基于GIS技術的武漢市江漢區綠地動態變化分析

孫偉博 嚴青亮

(湖北美術學院，湖北 武漢 430000)

引言

2015年中央城市工作會議中明確要統籌生產、生活、生態3大布局，提高城市發展的宜居性。城市發展要把握好生產空間、生活空間、生態空間的內在聯系，實現生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀。城市是一個自然復合生態系統，其中城市綠地是城市生態系統中一類重要的多功能組分，發揮著重要的生態、休閑、娛樂等功能，能夠改善城市居民生理及心理健康狀況、緩解工作壓力、增強幸福感[1]。

在現階段城市綠色空間建設主觀性較強，缺少系統科學分析的大環境下，定量分析綠色空間的類型組成、數量特征和動態演變等結構特征可以幫助理解綠色空間的發展演變過程，為分析快速城市化及人類活動影響下的城市空間格局的優化調控提供至關重要的科學依據[2]。武漢作為華中地區快速城鎮化的城市之一，位處城區中心的江漢區是場地變化最強烈的區塊。近年來，不少學者已經對武漢城市中的景觀格局、綠地公平性等問題開展了研究。如，潘峰等選取武漢園博園為代表探討當下城市綠地景觀設計中的生態修復[3]；李海防等采用聚類分析法以武鋼工業區為例探討對當下城市綠地開展景觀評價[4]；孫青麗等運用景觀生態學以武漢經濟開發區為例展開城市綠地景觀格局分析，并基于GIS進行單因子評價后開展城市綠地規劃[5，6]。但對于城區中心綠色空間動態變化的研究還相對較少。基于此，在存量規劃背景下，本研究以立足于景觀生態學以武漢市江漢區近20年的綠地變化為例，探究其綠地變化特征，為城市綠地規劃設計和科學管理提供理論依據。

1 研究區域概況

研究著重探討城市綠地動態變化，因此實踐樣本選擇武漢市江漢區(N30°34′～30°38′，E111°13′～114°17′)，其南臨長江，西瀕漢江，北抵張公堤，處于漢口地區中部，地理位置優越。研究包括下轄13個街道、江漢經濟開發區以及武漢中央商務區管理委員會，已實現100%城鎮化，總面積為28.29km2。

2 數據來源與處理

2.1 遙感數據獲取與預處理

研究選取來自于地理空間數據云2001年、2008年、2015年、2021年4個年份的Landsat遙感數據影像作為基礎研究數據。為能良好地觀察江漢區綠色空間演變，影像選擇日期集中于4—10月，該時期武漢植被多處于綠色，光譜信息顯著，利于分辨，見表1[7]。同時，通過水經注地圖下載器收集研究區的矢量邊界以及4個時期18級的Google earth高分辨的歷史影像進行對比驗證。

表1 2001—2021年Landsat系列衛星影像數據詳情

數據預處理過程主要基于ENVI 5.3軟件進行，包括輻射定標、大氣校正、圖像融合以及裁剪。運用Radiometric Calibration工具對Landsat影像進行輻射定標，以此保障遙感數據的準確性；因實驗影像云量在0%～12%不等，在得到研究區域內平均海拔和影像時間后，使用FLAASH Atmospheric Correction工具對其進行大氣校正以減少大氣和光照對研究的干擾；由于研究區域面積相對較小，原始影像30m的空間分辨率在一定程度上會干擾后期監督分類等研究，故此應用Gram-Schmidt Pan Sharpening工具對大氣校正后的影像和15m空間分辨率的單波段影像進行圖像融合，以此提高樣本的可讀性，減少研究誤差；應用Subset工具以江漢區矢量邊界(shp文件)對圖像融合過后的影像進行裁剪，得到最終研究區實踐影像。

2.2 植被覆蓋度計算

由于植被覆蓋度和植被歸一化指數(NDVI)之間存在較高的線性關系，因此采用NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度，統計平均植被覆蓋度具有一定的參考價值[8]。在本研究中所使用的是李苗苗等在像元二分模型基礎上改進的像元二分模型，原理公式[9]：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×

NDVImax)/(FVCmax-FVCmin)

NDVIveg=[(1-FVCmin)×NDVImax-(1-FVCmax)

×NDVImin]/(FVCmax-FVCmin)

式中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋的歸一化植被指數；NDVIveg為完全植被覆蓋的歸一化植被指數。

具體操作：運用ENVI 5.3將預處理完成的影像數據，使用Band Math工具計算得到NDVI數據，公式：

NDVI=(b1-b2)/(b1+b2)

通過Compute Statistics工具進行NDVI數值統計后，根據反射率置信度區間選取5%～95%的數值。以Band Math工具進行波段計算得到最終FVC值，公式：

FVC=(b1ltNDVIsoil)×0+(b1gtNDVIveg)×1+

(b1geNEVIsoilandb1leNDVIveg)×[(b1-

NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)]

式中，b1指近紅外波段的像素值；b2指紅光波段像素值。

2.3 地物類型分布計算

因本研究區域面積為28.29km2，Landsat5TM影像空間分辨率僅有30m，而經過圖像融合后Landsat7ETM、Landsat8OLI遙感影像空間分辨率為15m，且研究對象主要為綠地空間，故此研究以《土地利用現狀分類》為參考，將研究區域地物類型分為水體、建設用地、林草地3類，其中，林草地指喬木、灌木、地被植物為主的場地，包括公園綠地、市政綠化等，見表2。

表2 研究區地物類型信息

在實地勘察和Google earth影像(包含歷史影像)的支持下，以樣本類型全面和圖面分布均衡為原則，對4個時期實踐影像中的地物類型分別建立50個以上的訓練樣本，在保證樣本分離度在1.9以上后，應用ENVI 5.3中的支持向量機對影像進行監督分類。監督分類后，導入Google earth 18級影像(包含歷史影像)，以同樣方式對其進行訓練樣本的采集，運用Confusion Matrix Using Ground Truth ROIs工具建立混淆矩陣進行影像驗證，計算得出研究中4個時期實踐數據總體精度在97%以上，Kappa系數在0.93以上，判別精度較理想，具有一定參考價值，見表3。

表3 精度評價結果

2.4 地物類型變化計算

為更好地觀察綠地變化趨勢，將4期數據進行兩兩對比，建立地物類型轉移矩陣并且制作地物類型動態變化圖，不僅可以對地物類型變化進行定量描述，還可以全面的觀察出綠地轉移去向[10]。

基于監督分類后的4個時期地物類型分布數據，使用Arcgis 10.8在數據屬性表內添加地物類型字段后，將數據柵格轉面為矢量數據進行融合，由此運用相交工具將2001—2008年、2008—2015年、2015—2021年時段數據進行相交，在添加雙精度字段以計算幾何計算出地物類型變化數據下，以表轉Excel工具進行導出，使用Excel對地物類型轉移矩陣進行分析，結果詳見表4～6。此外，對相交過后的數據進行文本字段添加，分別輸入轉出類型后，在該數據符號系統中進行應用調整便可制作出3個時段的地物類型變化圖，結果詳見圖4。

3 結果與分析

3.1 江漢區綠地空間動態變化總體分析

經過對2001—2021年4期遙感數據進行解譯后，獲取到的江漢區地物分類結果，見圖1，后經ArcMap和Excel外部工具輔助計算下得到4個時期的地物類型變化圖，見圖2。

圖1 2001—2021年武漢市江漢區地物分類圖

江漢區是武漢市的老城區，城市化建設較早，早在20世紀時期南部臨江區域內城市建設便較為完善。由圖1、圖2可知，在2001—2008年，城市化由南向北至江漢區經濟開發區以及漢興街道建設擴展，綠地面積減少6%為3.86km2，水體減少41%至1.04km2，故此綠地和水體面積減少，建設用地增加為這一時期的典型特征；2008—2015年江漢區域內城市建設基本完善，綠地也出現了明顯增加，增加至5.65km2，約江漢區總面積的20%；2015—2021年，在國家生態城市建設和武漢市綠地政策的助力下，綠地面積以每年0.3km2的速度，增加至7.5km2，約占區域總面積26%，這其中主要來自于市政綠化的高覆蓋度和高密度。

圖2 2001—2021年武漢市江漢區地物類型變化圖

3.2 江漢區綠地分布特征的動態變化分析

江漢區20年間綠地空間先減少后增加，其中在2021年達到歷史綠地覆蓋度的最大值。在通過像元二分模型估算得到4個時期的植被覆蓋度分析圖中，可以較為直觀地得知綠地分布特征變化，見圖3。

圖3 2001—2021年武漢市江漢區植被覆蓋度

其中，2001年大型綠地空間多集中在遠離市區的北部和西部，主要為少量農田、濕地以及公園，表現出集中且分布不均的特征；到2008年后，由于深度城市化的腳步，整體綠地覆蓋相對減少，但是綠地分布已經出現了北部向中部，西部向東部逐步覆蓋的特征，這與該江漢區發展方向一致；2015年由于對空閑的建設用地進行深入開發使用，以萬松街道為代表的大面積綠地逐步呈現分散特征，且中部和北部區域呈現出分散且相對均勻的特征；2021年江漢區達26%的植被覆蓋度，綠地呈現分散且高密度特征，但是滿春街道、民權街道、民意街道等南部區域除江邊綠地外，因為建筑密度和人口密度高等原因仍處相對低綠地覆蓋度。

3.3 江漢區綠地分布特征的動態變化分析

基于監督分類后的影像數據，運用Arcgis 10.8將2001—2008年、2008—2015年、2015—2021年3個時段矢量數據進行融合以及疊加相交處理，得到地物類型變化圖，見圖4，通過3個時段的地物類型變化圖配合地物類型轉移矩陣，見表4～6，可以定量分析出江漢區20年間綠地轉出、轉入的動態變化。

圖4 2001—2021年武漢市江漢區地物類型轉移圖

表4 2001—2008年武漢江漢區地物類型轉移矩陣

表5 2008—2015年武漢江漢區地物類型轉移矩陣

表6 2015—2021年武漢江漢區地物類型轉移矩陣

2001—2008年，綠地和水體因城市建設在不同程度上轉移為建設用地，其中綠地轉出面積為0.16km2，綠地總面積減少5%，水體轉出面積為0.66km2，水體總面積減少38%，轉出主要為北部的農田和林草田；2008—2015年中綠地轉入面積為1.82km2，約占2008年綠地總面積的47%，主要來自于北部空閑的建設用地和夢澤湖公園、王家墩公園為主的公園綠地和水體濕地；2015—2021年，在100%城市化背景下，江漢區生產建設和生態建設協同發展，綠地建設成效顯著，綠地轉入面積為1.83km2，在2015年的基礎上增加32%綠地空間，這其中主要轉入來自于建設用地的植被覆蓋。

4 結語

武漢市江漢區過去20年由于人口城市化和經濟城市化等影響下，水體總面積減少約47%，其中大部分轉出為建設用地和林草地，而城市綠地空間呈現出先減后增、先集中后分散的變化特征，綠地空間相較于2001年整體上升12%，受限于城市中心的地理位置，面積總量漲幅雖不大，但是結合FVC值得知植被總體覆蓋度呈現大幅增長，結合Google earth影像初步判斷其中一部分原因在于原始植被的生長，另一部分原因在于城市生態環境建設中，人種植被不斷在建設空間中增加，這也是綠地空間呈現分散的主要原因，同時揭示了人們在生態建設相關政策和社會環境的影響下，對綠地的建設意識有所提高。

在當前社會發展不平衡不充分新背景下，面對居民健康需求日益增長、人居環境優化提質的新要求，城市綠地生態系統服務至關重要[11]。在明確這一點的前提下，對城市綠地進行歷史動態研究、景觀格局分析、供需平衡等多維度的研究不僅拓展了人居環境提高的的理論與方法，也有利于城市管理者健康合理的利用城市用地，形成生態持續發展。