徐廷鵬,盧文宇,江希婷,馬 俊,李 巍

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司,黑龍江 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022;3.衢州市測(cè)繪院,浙江 衢州 324000; 4.北京盛特時(shí)代信息技術(shù)有限公司,北京 100012)

1 研究背景

1990年以來(lái),土地一直是人類發(fā)展中不可缺少的資源,一個(gè)城市的發(fā)展,必定會(huì)伴隨著產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張和集中,從而增大對(duì)勞動(dòng)力的需求力度,這也是城市人口快速增長(zhǎng)的主要原因。有限的建設(shè)用地在面臨人口及產(chǎn)業(yè)的不斷增長(zhǎng),最終會(huì)通過(guò)減少其他土地類型從而擴(kuò)大建設(shè)用地面積,促進(jìn)城市的發(fā)展,提高城市化水平。如何保證土地資源與生態(tài)環(huán)境相平衡這一問(wèn)題顯得尤為重要。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)城市環(huán)境的改造發(fā)展具有重大的歷史意義[1-2]。

深圳市作為中國(guó)最為發(fā)達(dá)的城市之一,它有著堅(jiān)固的經(jīng)濟(jì)紐帶、先進(jìn)的技術(shù)和龐大的發(fā)展產(chǎn)業(yè)。位于中國(guó)中心地位的深圳市與香港地區(qū)相接,經(jīng)濟(jì)水平自然可想而知。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取2006年、2011年、2016年、2021年這四個(gè)年份每年9月份的Landsat影像數(shù)據(jù)。影像用于提取土地利用率及植被覆蓋程度,所以要選取植物生長(zhǎng)好,植被覆蓋度高的月份。7月份～10份中9月云量較少。選擇云量較少的影像,地物清晰,便于更精準(zhǔn)分類。

2.2 研究方法

通過(guò)自然生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型,對(duì)深圳市生態(tài)環(huán)境做進(jìn)一步評(píng)價(jià),計(jì)算公式如下:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

其中，NDVI為植被指數(shù);NIR為近紅外波段;R為紅光波段。

FC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

其中，F(xiàn)C為植被覆蓋度;NDVImax,NDVImin分別為研究區(qū)中最大、最小的NDVI值。

GRABS=VI-0.091 78BI+5.589 59

(3)

其中，GRABS為被研究的土壤指數(shù);VI和BI分別為綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。其關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)在綠度指數(shù)與植被覆蓋度之間的變化[3]。

E=W1×Sv+W2×Ss+W3×St

(4)

其中，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)是與植被覆蓋度、土壤指數(shù)以及坡度三者與權(quán)重值的積的和。權(quán)重?cái)?shù)值一般給出0.6，0.3和0.1三個(gè)數(shù)值。通過(guò)歸一化數(shù)據(jù)處理,可以得出1～10的數(shù)值。從而以此為依據(jù),進(jìn)行對(duì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果的級(jí)別分類,如表1所示。

表1 環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)表

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)Landsat數(shù)據(jù)、DEM地表高程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類、歸一化處理等相關(guān)的處理,得出土地利用變化狀況及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)[4]。

影像分類選擇監(jiān)督分類,數(shù)據(jù)的預(yù)處理要包括輻射定標(biāo)及大氣校正和在Arcgis中畫(huà)出深圳市的矢量邊界而進(jìn)行影像裁剪。參考第二次全國(guó)土地調(diào)查,土地利用分類體系見(jiàn)表2。選取土地利用類別的依據(jù)為:利用遙感影像和地物光譜理論,制定土地利用類型表。

表2 深圳市土地分類表

采用基于光譜信息分類的監(jiān)督分類方法,選取20個(gè)樣點(diǎn)作為樣本,使樣本在影像上呈均勻分布狀態(tài),樣本間具有可分離性,用Jeffries-Matusita,Transformed Divergence所示的參數(shù)值表達(dá)為0～2之間,合格樣本則表現(xiàn)為顯示分離性好,數(shù)值一般大于1.9,當(dāng)樣本分離性小于1.5時(shí),就需要重新選取樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象。若兩個(gè)樣本均小于1.0,則有必要考慮合并同類項(xiàng)。

對(duì)樣本分類后,進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。運(yùn)用的評(píng)價(jià)方法是誤差矩陣的方陣法,在行與列相等數(shù)目的前提下,進(jìn)行數(shù)目相等的精度和類別評(píng)價(jià)。

對(duì)處理的數(shù)據(jù)要進(jìn)行歸一化處理,通過(guò)計(jì)算得出深圳市2006年—2011年生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)表。利用ENVI植被覆蓋度指數(shù)提取過(guò)程中,在ENVI中輸入下述公式來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指數(shù)[5]:

(b1 1t 0.18)×0+(b1 gt 0.41)×1.0+(b1 ge 0.08 nd b1 1e 0.41)×((b1-0.08)/(0.41-0.08))。

在自然生態(tài)因子歸一化時(shí),各個(gè)指標(biāo)的得分按正序排列,排列的依據(jù)為各個(gè)指標(biāo)按由高至低的分類等級(jí)進(jìn)行對(duì)生態(tài)質(zhì)量影響因素的分析排列。按數(shù)值大小則數(shù)值越大,影響越大,反之則越小。

3 結(jié)果分析

3.1 深圳市土地利用變化分析

結(jié)合表2可知,2006年深圳市的土地利用類型主要以林地為主,面積占比為43.62%。其次依次為建設(shè)用地39.96%、耕地12.41%、水體3.91%、未利用地占比最少為0.1%(見(jiàn)圖1)。由此可見(jiàn),深圳市土地開(kāi)發(fā)建設(shè)全面徹底,城市化水平高,但是土地資源不足的矛盾已經(jīng)顯現(xiàn),無(wú)地可用的形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻,同時(shí)也制約著深圳市的發(fā)展。

深圳市2011年土地利用分類圖如圖2所示。與表1中的數(shù)據(jù)結(jié)合分析可知,在2011年,深圳市土地利用類型的建設(shè)用地面積相較于2006年所占比為45.52%。其他如林地則為42.31%,耕地為11.45%,水體為3.61%,而其他未利用土地占比僅為0.1%。除了建設(shè)用地面積在不斷擴(kuò)大外,其他幾方面的用地類型均呈現(xiàn)不同程度的縮小。減少了0.3%,而未利用地的面積基本保持穩(wěn)定。由此可以看出,2006年—2011年期間,大約有2.2%的林地及耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,土地植被遭到破壞,土地生產(chǎn)力下降,對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

2016年深圳市土地利用分類圖如圖3所示。與表1中的數(shù)據(jù)分析得出,深圳市在2016年,城市建設(shè)中的土地類型還是占整體土地用地的主要部分，占比達(dá)48.42%。剩余的林地、耕地、水體占比依次為39.93%，8.16%和3.61%，未利用地0.1%。同2011年相比,變化幅度最大的為耕地,減少了3.29%,其次依次為建設(shè)用地增長(zhǎng)了2.9%。減少的用地面積則是林地約為2.38%、水體為0.17%。未利用地面積基本保持穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)比圖2，圖3,造成耕地面積大幅下降的原因主要有:退耕還林;大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

建設(shè)用地占比一直處于增加的狀態(tài),一方面是來(lái)自其他土地類型的轉(zhuǎn)化,另一方面與深圳實(shí)施的填海造田有著很大一部分關(guān)系。由圖3可以看出,2011年—2016年期間,深圳市的填海造田項(xiàng)目主要集中在寶安區(qū)和南山區(qū)。其中南山區(qū)的前海區(qū)和后海區(qū)是南山區(qū)填海的典型代表。

2021年深圳市土地利用分類圖如圖4所示,通過(guò)與表3的對(duì)比分析可知,2021年深圳市土地利用類型依舊主要以城市建設(shè)用地為主,面積約占總面積的50.93%,占比十分明顯,且呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì),不可逆轉(zhuǎn)。林地、耕地、水體以及未被利用的土地的面積呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。從數(shù)據(jù)分析上來(lái)看,建設(shè)用地面積的變化位居首位,與2016年同比增長(zhǎng)2.51%。排在其后的是耕地、林地以及水體。同比減少的百分點(diǎn)依次為1.97，0.42，0.12，剩余未被利用的土地面積數(shù)據(jù)沒(méi)有變化。

表3 深圳市土地利用變化表 %

整體來(lái)看2006年—2021年這15年期間深圳市在建設(shè)用地和林地的使用和利用開(kāi)發(fā)上來(lái)說(shuō),是城市土地利用率最高的兩種類型。占深圳市整體土地利用面積的87%。至今未被開(kāi)發(fā)利用的土地面積只有總面積的不到0.1%。這說(shuō)明,在深圳市這十五年的發(fā)展進(jìn)程中,土地利用面積呈現(xiàn)不斷快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),具體數(shù)據(jù)是從2006年的39.96%,快速增長(zhǎng)了近10個(gè)百分點(diǎn),達(dá)到現(xiàn)有水平的50.92%。所以說(shuō),深圳市作為我國(guó)對(duì)外貿(mào)易重要的窗口城市,可供使用的土地(林地、耕地和水體)面積越來(lái)越少。

3.2 深圳市生態(tài)環(huán)境變化分析

利用ENVI,得出了2006年、2011年、2016年、2021年 深圳市生態(tài)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表4),評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良等級(jí)的占比超過(guò)70%。評(píng)價(jià)等級(jí)為差的占比普遍較低,占比在0.17～0.47之間。2006年—2021年間,綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為中和差的區(qū)域所占比例呈增長(zhǎng)趨勢(shì),由最初的18.13%增長(zhǎng)至24.9%，而綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)和良的區(qū)域所占比例呈下降趨勢(shì),由最初的81.87%下降至75.1%。

2006年,深圳市生態(tài)環(huán)境總體呈良好狀態(tài),其中,環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為良的區(qū)域占比最大,為58.40%。其次依次為優(yōu)23.47%、中17.96%、差0.17%。由此可以看出,2006年深圳市的生態(tài)環(huán)境比較良好,優(yōu)良區(qū)域的占比為81.87%,生態(tài)結(jié)構(gòu)比較完善,生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力較強(qiáng)。

表4 深圳市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果 %

2011年,深圳市生態(tài)環(huán)境總體評(píng)級(jí)同2006年相比有明顯下降趨勢(shì),但整體評(píng)級(jí)處于良好狀態(tài)。環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)域占比最大的為良55.31%,其次依次為中24.13%、優(yōu)20.33%、差0.23%。其中環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良區(qū)域的占比為75.64%,同2006年相比下降了6.32%。環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為差的區(qū)域占比同2006年相比有了小幅增長(zhǎng),增長(zhǎng)了0.06%。可以看出,2006年—2011年期間,由圖5可見(jiàn),評(píng)價(jià)等級(jí)為中的區(qū)域變化幅度最大,增長(zhǎng)了6.17%,幾乎是由評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的區(qū)域轉(zhuǎn)換而來(lái),生態(tài)系統(tǒng)遭受到一定破壞。

2016年,深圳市生態(tài)環(huán)境總體評(píng)級(jí)同2011年相比趨于穩(wěn)定,略有小幅下降,整體評(píng)級(jí)處于良好狀態(tài)。環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)域占比最大的為良57.69%,其次依次為中24.53%、優(yōu)17.49%、差0.23%。其中環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良區(qū)域的占比為75.18%,同2011年相比下降了0.46%。環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為差的區(qū)域占比均有了一定幅度的提升,同2011年度數(shù)據(jù)相比較而言,增長(zhǎng)了0.06%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ENVI軟件,采用自然生態(tài)因子與指數(shù)評(píng)價(jià)法,對(duì)深圳市的土地利用變化和生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明:在長(zhǎng)達(dá)十五年的歷程中,深圳市充分利用了現(xiàn)有土地并開(kāi)發(fā)了更多的可使用土地,使其更廣泛地用于建設(shè)用地面積。而其他土地類型卻均在減少,建設(shè)用地所占比例完全超出了人們的預(yù)期。綜合評(píng)價(jià)為優(yōu)和良的區(qū)域所占比例逐年減少,為中和差的區(qū)域所占比例逐年增加,由此可見(jiàn),深圳市的生態(tài)環(huán)境總體呈比較明顯的下降趨勢(shì),但因等級(jí)為差的區(qū)域所占比較極少,所以目前還處于可控制的范圍之內(nèi)。影響深圳市土地利用和生態(tài)環(huán)境變化的因素主要是城市的快速發(fā)展、人口的逐漸增多和填海造田等工程的實(shí)施。通過(guò)研究得出以下建議,在深圳市快速發(fā)展的同時(shí),應(yīng)注重遙感技術(shù)在土地利用和生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用,深圳市有關(guān)部門也應(yīng)重視土地利用的合理性和平衡性,注重生態(tài)環(huán)境的改善、保護(hù)和提升,從而實(shí)現(xiàn)綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。