基于GIS技术的武汉市江汉区绿地动态变化分析_孙伟博.pdf

2023，Vol.43，No.08农业与技术资源环境基于 GIS 技术的武汉市江汉区绿地动态变化分析孙伟博 严青亮(湖北美术学院，湖北 武汉 430000)摘要:城市绿地空间是提高人居环境和城镇居民生活幸福指数的重要途径，兼顾生产发展和生态发展已是各大城市发展必须要求，在此背景下对城市绿地动态变化研究对今后城市绿地的可持续健康发展具有重要意义。本研究基于的 Landsat 遥感影像数据，利用 ENVI 5.3 以及 Arcgis 等软件辅助，对武汉市江汉区过去 20 年城市发展过程中绿地空间进行量化的动态分析，揭示了该区域内绿地变化规律和原因。关键词:绿色空间;动态变化;武汉江汉区;遥感中图分类号:S181文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230430017收稿日期:20221212作者简介:孙伟博(1999)，男，硕士在读。研究方向:环境艺术设计与研究;严青亮(1998)，男，硕士在读。研究方向:环境艺术设计与研究。引言2015 年中央城市工作会议中明确要统筹生产、生活、生态 3 大布局，提高城市发展的宜居性。城市发展要把握好生产空间、生活空间、生态空间的内在联系，实现生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀。城市是一个自然复合生态系统，其中城市绿地是城市生态系统中一类重要的多功能组分，发挥着重要的生态、休闲、娱乐等功能，能够改善城市居民生理及心理健康状况、缓解工作压力、增强幸福感1。在现阶段城市绿色空间建设主观性较强，缺少系统科学分析的大环境下，定量分析绿色空间的类型组成、数量特征和动态演变等结构特征可以帮助理解绿色空间的发展演变过程，为分析快速城市化及人类活动影响下的城市空间格局的优化调控提供至关重要的科学依据2。武汉作为华中地区快速城镇化的城市之一，位处城区中心的江汉区是场地变化最强烈的区块。近年来，不少学者已经对武汉城市中的景观格局、绿地公平性等问题开展了研究。如，潘峰等选取武汉园博园为代表探讨当下城市绿地景观设计中的生态修复3;李海防等采用聚类分析法以武钢工业区为例探讨对当下城市绿地开展景观评价4;孙青丽等运用景观生态学以武汉经济开发区为例展开城市绿地景观格局分析，并基于 GIS 进行单因子评价后开展城市绿地规划5，6。但对于城区中心绿色空间动态变化的研究还相对较少。基于此，在存量规划背景下，本研究以立足于景观生态学以武汉市江汉区近 20 年的绿地变化为例，探究其绿地变化特征，为城市绿地规划设计和科学管理提供理论依据。1研究区域概况研究着重探讨城市绿地动态变化，因此实践样本选择武汉市江汉区(N3034 3038，E11113 11417)，其南临长江，西濒汉江，北抵张公堤，处于汉口地区中部，地理位置优越。研究包括下辖 13个街道、江汉经济开发区以及武汉中央商务区管理委员会，已实现 100%城镇化，总面积为 28.29km2。2数据来源与处理2.1遥感数据获取与预处理研究选取来自于地理空间数据云 2001 年、2008年、2015 年、2021 年 4 个年份的 Landsat 遥感数据影像作为基础研究数据。为能良好地观察江汉区绿色空间演变，影像选择日期集中于 410 月，该时期武汉植被多处于绿色，光谱信息显著，利于分辨，见表17。同时，通过水经注地图下载器收集研究区的矢量边界以及 4 个时期 18 级的 Google earth 高分辨的历史影像进行对比验证。数据预处理过程主要基于 ENVI 5.3 软件进行，包括辐射定标、大气校正、图像融合以及裁剪。运用adiometric Calibration 工具对 Landsat 影像进行辐射定标，以此保障遥感数据的准确性;因实验影像云量在0%12%不等，在得到研究区域内平均海拔和影像时86资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.08间后，使用 FLAASH Atmospheric Correction 工具对其进行大气校正以减少大气和光照对研究的干扰;由于研究区域面积相对较小，原始影像 30m 的空间分辨率在一定程度上会干扰后期监督分类等研究，故此应用GramSchmidt Pan Sharpening 工具对大气校正后的影像和 15m 空间分辨率的单波段影像进行图像融合，以此提高样本的可读性，减少研究误差;应用 Subset 工具以江汉区矢量边界(shp 文件)对图像融合过后的影像进行裁剪，得到最终研究区实践影像。表 120012021 年 Landsat 系列卫星影像数据详情数据源成像时间/(年月日)空间分辨率/m云量/%来源landsat7/ETM 2001722landsat5/TM2008428landsat8/OLI 2015822landsat8/OLI 2021923307.480.179.3511.79地理空间数据云网站https:/2.2植被覆盖度计算由于植被覆盖度和植被归一化指数(NDVI)之间存在较高的线性关系，因此采用 NDVI 的像元二分模型估算植被覆盖度，统计平均植被覆盖度具有一定的参考价值8。在本研究中所使用的是李苗苗等在像元二分模型基础上改进的像元二分模型，原理公式9:FVC=(NDVINDVIsoil)/(NDVIvegNDVIsoil)NDVIsoil=(FVCmax NDVImin FVCminNDVImax)/(FVCmax FVCmin)NDVIveg=(1 FVCmin)NDVImax(1 FVCmax)NDVImin/(FVCmax FVCmin)式中，NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖的归一化植被指数;NDVIveg为完全植被覆盖的归一化植被指数。具体操作:运用 ENVI 5.3 将预处理完成的影像数据，使用 Band Math 工具计算得到 NDVI 数据，公式:NDVI=(b1b2)/(b1+b2)通过 Compute Statistics 工具进行 NDVI 数值统计后，根据反射率置信度区间选取 5%95%的数值。以Band Math 工具进行波段计算得到最终 FVC 值，公式:FVC=(b1ltNDVIsoil)0+(b1gtNDVIveg)1+(b1geNEVIsoil and b1leNDVIveg)(b1 NDVIsoil)/(NDVIveg NDVIsoil)式中，b1 指近红外波段的像素值;b2 指红光波段像素值。2.3地物类型分布计算因本研究区域面积为 28.29km2，Landsat5TM 影像空间分辨率仅有 30m，而经过图像融合后 Land-sat7ETM、Landsat8OLI 遥感影像空间分辨率为 15m，且研究对象主要为绿地空间，故此研究以 土地利用现状分类为参考，将研究区域地物类型分为水体、建设用地、林草地 3 类，其中，林草地指乔木、灌木、地被植物为主的场地，包括公园绿地、市政绿化等，见表 2。表 2研究区地物类型信息类型编号地物类型备注1水体天然形成或人工挖凿的水域，主要包括滩涂、江河、湖泊、湿地等2建设用地覆盖为各类建筑物、构筑物的场地，主要包括居民点、交通设施、商服用地以及已开发但未建设的土地等3林草地包含乔木、灌木、地被植物为主的场地，主要类型包括有公园绿地、人工绿地、市政绿化等在实地勘察和 Google earth 影像(包含历史影像)的支持下，以样本类型全面和图面分布均衡为原则，对 4 个时期实践影像中的地物类型分别建立 50 个以上的训练样本，在保证样本分离度在 1.9 以上后，应用 ENVI 5.3 中的支持向量机对影像进行监督分类。监督分类后，导入 Google earth 18 级影像(包含历史影像)，以同样方式对其进行训练样本的采集，运用Confusion Matrix Using Ground Truth OIs 工具建立混淆矩阵进行影像验证，计算得出研究中 4 个时期实践数据总体精度在 97%以上，Kappa 系数在 0.93 以上，判别精度较理想，具有一定参考价值，见表 3。表 3精度评价结果评价指标2001 年2008 年2015 年2021 年总体精度/%97.53697.57697.79997.694kappa 系数0.9550.93860.9560.9512.4地物类型变化计算为更好地观察绿地变化趋势，将 4 期数据进行两两对比，建立地物类型转移矩阵并且制作地物类型动态变化图，不仅可以对地物类型变化进行定量描述，还可以全面的观察出绿地转移去向10。基于监督分类后的 4 个时期地物类型分布数据，使用 Arcgis 10.8 在数据属性表内添加地物类型字段后，将数据栅格转面为矢量数据进行融合，由此运用相交工具将 20012008 年、20082015 年、2015962023，Vol.43，No.08农业与技术资源环境2021 年时段数据进行相交，在添加双精度字段以计算几何计算出地物类型变化数据下，以表转 Excel 工具进行导出，使用 Excel 对地物类型转移矩阵进行分析，结果详见表 46。此外，对相交过后的数据进行文本字段添加，分别输入转出类型后，在该数据符号系统中进行应用调整便可制作出 3 个时段的地物类型变化图，结果详见图 4。3结果与分析3.1江汉区绿地空间动态变化总体分析经过对 20012021 年 4 期遥感数据进行解译后，获取到的江汉区地物分类结果，见图 1，后经 ArcMap和 Excel 外部工具辅助计算下得到 4 个时期的地物类型变化图，见图 2。图 120012021 年武汉市江汉区地物分类图江汉区是武汉市的老城区，城市化建设较早，早在 20 世纪时期南部临江区域内城市建设便较为完善。由图 1、图 2 可知，在 20012008 年，城市化由南向北至江汉区经济开发区以及汉兴街道建设扩展，绿地面积减少 6%为 3.86km2，水体减少 41%至 1.04km2，故此绿地和水体面积减少，建设用地增加为这一时期的典型特征;20082015 年江汉区域内城市建设基本完善，绿地也出现了明显增加，增加至 5.65km2，约江汉区总面积的 20%;20152021 年，在国家生态城市建设和武汉市绿地政策的助力下，绿地面积以每年0.3km2的速度，增加至 7.5km2，约占区域总面积26%，这其中主要来自于市政绿化的高覆盖度和高密度。图 220012021 年武汉市江汉区地物类型变化图3.2江汉区绿地分布特征的动态变化分析江汉区 20 年间绿地空间先减少后增加，其中在2021 年达到历史绿地覆盖度的最大值。在通过像元二分模型估算得到 4 个时期的植被覆盖度分析图中，可以较为直观地得知绿地分布特征变化，见图 3。图 320012021 年武汉市江汉区植被覆盖度其中，2001 年大型绿地空间多集中在远离市区的北部和西部，主要为少量农田、湿地以及公园，表现出集中且分布不均的特征;到 2008 年后，由于深度城市化的脚步，整体绿地覆盖相对减少，但是绿地分07资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.08布已经出现了北部向中部，西部向东部逐步覆盖的特征，这与该江汉区发展方向一致;2015 年由于对空闲的建设用地进行深入开发使用，以万松街道为代表的大面积绿地逐步呈现分散特征，且中部和北部区域呈现出分散且相对均匀的特征;2021 年江汉区达 26%的植被覆盖度，绿地呈现分散且高密度特征，但是满春街道、民权街道、民意街道等南部区域除江边绿地外，因为建筑密度和人口密度高等原因仍处相对低绿地覆盖度。3.3江汉区绿地分布特征的动态变化分析基于监督分类后的影像数据，运用 Arcgis 10.8 将20012008 年、20082015 年、20152021 年 3 个时段矢量数据进行融合以及叠加相交处理，得到地物类型变化图，见图 4，通过 3 个时段的地物类型变化图配合地物类型转移矩阵，见表 46，可以定量分析出江汉区 20 年间绿地转出、转入的动态变化。图 420012021 年武汉市江汉区地物类型转移图表 420012008 年武汉江汉区地物类型转移矩阵2008 年建设用地/km2林草地/