林煒鎧，田杰，孔薇絲，李思蓓，童樹瑜

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

城市的建設(shè)和發(fā)展在實現(xiàn)現(xiàn)代社會經(jīng)濟繁榮的同時也改變了原生的自然環(huán)境導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題和矛盾。這類矛盾是社會發(fā)展所要面臨的人口、資源和環(huán)境中重要的內(nèi)容。因此想要解決這類矛盾就需要科學(xué)合理的對城市建設(shè)用地進行規(guī)劃，而合理的規(guī)劃建立在充分了解城市資源、環(huán)境現(xiàn)狀以及城市動態(tài)變化信息，這樣才能充分發(fā)揮城市功能，實現(xiàn)科學(xué)管理城市用地。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在城市地區(qū)應(yīng)用成果和理論研究的不斷深入，城市遙感憑借其可視范圍廣、不受地形影響、收集到的圖像清晰真實、重復(fù)率低、耗費時間短收集資料快等優(yōu)勢為解決城市環(huán)境問題實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)開辟了一條新的道路。

本文以徐州市區(qū)為目標，利用現(xiàn)有的Landsat8遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI5.3軟件對遙感影像進行分析并獲取植被覆蓋度和土壤指數(shù)，以這兩個生態(tài)因子的基礎(chǔ)上，通過歸一化處理建立綜合指數(shù)模型，以此對徐州市區(qū)范圍內(nèi)的自然生態(tài)環(huán)境進行定性、定量的分析和評價。

1 城市遙感研究現(xiàn)狀

利用各種遙感影像數(shù)據(jù)處理分析得到各種需要的數(shù)據(jù)指標，并借助這些數(shù)據(jù)指標建立自然生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)，以此可以較為顯著地對某個研究區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境進行定性、定量的判斷評價。對于自然生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)的研究，不斷有學(xué)者提出了類比分析法、生態(tài)圖法等一系列評價方法：李如忠采用路人生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，建立巢湖流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系，對巢湖流域進行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價[1]；祖彭蕾等利用ETM+融合影像，提取相關(guān)生態(tài)因子，構(gòu)建自然生態(tài)環(huán)境評價模型[2]；王思夢等利用5年MODIS遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地形數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度等關(guān)鍵生態(tài)因子并基于歸一化的生態(tài)因子，利用遙感與GIS技術(shù)對大區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行檢測與評價[3]。

2 研究區(qū)概況

徐州，簡稱“徐”，古稱彭城，是江蘇省地級市，徐州位于華北平原的東南部，介于東經(jīng)116°22′～118°40′、北緯33°43′～34°58′之間，是淮海經(jīng)濟區(qū)中心城市。徐州地處華北平原東南部、江蘇省西北部，平原面積約占全市面積的90%，總地勢呈西北向東南降低，海拔在30～50m之間，京杭大運河穿境而過，境內(nèi)河流較多，隴海鐵路、京滬鐵路兩大干線在此交匯，素有“五省通衢”之稱。本次研究以徐州市市區(qū)（銅山區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)和鼓樓區(qū)）為研究對象，范圍如圖表 1所示。

3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感影像使用的是由地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat8 OLI_TRIS衛(wèi)星30分辨率的徐州市地區(qū)分幅遙感影像，其拍攝時間為2018年4月17號。利用ENVI5.3進行圖像輻射定標、大氣校正以及掩膜處理等預(yù)處理，然后根據(jù)徐州市市區(qū)（銅山區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)和鼓樓區(qū)）行政邊界圖，裁剪出徐州市區(qū)遙感影像。

3.2 研究方法

綜合指數(shù)法是先綜合后對比平均的方法，其最大優(yōu)點在于可以反映復(fù)雜現(xiàn)象總體的變動方向和程度，但它也存在缺陷，綜合指數(shù)法要求原始資料完整齊全且需要保持資料的現(xiàn)勢性和實用性。傳統(tǒng)的生態(tài)評價主要包括圖形疊加法、生態(tài)機理分析、類比法和列表清單法等，但傳統(tǒng)方法仍存在問題：調(diào)查內(nèi)容多、時間長、人員配置多、調(diào)查進展緩慢。而基于遙感影像的綜合指數(shù)法即擁有遙感技術(shù)監(jiān)測信息實時性和動態(tài)變化變化現(xiàn)勢性的優(yōu)點也有綜合指數(shù)法反映復(fù)雜現(xiàn)象總體的變動方向和程度的科學(xué)性，因此被廣泛應(yīng)用于自然生態(tài)環(huán)境評價。生態(tài)環(huán)境狀況評價可以利用利用一個綜合指數(shù)（生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI）[4]，而這個綜合指數(shù)體系包括：環(huán)境限制指數(shù)、生態(tài)功能區(qū)生態(tài)功能狀況指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋度和生態(tài)建設(shè)指數(shù)等多個環(huán)境相關(guān)指標。

由于遙感技術(shù)尚存在局限性，許多指標無法獲取數(shù)據(jù)，因而選取了植被、土壤和地形作為指標進行評價，效率較高，且有科學(xué)依據(jù)[2]。本文利用地理空間數(shù)據(jù)云下載的Landsat8遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI軟件進行處理分析獲得植被覆蓋度和土壤指數(shù)，建立自然生態(tài)綜合評價模型對徐州市區(qū)范圍的生態(tài)環(huán)境進行定性評價，并使用ArcGIS軟件對獲得的自然生態(tài)環(huán)境指數(shù)灰度圖進行分級色彩處理并制作專題地圖。

3.2.1 植被覆蓋度

想要獲得植被覆蓋度首先需要提取植被指數(shù)，然后依據(jù)植被指數(shù)計算植被覆蓋指數(shù)，本次選取的植被指數(shù)為歸一化植被指數(shù)（NDVI），其數(shù)學(xué)模型是[5]：

式中NIR表示近紅外波段，R表示紅光波段。NDVI也稱為生物量指標變化，是反應(yīng)植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除輻射誤差的重要參數(shù)。

植被覆蓋度指數(shù)的模型[6]為：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImin表示研究范圍內(nèi)最小的NDVI值，NDVImax表示研究范圍內(nèi)最大的NDVI值。因為圖像存在噪聲，且由于研究區(qū)域內(nèi)存在湖泊區(qū)域NDVI負值較多，這里的NDVImin和NDVImax根據(jù)直方圖分別取兩頭“拐點處”的值分別為39.26%和92.53%的累計百分比選擇的置信區(qū)間來計算。

3.2.2 土壤指數(shù)

土壤指數(shù)計算采用了王軍戰(zhàn)等得裸土植被指數(shù)模型（GRABS）[6]：

式中，GVI為K-T變換后的綠度指數(shù)，BI為K-T變換后的土壤亮度指數(shù)。采用表1K-T變換系數(shù)[7]來計算土壤亮度和GVI（植被綠度指數(shù)），結(jié)果見表3。

3.2.3 生態(tài)因子歸一化處理

歸一化方法處理可以將有量綱表達式變?yōu)闊o量綱表達式，可以解決各評價因子量綱不同不能直接比較的問題。采用密度分割的原則，按照各個指標對生態(tài)環(huán)境所造成的正向影響程度的大小，將它們分為10級。本文利用處理后的Landsat8遙感影像獲取研究區(qū)域的植被覆蓋度和土壤指數(shù)，并對其歸一化處理，根據(jù)得到的結(jié)果選擇置信區(qū)間區(qū)分出異常值，將異常值設(shè)定為1級后，再利用密度分割法對置信區(qū)間進行從高到低的9個等級分類。生態(tài)因子指數(shù)歸一化處理后采用加權(quán)平均的運算，建立自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)模型，以此模型來計算自然生態(tài)環(huán)境指數(shù)，對徐州市區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境進行定性和定量的評價。評價模型如下[8]：

式中，E為自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，W為不同生態(tài)因子的權(quán)重，F(xiàn)C為植被覆蓋度，GRABS為土壤指數(shù)，S為坡度。式中三個生態(tài)因子的權(quán)重根據(jù)參考文獻[8]中參考為W1=0.7W2=0.2W3=0.1。由于DEM文件缺失無法進行坡度因子分析，評價公式變化為：

式中W1=0.75W2=0.25。

表1 Landset8 OLI K-T變換系數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 植被覆蓋度分析

通過置信區(qū)間的提取，置信區(qū)間內(nèi)的NDVI（歸一化植被指數(shù)）為0～1，通過評價植被對環(huán)境的正向貢獻程度，對研究區(qū)域進行密度分割，將研究區(qū)域植被覆蓋度由低到高分為1～10等級，處理后得出結(jié)果（表2）。將得到的單波段灰度圖加載到ArcGIS軟件中，進行分級彩色顯示設(shè)置，得到徐州市植被覆蓋度狀況圖（圖2）。

結(jié)合實地信息并通過觀察獲得的結(jié)果圖，我們發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)域中心為居民建筑密集的城市區(qū)域，外圍是居民建筑分布較少、生態(tài)公園較多的郊區(qū)，所以徐州市區(qū)植被覆蓋有明顯的從中心向四周升高的趨勢。植被覆蓋度較高的區(qū)域主要集中在南部云龍湖風(fēng)景區(qū)附近；西北部九里湖濕地公園；東部金龍湖景區(qū)；東南部新城區(qū)大龍湖景區(qū)。這也側(cè)面說明了植被覆蓋度與城市居民建筑分布和地形因素有著極強的相關(guān)性。植被覆蓋度在0.6以上的區(qū)域占到59.709%。中部城市居民地區(qū)域植被覆蓋度普遍偏低，但由于徐州市在發(fā)展階段注重民生、經(jīng)濟和生態(tài)“三位一體”發(fā)展，其中植被覆蓋率在4級以下占比僅有4.953%。而市區(qū)周圍的森林公園、景區(qū)等，都是徐州市重要的生態(tài)安全走廊。由于云龍湖風(fēng)景區(qū)存在大片湖泊呈現(xiàn)低覆蓋度的特征，文中將不做進一步的分析討論。

表2 植被覆蓋度歸一化指數(shù)

4.2 土壤指數(shù)分析

根據(jù)公式（3）的計算結(jié)果，將所得到的單波段灰度圖像利用密度分割方法，由低到高賦予1～10級，計算后得出結(jié)果（表3），并輸出得到太原市土壤指數(shù)狀況（圖3）。

通過比較圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，徐州市區(qū)土壤健康狀況分布植被覆蓋度與其植被覆蓋度分布大致相同，由于城市綠被有保育土壤的作用，土壤指數(shù)較高的區(qū)域出現(xiàn)在植被覆蓋度同樣較高的云龍山公園附近，最低值則位于研究區(qū)中部植被覆蓋度較低的泉山區(qū)。從結(jié)構(gòu)分布特征上，等級4～9占全市面積的30%以上，由于研究區(qū)域范圍較小且為市區(qū)土壤指數(shù)異常較多，3級以下的區(qū)域占據(jù)大多數(shù)?？傮w土壤情況較差，主要是因為城市化的發(fā)展出現(xiàn)了“樓房熱”等盲目開發(fā)土地的情況，可以看出研究區(qū)中部為居民聚集點，土壤指數(shù)基本都在3級以下，這也是城市化發(fā)展不可避免的問題。

表3 土壤歸一化指數(shù)

圖3 徐州市區(qū)土壤情況

4.3 徐州市自然生態(tài)環(huán)境評價

通過公式（5）進行計算，得到的單波段灰度圖像在ArcMap軟件中進行分級色彩顯示，具體的評價等級與指數(shù)說明[9]如下（表4）：

表4 評價等級與指數(shù)說明

將研究區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)有高到低分別評定為優(yōu)、良、中、差4個等級，計算得出結(jié)果（表5），并輸出徐州市區(qū)自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)狀況（圖4）。

從中圖4可以看出，徐州市區(qū)自然生態(tài)環(huán)境狀況總體較好。其中環(huán)境級別為差的區(qū)域面積占總面積17.68%，環(huán)境級別為中的占40.05%，環(huán)境級別為良的區(qū)域面積最多占40.44%，而環(huán)境級別為優(yōu)的區(qū)域最少，僅占1.82%。其中自然生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)較低的區(qū)域絕大部分為人類活動頻繁、人口密集的區(qū)域，包括研究區(qū)域中部鼓樓區(qū)、泉山區(qū)。圖中出現(xiàn)云龍湖生態(tài)環(huán)境指數(shù)為差，是由于在植被覆蓋度分析時未將其列入考慮范圍，所以出現(xiàn)指數(shù)異常的情況。良等級的地區(qū)最多，生態(tài)公園附近區(qū)域。另外經(jīng)過仔細辨別，仍然可以發(fā)現(xiàn)許多優(yōu)等級的地塊出現(xiàn)在大龍湖景區(qū)和九里湖濕地公園，說明濕地公園是城市化發(fā)展中保護生態(tài)環(huán)境的有效措施。

表5 自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)

圖4 徐州市自然生態(tài)環(huán)境綜合狀況

5 結(jié)語

（1）從評價結(jié)果上來看，徐州市自然生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀還算尚可，但是由于城市化建設(shè)進程的不斷快進，城市向外擴張加速，城鎮(zhèn)中土地利用類型逐漸由多用途轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，在一定程度上使得生態(tài)自然不斷衰退，導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較前兩年有下降趨勢[10]。

（2）盡管徐州市整體生態(tài)環(huán)境稍有下降，但是仔細對比評價分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持大體不變，沒有較大波動。位于云龍湖附近的老城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對提升，主要原因是徐州近年來實施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，增加了老城區(qū)附近的綠化比重，加強污染處理整治，在極大程度上緩解了徐州的生態(tài)環(huán)境壓力。但是由于徐州市旅游業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致景區(qū)周圍建設(shè)用地不斷增加，不斷侵占植被用地，使得周圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈下降趨勢。

（3）本文利用地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載到的Landsat8 OLI遙感影像，對遙感影像進行處理后提取歸一化植被指數(shù)（NDVI）和土壤指數(shù)，對提取的指標進行歸一化處理后進行加權(quán)求和得到自然生態(tài)環(huán)境評價模型[11]，定量、客觀對徐州市的生態(tài)環(huán)境進行了分析，一定程度上揭示了徐州市自然生態(tài)環(huán)境的總體狀況及空間差異，具有一定的現(xiàn)實參考意義，但需要注意這些指標仍具有不足性，得出的結(jié)果與實際徐州市生態(tài)自然環(huán)境有一定差距，在后續(xù)的研究中，我們將繼續(xù)豐富研究手段及方法，進一步豐富評價因子，并與城市規(guī)劃結(jié)合，得出更加詳盡的自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果。

綜上，在城市化進程中，需要特別注意土地資源的節(jié)約及合理利用，做好土地資源的規(guī)劃及有效利用，應(yīng)當(dāng)合理推進城市綠化發(fā)展，注意加強對高層空間和地下空間以及城市邊緣地區(qū)的開發(fā)，維護人與自然的和諧統(tǒng)一，有助于提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。