(3)：732－739. Rukiya Sawut, A limujiang·kasimu, Yu supujiang·aimaiti. Analyzing the urban expansion in Kashgar city Xinjiang during 1972—2010 based on multi-source remote sensing images[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(3): 732－739. (in Chinese with English abstract)

[39] 秦鵬，董玉祥，李裕梨. 廣州市城鎮用地擴展及預測分析[J]. 資源科學，2012，34(10)：1881－1890. Qin Peng, Dong Yuxiang, Li Yuli. Urban land use expansion and prediction analysis in Guangzhou[J]. Resource Science, 2012, 34(10): 1881－1890. (in Chinese with English abstract)

[40] 張浩，杜培軍，羅潔瓊，等. 基于遙感生態指數的南京市生態變化分析[J]. 地理空間信息，2017，15(2)：58－62. Zhang Hao, Du PeiJun, Luo Jieqiong, et al. Ecological change analysis of Nanjing city based on remote sensing ecological index[J]. Geospatial Information, 2017, 15(2): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[41] 紀曉華.基于遙感的城市群擴張模式及其驅動力研究[D]. 北京：中國地質大學，2014. Ji Xiaohua. Research on Urban Agglomeration Expansion Model and Its Driving Forces Based on Remote Sensing[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2014. (in Chinese with English abstract)

[42] 劉珍環，王仰麟，彭建.不透水表面遙感監測及其應用研究進展[J]. 地理科學進展，2010，29(9)：1143－1152. Liu Zhenhuan, Wang Yanglin, Peng Jian. Remote sensing impervious surface and its application: A review [J]. Progress in Geography, 2010, 29(9): 1143－1152. (in Chinese with English abstract)

[43] 林冬鳳，徐涵秋. 廈門城市不透水面及其熱環境效應的遙感分析[J]. 亞熱帶資源與環境學報，2013，8(3)：78－84. Lin Dongfeng, Xu Hanqiu. Urban impervious surface and its thermal environments in Xiamen: An analysis based on Remote sensing technology[J]. Journal of Subtropical Resources and Environment, 2013, 8(3): 78－84. (in Chinese with English abstract)

Response of ecological environment change to urban construction land expansion in Bole City of Xinjiang

Yueriguli Kasimu1,3, Zibibula Simayi1,2,3※, Wang Lei1,3, Xohrat Bayi1,2,3

(1.830046,; 2.830046,; 3.830046,)

At present, China is in the rapid development stage of urbanization, while urbanization is exerting its positive effect, and it inevitably brings negative effects. The “urban social problems” in the form of urban ecological deterioration is becoming more and more concerned by the government and the society. Therefore, it is very important for timely, accurately and quickly detecting the ecological changes which caused by the urban expansion. Four evaluation indices, such as humidity (Wet), green degree (NDVI), dry degree (NDBI) and heat degree (LST) were extracted from Landsat remote sensing images (2000—2016), and the integrated index method was used to deal with the normalized environmental factors, and the final evaluation results of the ecological environment of Bole City were obtained. And the spatial expansion pattern of Bole City was analyzed by using the urban expansion intensity index and the gravity center displacement model. The results showed that the ecological environment quality of Bole City had deteriorated to some extent during 2000—2016. The remote sensing ecological index (RSEI)values of the Bole city decreased from 0.703 in 2000 to 0.688 in 2011 and 0.565 in 2016. The RSEI level of the ecosystem ranged from 81.78% in 2000 to 76.8% in 2011, and then to 64.15% in 2016. During 2000—2016, the area of improved ecological environment was 1 051.65 km2(accounting for 13.50%), and the area of deteriorated ecological environment was 3 064.59 km2(accounting for 39.34%). It indicated that the ecological environment of Bole City was deteriorating during 2000—2016, but some parts of the ecological environment was improved. Spatial analysis showed that, the areas where had healthy ecological environment were mainly distributed in the front of the mountain plain, the old city and its surrounding areas; the ecological environment poor region was mainly distributed in the outlying areas of the main urban area and along the banks of Bortala River. Further analysis showed that the built-up area had increased by 11.04 km2, showing a trend of gradual expansion. During the entire study period (2000—2016), gravity center of Bole City had shifted to different directions; During 2000—2011, the gravity center of the city was moved to the southeast direction (SE) by 2.13 km; During 2011—2016, the gravity center of the city was shifted to the Northeast (NE) direction about 5.17 km; The city expanded in a planar distribution during 2000—2016, the gravity center of the city moved to the east in a large scale, as well as showed small scale transformation to the north, south and westward in a planar distribution. The areas where were affected by urban expansion, characteristic of extension and RSEI results further indicated city expansion was a predominate factor of ecological environment deterioration in the study area. In a word, this paper used remote sensing ecological index to comprehensively evaluate the ecological changes of Bole with multi-index, large-scale and multi-phase, and discussed the response of ecological environment to the urban land expansion. On the one hand, it can serve the ecological environment monitoring and ecological city construction of Bole city; on the other hand, it can test the applicability and effectiveness of RSEI in arid areas.

land use; ecology; environment; construction land; urban expansion; RSEI; Bole City; Xinjiang

2018-05-08

2018-10-12

國家自然科學基金項目“艾比湖稀缺資料流域水文變化分析與水資源利用安全范式”（批準號：U1603241)

約日古麗卡斯木，博士生，研究方向：干旱區土地利用與資源環境。Email：1005818758@qq.com

孜比布拉·司馬義，教授，主要從事資源利用與城鄉規劃研究。Email：zibibulla3283@sina.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031

P327

A

1002-6819(2019)-01-0252-08

約日古麗卡斯木，孜比布拉·司馬義，王 蕾，肖合來提·巴義. 新疆博樂市生態環境變化對城市建設用地擴張的響應[J].農業工程學報，2019，35(1)：252－259. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031 http://www.tcsae.org

Yueriguli Kasimu, Zibibula Simayi, Wang Lei, Xohrat Bayi. Response of ecological environment change to urban construction land expansion in Bole City of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 252－259. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031 http://www.tcsae.org