基于遥感指标的深圳市生态环境质量动态研究*

张永彬 张 阔 满卫东,2,3,4# 刘明月,2,3,4 郝玉峰 胡雅凡 胡 尹 仝梓晨

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；3.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北 唐山 063210；4.唐山市资源与环境遥感重点实验室，河北 唐山 063210)

随着城市化进程的快速推进，人口、资源、环境之间的矛盾日渐突出[1]，生态城市建设成为当今社会的热议话题。生态城市是按照生态学原理建造的新型人类栖息地，准确地评价城市生态环境状况，是建成生态城市的前提条件。

遥感技术具有探测范围广、时效性高、数据综合性强等特点，在生态环境评价领域得到广泛运用。目前，基于遥感的生态环境评价研究集中于单一生态环境指标，如基于地表温度研究热岛效应[2]、基于植被指标[3]对森林生态系统进行监测、通过水体指标[4]分析气候状况变化并进行评价等，然而仅从单一指标进行研究分析无法全面反映生态环境变化[5]。生态系统中各个成分紧密相连，评价生态环境时需从多个方面系统描述。《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)采用生态环境评估参数(EI)进行生态环境状况评价，EI综合了生物丰度、植被覆盖、水网密度、土地胁迫、污染负荷数和环境限制6个指标，其中污染负荷和环境限制两个指标不易获取，因此EI无法广泛使用[6]。鉴于此，徐涵秋[7]7854提出了生态环境质量遥感指标(RSEI)，RSEI仅基于遥感技术集成多种易获取的评价生态环境的主要指标[8]891,[9]，可对城市生态状况进行快速监测与评价，具有较高的客观性。该指标目前开始广泛应用于生态环境质量评价中，杨江燕等[10]277基于RSEI动态分析了雄安新区的生态环境质量，证明了RSEI具有较强的适用性。杭鑫等[11]在RSEI的基础上考虑城镇化影响因素，得出城镇化程度与RSEI呈显著负相关关系。

2005年11月，深圳市出台了《深圳市基本生态控制线管理规定》，成为全国首个划定基本生态控制线的城市[12]。本研究基于耦合湿度、绿度、干度和热度指标的RSEI，利用主成分分析方法对深圳市2004—2017年的生态环境状况进行评价。此外，鉴于调整土地利用占比是控制生态环境质量的一般手段，本研究加入土地利用变化数据进行分析，以期为决策者提供未来规划的科学依据。

1 研究区域概况

深圳市位于广东省中南沿海地区，属亚热带海洋性气候。在过去的30年，深圳市经历了较为完整的城市化历程[13]，城镇化率100%，是中国第一个全部实现城镇化的城市。在人口急剧增长和产业高速发展的需求下，深圳市建成区面积迅速扩张，生态环境受到巨大的影响。为此，本研究选取深圳市作为研究对象考察其在城市化进程中的生态环境变化。深圳市按行政区划分主要包括宝安区、南山区、福田区、龙华区、光明区、罗湖区、龙岗区、盐田区、坪山区和大鹏区，具体行政区划见图1。

图1 深圳市行政区划Fig.1 Administrative divisions of Shenzhen

2 材料与方法

2.1 数据来源

选取2004、2010、2017年季相差异小、云量低于10%的Landsat-5和Landsat-8遥感影像，其中Landsat-5的传感器为专题制图仪(TM)，Landsat-8的传感器为陆地成像仪(OLI)及热红外传感器(TIRS)，所有遥感影像数据来源于网站http://www.gscloud.cn，具体数据源信息见表1。对遥感影像进行辐射定标、大气校正和几何校正等预处理，在几何校正过程中，以2017年Landsat-8影像为基准，采用最邻近像元法对2004、2010年的影像进行配准，使影像几何误差小于0.5个像元。辅助数据包括《深圳市统计年鉴2018》、深圳市规划和自然资源局提供的土地变更调查数据等。

表1 数据源信息Table 1 Data source information

2.2 研究方法

RSEI是由湿度、绿度、干度和热度4个指标集成的生态环境评价指标，在生态环境质量评价研究领域具有高效性、综合性和客观性等优点。其中，湿度指标由缨帽变换中的湿度分量(WET)表示[14]；绿度指标由归一化植被指标(NDVI)表示[15]；热度指标由地表温度(LST)来代替，采用单通道法[16-17]来反演地表温度；干度通常由裸地和建筑不透水面造成[18]，因此选择建筑指标(NDBI)和裸土指标(SI)的合成干度(NDBSI)表示，对4个指标影像的水域进行掩膜处理，避免水域对RSEI造成干扰[19]。

运用地理信息系统(GIS)方法叠加4个分量指标并进行主成分分析，取其第1主成分进行归一化求得RSEI指标。以0.2为间隔将RSEI划分为不同级别：1级取值在>0～0.2，代表生态环境质量差；2级取值在>0.2～0.4，代表生态环境质量较差；3级取值在>0.4～0.6，代表生态环境质量中等；4级取值在>0.6～0.8，代表生态环境质量良；5级取值在>0.8～1.0，代表生态环境质量优[8]894。具体指标参数资料及计算公式参见文献[20]至文献[22]。

采用主成分分析耦合RSEI中的4个遥感分量指标，一方面，主成分变换通过旋转特征空间坐标轴消除分量指标部分相关性，可确保分量准确反映RSEI的取值；另一方面，主成分变换使各分量指标自动、客观生成对RSEI的贡献度，能够有效避免传统人为定权的主观性造成的偏差，提高结果客观程度[7]7855。

2.3 生态环境评价指标的评价

平均相关系数是指某一指标与同时期其他指标相关系数绝对值的平均值[23]，计算见式(1)。其中，RSEI计算与4个分量指标的平均相关系数，分量指标计算与其他分量指标间的平均相关系数。通过分析4个分量指标与RSEI间的相关程度可检验指标的适宜性，若RSEI的平均相关系数高于4个分量指标的平均相关系数，则可以说明RSEI囊括各分量指标信息，可用来全面描述研究区生态环境质量。

(1)

3 结果与分析

3.1 深圳市生态环境评价指标的检验

2004、2010、2017年各指标间的相关系数见表2。根据表2，计算各指标的平均相关系数，结果见表3。就指标分量而言，4个指标分量中平均相关系数最高的指标为NDBSI，2004、2010、2017年平均相关系数分别为0.777、0.770、0.720，3年平均值为0.756；平均相关系数最低的指标为LST，2004、2010、2017年平均相关系数分别为0.579、0.555、0.489，3年平均值为0.541。综合各项指标而言，2004、2010、2017年RSEI与4个指标间的平均相关系数为0.830、0.819、0.812，均高于各个分量指标的平均相关系数。从平均相关系数3年平均值上看，RSEI为0.820，比NDBSI高8.47%，比LST高51.57%，表明RSEI能较为综合地表达分量指标信息，以RSEI为指标反映深圳市生态环境质量更准确。

表2 指标间相关系数分析Table 2 Correlation analysis of different indicators

表3 各指标的平均相关系数Table 3 Mean correlation coefficient of each indicator

3.2 主成分分析结果

主成分分析中，各分量指标对第1主成分(PC1)的载荷情况见表4。经计算，2004、2010、2017年4个分量指标对PC1的贡献率合计分别为84.03%、82.78%和87.17%，均高于80.00%，表明PC1已经集成了4个分量指标的主要特征，且4个分量指标对PC1的荷载相对稳定。在PC1中，WET与NDVI载荷均为正，与生态环境质量呈正相关关系，符合现实情况。NDVI越大，植被覆盖度越高，WET越大，土壤与植被的含水量越高，两者均可起到改善生态环境质量的作用。NDBSI与LST载荷均为负，与生态环境质量呈负相关关系，也与现实情况相符。NDBSI越大，表明地表不透水面与裸土干化程度越高，LST越大，表明地表温度越高，两者均会导致生态环境质量恶化的结果。各分量指标中，NDVI对PC1载荷的绝对值最大，表明绿度对RSEI影响最大，反映出植被生长状态与覆盖度在生态环境质量上占主导地位。NDBSI对PC1的载荷为负，表明其具有恶化生态环境质量作用，且NDBSI载荷绝对值持续升高，说明对RSEI的贡献度逐年递增，这可能抵消植被的影响。WET载荷的绝对值最小且随NDBSI载荷绝对值的升高而下降，这与城市化建设中建设用地面积增加有关，NDBSI载荷绝对值大于LST，表明NDBSI更能导致研究区生态环境质量恶化。

表4 深圳市4个分量指标均值及其对PC1的载荷Table 4 The mean value of 4 sub-indicators in Shenzhen and their load to PC1

3.3 深圳市生态环境时空变化

2004—2017年深圳市的生态环境质量在迅速攀升后逐渐趋于平稳，RSEI均值由2004年的0.514上升为2010年的0.623，上升了21.21%；再由2010年的0.623上升至2017年的0.669，上升了7.38%，表明深圳市13年间经历了高效治理期与治理稳定期。与同类研究中的南京市[24]、杭州市[25]、雄安新区[10]280等城市相反，深圳市生态环境质量得以改善。

深圳市各级RSEI的空间分布见图2。由图2可以看出，2004年深圳市生态环境质量等级以2级(较差)为主，广泛分布于光明区南部、宝安区、南山区、福田区、罗湖区西部和龙岗区，坪山区与大鹏区生态环境质量等级多为4级(良)。2010年深圳市生态环境质量等级由2级转变为3级为主，坪山区与大鹏区生态环境质量等级也转变为5级(优)为主。2017年深圳生态环境质量2级区域大幅削减，5级区域面积明显增加。

图2 深圳市各级RSEI的空间分布Fig.2 Spatial distribution of RSEI at various levels in Shenzhen

由表5可以看出，2004年深圳市生态环境质量水平主要分布于2～4级，其中2级、4级区域面积占比接近且相对较大，分别为36.07%、31.22%， 3级区域面积占比为26.01%。2010年，深圳市生态环境质量水平发生明显变化，2级区域面积占比下降至5.85%，3级区域面积占比上升至42.78%，5级区域面积占比上升至22.80%。2017年较2010年变化幅度下降，除5级区域面积占比上升至33.34%以外，其他等级区域面积占比呈小幅度下降趋势。

表5 深圳市各RSEI等级区域的面积和占比Table 5 Area and proportion of each RSEI level in Shenzhen

总体而言，较2004年，2017年2级区域面积占比下降了35.60百分点，3级、5级区域面积占比分别上升13.78百分点、27.09百分点，4级区域面积占比降低了5.05百分点，这是由于部分区域从4级转至5级所致。综上可见，深圳市生态控制具有全方位、多层次的特点。

3.4 深圳市生态环境状况动态监测

对各年份RSEI等级进行差值分析以实现深圳市生态环境状况动态监测，生态改善的区域RSEI等级差值为正，生态恶化的区域RSEI等级差值为负。由图3可知，与2004年相比，深圳市2017年大部分区域生态明显改善，极个别区域生态环境有所恶化。由表6可知，2017年深圳市生态环境改善面积1 765.16 km2，占比91.96%。其中，以改善1级为主，面积达1 080.63 km2；生态环境恶化面积154.40 km2，占比8.04%。其中，以恶化1级为主，面积为112.76 km2。恶化区域主要分布在光明区、龙岗区、坪山区和大鹏区东部的一些水源保护区、风景名胜区、森林与坡度大于25%的山区等基本生态控制区内，主要是因为这些地区存在违法建设。

图3 2017年RSEI等级变化空间分布Fig.3 Spatial distribution of RSEI level changes in 2017

表6 2017年深圳市生态环境状况变化统计Table 6 Statistic of the ecological environment status changes in Shenzhen in 2017

4 深圳市生态环境质量变化驱动因素

RSEI耦合的绿度、湿度、干度、热度指标均基于生态环境特征等自然因素，然而人文因素对生态环境质量的影响也十分突出，结合深圳市土地利用类型的变化，分析经济、人口、政策等人文因素对深圳市生态环境的影响。

4.1 经济因素

深圳市年生产总值从最初成立时的1.90亿元增长至2004年的4 350.29亿元，这得益于以市场需求为导向的产业结构的调整与优化。2004年，深圳市不仅第二产业生产总值占比超过了50.00%，第三产业生产总值占比也高达47.67%，表明2004年深圳市已经成为较发达城市。然而，经济的迅猛增长导致了严重的工业化阶段结构性问题，其中一项突出表现即为自然环境受到严重破坏，这是使2004年RSEI较低的重要原因。2004—2017年，深圳市不断优化产业结构，加快推动服务业的发展，不断提高第三产业在地区生产总值中的比例。2017年，第三产业生产总值占比达到58.48%，使更多的资源可以投入到基础设施与环境治理方面。而第一产业在此期间总产值占比不足1.00%，且还存在下降趋势，这与深圳市耕地、园地、林地等绿地面积不断下降相吻合。与2004年相比，2017年深圳市生产总值增长416.98%，同期RSEI上升30.16%，这符合“环境库兹涅茨曲线”变化趋势，即经济增长到一定水平后，环境污染程度随经济的增长而降低[26]。

4.2 人口因素

人口作为一种外界压力对生态环境变化起着至关重要的作用，大量流动人口涌入深圳，使得深圳市人口规模从2004年800.80万人扩大到2017年的1 252.83万人。因此，深圳市需要通过扩张来满足激增的人口数量。2010—2017年，不断增加的城市住宅建筑面积和建设用地面积导致干化指标NDBSI随之变大，而2004—2010年NDBSI呈下降趋势，这可能与2004—2010年土地利用效益低下，裸土面积占比较大有关。

4.3 政策因素

国家和地方政府的宏观调控对生态环境治理起到关键性作用，2004、2010、2017年深圳市草地面积分别为0.47、31.05、23.10 km2，其中2004—2010年草地面积明显增加，表明这个时期深圳市加大了绿化建设力度，这与同期NDVI指标明显上升的情况吻合(见表4)。2010—2017年，草地面积减少，但NDVI继续上升，表明该时期深圳市优化了绿地的空间布局，提高了草地的分布密度。2004—2017年深圳市生态环境质量总体呈上升趋势，理论上建设用地面积将减少或者绿化面积将增加，然而该研究中包括耕地、林地、园地、草地等的绿地面积总量呈下降趋势，建设用地面积稳步上升，与上述理论不符。参考《深圳市土地利用总体规划》和吴健生等[27]的研究发现，生态环境质量呈上升趋势与优化生态用地空间结构与布局有关。

深圳市在进行高强度的城市化建设的同时，以大片园林、水域等为框架，以块状绿地为支撑，以基本生态地控制区为中心，协调建设用地与生态用地，在建成区内及建成区之间合理组合绿地、水体等，构建城市-生态一体化格局。此外，构建“省立—城市—社区”3级绿道网体系，将绿道延伸至城市的每个角落，形成多层次的绿色生态走廊。具体措施包括了新建、改造小型公园61个，建设380个绿道“公共目的地”及300 km“远足径”等。这种规划将以前的大片绿地打散成零碎的小块绿地，减小了绿地投入总面积，极大地节约投入绿化工程的成本，使资源配置更加科学。

5 结 语

(1) RSEI能很好地集成各指标信息，与单个指标相比更能综合反映研究区域内生态环境质量。NDVI作为具有改善环境质量作用的绿度分量对RSEI一直保持最高贡献度，说明植被对生态环境质量的影响占主导地位。NDBSI作为具有恶化环境质量作用的干度分量对RSEI的贡献度逐年递增，可能抵消植被的影响。

(2) 2004—2017年，深圳市RSEI均值由0.514上升至0.669，表明深圳市生态环境质量总体呈升高趋势，其中，91.96%的地区生态环境质量得以改善，生态环境质量恶化的地区仅占8.04%。RSEI等级主要由1级、2级向3级转变，4级向5级转变，可以看出，深圳市生态控制体现了全方位、多层次的特点。

(3) 在生态环境质量变化驱动因素方面，除RSEI作为自然因素对生态环境质量评价有重要作用，经济、人口、政策等人文因素也是生态环境质量评价的重要驱动因素，其中政策因素占主导地位。深圳市以科学的、针对性的投入节约绿化资源，减少投入绿化成本，在建设用地面积不断增加的情况下保证适量的绿化面积，起到提高生态环境质量的效果。深圳市的生态环境治理体系具有较高的参考价值，证明了改善生态环境不是盲目积累绿化面积或限制建设用地面积，搭好构架优化格局会起到事半功倍的效果。