基于遙感的深圳市土地利用與生態環境變化研究★

徐廷鵬,盧文宇,江希婷,馬 俊,李 巍

(1.中國能源建設集團黑龍江省電力設計院有限公司,黑龍江 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學礦業工程學院,黑龍江 哈爾濱 150022;3.衢州市測繪院,浙江 衢州 324000; 4.北京盛特時代信息技術有限公司,北京 100012)

1 研究背景

1990年以來,土地一直是人類發展中不可缺少的資源,一個城市的發展,必定會伴隨著產業的擴張和集中,從而增大對勞動力的需求力度,這也是城市人口快速增長的主要原因。有限的建設用地在面臨人口及產業的不斷增長,最終會通過減少其他土地類型從而擴大建設用地面積,促進城市的發展,提高城市化水平。如何保證土地資源與生態環境相平衡這一問題顯得尤為重要。實時監測土地利用結構和生態環境質量對城市環境的改造發展具有重大的歷史意義[1-2]。

深圳市作為中國最為發達的城市之一,它有著堅固的經濟紐帶、先進的技術和龐大的發展產業。位于中國中心地位的深圳市與香港地區相接,經濟水平自然可想而知。

2 研究方法

2.1 數據來源

選取2006年、2011年、2016年、2021年這四個年份每年9月份的Landsat影像數據。影像用于提取土地利用率及植被覆蓋程度,所以要選取植物生長好,植被覆蓋度高的月份。7月份～10份中9月云量較少。選擇云量較少的影像,地物清晰,便于更精準分類。

2.2 研究方法

通過自然生態環境評價模型,對深圳市生態環境做進一步評價,計算公式如下:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

其中，NDVI為植被指數;NIR為近紅外波段;R為紅光波段。

FC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

其中，FC為植被覆蓋度;NDVImax,NDVImin分別為研究區中最大、最小的NDVI值。

GRABS=VI-0.091 78BI+5.589 59

(3)

其中，GRABS為被研究的土壤指數;VI和BI分別為綠度指數和土壤亮度指數。其關聯性表現在綠度指數與植被覆蓋度之間的變化[3]。

E=W1×Sv+W2×Ss+W3×St

(4)

其中，綜合評價指數是與植被覆蓋度、土壤指數以及坡度三者與權重值的積的和。權重數值一般給出0.6，0.3和0.1三個數值。通過歸一化數據處理,可以得出1～10的數值。從而以此為依據,進行對環境評價結果的級別分類,如表1所示。

表1 環境評價等級表

2.3 數據預處理

對Landsat數據、DEM地表高程數據進行監督分類、歸一化處理等相關的處理,得出土地利用變化狀況及生態環境評價等級[4]。

影像分類選擇監督分類,數據的預處理要包括輻射定標及大氣校正和在Arcgis中畫出深圳市的矢量邊界而進行影像裁剪。參考第二次全國土地調查,土地利用分類體系見表2。選取土地利用類別的依據為:利用遙感影像和地物光譜理論,制定土地利用類型表。

表2 深圳市土地分類表

采用基于光譜信息分類的監督分類方法,選取20個樣點作為樣本,使樣本在影像上呈均勻分布狀態,樣本間具有可分離性,用Jeffries-Matusita,Transformed Divergence所示的參數值表達為0～2之間,合格樣本則表現為顯示分離性好,數值一般大于1.9,當樣本分離性小于1.5時,就需要重新選取樣本作為實驗對比對象。若兩個樣本均小于1.0,則有必要考慮合并同類項。

對樣本分類后,進行精度評價。運用的評價方法是誤差矩陣的方陣法,在行與列相等數目的前提下,進行數目相等的精度和類別評價。

對處理的數據要進行歸一化處理,通過計算得出深圳市2006年—2011年生態環境評價表。利用ENVI植被覆蓋度指數提取過程中,在ENVI中輸入下述公式來計算評價指數[5]:

(b1 1t 0.18)×0+(b1 gt 0.41)×1.0+(b1 ge 0.08 nd b1 1e 0.41)×((b1-0.08)/(0.41-0.08))。

在自然生態因子歸一化時,各個指標的得分按正序排列,排列的依據為各個指標按由高至低的分類等級進行對生態質量影響因素的分析排列。按數值大小則數值越大,影響越大,反之則越小。

3 結果分析

3.1 深圳市土地利用變化分析

結合表2可知,2006年深圳市的土地利用類型主要以林地為主,面積占比為43.62%。其次依次為建設用地39.96%、耕地12.41%、水體3.91%、未利用地占比最少為0.1%(見圖1)。由此可見,深圳市土地開發建設全面徹底,城市化水平高,但是土地資源不足的矛盾已經顯現,無地可用的形勢愈發嚴峻,同時也制約著深圳市的發展。

深圳市2011年土地利用分類圖如圖2所示。與表1中的數據結合分析可知,在2011年,深圳市土地利用類型的建設用地面積相較于2006年所占比為45.52%。其他如林地則為42.31%,耕地為11.45%,水體為3.61%,而其他未利用土地占比僅為0.1%。除了建設用地面積在不斷擴大外,其他幾方面的用地類型均呈現不同程度的縮小。減少了0.3%,而未利用地的面積基本保持穩定。由此可以看出,2006年—2011年期間,大約有2.2%的林地及耕地轉變為建設用地,土地植被遭到破壞,土地生產力下降,對土地生態系統造成不可逆轉的傷害。

2016年深圳市土地利用分類圖如圖3所示。與表1中的數據分析得出,深圳市在2016年,城市建設中的土地類型還是占整體土地用地的主要部分，占比達48.42%。剩余的林地、耕地、水體占比依次為39.93%，8.16%和3.61%，未利用地0.1%。同2011年相比,變化幅度最大的為耕地,減少了3.29%,其次依次為建設用地增長了2.9%。減少的用地面積則是林地約為2.38%、水體為0.17%。未利用地面積基本保持穩定。通過對比圖2，圖3,造成耕地面積大幅下降的原因主要有:退耕還林;大量耕地轉化為建設用地。

建設用地占比一直處于增加的狀態,一方面是來自其他土地類型的轉化,另一方面與深圳實施的填海造田有著很大一部分關系。由圖3可以看出,2011年—2016年期間,深圳市的填海造田項目主要集中在寶安區和南山區。其中南山區的前海區和后海區是南山區填海的典型代表。

2021年深圳市土地利用分類圖如圖4所示,通過與表3的對比分析可知,2021年深圳市土地利用類型依舊主要以城市建設用地為主,面積約占總面積的50.93%,占比十分明顯,且呈逐漸增長的趨勢,不可逆轉。林地、耕地、水體以及未被利用的土地的面積呈現遞減趨勢。從數據分析上來看,建設用地面積的變化位居首位,與2016年同比增長2.51%。排在其后的是耕地、林地以及水體。同比減少的百分點依次為1.97，0.42，0.12，剩余未被利用的土地面積數據沒有變化。

表3 深圳市土地利用變化表 %

整體來看2006年—2021年這15年期間深圳市在建設用地和林地的使用和利用開發上來說,是城市土地利用率最高的兩種類型。占深圳市整體土地利用面積的87%。至今未被開發利用的土地面積只有總面積的不到0.1%。這說明,在深圳市這十五年的發展進程中,土地利用面積呈現不斷快速增長態勢,具體數據是從2006年的39.96%,快速增長了近10個百分點,達到現有水平的50.92%。所以說,深圳市作為我國對外貿易重要的窗口城市,可供使用的土地(林地、耕地和水體)面積越來越少。

3.2 深圳市生態環境變化分析

利用ENVI,得出了2006年、2011年、2016年、2021年 深圳市生態綜合評價等級統計表(見表4),評價等級為優良等級的占比超過70%。評價等級為差的占比普遍較低,占比在0.17～0.47之間。2006年—2021年間,綜合評價等級為中和差的區域所占比例呈增長趨勢,由最初的18.13%增長至24.9%，而綜合評價等級為優和良的區域所占比例呈下降趨勢,由最初的81.87%下降至75.1%。

2006年,深圳市生態環境總體呈良好狀態,其中,環境評價等級為良的區域占比最大,為58.40%。其次依次為優23.47%、中17.96%、差0.17%。由此可以看出,2006年深圳市的生態環境比較良好,優良區域的占比為81.87%,生態結構比較完善,生態系統恢復能力較強。

表4 深圳市生態環境評價結果 %

2011年,深圳市生態環境總體評級同2006年相比有明顯下降趨勢,但整體評級處于良好狀態。環境評價等級區域占比最大的為良55.31%,其次依次為中24.13%、優20.33%、差0.23%。其中環境評價等級為優良區域的占比為75.64%,同2006年相比下降了6.32%。環境評價等級為差的區域占比同2006年相比有了小幅增長,增長了0.06%。可以看出,2006年—2011年期間,由圖5可見,評價等級為中的區域變化幅度最大,增長了6.17%,幾乎是由評價等級為優良的區域轉換而來,生態系統遭受到一定破壞。

2016年,深圳市生態環境總體評級同2011年相比趨于穩定,略有小幅下降,整體評級處于良好狀態。環境評價等級區域占比最大的為良57.69%,其次依次為中24.53%、優17.49%、差0.23%。其中環境評價等級為優良區域的占比為75.18%,同2011年相比下降了0.46%。環境評價等級為差的區域占比均有了一定幅度的提升,同2011年度數據相比較而言,增長了0.06%。

4 結語

通過ENVI軟件,采用自然生態因子與指數評價法,對深圳市的土地利用變化和生態環境變化進行研究,研究結果表明:在長達十五年的歷程中,深圳市充分利用了現有土地并開發了更多的可使用土地,使其更廣泛地用于建設用地面積。而其他土地類型卻均在減少,建設用地所占比例完全超出了人們的預期。綜合評價為優和良的區域所占比例逐年減少,為中和差的區域所占比例逐年增加,由此可見,深圳市的生態環境總體呈比較明顯的下降趨勢,但因等級為差的區域所占比較極少,所以目前還處于可控制的范圍之內。影響深圳市土地利用和生態環境變化的因素主要是城市的快速發展、人口的逐漸增多和填海造田等工程的實施。通過研究得出以下建議,在深圳市快速發展的同時,應注重遙感技術在土地利用和生態環境變化監測方面的應用,深圳市有關部門也應重視土地利用的合理性和平衡性,注重生態環境的改善、保護和提升,從而實現綠色、健康、可持續發展。