基于遥感的深圳市土地利用与生态环境变化研究★
2022-12-08徐廷鹏卢文宇江希婷
徐廷鹏,卢文宇,江希婷,马 俊,李 巍
(1.中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学矿业工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022;3.衢州市测绘院,浙江 衢州 324000; 4.北京盛特时代信息技术有限公司,北京 100012)
1 研究背景
1990年以来,土地一直是人类发展中不可缺少的资源,一个城市的发展,必定会伴随着产业的扩张和集中,从而增大对劳动力的需求力度,这也是城市人口快速增长的主要原因。有限的建设用地在面临人口及产业的不断增长,最终会通过减少其他土地类型从而扩大建设用地面积,促进城市的发展,提高城市化水平。如何保证土地资源与生态环境相平衡这一问题显得尤为重要。实时监测土地利用结构和生态环境质量对城市环境的改造发展具有重大的历史意义[1-2]。
深圳市作为中国最为发达的城市之一,它有着坚固的经济纽带、先进的技术和庞大的发展产业。位于中国中心地位的深圳市与香港地区相接,经济水平自然可想而知。
2 研究方法
2.1 数据来源
选取2006年、2011年、2016年、2021年这四个年份每年9月份的Landsat影像数据。影像用于提取土地利用率及植被覆盖程度,所以要选取植物生长好,植被覆盖度高的月份。7月份～10份中9月云量较少。选择云量较少的影像,地物清晰,便于更精准分类。
2.2 研究方法
通过自然生态环境评价模型,对深圳市生态环境做进一步评价,计算公式如下:
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)
(1)
其中，NDVI为植被指数;NIR为近红外波段;R为红光波段。
FC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)
(2)
其中，FC为植被覆盖度;NDVImax,NDVImin分别为研究区中最大、最小的NDVI值。
GRABS=VI-0.091 78BI+5.589 59
(3)
其中，GRABS为被研究的土壤指数;VI和BI分别为绿度指数和土壤亮度指数。其关联性表现在绿度指数与植被覆盖度之间的变化[3]。
E=W1×Sv+W2×Ss+W3×St
(4)
其中，综合评价指数是与植被覆盖度、土壤指数以及坡度三者与权重值的积的和。权重数值一般给出0.6，0.3和0.1三个数值。通过归一化数据处理,可以得出1～10的数值。从而以此为依据,进行对环境评价结果的级别分类,如表1所示。
表1 环境评价等级表
2.3 数据预处理
对Landsat数据、DEM地表高程数据进行监督分类、归一化处理等相关的处理,得出土地利用变化状况及生态环境评价等级[4]。
影像分类选择监督分类,数据的预处理要包括辐射定标及大气校正和在Arcgis中画出深圳市的矢量边界而进行影像裁剪。参考第二次全国土地调查,土地利用分类体系见表2。选取土地利用类别的依据为:利用遥感影像和地物光谱理论,制定土地利用类型表。
表2 深圳市土地分类表
采用基于光谱信息分类的监督分类方法,选取20个样点作为样本,使样本在影像上呈均匀分布状态,样本间具有可分离性,用Jeffries-Matusita,Transformed Divergence所示的参数值表达为0～2之间,合格样本则表现为显示分离性好,数值一般大于1.9,当样本分离性小于1.5时,就需要重新选取样本作为实验对比对象。若两个样本均小于1.0,则有必要考虑合并同类项。
对样本分类后,进行精度评价。运用的评价方法是误差矩阵的方阵法,在行与列相等数目的前提下,进行数目相等的精度和类别评价。
对处理的数据要进行归一化处理,通过计算得出深圳市2006年—2011年生态环境评价表。利用ENVI植被覆盖度指数提取过程中,在ENVI中输入下述公式来计算评价指数[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))。
在自然生态因子归一化时,各个指标的得分按正序排列,排列的依据为各个指标按由高至低的分类等级进行对生态质量影响因素的分析排列。按数值大小则数值越大,影响越大,反之则越小。
3 结果分析
3.1 深圳市土地利用变化分析
结合表2可知,2006年深圳市的土地利用类型主要以林地为主,面积占比为43.62%。其次依次为建设用地39.96%、耕地12.41%、水体3.91%、未利用地占比最少为0.1%(见图1)。由此可见,深圳市土地开发建设全面彻底,城市化水平高,但是土地资源不足的矛盾已经显现,无地可用的形势愈发严峻,同时也制约着深圳市的发展。
深圳市2011年土地利用分类图如图2所示。与表1中的数据结合分析可知,在2011年,深圳市土地利用类型的建设用地面积相较于2006年所占比为45.52%。其他如林地则为42.31%,耕地为11.45%,水体为3.61%,而其他未利用土地占比仅为0.1%。除了建设用地面积在不断扩大外,其他几方面的用地类型均呈现不同程度的缩小。减少了0.3%,而未利用地的面积基本保持稳定。由此可以看出,2006年—2011年期间,大约有2.2%的林地及耕地转变为建设用地,土地植被遭到破坏,土地生产力下降,对土地生态系统造成不可逆转的伤害。
2016年深圳市土地利用分类图如图3所示。与表1中的数据分析得出,深圳市在2016年,城市建设中的土地类型还是占整体土地用地的主要部分，占比达48.42%。剩余的林地、耕地、水体占比依次为39.93%，8.16%和3.61%，未利用地0.1%。同2011年相比,变化幅度最大的为耕地,减少了3.29%,其次依次为建设用地增长了2.9%。减少的用地面积则是林地约为2.38%、水体为0.17%。未利用地面积基本保持稳定。通过对比图2，图3,造成耕地面积大幅下降的原因主要有:退耕还林;大量耕地转化为建设用地。
建设用地占比一直处于增加的状态,一方面是来自其他土地类型的转化,另一方面与深圳实施的填海造田有着很大一部分关系。由图3可以看出,2011年—2016年期间,深圳市的填海造田项目主要集中在宝安区和南山区。其中南山区的前海区和后海区是南山区填海的典型代表。
2021年深圳市土地利用分类图如图4所示,通过与表3的对比分析可知,2021年深圳市土地利用类型依旧主要以城市建设用地为主,面积约占总面积的50.93%,占比十分明显,且呈逐渐增长的趋势,不可逆转。林地、耕地、水体以及未被利用的土地的面积呈现递减趋势。从数据分析上来看,建设用地面积的变化位居首位,与2016年同比增长2.51%。排在其后的是耕地、林地以及水体。同比减少的百分点依次为1.97，0.42，0.12，剩余未被利用的土地面积数据没有变化。
表3 深圳市土地利用变化表 %
整体来看2006年—2021年这15年期间深圳市在建设用地和林地的使用和利用开发上来说,是城市土地利用率最高的两种类型。占深圳市整体土地利用面积的87%。至今未被开发利用的土地面积只有总面积的不到0.1%。这说明,在深圳市这十五年的发展进程中,土地利用面积呈现不断快速增长态势,具体数据是从2006年的39.96%,快速增长了近10个百分点,达到现有水平的50.92%。所以说,深圳市作为我国对外贸易重要的窗口城市,可供使用的土地(林地、耕地和水体)面积越来越少。
3.2 深圳市生态环境变化分析
利用ENVI,得出了2006年、2011年、2016年、2021年 深圳市生态综合评价等级统计表(见表4),评价等级为优良等级的占比超过70%。评价等级为差的占比普遍较低,占比在0.17～0.47之间。2006年—2021年间,综合评价等级为中和差的区域所占比例呈增长趋势,由最初的18.13%增长至24.9%，而综合评价等级为优和良的区域所占比例呈下降趋势,由最初的81.87%下降至75.1%。
2006年,深圳市生态环境总体呈良好状态,其中,环境评价等级为良的区域占比最大,为58.40%。其次依次为优23.47%、中17.96%、差0.17%。由此可以看出,2006年深圳市的生态环境比较良好,优良区域的占比为81.87%,生态结构比较完善,生态系统恢复能力较强。
表4 深圳市生态环境评价结果 %
2011年,深圳市生态环境总体评级同2006年相比有明显下降趋势,但整体评级处于良好状态。环境评价等级区域占比最大的为良55.31%,其次依次为中24.13%、优20.33%、差0.23%。其中环境评价等级为优良区域的占比为75.64%,同2006年相比下降了6.32%。环境评价等级为差的区域占比同2006年相比有了小幅增长,增长了0.06%。可以看出,2006年—2011年期间,由图5可见,评价等级为中的区域变化幅度最大,增长了6.17%,几乎是由评价等级为优良的区域转换而来,生态系统遭受到一定破坏。
2016年,深圳市生态环境总体评级同2011年相比趋于稳定,略有小幅下降,整体评级处于良好状态。环境评价等级区域占比最大的为良57.69%,其次依次为中24.53%、优17.49%、差0.23%。其中环境评价等级为优良区域的占比为75.18%,同2011年相比下降了0.46%。环境评价等级为差的区域占比均有了一定幅度的提升,同2011年度数据相比较而言,增长了0.06%。
4 结语
通过ENVI软件,采用自然生态因子与指数评价法,对深圳市的土地利用变化和生态环境变化进行研究,研究结果表明:在长达十五年的历程中,深圳市充分利用了现有土地并开发了更多的可使用土地,使其更广泛地用于建设用地面积。而其他土地类型却均在减少,建设用地所占比例完全超出了人们的预期。综合评价为优和良的区域所占比例逐年减少,为中和差的区域所占比例逐年增加,由此可见,深圳市的生态环境总体呈比较明显的下降趋势,但因等级为差的区域所占比较极少,所以目前还处于可控制的范围之内。影响深圳市土地利用和生态环境变化的因素主要是城市的快速发展、人口的逐渐增多和填海造田等工程的实施。通过研究得出以下建议,在深圳市快速发展的同时,应注重遥感技术在土地利用和生态环境变化监测方面的应用,深圳市有关部门也应重视土地利用的合理性和平衡性,注重生态环境的改善、保护和提升,从而实现绿色、健康、可持续发展。
