張永彬 張 闊 滿衛(wèi)東,2,3,4# 劉明月,2,3,4 郝玉峰 胡雅凡 胡 尹 仝梓晨

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210；3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210；4.唐山市資源與環(huán)境遙感重點實驗室，河北 唐山 063210)

隨著城市化進程的快速推進，人口、資源、環(huán)境之間的矛盾日漸突出[1]，生態(tài)城市建設(shè)成為當今社會的熱議話題。生態(tài)城市是按照生態(tài)學原理建造的新型人類棲息地，準確地評價城市生態(tài)環(huán)境狀況，是建成生態(tài)城市的前提條件。

遙感技術(shù)具有探測范圍廣、時效性高、數(shù)據(jù)綜合性強等特點，在生態(tài)環(huán)境評價領(lǐng)域得到廣泛運用。目前，基于遙感的生態(tài)環(huán)境評價研究集中于單一生態(tài)環(huán)境指標，如基于地表溫度研究熱島效應[2]、基于植被指標[3]對森林生態(tài)系統(tǒng)進行監(jiān)測、通過水體指標[4]分析氣候狀況變化并進行評價等，然而僅從單一指標進行研究分析無法全面反映生態(tài)環(huán)境變化[5]。生態(tài)系統(tǒng)中各個成分緊密相連，評價生態(tài)環(huán)境時需從多個方面系統(tǒng)描述?！渡鷳B(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)采用生態(tài)環(huán)境評估參數(shù)(EI)進行生態(tài)環(huán)境狀況評價，EI綜合了生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負荷數(shù)和環(huán)境限制6個指標，其中污染負荷和環(huán)境限制兩個指標不易獲取，因此EI無法廣泛使用[6]。鑒于此，徐涵秋[7]7854提出了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感指標(RSEI)，RSEI僅基于遙感技術(shù)集成多種易獲取的評價生態(tài)環(huán)境的主要指標[8]891,[9]，可對城市生態(tài)狀況進行快速監(jiān)測與評價，具有較高的客觀性。該指標目前開始廣泛應用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價中，楊江燕等[10]277基于RSEI動態(tài)分析了雄安新區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，證明了RSEI具有較強的適用性。杭鑫等[11]在RSEI的基礎(chǔ)上考慮城鎮(zhèn)化影響因素，得出城鎮(zhèn)化程度與RSEI呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

2005年11月，深圳市出臺了《深圳市基本生態(tài)控制線管理規(guī)定》，成為全國首個劃定基本生態(tài)控制線的城市[12]。本研究基于耦合濕度、綠度、干度和熱度指標的RSEI，利用主成分分析方法對深圳市2004—2017年的生態(tài)環(huán)境狀況進行評價。此外，鑒于調(diào)整土地利用占比是控制生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一般手段，本研究加入土地利用變化數(shù)據(jù)進行分析，以期為決策者提供未來規(guī)劃的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

深圳市位于廣東省中南沿海地區(qū)，屬亞熱帶海洋性氣候。在過去的30年，深圳市經(jīng)歷了較為完整的城市化歷程[13]，城鎮(zhèn)化率100%，是中國第一個全部實現(xiàn)城鎮(zhèn)化的城市。在人口急劇增長和產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的需求下，深圳市建成區(qū)面積迅速擴張，生態(tài)環(huán)境受到巨大的影響。為此，本研究選取深圳市作為研究對象考察其在城市化進程中的生態(tài)環(huán)境變化。深圳市按行政區(qū)劃分主要包括寶安區(qū)、南山區(qū)、福田區(qū)、龍華區(qū)、光明區(qū)、羅湖區(qū)、龍崗區(qū)、鹽田區(qū)、坪山區(qū)和大鵬區(qū)，具體行政區(qū)劃見圖1。

圖1 深圳市行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of Shenzhen

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取2004、2010、2017年季相差異小、云量低于10%的Landsat-5和Landsat-8遙感影像，其中Landsat-5的傳感器為專題制圖儀(TM)，Landsat-8的傳感器為陸地成像儀(OLI)及熱紅外傳感器(TIRS)，所有遙感影像數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)站http://www.gscloud.cn，具體數(shù)據(jù)源信息見表1。對遙感影像進行輻射定標、大氣校正和幾何校正等預處理，在幾何校正過程中，以2017年Landsat-8影像為基準，采用最鄰近像元法對2004、2010年的影像進行配準，使影像幾何誤差小于0.5個像元。輔助數(shù)據(jù)包括《深圳市統(tǒng)計年鑒2018》、深圳市規(guī)劃和自然資源局提供的土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)等。

表1 數(shù)據(jù)源信息Table 1 Data source information

2.2 研究方法

RSEI是由濕度、綠度、干度和熱度4個指標集成的生態(tài)環(huán)境評價指標，在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究領(lǐng)域具有高效性、綜合性和客觀性等優(yōu)點。其中，濕度指標由纓帽變換中的濕度分量(WET)表示[14]；綠度指標由歸一化植被指標(NDVI)表示[15]；熱度指標由地表溫度(LST)來代替，采用單通道法[16-17]來反演地表溫度；干度通常由裸地和建筑不透水面造成[18]，因此選擇建筑指標(NDBI)和裸土指標(SI)的合成干度(NDBSI)表示，對4個指標影像的水域進行掩膜處理，避免水域?qū)SEI造成干擾[19]。

運用地理信息系統(tǒng)(GIS)方法疊加4個分量指標并進行主成分分析，取其第1主成分進行歸一化求得RSEI指標。以0.2為間隔將RSEI劃分為不同級別：1級取值在>0～0.2，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差；2級取值在>0.2～0.4，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差；3級取值在>0.4～0.6，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等；4級取值在>0.6～0.8，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良；5級取值在>0.8～1.0，代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)[8]894。具體指標參數(shù)資料及計算公式參見文獻[20]至文獻[22]。

采用主成分分析耦合RSEI中的4個遙感分量指標，一方面，主成分變換通過旋轉(zhuǎn)特征空間坐標軸消除分量指標部分相關(guān)性，可確保分量準確反映RSEI的取值；另一方面，主成分變換使各分量指標自動、客觀生成對RSEI的貢獻度，能夠有效避免傳統(tǒng)人為定權(quán)的主觀性造成的偏差，提高結(jié)果客觀程度[7]7855。

2.3 生態(tài)環(huán)境評價指標的評價

平均相關(guān)系數(shù)是指某一指標與同時期其他指標相關(guān)系數(shù)絕對值的平均值[23]，計算見式(1)。其中，RSEI計算與4個分量指標的平均相關(guān)系數(shù)，分量指標計算與其他分量指標間的平均相關(guān)系數(shù)。通過分析4個分量指標與RSEI間的相關(guān)程度可檢驗指標的適宜性，若RSEI的平均相關(guān)系數(shù)高于4個分量指標的平均相關(guān)系數(shù)，則可以說明RSEI囊括各分量指標信息，可用來全面描述研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 深圳市生態(tài)環(huán)境評價指標的檢驗

2004、2010、2017年各指標間的相關(guān)系數(shù)見表2。根據(jù)表2，計算各指標的平均相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。就指標分量而言，4個指標分量中平均相關(guān)系數(shù)最高的指標為NDBSI，2004、2010、2017年平均相關(guān)系數(shù)分別為0.777、0.770、0.720，3年平均值為0.756；平均相關(guān)系數(shù)最低的指標為LST，2004、2010、2017年平均相關(guān)系數(shù)分別為0.579、0.555、0.489，3年平均值為0.541。綜合各項指標而言，2004、2010、2017年RSEI與4個指標間的平均相關(guān)系數(shù)為0.830、0.819、0.812，均高于各個分量指標的平均相關(guān)系數(shù)。從平均相關(guān)系數(shù)3年平均值上看，RSEI為0.820，比NDBSI高8.47%，比LST高51.57%，表明RSEI能較為綜合地表達分量指標信息，以RSEI為指標反映深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更準確。

表2 指標間相關(guān)系數(shù)分析Table 2 Correlation analysis of different indicators

表3 各指標的平均相關(guān)系數(shù)Table 3 Mean correlation coefficient of each indicator

3.2 主成分分析結(jié)果

主成分分析中，各分量指標對第1主成分(PC1)的載荷情況見表4。經(jīng)計算，2004、2010、2017年4個分量指標對PC1的貢獻率合計分別為84.03%、82.78%和87.17%，均高于80.00%，表明PC1已經(jīng)集成了4個分量指標的主要特征，且4個分量指標對PC1的荷載相對穩(wěn)定。在PC1中，WET與NDVI載荷均為正，與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，符合現(xiàn)實情況。NDVI越大，植被覆蓋度越高，WET越大，土壤與植被的含水量越高，兩者均可起到改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的作用。NDBSI與LST載荷均為負，與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈負相關(guān)關(guān)系，也與現(xiàn)實情況相符。NDBSI越大，表明地表不透水面與裸土干化程度越高，LST越大，表明地表溫度越高，兩者均會導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的結(jié)果。各分量指標中，NDVI對PC1載荷的絕對值最大，表明綠度對RSEI影響最大，反映出植被生長狀態(tài)與覆蓋度在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量上占主導地位。NDBSI對PC1的載荷為負，表明其具有惡化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作用，且NDBSI載荷絕對值持續(xù)升高，說明對RSEI的貢獻度逐年遞增，這可能抵消植被的影響。WET載荷的絕對值最小且隨NDBSI載荷絕對值的升高而下降，這與城市化建設(shè)中建設(shè)用地面積增加有關(guān)，NDBSI載荷絕對值大于LST，表明NDBSI更能導致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。

表4 深圳市4個分量指標均值及其對PC1的載荷Table 4 The mean value of 4 sub-indicators in Shenzhen and their load to PC1

3.3 深圳市生態(tài)環(huán)境時空變化

2004—2017年深圳市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在迅速攀升后逐漸趨于平穩(wěn)，RSEI均值由2004年的0.514上升為2010年的0.623，上升了21.21%；再由2010年的0.623上升至2017年的0.669，上升了7.38%，表明深圳市13年間經(jīng)歷了高效治理期與治理穩(wěn)定期。與同類研究中的南京市[24]、杭州市[25]、雄安新區(qū)[10]280等城市相反，深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以改善。

深圳市各級RSEI的空間分布見圖2。由圖2可以看出，2004年深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級以2級(較差)為主，廣泛分布于光明區(qū)南部、寶安區(qū)、南山區(qū)、福田區(qū)、羅湖區(qū)西部和龍崗區(qū)，坪山區(qū)與大鵬區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級多為4級(良)。2010年深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級由2級轉(zhuǎn)變?yōu)?級為主，坪山區(qū)與大鵬區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級也轉(zhuǎn)變?yōu)?級(優(yōu))為主。2017年深圳生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2級區(qū)域大幅削減，5級區(qū)域面積明顯增加。

圖2 深圳市各級RSEI的空間分布Fig.2 Spatial distribution of RSEI at various levels in Shenzhen

由表5可以看出，2004年深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平主要分布于2～4級，其中2級、4級區(qū)域面積占比接近且相對較大，分別為36.07%、31.22%， 3級區(qū)域面積占比為26.01%。2010年，深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平發(fā)生明顯變化，2級區(qū)域面積占比下降至5.85%，3級區(qū)域面積占比上升至42.78%，5級區(qū)域面積占比上升至22.80%。2017年較2010年變化幅度下降，除5級區(qū)域面積占比上升至33.34%以外，其他等級區(qū)域面積占比呈小幅度下降趨勢。

表5 深圳市各RSEI等級區(qū)域的面積和占比Table 5 Area and proportion of each RSEI level in Shenzhen

總體而言，較2004年，2017年2級區(qū)域面積占比下降了35.60百分點，3級、5級區(qū)域面積占比分別上升13.78百分點、27.09百分點，4級區(qū)域面積占比降低了5.05百分點，這是由于部分區(qū)域從4級轉(zhuǎn)至5級所致。綜上可見，深圳市生態(tài)控制具有全方位、多層次的特點。

3.4 深圳市生態(tài)環(huán)境狀況動態(tài)監(jiān)測

對各年份RSEI等級進行差值分析以實現(xiàn)深圳市生態(tài)環(huán)境狀況動態(tài)監(jiān)測，生態(tài)改善的區(qū)域RSEI等級差值為正，生態(tài)惡化的區(qū)域RSEI等級差值為負。由圖3可知，與2004年相比，深圳市2017年大部分區(qū)域生態(tài)明顯改善，極個別區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所惡化。由表6可知，2017年深圳市生態(tài)環(huán)境改善面積1 765.16 km2，占比91.96%。其中，以改善1級為主，面積達1 080.63 km2；生態(tài)環(huán)境惡化面積154.40 km2，占比8.04%。其中，以惡化1級為主，面積為112.76 km2。惡化區(qū)域主要分布在光明區(qū)、龍崗區(qū)、坪山區(qū)和大鵬區(qū)東部的一些水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、森林與坡度大于25%的山區(qū)等基本生態(tài)控制區(qū)內(nèi)，主要是因為這些地區(qū)存在違法建設(shè)。

圖3 2017年RSEI等級變化空間分布Fig.3 Spatial distribution of RSEI level changes in 2017

表6 2017年深圳市生態(tài)環(huán)境狀況變化統(tǒng)計Table 6 Statistic of the ecological environment status changes in Shenzhen in 2017

4 深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化驅(qū)動因素

RSEI耦合的綠度、濕度、干度、熱度指標均基于生態(tài)環(huán)境特征等自然因素，然而人文因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響也十分突出，結(jié)合深圳市土地利用類型的變化，分析經(jīng)濟、人口、政策等人文因素對深圳市生態(tài)環(huán)境的影響。

4.1 經(jīng)濟因素

深圳市年生產(chǎn)總值從最初成立時的1.90億元增長至2004年的4 350.29億元，這得益于以市場需求為導向的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化。2004年，深圳市不僅第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比超過了50.00%，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比也高達47.67%，表明2004年深圳市已經(jīng)成為較發(fā)達城市。然而，經(jīng)濟的迅猛增長導致了嚴重的工業(yè)化階段結(jié)構(gòu)性問題，其中一項突出表現(xiàn)即為自然環(huán)境受到嚴重破壞，這是使2004年RSEI較低的重要原因。2004—2017年，深圳市不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快推動服務業(yè)的發(fā)展，不斷提高第三產(chǎn)業(yè)在地區(qū)生產(chǎn)總值中的比例。2017年，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比達到58.48%，使更多的資源可以投入到基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境治理方面。而第一產(chǎn)業(yè)在此期間總產(chǎn)值占比不足1.00%，且還存在下降趨勢，這與深圳市耕地、園地、林地等綠地面積不斷下降相吻合。與2004年相比，2017年深圳市生產(chǎn)總值增長416.98%，同期RSEI上升30.16%，這符合“環(huán)境庫茲涅茨曲線”變化趨勢，即經(jīng)濟增長到一定水平后，環(huán)境污染程度隨經(jīng)濟的增長而降低[26]。

4.2 人口因素

人口作為一種外界壓力對生態(tài)環(huán)境變化起著至關(guān)重要的作用，大量流動人口涌入深圳，使得深圳市人口規(guī)模從2004年800.80萬人擴大到2017年的1 252.83萬人。因此，深圳市需要通過擴張來滿足激增的人口數(shù)量。2010—2017年，不斷增加的城市住宅建筑面積和建設(shè)用地面積導致干化指標NDBSI隨之變大，而2004—2010年NDBSI呈下降趨勢，這可能與2004—2010年土地利用效益低下，裸土面積占比較大有關(guān)。

4.3 政策因素

國家和地方政府的宏觀調(diào)控對生態(tài)環(huán)境治理起到關(guān)鍵性作用，2004、2010、2017年深圳市草地面積分別為0.47、31.05、23.10 km2，其中2004—2010年草地面積明顯增加，表明這個時期深圳市加大了綠化建設(shè)力度，這與同期NDVI指標明顯上升的情況吻合(見表4)。2010—2017年，草地面積減少，但NDVI繼續(xù)上升，表明該時期深圳市優(yōu)化了綠地的空間布局，提高了草地的分布密度。2004—2017年深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈上升趨勢，理論上建設(shè)用地面積將減少或者綠化面積將增加，然而該研究中包括耕地、林地、園地、草地等的綠地面積總量呈下降趨勢，建設(shè)用地面積穩(wěn)步上升，與上述理論不符。參考《深圳市土地利用總體規(guī)劃》和吳健生等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈上升趨勢與優(yōu)化生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)與布局有關(guān)。

深圳市在進行高強度的城市化建設(shè)的同時，以大片園林、水域等為框架，以塊狀綠地為支撐，以基本生態(tài)地控制區(qū)為中心，協(xié)調(diào)建設(shè)用地與生態(tài)用地，在建成區(qū)內(nèi)及建成區(qū)之間合理組合綠地、水體等，構(gòu)建城市-生態(tài)一體化格局。此外，構(gòu)建“省立—城市—社區(qū)”3級綠道網(wǎng)體系，將綠道延伸至城市的每個角落，形成多層次的綠色生態(tài)走廊。具體措施包括了新建、改造小型公園61個，建設(shè)380個綠道“公共目的地”及300 km“遠足徑”等。這種規(guī)劃將以前的大片綠地打散成零碎的小塊綠地，減小了綠地投入總面積，極大地節(jié)約投入綠化工程的成本，使資源配置更加科學。

5 結(jié) 語

(1) RSEI能很好地集成各指標信息，與單個指標相比更能綜合反映研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。NDVI作為具有改善環(huán)境質(zhì)量作用的綠度分量對RSEI一直保持最高貢獻度，說明植被對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響占主導地位。NDBSI作為具有惡化環(huán)境質(zhì)量作用的干度分量對RSEI的貢獻度逐年遞增，可能抵消植被的影響。

(2) 2004—2017年，深圳市RSEI均值由0.514上升至0.669，表明深圳市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈升高趨勢，其中，91.96%的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得以改善，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的地區(qū)僅占8.04%。RSEI等級主要由1級、2級向3級轉(zhuǎn)變，4級向5級轉(zhuǎn)變，可以看出，深圳市生態(tài)控制體現(xiàn)了全方位、多層次的特點。

(3) 在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化驅(qū)動因素方面，除RSEI作為自然因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價有重要作用，經(jīng)濟、人口、政策等人文因素也是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的重要驅(qū)動因素，其中政策因素占主導地位。深圳市以科學的、針對性的投入節(jié)約綠化資源，減少投入綠化成本，在建設(shè)用地面積不斷增加的情況下保證適量的綠化面積，起到提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的效果。深圳市的生態(tài)環(huán)境治理體系具有較高的參考價值，證明了改善生態(tài)環(huán)境不是盲目積累綠化面積或限制建設(shè)用地面積，搭好構(gòu)架優(yōu)化格局會起到事半功倍的效果。