武汉市城区绿地时空分布规律分析

张 飞，明锐华，马吉萍

(1．贵阳市测绘院，贵州贵阳550000;2．武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉430079)

城市土地系统是一个自然－经济－社会复合生态系统。而近年来，我国大型城市和超大型城市(如北京、上海、深圳和武汉等)的持续建设对城市内部的土地生态系统造成了深刻的影响［1］。城市土地利用特征与城市发展的关系已成为国内外探讨的热点［2－3］。其中，城市的绿地系统由于功能的多样性和分布的广泛性，能非常好地反映一个城市的环境状况。因此，对城市绿地系统分布与变化的研究就显得非常重要［4］。

传统的反映城市绿地的指标主要是城市绿地面积和覆盖度等［5］。随着遥感和地理信息技术的成熟，研究城市绿地的空间分布、结构、格局和演化等成为了可能。例如，杜宁睿等探讨了利用遥感分析城市绿地空间演变规律的可行性及理论方法［6］。宋志明等根据TM影像，对广州市绿地的空间格局、功能演变进行了定量分析［7］。李宗华等基于GIS分析了武汉“城中村”改造区的绿地景观格局［8］。这些研究初步提出了采用遥感和景观格局分析研究城市绿地的方法，并取得了一些成果，但是目前对武汉市绿地系统进行系统性分析的研究还比较少。因此笔者在借鉴前人研究的基础上，基于多时相Landsat TM遥感数据，综合多种绿地提取方法，进而从基本特征、类型特征和景观格局特征3个方面系统性分析武汉市绿地的时空分布规律，为武汉市绿地的监测、决策和规划提供科学客观的依据。

1 研究区概况

该研究选取武汉市作为研究区，如图1所示。武汉市位于湖北省中东部，是湖北省省会，华中地区最大的城市及中心城市，“一路一带”建设的开放排头兵。全市总面积8 494 km2，常住人口1 002万人，其中7个中心城区(江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、青山和洪山)人口共达570万，另外还有6个郊区(东西湖区、汉南、蔡甸、江夏、黄陂和新洲)。武汉市近些年来经济发展速度非常快，2014年武汉市GDP达到10 069．48亿元，增速达9．7%。但是，在发展过程中也遇到了城区土地合理配置的难题。如何有效评估当前武汉市各类土地利用类型的时空分布，对于最大化配置武汉市土地利用资源，兼顾发展与生存具有重要意义。另外，2006年武汉市荣获“国家园林城市”称号。2007年国家发改委正式批准武汉城市圈为全国“资源节约型、环境友好型社会”综合配套改革试验区，这是对武汉市在资源与环境保护上所取得的成果的肯定，也标志着国家对城市资源环境的逐渐重视。因此，笔者所选取的武汉市，作为城市绿地时空分布规律分析的研究区，非常具有代表性。

2 研究方法

2．1 方法整体流程 为了研究武汉市绿地的时空分布规律，笔者设计了如图2所示的技术路线。整体上分为两个部分:绿地信息提取与时空分布、景观格局分析。基于多期武汉市Landsat TM影像(来自于美国地质调查局USGS)，笔者探讨了如何更加精确地提取出武汉市绿地。随后，笔者从基本特征、类型特征、空间格局特征等多方面对武汉市绿地进行了评价。

2．2 绿地信息最优提取方法 首先将从USGS网站上下载下来的遥感影像经过几何校正、大气校正和影像裁剪等预处理。然后，为精确提取武汉市的绿地信息，必须选择最合适的波段或波段组合。TM遥感影像各波段之间存在一定的冗余信息。为了减少相互干扰，提高后续分类精度，信息提取过程应选择信息量较大、相关性较小的波段参与分析［9］。该研究首先采用波段相关性分析、主成分分析和植被指数法进行多波段信息融合，然后再将生成的“衍生”波段进行最优组合，以得到绿地信息提取的较高精度。

进行TM影像各个波段间的相关性分析采用了波段相关矩阵表。另外，为了能在不同波段组合中选取相关性最差，即包含最多信息的波段组合，可以使用最佳指数法(OIF)。最佳指数OIF(OptimumIndexFactor)概念是由美国维茨教授提出来的，其数学公式为:

式中，Si为第i波段的标准差，Rij是第i波段与第j波段之间的相关系数。OIF值越大，说明波段组合包含的信息量越大。

如果图像各波段之间高度相关，分析所有的波段是不必要的，因此，主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)除去了波段之间多余信息，将多波段的图像信息压缩到比原波段更有效的少数几个转换波段。这意味着利用波段之间的相互关系，在尽可能不丢失信息的同时，可以用几个综合性波段代表多波段的原图像，使处理的数据量减少。

图1 研究区域概况

归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，又称标准化植被指数，在使用遥感图像进行植被研究和植物物候研究中应用广泛，它是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关。归一化植被指数(NDVI)的计算公式为:式中，NIR是近红外波段，R是红色波段。对于TM影像来说，NDVI=(TM4－TM3)/(TM4+TM3)。

以上3种方法虽然都能提取出绿地信息，并能达到一定的精度要求，但实际效果并不理想。因此，基于上述3种方法得到的“衍生”波段和TM自身的7个波段，该研究采用进一步组合的方法，选取区分绿地能力最强的组合方法，最终采用监督分类就可以得到武汉市高精度绿地分布数据［10］。

2．3 绿地基本特征研究 基于武汉市绿地监督分类的结果，首先进行绿地分布密度、中心和离散度计算，实现对武汉市绿地基本特征的整体认识。

分布密度是指单位分布区域内的分布对象的数量。因此，分布密度是两个比率尺度数据的比值，为确定面状要素的分布密度，就必须首先明确分布的范围。在该研究中，城市绿地分布密度ρ的计算公式如下:

式中，P为绿地面积，C为城区总面积。

绿地分布中心的计算是将城市绿地抽象为空间离散的点(点状要素的质心)，并以斑块绿地面积占全部绿地面积的比例为权重，计算绿地分布的加权平均中心。其计算公式为:

式中，W(Pi)为第i个面的权重(即面积)，xi为第i个面的X坐标，yi为第i个面的Y坐标。计算出来的X0为绿地分布中心的X坐标，Y0为绿地分布中心的Y坐标。

离散度是对面状区域离散点分布状况的描述，是除了分布密度和分布中心外，另一种能反映地物的分布状况的指标，是对上述两种指标的补充。在分布密度、分布中心相同的情况下，通过离散度的不同，也可以反映出地物空间分布状况的不同。离散度一般是通过所有点到分布中心的距离来描述的，设分布中心为P0(x0，y0)，则d是所有绿地质心与分布中心距离的加权平均值。

图2 技术路线

式中，W(Pi)为第i个面的权重(即面积)，xi和yi分别是第i个面的X坐标和Y坐标，x0，y0分别是绿地分布中心点的X坐标和Y坐标。

2．4 武汉市绿地景观类型特征分析 绿地景观类型特征分析分别从绿地斑块形状指数、斑块分维数、斑块孔隙度和斑块内缘比等方面开展。

斑块形状指数指某一斑块周长与等面积的圆周长之比值，其表达式为:

式中，A为平均斑块面积，L为平均周长。

斑块分维数采用周长与面积关系曲线进行计算。

式中，P为斑块的周长，A是斑块的面积，Fd是分维数，k为常数，对于栅格景观而言，k=4。一般来说，欧几里得几何形状的分维数为1;具有复杂边界斑块的分维数则大于1，小于2。

斑块孔隙度即景观的类型斑块密度，即景观类型斑块数与景观类型面积的比值。某一类型在景观上的斑块密度(孔隙度)揭示出景观基质被类型斑块分割的程度，对生物保护、物质和能量分布具有重要影响，孔隙度高表明某一类型的景观中分布广、影响大。而斑块内缘比是通过斑块周长和斑块面积之比值来表示斑块体的边界效应。

2．5 景观空间格局分析 景观生态格局是指区域景观系统中各种斑块的空间分布式样。斑块是组成景观的基本单元，它的数量、空间组合和变化将决定某一景观的基本结构、功能及形态演变。通过格局和异质性分析，把景观的空间特征与过程联系起来，进而了解景观的内在规律性［11］。该研究对武汉市中心城区进行景观分析，主要采用5个异质性特征指标:多样性指数、优势度、均匀度、分离度和蔓延度。

多样性指数反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。单景观由单一类型构成时，景观是均质的，其多样性为0;由两个以上类型构成的景观，单个景观类型所占比例相等时，其景观多样性指数最高。各景观类型所占比例差别增大，则景观的多样性下降。虽然该研究中监督分类的结果仅仅将地物分成了绿地、水域、其他3类，但计算这一指标仍有一定的意义。

优势度表示景观多样性对最大多样性的偏离程度，或描述景观由少数几个主要景观类型控制的程度。优势度指数越大，表明偏离程度越大，即组成景观的各景观类型所占比例差异大，或者说某一种或少数景观类型占优势;优势度小，则表明偏离程度小，即组成景观的各种景观类型所占比例大致相当;优势度为0，表示各种景观类型所占比例相等。

景观均匀度是描述不同景观类型的分配均匀程度，均匀度和优势度指数呈负相关。在景观格局分析软件Fragstats中，反映均匀度的指标有3个:香农均匀度指数、Simpson均匀度指数和修正Simpson均匀度指数。这里选取最后一个指标。

景观分离度是指某一景观类型中不同元素个体分布的分离程度，分离度越大，表明景观在地域分布上越分散。

蔓延度是测量景观是否有多种要素聚集分布的指标，低蔓延度表明这种景观类型连接性不好，高蔓延度则表明该景观类型有良好的连接性。

3 实验结果与分析

3．1 武汉市绿地信息提取 以2009年9月6日的数据为例，通过ERDAS软件的空间建模工具计算了除TM6波段外的其他6个波段的相关系数矩阵(TM6波段为热红外波段，分辨率较低，且对研究没有任何作用，研究中并未使用该波段)，如表1所示。通过对相关系数矩阵进行分析可以发现，TM1、TM2、TM3 3个波段的数据相关性高，TM5与TM7两个波段的相关性高，TM4波段与上述两组波段之间的相关性较低。

因此，在选取波段组合时，应该在TM1、TM2、TM3 3个波段中选取一个波段，TM5和TM7中选择一个波段，并且必须选择TM4波段，这样就有如下这些波段组合:TM154、TM174、TM254、TM274、TM354、TM374。

随后，计算出来的OIF如表2所示。

表1 2009年9月6日波段间相关矩阵

表2 OIF指数表

图3 2001～2009年武汉市绿地提取结果

由以上计算结果可知，TM154波段组合的OIF指数最 大，因此成为第一个“衍生”波段。随后，也分别进行了主成分分析和NDVI指数计算。所以，最终选取的波段组合为TM154。最后采用监督分类得到武汉市的绿地信息提取结果(图3)。

3．2 武汉市绿地基本特征 通过统计绿地这一地物类型像元数占总像元的比例，得到了武汉市2001～2009年的城区绿化率(图4)。

图4 武汉市城区2001～2009年绿化率

由上述的计算结果可以看出，2001～2005年武汉市中心城区的绿化率有一定的上升，而2005～2009年绿化率有比较大幅度的下降，说明这些年对武汉市的绿地保护做得不够。为了能更加清楚地反映武汉市的绿地状况，可以将武汉市各区的绿化率进行对比，得出的结果如图5所示。

图5 武汉市各城区2001～2009年绿化率

从图表中可以非常清楚地看出，武汉市中心城区的绿化率远低于武汉市郊区的绿化率。在所有区域中，江夏区的绿化率最高，其2009年9月的绿化率达到了35．07%，中心城区的7个区中，洪山区的绿化率最高，汉口的3个区，包括江岸、江汉、硚口，其绿化率都非常低，其中江汉区2009年9月的绿化率才1．3%。2001～2009年，总体上说，各个区域的绿化率都有一定程度的下降。

如图6所示，武汉市中心城区的绿地分布中心位于洪山区，且有向东南方移动的趋势。如图7所示，在2001～2005年，武汉市绿地离散度变大，而2005～2009年离散度变小，这说明在2001～2005年，武汉市的绿地分布更加分散，而在2005～2009年，绿地分布更加集中。

3．3 武汉市绿地类型特征分析 基于绿地类型特征分析方法，得到了如表3所示的结果。

表3 武汉市景观类型评价指标

从表3中的计算结果可以看出，2001～2005年，武汉市中心城区绿地的形状指数变小，到2009年又变大，这说明在2005～2009年，武汉市的绿地形状变得更加不规则，更加复杂。而武汉市中心城区绿地的斑块分维数先变大，后变小，

说明从2005～2009年，武汉市的绿地形状变得更加复杂，更加不规则，这与上面计算的形状指数结论一致。武汉市中心城区绿地的孔隙度在2001～2009年持续减小，说明单位面积内的斑块数量逐年减少。从武汉市中心城区绿地的斑块内缘比可以发现，从2001～2005年，内缘比逐渐变大，说明绿地斑块边界变得复杂。从2005～2009年可以看出，内缘比逐渐变小，说明斑块边界变得逐渐简单。

3．4 武汉市绿地景观空间格局分析 基于绿地景观空间格

局分析方法，得到了如表4所示的结果。

表4 武汉市景观格局指数

从计算结果可知，2001～2009年，景观多样性指数减小，说明景观类型所占比例差别增大。由计算结果可以发现，武汉市中心城区的景观优势度非常接近1，且变动幅度不大，说明武汉市各景观类型所占比例差异很大。还可以发现，从2001～2009年，武汉市中心城区的景观均匀度逐渐减小，说明各景观类型的分布更加不均匀。另外，武汉市2001年、2005年、2009年的分离度表明武汉市近些年景观分离度减小，说明景观在地域分布上变得越来越集中。对城市绿地来说，为了更好地发挥绿地的功能，最理想的状况应该是均匀地分布于城市的每一个角落。就这一指标来说，武汉市的绿地状况正在逐渐变差。最后，从2001年到2009年，武汉市中心城区的这一指标逐渐升高，表明景观的连接性逐渐增强。

4 结论和展望

武汉市中心城区的绿地覆盖率远低于城区，且非常集中在洪山区，汉口的3个区绿化覆盖率非常低。总体来说，近些年来武汉市的绿化覆盖率呈下降的趋势。武汉市中心城区的绿地中心处于洪山区，且有向东南方移动的趋势。就绿地离散度来说，近些年来武汉市绿地分散度有变小的趋势，说明武汉市绿地分布变得更加集中。以上这些都说明武汉市的绿地环境有逐渐恶化的趋势。

通过景观类型特征分析可以发现，近些年武汉市的绿地形状变得更加不规则，更加复杂，且单位面积内的斑块数量逐渐减少。通过景观空间格局分析可以发现，武汉市各类景观类型分布更加不均匀，景观在地域分布上变得越来越集中，这些都反映出武汉市的绿地状况正在变差。未来将通过更加精确的城市绿地提取方法，结合更长时序的遥感影像，更加精细地分析武汉市绿地的时空演变。同时，从建设用地扩张、耕地变更、围湖造田等诸多方面探讨城市绿地与其他土地利用类型的关系和平衡。

图6 2001～2009年武汉市绿地分布中心空间迁移

图7 武汉城区2001～2009年绿地离散度

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