王美雅

廈漳泉新興都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量遙感評價

王美雅*

閩南師范大學(xué)歷史地理學(xué)院, 漳州 363000

城市生態(tài)系統(tǒng)和地表生物物理組分之間存在復(fù)雜的潛在非線性關(guān)系, 這使得城市聚集的都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量客觀評估遇到了技術(shù)挑戰(zhàn)。針對性選取干度、路網(wǎng)密度、土地利用程度綜合指數(shù)、植被覆蓋率、生態(tài)連接度、濕度、熱度、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)8個城市生態(tài)重要影響因子, 利用主成分分析進(jìn)行指標(biāo)集成建立城市生態(tài)評價遙感指數(shù)UEQ, 并分析不同等級UEQ與地表景觀格局指標(biāo)的定量關(guān)系, 評價區(qū)域一體化背景下廈漳泉新興都市區(qū)生態(tài)狀況。結(jié)果表明, 受8個指標(biāo)綜合作用, 廈漳泉都市區(qū)UEQ均值為0.558, 生態(tài)指數(shù)等級為中等。對比UEQ指數(shù)的8個指標(biāo)分量, 對生態(tài)質(zhì)量起正向作用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指標(biāo)值較低, 對生態(tài)質(zhì)量起負(fù)向作用的干度、土地利用程度綜合指數(shù)和熱度指標(biāo)值較高, 其它4個指標(biāo)貢獻(xiàn)度較低。從空間分布來看, 廈漳泉都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量總體呈“西高東低”的空間格局。東部核心區(qū)高不透水面覆蓋地區(qū), 生態(tài)用地的生態(tài)效益較低, 其生態(tài)質(zhì)量比都市區(qū)整體平均值低0.212; 西部綠色山地保育帶, 完整連續(xù)的生態(tài)用地發(fā)揮的生態(tài)效益也更高, 其平均生態(tài)質(zhì)量比總體平均值高0.104。不透水面斑塊小、斑塊內(nèi)部連通度低且斑塊聚集度低的區(qū)域, 其生態(tài)質(zhì)量好于不透水面斑塊大、斑塊內(nèi)部高度連通且斑塊高度聚集的區(qū)域。

廈漳泉都市區(qū); 城市生態(tài)評價遙感指數(shù); 生態(tài)質(zhì)量; 地表空間格局; 遙感

0 前言

都市區(qū)已成為我國城鎮(zhèn)化空間的主要形態(tài), 具有強(qiáng)大的集聚效應(yīng)和輻射效應(yīng)推動城市區(qū)域發(fā)展, 其城鎮(zhèn)用地快速擴(kuò)張并不斷聚集使得地表景觀格局趨于復(fù)雜化和破碎化, 產(chǎn)生了大體量的水、熱和大氣污染等城市代謝, 生態(tài)用地生態(tài)調(diào)控能力嚴(yán)重不足, 引起一系列城市生態(tài)問題[1]。如何實現(xiàn)都市區(qū)城市用地布局與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展, 是關(guān)系到中國未來可持續(xù)發(fā)展的重大課題。分析評價都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量空間狀況有助于提高都市區(qū)內(nèi)城市建設(shè)與區(qū)域生態(tài)平衡互饋關(guān)系內(nèi)在機(jī)制的認(rèn)知能力, 為都市區(qū)大中小城市協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)參考。

遙感衛(wèi)星影像能夠在全球范圍內(nèi)提供及時、一致的數(shù)據(jù), 更綜合、準(zhǔn)確地反映地物光譜和熱信息等生態(tài)指標(biāo)狀況[2], 在生態(tài)評價研究領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用, 大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半定量監(jiān)測評價方法的缺陷。早期研究僅用單一因子來體現(xiàn)某個區(qū)域整體生態(tài)狀況, 評價結(jié)果過于片面[3-4]。為此, 我國發(fā)布并優(yōu)化了生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EI)[5]。許多學(xué)者也相繼開展了多指標(biāo)集成進(jìn)行生態(tài)狀況評價的研究[6-7]。但大多研究存在評價因子過于繁瑣, 評價指標(biāo)難以獲取, 指標(biāo)權(quán)重主觀性較強(qiáng), 評價結(jié)果不能體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)狀況的空間差異等問題。如LIANG等[7]運用土地利用分類、植被指數(shù)等遙感影像數(shù)據(jù)和人口密度、收入等社會數(shù)據(jù), 提出了綠度、擁擠度、經(jīng)濟(jì)狀況和市容4個指標(biāo), 用以評估1990-2000年美國Indianapolis市生態(tài)質(zhì)量變化。而后, 徐涵秋[8]提出了遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index, RSEI), 選取綠度、干度、濕度和熱度4個指標(biāo), 采用不受人為干擾的主成分分析法耦合為一個評價綜合生態(tài)狀況的指數(shù)。賈有余等[9]選取凈初級生產(chǎn)力、地表溫度、地表裸露度和植被覆蓋度4個指標(biāo), 利用空間主成分分析方法構(gòu)建生態(tài)評價模型分析蘇州吳中區(qū)陸域生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化特征。王苗等[11-12]?？傮w看來, 遙感在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的運用已取得一定成果, 但針對都市區(qū)生態(tài)快速、準(zhǔn)確的評價機(jī)制仍不明確。

根據(jù)城市生態(tài)質(zhì)量評價結(jié)果, 建立地表空間格局與生態(tài)指數(shù)間的響應(yīng)機(jī)制是科學(xué)、合理進(jìn)行城市空間格局優(yōu)化的關(guān)鍵。景觀指數(shù)能較好指示城市地表空間格局變化, 為地表空間格局對生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)[13]。景觀指標(biāo)與生態(tài)質(zhì)量指數(shù)回歸分析, 可以揭示地表空間格局差異對生態(tài)影響。景觀格局指數(shù)可指示不同生態(tài)狀況[14]。目前, 兩者關(guān)系研究多為定性描述, 綜合量化生態(tài)質(zhì)量值與地表空間格局相關(guān)關(guān)系的研究較少。

廈漳泉新興都市區(qū), 位于21世紀(jì)海上絲綢之路核心區(qū), 是福建省兩大核心城市群之一。2010年福建省提出構(gòu)建廈漳泉都市區(qū), 隨著廈門、漳州和泉州3個城市一體化建設(shè)的不斷推進(jìn), 未來廈漳泉都市區(qū)空間仍將繼續(xù)擴(kuò)張, 將極大改變周邊區(qū)域的自然生態(tài)景觀。都市區(qū)規(guī)劃明確指出保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 控制城市規(guī)模, 科學(xué)優(yōu)化都市區(qū)中心城市空間布局。因此, 本文重點研究都市區(qū)生態(tài)快速、準(zhǔn)確的定量評價方法, 在此基礎(chǔ)上探討適宜城市地表空間格局與生態(tài)環(huán)境的相互耦合機(jī)制, 以期為廈漳泉都市區(qū)實現(xiàn)區(qū)域科學(xué)管理與建設(shè)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廈漳泉都市區(qū)地處福建省東南沿海, 位于23.5°N—25°N, 117°E—119°E。范圍包括廈門市、泉州市區(qū)、漳州市區(qū)、惠安縣、南安市、晉江市、石獅市、龍海市(現(xiàn)龍海區(qū))、長泰縣(現(xiàn)長泰區(qū))、漳浦縣、云霄縣、東山縣、詔安縣等三市城縣(圖1), 總面積為1.4萬km2。2019年, 廈漳泉都市區(qū)GDP總量為 18362億元, 占福建省GDP總量的43%, 常住人口占福建省人口的38%[15]。

圖1 廈漳泉都市區(qū)范圍

Figure 1 The study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

主要研究數(shù)據(jù)為廈門、漳州、泉州區(qū)域2019— 2020年夏季Landsat 8衛(wèi)星影像, 影像詳細(xì)信息見表1。所選影像季節(jié)相近, 基本無云層覆蓋。參照文獻(xiàn)[16-17]模型和參數(shù)以及Landsat 8網(wǎng)站提供的公式和參數(shù)對Landsat 8影像進(jìn)行輻射校正, 將影像DN值轉(zhuǎn)換為傳感器處反射率。

1.3 城市生態(tài)評價遙感指數(shù)UEQ

采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”機(jī)制建立生態(tài)質(zhì)量評價指標(biāo)體系。生態(tài)壓力指標(biāo)反映廈漳泉都市區(qū)土地利用過程中面臨的生態(tài)壓力, 選取干度()、路網(wǎng)密度()、土地利用程度綜合指數(shù)()3個指標(biāo); 生態(tài)狀態(tài)指標(biāo)反映廈漳泉都市區(qū)在面臨風(fēng)險壓力時所處于的狀態(tài), 選擇植被覆蓋率()、生態(tài)連接度()2個指標(biāo); 生態(tài)響應(yīng)指標(biāo)反映土地利用生態(tài)環(huán)境對面臨風(fēng)險源的響應(yīng), 選取濕度()、熱度()、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)() 3個指標(biāo)。其中, 干度反映地表“干化”程度, 地表裸露越厲害的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量越差; 路網(wǎng)密度反映城市密集道路交通網(wǎng)絡(luò)對自然生態(tài)地表的影響; 土地利用程度綜合指數(shù)反映人類活動對土地利用方式和結(jié)構(gòu)的綜合作用程度; 植被覆蓋率反映城市植被健康和覆蓋度狀況; 生態(tài)連接度反映快速城市化過程中城市生態(tài)用地空間格局的優(yōu)劣[18]; 濕度反映地表土壤和植被的濕度; 熱度反映地表溫度空間格局; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和調(diào)節(jié)能力。

選取以上8個遙感指標(biāo), 采用主成分分析來自動量化各個指標(biāo)對生態(tài)的貢獻(xiàn)度, 避免了人為干擾, 且能實現(xiàn)評價結(jié)果空間可視化。由此, 構(gòu)建基于遙感的城市生態(tài)評價模型(urban remote sensing ecological quality index, UEQ)。8個指標(biāo)計算方法如下:

(1)干度: 干度指標(biāo)(normalized difference built-up and soil index, NDBSI)采用裸土指數(shù)SI與建筑指數(shù)IBI的均值來綜合代表[19], 公式為:

其中:

表1 研究區(qū)Landsat影像

(2)路網(wǎng)密度: 數(shù)據(jù)來源于2020年開放街道圖數(shù)據(jù)(open street map, OSM), 基于OSM數(shù)據(jù)提取城市高速公路、主干道、次干道和鐵路等道路矢量信息, 并采用核密度計算城市路網(wǎng)密度空間分布。計算方法為: 以300 m×300 m方形網(wǎng)格作為路網(wǎng)密度基本計算單元, 網(wǎng)格內(nèi)道路總長度與面積之比為路網(wǎng)密度, 單位為km·km-2。將反演得到的路網(wǎng)密度專題圖重采樣為30 m分辨率。

(3)土地利用程度綜合指數(shù): 通過將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下自然平衡保持狀態(tài)分級賦值, 從而給出土地利用程度綜合指數(shù)定量化表達(dá)式[20], 公式為:

式中,為土地利用程度綜合指數(shù),i為第類土地利用程度分級指數(shù),C為第類土地面積占總面積的比重。

(4)植被覆蓋率: 選用歸一化植被指數(shù)NDVI表示, 其公式為:

式中,和分別為近紅外和紅光波段。

(5)生態(tài)連接度: 首先, 采用隨機(jī)森林(random forests, RF)分類算法[21]提取林地、耕地、草地、水體、不透水面和其他用地6種土地覆蓋類型。RF算法生成決策樹數(shù)量和用于測試的特征數(shù)目參數(shù)分別設(shè)置為500和3。將這6種地表景觀類型分成生態(tài)用地(林地、耕地、草地、水體)和障礙面(不透水面和其它用地)2大類。接著, 基于最小耗費距離模型, 以障礙面為“源”, 6種景觀類型為阻力面計算障礙影響指數(shù)(barrier effect index, BEI)。然后, 以生態(tài)用地為“源”, 障礙影響指數(shù)BEI為阻力面, 計算4種生態(tài)用地經(jīng)過2種障礙類型實現(xiàn)連接所需要克服的阻力[22], 得到生態(tài)連接度評價結(jié)果。

BEI指數(shù)反映不透水面等阻礙類型對植被和水體等生態(tài)用地斑塊之間實現(xiàn)結(jié)構(gòu)聯(lián)系的阻隔程度, 某給定障礙物產(chǎn)生的障礙效應(yīng)隨最小耗費距離的增加呈對數(shù)增加[23], 公式為:

式中,Y為第種障礙物所產(chǎn)生的障礙效應(yīng);b為第種障礙物類型的權(quán)重系數(shù), 其值參照文獻(xiàn)[24];s1和s2分別為不同障礙類型指數(shù)遞減函數(shù)的校正系數(shù);d為通過最小耗費距離模型計算出的最小耗費距離;為障礙類型的種類數(shù)。得到研究區(qū)指數(shù)后, 基于最小耗費距離模型計算生態(tài)連接度, 公式為:

(6)濕度: 采用纓帽變換的濕度分量()來表示[25], 其公式為:

(7)熱度: 采用單通道算法反演的地表溫度(land surface temperature, LST)表示熱度[26-27], 公式為:

式中,sensor為傳感器處亮溫值;1和2分別為熱紅外波段定標(biāo)常數(shù);sensor為熱紅外波段輻射值;和分別為基于Planck函數(shù)的2個參數(shù);為地表比輻射率;1、2和3為大氣水汽含量函數(shù)。

(8)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù): 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)[28]計算各個土地利用類型的服務(wù)價值、各項服務(wù)功能的價值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值, 其公式為:

式中,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù),ij為第個區(qū)域類土地利用類型面積,A為第個樣方總面積,i為第類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

模型構(gòu)建: 所反演8個指標(biāo)的量綱不盡相同, 因此, 基于主成分分析方法計算之前, 必須對它們進(jìn)行歸一化, 將它們的值都統(tǒng)一到[0, 1]之間。采用主成分分析方法(principal component analysis, PCA)構(gòu)建城市生態(tài)評價遙感指數(shù)[29]。其第1主成分(PC1)最大程度地集成了各變量信息, 可用來耦合以上8個指標(biāo)變量, 構(gòu)建模型, 其計算公式為:

為使大數(shù)值代表生態(tài)狀況好, 先用1減去來獲得初始生態(tài)指數(shù)0, 對0結(jié)果進(jìn)行歸一化, 使其值介于[0, 1]之間。值越接近1, 代表生態(tài)質(zhì)量越好。

1.4 地表景觀格局指數(shù)

地表景觀格局質(zhì)量優(yōu)劣與城市生態(tài)質(zhì)量密切相關(guān)。將表征下墊面性質(zhì)的不同面積、形狀及空間組合的植被和不透水面類型斑塊視為景觀組分, 選取了5個穩(wěn)定適用的類型水平景觀格局指數(shù)構(gòu)建定量分析指標(biāo)體系(表2), 計算各景觀指數(shù)在生態(tài)指數(shù)的不同等級上的指標(biāo)值, 以進(jìn)一步探究不同地表類型的空間格局對城市生態(tài)質(zhì)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 UEQ指數(shù)分指標(biāo)反演結(jié)果

圖2為廈漳泉都市區(qū)UEQ指數(shù)8個指標(biāo)反演結(jié)果。表3為利用主成分分析方法計算得到的指標(biāo)權(quán)重和方差信息。由表3可知, 8個指標(biāo)第1主成分累計方差貢獻(xiàn)率為78.6%, PC1可以較大程度地集成各變量信息。統(tǒng)計對比其他特征分量結(jié)果, PC2和PC3累積方差貢獻(xiàn)率僅為7%和5%, PC4—PC8累積方差貢獻(xiàn)率均小于5%, PC2—PC8累積方差貢獻(xiàn)率之和遠(yuǎn)小于第1主成分, 且PC2—PC8中的8個指標(biāo)值符號和大小均不穩(wěn)定, 容易忽略某些重要信息且不符合實際生態(tài)情況。因此, 可用PC1來耦合城市生態(tài)評價模型的8個指標(biāo)變量。對比不同指標(biāo)的PC1荷載值符號可以看出, NDVI、ECI、W和V荷載值均為正值, 均對生態(tài)質(zhì)量起正向作用, 而NDBSI、RD、La和LST荷載值均為負(fù)值, 它們對生態(tài)質(zhì)量起負(fù)向作用, 這與城市生態(tài)情況相符。

不同指標(biāo)呈現(xiàn)出不同的空間分布狀況 (圖2)。由圖2可知, 對比NDBSI指標(biāo)(圖2a), 不透水面密集分布的城市中心區(qū)域, 干度指標(biāo)明顯高于自然覆蓋地表區(qū)域, 且空間分布上成連片性。對比RD指標(biāo)(圖2b), 城郊路網(wǎng)密度表現(xiàn)了較強(qiáng)的差異性, 即廈漳泉城市中心區(qū)域路網(wǎng)密度高值集聚性較強(qiáng), 西部城鎮(zhèn)外圍區(qū)域低值區(qū)較多。對比La指標(biāo)(圖2c), 在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部平原地區(qū), 人類活動對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境干擾強(qiáng)烈, 土地利用程度高于交通和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后的西部山地區(qū)域。對比NDVI指標(biāo)(圖2d), 在城市周邊具有植被覆蓋率高的大型山體綠地, 而在城市中心區(qū)域, 植被覆蓋率則明顯低于郊區(qū)。對比ECI空間分布(圖2e), 城市連接度水平最高的區(qū)域主要位于城市周邊區(qū)域, 均表現(xiàn)出明顯的孤島狀分布態(tài)勢; 低連接區(qū)域主要位于城市中心不透水面密集的區(qū)域, 表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)連接性。對比W指標(biāo)(圖2f), 西部林地集中分布的區(qū)域濕度高于東部沿海建筑密集分布區(qū)域。對比LST指標(biāo)(圖2g), 城市建筑密集區(qū)域熱度明顯高于大片綠地和水體分布區(qū)域。廈漳泉城市中心連片區(qū)具有較大比例的高溫區(qū)。對比V指標(biāo)(圖2h), 廈漳泉都市區(qū)沿海濕地具有高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 西部林地連片區(qū)也具有較高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 人口密集的東部核心區(qū), 開發(fā)強(qiáng)度大, 以建設(shè)用地和農(nóng)田為主, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最低。

表2 景觀格局指數(shù)指標(biāo)

圖2 8個生態(tài)指標(biāo)反演影像

Figure 2 Eight ecological indicators maps

表3 研究區(qū)UEQ指數(shù)8個指標(biāo)主成分分析結(jié)果

2.2 廈漳泉都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量空間格局

通過UEQ模型反演得到廈漳泉都市區(qū)UEQ指數(shù)均值為0.558(表3, 圖3), 生態(tài)指數(shù)等級為中等。UEQ各指標(biāo)中, 起正向作用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)指標(biāo)值較低, 對生態(tài)質(zhì)量起負(fù)向作用的土地利用程度綜合指數(shù)、熱度和干度指標(biāo)值較高, 雖然起正向作用的植被覆蓋率、濕度和生態(tài)連接度指標(biāo)值較高, 起負(fù)向作用的路網(wǎng)密度值較低, 但這4個指標(biāo)對PC1的貢獻(xiàn)度較低, 綜合作用下, 使得UEQ值為中等水平。為進(jìn)一步分析UEQ指數(shù)的代表性, 將UEQ值以0.2為間隔劃分成5級, 1—5級分別代表生態(tài)差、較差、中等、良和優(yōu)5個等級, 統(tǒng)計各等級區(qū)域面積所占比例。結(jié)果表明, 城市生態(tài)等級為中等、較差和差區(qū)域面積均占廈漳泉都市區(qū)總面積的54%; 而生態(tài)等級為優(yōu)和良的區(qū)域面積占46%。UEQ等級為差和較差的區(qū)域主要分布在城市和副城市中心高不透水面覆蓋地區(qū), 這些地區(qū)人類活動頻繁, 植被覆蓋率低, 建筑、道路等人工地表的阻隔使得生態(tài)用地生態(tài)效益較低, 熱島效應(yīng)嚴(yán)重, 導(dǎo)致其生態(tài)質(zhì)量差; 而生態(tài)等級為優(yōu)良級別的區(qū)域主要分布在城市大塊綠地和外圍山體植被覆蓋區(qū), 這些地區(qū)人類活動較少, 其植被覆蓋率和濕度高, 干度和熱度低, 空氣質(zhì)量較城區(qū)好, 完整連續(xù)的生態(tài)用地發(fā)揮的生態(tài)效益也更高, 因而表現(xiàn)出較優(yōu)的生態(tài)等級。

圖3 研究區(qū)城市生態(tài)評價遙感指數(shù)(UEQ)等級分布圖

Figure 3 UEQ-levels distribution map

分區(qū)來看, 廈漳泉都市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈“西高東低”的空間格局(圖4)。都市區(qū)西部和西南部為綠色山地生態(tài)保育帶(南安市、長泰縣(現(xiàn)長泰區(qū))、漳浦縣、云霄縣、東山縣、詔安縣等), 其平均生態(tài)質(zhì)量指數(shù)達(dá)0.662, 比研究區(qū)平均值高0.104; 而東部核心區(qū)的廈門湖里區(qū)和思明區(qū)、泉州鯉城區(qū)、晉江市、石獅市、漳州龍文區(qū)的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)平均值為0.346, 比研究區(qū)平均值低0.212, 生態(tài)質(zhì)量排名靠后。城市功能定位一定程度上影響了城市生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣。生態(tài)質(zhì)量低于平均值的13個區(qū)縣均集中在都市區(qū)核心區(qū), 其中7個縣市功能定位以制造業(yè)基地、化工基地和產(chǎn)業(yè)基地等為特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。這些城市核心區(qū)域工業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升并未形成良性互動, 甚至導(dǎo)致生態(tài)質(zhì)量評價結(jié)果較差。

2.3 地表景觀格局對UEQ指數(shù)響應(yīng)特征

計算地表景觀格局指標(biāo)和UEQ生態(tài)質(zhì)量指數(shù)不同等級間的定量關(guān)系, 結(jié)果表明(表3), 不透水面和植被(林地、耕地、草地)對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的影響主要來源于景觀要素的平均斑塊面積(PA_MN), 斑塊連通度(CI_MN)和斑塊聚集度(AI)的影響。UEQ等級差和較差的區(qū)域, 不透水面的PA_MN達(dá)2.9 hm2以上, 而UEQ等級為優(yōu)良區(qū)域的PA_MN只有不到0.3 hm2(表4)。相反, UEQ等級優(yōu)、良的區(qū)域, 植被PA_MN達(dá)15 hm2以上, 而UEQ等級為較差、差區(qū)域的PA_MN不到3.5 hm2。UEQ等級為差和較差區(qū)域不透水面的CI_MN值比UEQ等級為優(yōu)和良區(qū)域平均高0.09(表4)。相反, UEQ等級為優(yōu)和良區(qū)域的CI_MN值比UEQ等級為差和較差區(qū)域平均高0.1。UEQ等級差區(qū)域不透水面的AI值也高于UEQ等級優(yōu)和良區(qū)域, 前者的AI值超過80%, 后者小于40%。生態(tài)優(yōu)良的區(qū)域, 植被的AI值也高于生態(tài)差的區(qū)域, 前者的AI值超過89%, 后者小于46%。由此可見, 城市不透水面斑塊小、斑塊內(nèi)部連通度低且斑塊聚集度低的區(qū)域, 其生態(tài)質(zhì)量好于不透水面斑塊大、斑塊內(nèi)部高度連通且斑塊高度聚集的區(qū)域。植被斑塊大, 斑塊內(nèi)部高度連通、斑塊高度聚集的區(qū)域, 其生態(tài)質(zhì)量好于植被斑塊面積小且內(nèi)部連通度低、斑塊聚集度低的區(qū)域。結(jié)合UEQ指數(shù)結(jié)果來看(圖3、圖4), 廈漳泉都市區(qū)各區(qū)縣生態(tài)質(zhì)量等級分區(qū)明顯, 各縣區(qū)生態(tài)協(xié)調(diào)聯(lián)系不夠。因此, 未來廈漳泉都市區(qū)進(jìn)行土地空間利用規(guī)劃時也應(yīng)注意一體化協(xié)調(diào)發(fā)展, 各區(qū)縣應(yīng)考慮城市建筑用地和綠地景觀的面積、連通和聚集程度對生態(tài)質(zhì)量影響。

圖4 廈漳泉都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量空間格局差異

Figure 4 Spatial pattern difference of UEQ value of Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area

表4 UEQ與6種景觀格局指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注: **即在0 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*即在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 5個UEQ等級對應(yīng)的不透水面和植被景觀格局指數(shù)

3 討論

UEQ模型評估結(jié)果表明廈漳泉都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)均值為0.558, 各區(qū)縣最小值為0.242, 最大值為0.698。與其它同樣采用主成分的城市生態(tài)質(zhì)量指數(shù)結(jié)果相比[30-34], 生態(tài)質(zhì)量指數(shù)均值集中在0.4—0.6之間, 如上海市(0.48—0.61)[30]、武漢市(0.53—0.60)[31]、南京市(0.62)[32]、渭南市(0.48—0.56)[33]。因此, UEQ模型模擬結(jié)果較為可靠。

已有城市群生態(tài)研究的區(qū)域包括長三角城市群、珠三角城市群等大城市群[37]。UEQ模型結(jié)合RS和GIS優(yōu)勢, 通過采用主成分分析方法實現(xiàn)指標(biāo)自動集成, 相比人為賦權(quán)重更具客觀性, 且實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的可視化。但受數(shù)據(jù)獲取限制, 部分評價因子如道路數(shù)據(jù)僅獲取較新年份數(shù)據(jù), 未能實現(xiàn)時間序列變化的分析; 土地利用程度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)的部分參數(shù)數(shù)據(jù)來源于前人研究成果[20, 28], 然而生態(tài)質(zhì)量機(jī)理較為復(fù)雜, 這可能會導(dǎo)致評估結(jié)果存在一定不確定性, 但不會影響生態(tài)質(zhì)量空間格局整體變化特征。未來應(yīng)加強(qiáng)對生態(tài)質(zhì)量形成機(jī)理研究, 持續(xù)改進(jìn)評估模型。

城市生態(tài)質(zhì)量快速、準(zhǔn)確評價是生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)及實現(xiàn)城市數(shù)字化管理的客觀依據(jù)。本研究從多個視角評價廈漳泉都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況, 研究表明都市區(qū)東部人為活動較為頻繁地區(qū)生態(tài)質(zhì)量較西部山地生態(tài)保育帶低。未來應(yīng)加強(qiáng)這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù), 減少人為活動對生態(tài)環(huán)境破壞, 采用城市多核心組團(tuán)發(fā)展模式, 避免密集連片發(fā)展, 保留城區(qū)大型綠地和水系綠廊, 使都市區(qū)健康可持續(xù)發(fā)展。但本文還未能很好地挖掘生態(tài)質(zhì)量結(jié)果好壞和景觀斑塊的內(nèi)在聯(lián)系, 研究深度有待加強(qiáng)。

4 結(jié)論

(1)廈漳泉都市區(qū)UEQ均值為0.558, 生態(tài)指數(shù)等級為中等。其中, 生態(tài)等級為中等、較差和差區(qū)域面積均占廈漳泉都市區(qū)總面積的54%; 而生態(tài)等級為優(yōu)和良的區(qū)域面積占46%。

(2)植被、生態(tài)用地空間格局優(yōu)劣、環(huán)境濕度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值狀況是改善城市生態(tài)系統(tǒng)的影響因子, 但干度、路網(wǎng)密度、土地利用程度綜合指數(shù)和熱度等指標(biāo)的綜合作用會導(dǎo)致城市生態(tài)惡化。

(3)都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量總體呈“西高東低”的空間格局。東部核心區(qū)高不透水面覆蓋地區(qū), 土地綜合利用強(qiáng)度大, 其生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(0.346)比總體平均值低; 西部綠色山地生態(tài)保育帶, 連續(xù)的生態(tài)用地發(fā)揮的生態(tài)效益也更高, 其生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(0.662)比總體平均值高。

(4)不透水面斑塊小、斑塊內(nèi)部連通度低且斑塊聚集度低的區(qū)域, 其生態(tài)質(zhì)量好于不透水面斑塊大、斑塊內(nèi)部高度連通且斑塊高度聚集的區(qū)域。

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Remote sensing-based study on the urban ecological quality of the emerging Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area

WANG Meiya*

School of History and Geography, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, China

Owing to the complex, potentially nonlinear relationship between urban ecological systems and biophysical surface components in metropolitan areas, selecting suitable quantitative models to evaluate their urban ecological quality is not always clear. The Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan areawas taken as an example. Eight ecological indicators, including NDBSI, RD, La, NDVI, ECI, W, LST, and V, were integrated into a new model named the Urban Remote Sensing Ecological Quality Index (UEQ) using Principal Component Analysis. The UEQ was used to quantitatively evaluate the ecological quality of the emerging Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area. The quantitative relationship between UEQ at different levels and landscape indices was analyzed. Results showed that the Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area hada mean ecological quality value of 0.558. Comparing the eight indices within the UEQ, the NDVI, ECI, W, and V indices positively affected the ecology, while the NDBSI, RD, La, and LST indices had a negative effect. It had high NDBSI, La, and LST values and low V values. The other four indicators had a low contribution to UEQ results. According to the spatial distribution of the UEQ, the ecological quality value in the western region of the Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area was generally higher than that in the east region. The eastern urban center, covered by a high ratio of impervious surfaces and a low ratio of vegetation, had low ecological connectivity between the ecological land patches, resulting in a lower ecological quality value of 0.212 than that of the whole study area. The western mountain conservation belt had high NDVI and ECI values, which helpedreach a higher ecological quality value of 0.104 than the whole study area. The ecological quality of the region with small and dispersive impervious surface patches and low intra-patch connectivity was better than that with large and aggregate impervious surface patches.

Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area; urban remote sensing ecological quality index (); ecological quality; landscape; remote sensing

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.015

TP79

A

1008-8873(2024)01-124-10

2021-08-21;

2021-11-15

福建省自然科學(xué)基金面上項目(2022J01918) ; 教育部人文社科青年基金(22YJC630139) ; 福建省創(chuàng)新戰(zhàn)略研究項目(2020R0155) ; 國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41601012)

王美雅(1991—), 女, 福建泉州人, 博士, 副教授, 主要從事環(huán)境與資源遙感研究, E-mail: miahao3@163.com

通信作者:王美雅

王美雅. 廈漳泉新興都市區(qū)生態(tài)質(zhì)量遙感評價[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 124–133.

WANG Meiya. Remote sensing-based study on the urban ecological quality of the emerging Xiamen-Zhangzhou-Quanzhou metropolitan area[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 124–133.