施益強(qiáng)，林曉鳳，肖鐘湧，謝先全，陳坰烽，陳穎鋒，董雯菲

(1.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)遙感與地理信息研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

土地利用是人類改造自然，與土地進(jìn)行能量與物質(zhì)交換的動態(tài)過程[1]，是自然環(huán)境與人類社會經(jīng)濟(jì)活動相互作用的重要體現(xiàn)[2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，大量人口涌入城市，引發(fā)城市土地利用時空格局的變化，導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，因此開展城市土地利用時空演變分析與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價具有很強(qiáng)的必要性和現(xiàn)實意義。由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異性，城市土地利用呈現(xiàn)出各自不同的時空特點[3]，利用傳統(tǒng)人工監(jiān)測技術(shù)已無法快速全面地對城市土地利用及其所影響的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與分析，而遙感(remote sense，RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)等空間信息技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確和實時獲取城市土地利用狀況及其變化信息的優(yōu)勢[4-7]。如文獻(xiàn)[8]通過三期遙感影像解譯，結(jié)合土地覆被變化模型若干指標(biāo)，定量分析上海市土地覆被變化的時空特征，并探究其影響的驅(qū)動力；文獻(xiàn)[9]基于1990—2015年4期遙感圖像解譯土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率、重心模型和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法，研究江蘇沿海土地利用轉(zhuǎn)型的時空特征及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量響應(yīng)；文獻(xiàn)[10]利用遙感與GIS技術(shù)解譯三個時相遙感影像，分析2000—2017年大理市土地利用變化過程，并借助RSEI指數(shù)綜合評價和定量分析土地利用類型轉(zhuǎn)變對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響；文獻(xiàn)[11]運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)并結(jié)合1990—2015年6期遙感數(shù)據(jù)，探究廣東省21個地級市用地轉(zhuǎn)型的時空演變格局與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；文獻(xiàn)[12]基于黃河流域2005—2015年三個時相土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)，利用CA-Markov模型預(yù)測其2020和2025年的時空分布，分析其過去及未來生態(tài)環(huán)境時空動態(tài)變化特征。

廈門市位于福建省東南部，是我國東南沿海核心城市，是國家最早建立的經(jīng)濟(jì)特區(qū)之一，如何使社會經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)快速發(fā)展的同時保持其特有的生態(tài)環(huán)境和自然景觀，已成為亟待深入研究的問題。從已有的廈門市相關(guān)文獻(xiàn)[5，13-21]來看，研究主要圍繞城市擴(kuò)展、生態(tài)環(huán)境遙感制圖、景觀生態(tài)環(huán)境格局、海域生態(tài)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等內(nèi)容進(jìn)行，而針對廈門市土地利用或生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的研究并不多見，利用RS與GIS技術(shù)、社會與環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合研究案例則更少。本研究嘗試以廈門市為研究對象，利用RS和GIS技術(shù)，以2004、2009、2014年的Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源解譯土地利用，結(jié)合統(tǒng)計年鑒及環(huán)保、水利等輔助數(shù)據(jù)，采用土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣和綜合指數(shù)法，分析土地利用時空變化特征，評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，以期為廈門市的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 區(qū)域概況

廈門市位于臺灣海峽西岸中部、閩南金三角中心，全市土地面積1699.39 hm2，海域面積約390 hm2，由思明區(qū)、湖里區(qū)、翔安區(qū)、同安區(qū)、集美區(qū)、海滄區(qū)等6個行政區(qū)構(gòu)成。地形由西北向東南傾斜，以濱海平原、臺地和丘陵為主，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。2020年GDP為6384.02億元，常住人口516萬，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量居全國前列。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選用Landsat 7遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，共獲取2004、2009、2014年三個時相遙感影像(來自地理空間數(shù)據(jù)云http：//www.gscloud.cn)，其詳細(xì)信息如表1所示。研究區(qū)的水資源量、河流長度、湖庫面積、降水量、二氧化硫排放量、化學(xué)需氧量和固體廢物排放量等數(shù)據(jù)來自廈門市統(tǒng)計年鑒以及廈門市水利和環(huán)保等部門資料。

表1 影像詳細(xì)信息Tab.1 Details of images

1.3 影像處理

所獲取影像已經(jīng)過幾何粗校正，為保證分類結(jié)果的可靠性，再利用幾何精校正將三個時相影像校正到統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)。幾何精校正包括影像到地圖空間的校正，以及影像到影像的配準(zhǔn)。先將2004年影像校正到廈門市1∶5萬地形圖，然后以校正好的2004年影像為基準(zhǔn)，將2009和2014年影像分別配準(zhǔn)到基準(zhǔn)影像空間上。影像校正、配準(zhǔn)采用二次多項式變換，利用雙線性內(nèi)插將三個時相影像重采樣為30 m空間分辨率，幾何精校正誤差分別為0.4、0.3、0.3個像元，滿足利用多時相遙感影像進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的幾何校正誤差小于0.5個像元的要求[5]。根據(jù)研究區(qū)范圍對遙感影像進(jìn)行掩膜裁剪，利用線性拉伸進(jìn)行影像增強(qiáng)處理，將三個時相影像較窄亮度拉伸到全輻射亮度范圍，提高影像質(zhì)量，便于后續(xù)解譯與分析。各個波段影像都各有其特征，針對不同地物具有不同靈敏度，為提取更適合分析的土地利用信息，將遙感影像進(jìn)行5、4、3波段彩色合成。

1.4 土地利用分類

根據(jù)廈門市土地覆被特征，參考全國土地資源分類，將廈門市土地利用分為耕地、林地、水體、建設(shè)用地、灘涂與養(yǎng)殖用地、未利用地等6類。利用監(jiān)督分類法進(jìn)行土地利用分類，其關(guān)鍵在于訓(xùn)練區(qū)和分類方法的選取。分類方法采用具有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)、較好統(tǒng)計特性及分類精度的最大似然法。選取訓(xùn)練區(qū)時綜合考慮地物的形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、位置布局等特征，并結(jié)合地形圖、實地調(diào)查和非監(jiān)督分類結(jié)果數(shù)據(jù)。由于“同物異譜”“異物同譜”及空間分辨率等限制，對監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行后處理以提高分類精度。三個時相土地利用分類結(jié)果如圖1所示。分類精度是分類結(jié)果是否可信的一種度量，常用的基于誤差矩陣精度評價的統(tǒng)計參數(shù)有總體精度和Kappa系數(shù)，經(jīng)計算，其總體精度和Kappa系數(shù)均高于最低允許判別精度(70%)要求[22]，表明本研究所采用影像處理和分類方法可行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時空變化分析

土地利用變化指土地用途轉(zhuǎn)移和土地利用集約度變化，包括土地的質(zhì)量、類型和屬性等的改變。土地利用變化表現(xiàn)為時間與空間變化。本文對廈門市土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)變化、類型相互轉(zhuǎn)化和變化速率等進(jìn)行研究，探討其時空變化特征。

2.1.1 數(shù)量結(jié)構(gòu)變化

土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)指各類用地占總面積比例，反映各類用地之間比例關(guān)系及土地資源利用狀況。土地利用系統(tǒng)的功能受土地利用結(jié)構(gòu)影響，規(guī)劃合理的土地利用結(jié)構(gòu)有利于土地利用系統(tǒng)良性循環(huán)，提高土地利用綜合效率，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。廈門市土地利用結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 廈門市土地利用結(jié)構(gòu)(2004,2009,2014)Tab.2 Land use structure of Xiamen City in 2004,2009 and 2014

由表2可知2004—2014年用地類型面積從大到小依次為：建設(shè)用地>林地>耕地>灘涂與養(yǎng)殖用地>水體>未利用地。前三種用地類型占比高達(dá)95%。其中：建設(shè)用地在六種用地類型中面積最大，體現(xiàn)出廈門市城市化水平較高[13]；而林地和耕地面積之和也達(dá)50%以上，成為遙感影像中突出的地類，表明廈門市的可持續(xù)發(fā)展具有良好的自然環(huán)境基礎(chǔ)。2004—2014年間土地利用格局發(fā)生了一定程度的變化，比較明顯的是耕地和林地面積逐漸減少，建設(shè)用地面積逐漸增加，這與其快速的經(jīng)濟(jì)增長和城市化有關(guān)[17]。相對于建設(shè)用地，耕地因區(qū)位條件與經(jīng)濟(jì)效益的差異而不斷向其他用地類型流轉(zhuǎn)，雖然面積在10年間呈減少趨勢，但變化速度逐漸減慢，2004—2009年間減少了57.56 km2，2009—2014年間只減少了24.19 km2，林地面積同樣呈下降趨勢，可見退耕還林等政策力度有待加強(qiáng)；水體面積在2004—2009年間減少了50%；灘涂與養(yǎng)殖用地在2009年成倍增加之后，在2014年呈較大幅度下降；而未利用地相比其他類型用地，所占比例甚少，2004—2009年呈現(xiàn)急劇減少，2009—2014年則基本不變。

2.1.2 變化速率

采用土地利用年變化率的土地利用動態(tài)度來描述變化速度，其計算公式[23]為：

(1)

其中：K為時段T內(nèi)某種用地類型變化速度；Ua和Ub分別為研究初期和末期某種用地類型數(shù)量；Uc為未發(fā)生變化的某種用地數(shù)量。計算結(jié)果如表3所示。

表3 廈門市土地利用變化速率(2004—2014)Tab.3 Rate of change of land use in Xiamen City during 2004—2014 %

從表3可知，2004—2009年、2009—2014年兩個時段林地動態(tài)度變化最小，灘涂與養(yǎng)殖用地動態(tài)度變化最大。灘涂與養(yǎng)殖用地面積在前五年呈正向增加趨勢，其可能與廈門市2004年提出的加強(qiáng)海岸防護(hù)林帶及灘涂濕地生態(tài)林建設(shè)有關(guān)(其中馬鑾灣濕地公園規(guī)劃用地155.7 hm2)；而后五年其面積驟減，動態(tài)度下降至負(fù)值。在2004—2014年10年間，未利用地動態(tài)度變化最大，可見廈門市未利用地面積逐漸向其他用地類型流轉(zhuǎn)，逐漸實現(xiàn)其利用價值。

2.1.3 變化轉(zhuǎn)移

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反應(yīng)某一時段內(nèi)初期和末期各類土地之間相互轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程，可直觀顯示用地類型在空間位置上的轉(zhuǎn)換，其計算公式[5]為：

N(i，j)=N(i)×10 +N(j) (j>i，土地利用類型<10類)。

(2)

其中：N(i，j)為i，j兩年份土地利用變化圖；N(i)為i年份土地利用分類圖；N(j)為j年份土地利用分類圖。基于ArcGIS軟技術(shù)，將地圖數(shù)據(jù)空間疊加分析與Excel相結(jié)合，獲取2004—2009年、2009—2014年和2004—2014年三個時段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表4～6所示。

表4 廈門市2004—2009年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Transition matrix of land use in Xiamen City from 2004 to 2009 %

表6 廈門市2004—2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.6 Transition matrix of land use in Xiamen City from 2004 to 2014 %

從表4～6可知，林地、耕地、建設(shè)用地的主導(dǎo)變化為交換變化，主要表現(xiàn)在空間位置上的轉(zhuǎn)移，林地和建設(shè)用地的大部分面積是穩(wěn)定的。2004—2014年間，耕地7.01%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，4.02%轉(zhuǎn)為林地；建設(shè)用地3.45%轉(zhuǎn)為林地，6.34%轉(zhuǎn)為耕地。2004—2009年間，水體、灘涂與養(yǎng)殖用地、未利用地轉(zhuǎn)化為其他用地類型的百分比均小于1%。未利用地2004—2009年主要表現(xiàn)為數(shù)量上的減少，0.74%面積轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而2009—2014年主要表現(xiàn)在空間位置上的轉(zhuǎn)移。2009—2014年間，林地和耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的比重有所下降，相比2004—2009年減少1%～2%。比較突出的是2004—2009年3.08%的灘涂與養(yǎng)殖用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而2009—2014年僅有1.18%的灘涂與養(yǎng)殖用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。水體和未利用地變化不明顯?？傊?，2004—2014年間，廈門市城市化進(jìn)程較快，土地利用類型轉(zhuǎn)換主要是耕地、林地與建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)化，耕地、林地逐漸減少，建設(shè)用地持續(xù)增加，灘涂與養(yǎng)殖用地波動較大，水體和未利用地雖有數(shù)量上變化和空間位置上轉(zhuǎn)移但變化并不明顯。

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法主要有層次分析、指數(shù)評價、模糊綜合評價、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價、物元分析、灰色綜合評估、綜合指數(shù)、景觀生態(tài)法和主成分分析等[23]。本文采用能較好體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境綜合性、整體性和層次性的綜合指數(shù)法進(jìn)行評價。

2.2.1 評價指標(biāo)選取

評價指標(biāo)選取得合適與否直接影響評價結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)遵循科學(xué)性、代表性、全面性及可操作性等原則[1，24]。為建立符合廈門市區(qū)域狀況的生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)，避免指標(biāo)太多和結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，參考了文獻(xiàn)[25]選擇五項評價指標(biāo)：1)生物豐富度。衡量生物多樣性豐貧程度，是生態(tài)系統(tǒng)最顯著特征之一。2)植被覆蓋。指林地、草地及農(nóng)田等類型面積占區(qū)域面積的綜合比例，是生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的重要表征。3)水網(wǎng)密度。指河流總長度、水域面積和水資源量占區(qū)域面積的占比，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流與能量流的重要載體。4)土地退化。指風(fēng)蝕、水蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和工程侵蝕等面積占區(qū)域面積比，是反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)功能衰退的重要表征。5)環(huán)境質(zhì)量。指單位面積上承受污染量的強(qiáng)度，在生態(tài)環(huán)境評價中具有重要意義。

2.2.2 評價指標(biāo)計算方法

結(jié)合影像解譯結(jié)果和區(qū)域特征，參考生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范[25]，各評價指標(biāo)的因子權(quán)重與計算方法如下：

生物豐富度指數(shù)=Abio×(0.35×林地面積+0.3×水體與灘涂養(yǎng)殖面積+0.25×耕地面積+0.05×建設(shè)用地面積+0.05×未利用地面積)÷區(qū)域面積,

(3)

植被覆蓋指數(shù)=Aveg×(0.5×林地面積+0.3×耕地面積+0.15×建設(shè)用地面積+0.05×未利用地面積)÷區(qū)域面積,

(4)

水網(wǎng)密度指數(shù)=Ariv×河流長度÷區(qū)域面積+Alak×湖庫面積÷區(qū)域面積+Ares×水資源量÷區(qū)域面積,

(5)

土地退化指數(shù)=Aero×(0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積+0.7×重度侵蝕面積)÷區(qū)域面積,

(6)

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)=0.4×(100-ASO2×二氧化硫排放量÷區(qū)域面積)+0.2×(100-ASOL×固體廢物排放量÷區(qū)域面積)+0.4×(100-ACOD×化學(xué)需氧量÷區(qū)域年均降水量)。

(7)

式(3)～(7)中：Abio為生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)；Aveg為植被覆蓋指數(shù)歸一化系數(shù)；Ariv為河流長度歸一化系數(shù)；Alak為湖庫面積歸一化系數(shù)；Ares為水資源量歸一化系數(shù)；Aero為土地退化指數(shù)歸一化系數(shù)；ASO2為二氧化硫歸一化系數(shù)；ASOL為固體廢物歸一化系數(shù)；ACOD為化學(xué)需氧量歸一化系數(shù)。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(ecological quality index，EQI)IEQ計算方法為：

IEQ=0.25×生物豐度指數(shù)+0.2×植被覆蓋指數(shù)+0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.2×土地退化指數(shù)+0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

(8)

其中數(shù)值為各評價指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)EQI值將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為五級：優(yōu)(IEQ≥75)、良(55≤IEQ<75)、一般(35≤IEQ<55)、較差(20≤IEQ<35)和差(IEQ<20)。

2.2.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)遙感土地利用分類結(jié)果、統(tǒng)計年鑒，以及水利、環(huán)保等部門的資料，計算出評價指標(biāo)指數(shù)(見表7)，再計算出EQI值為83.35。依據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級，可知廈門市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量屬“優(yōu)”，表明其生物種類豐富、植被覆蓋廣、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

表7 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各評價指標(biāo)計算結(jié)果Tab.7 Calculation results of each evaluation index of ecological environment quality

考慮廈門市對高污染企業(yè)的不斷外遷，以及污染防控治理成效較顯著，水網(wǎng)密度主要取決于自然條件，本文對生物豐度、植被覆蓋和土地退化等指數(shù)進(jìn)行分區(qū)計算與可視化表達(dá)，結(jié)果見表8。

表8 廈門市各區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)Tab.8 Evaluation index of ecological environment quality in each district of Xinmen City

由圖3可看出同安區(qū)生物豐度指數(shù)最高，集美區(qū)、翔安區(qū)、海滄區(qū)其次，湖里區(qū)最低，表明隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與城市化進(jìn)程加快，人口有向島內(nèi)(思明、湖里區(qū))涌入趨勢。人為活動過多將影響生物多樣性，島外人口壓力相對較小，生物多樣性也相對豐富，但隨著島外城市建設(shè)用地日益擴(kuò)張，以及外來人口不斷流入，若不加以控制，最終亦會導(dǎo)致島外區(qū)域生物豐度指數(shù)下降。各區(qū)植被覆蓋指數(shù)與生物豐度指數(shù)分布相似，島外相對島內(nèi)高，島外四區(qū)的植被覆蓋指數(shù)均在50以上，其中同安區(qū)最高，這與島內(nèi)人口與建筑物密集，人為活動頻繁等因素有關(guān)。土地退化最為嚴(yán)重的是海滄區(qū)，其自然植被較多被破壞，土壤侵蝕較為嚴(yán)重，重度侵蝕土地面積高達(dá)6.9 km2，是輕度侵蝕面積與中度侵蝕面積的3倍，該區(qū)很有必要加強(qiáng)水土流失治理，改善土地侵蝕狀況。

總之，在六個行政區(qū)中，同安區(qū)的生物豐度和植被覆蓋為全市最高；集美區(qū)生物豐度和植被覆蓋較高；翔安區(qū)的生物豐度、植被覆蓋與土地退化等指標(biāo)均為六個行政區(qū)的中間值，這表明作為廈門市新近重點推進(jìn)開發(fā)的區(qū)在整體建設(shè)與生態(tài)保護(hù)方面較為平穩(wěn)；而島內(nèi)的湖里區(qū)與思明區(qū)，由于城市化水平顯著、建設(shè)用地占比高、人口密集、人類活動活躍，導(dǎo)致植被覆蓋與生物多樣性相對較差，可考慮適當(dāng)增加生物量，進(jìn)一步提高綠化面積，并將部分人類活動中心向島外轉(zhuǎn)移，提升本島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，使其生態(tài)環(huán)境更加協(xié)調(diào)。

3 結(jié)論與展望

本文采用多時相遙感影像，結(jié)合其他輔助資料，基于GIS與RS處理平臺，進(jìn)行土地利用解譯與生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)信息獲取，借助土地利用動態(tài)度、變化轉(zhuǎn)移矩陣和綜合指數(shù)法等進(jìn)行土地利用時空變化分析與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。廈門市2004—2014年間林地、耕地、建設(shè)用地等占據(jù)廈門市總面積90%以上。林地呈現(xiàn)略微減少態(tài)勢，但基本保持穩(wěn)定；耕地、水體與未利用地也均呈減少趨勢，其中未利用地變化最快；灘涂與養(yǎng)殖用地呈先增后減態(tài)勢；而建設(shè)用地則呈穩(wěn)步增加趨勢，其與城市化進(jìn)程加速相吻合。廈門市2014年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)，同安區(qū)、集美區(qū)的生物豐度和植被覆蓋較高，思明區(qū)與湖里區(qū)相對較低，翔安區(qū)各項指標(biāo)處于中值，土地退化最嚴(yán)重的為海滄區(qū)，體現(xiàn)出有限的土地面積與城市化進(jìn)程之間的較難協(xié)調(diào)的矛盾。

本研究尚存在一些不足，后續(xù)可在增加時間跨度，采用多源和更高空間分辨率的遙感影像，剖析土地利用時空變化驅(qū)動機(jī)理，以及構(gòu)建更全面更精細(xì)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系等方面，做進(jìn)一步深入研究。