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)

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(N30°34′～30°38′，E111°13′～114°17′)，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4—10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1[7]。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。

表1 2001—2021年Landsat系列卫星影像数据详情

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Radiometric 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Gram-Schmidt 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。

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=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×

NDVImax)/(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=(b1-b2)/(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+

(b1geNEVIsoilandb1leNDVIveg)×[(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Landsat7ETM、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

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 ROIs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

2.4 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2001—2008年、2008—2015年、2015—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4～6。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2001—2021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1 2001—2021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2001—2008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；2008—2015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%；2015—2021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2 2001—2021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3 2001—2021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2001—2008年、2008—2015年、2015—2021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4～6，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4 2001—2021年武汉市江汉区地物类型转移图

表4 2001—2008年武汉江汉区地物类型转移矩阵

表5 2008—2015年武汉江汉区地物类型转移矩阵

表6 2015—2021年武汉江汉区地物类型转移矩阵

2001—2008年，绿地和水体因城市建设在不同程度上转移为建设用地，其中绿地转出面积为0.16km2，绿地总面积减少5%，水体转出面积为0.66km2，水体总面积减少38%，转出主要为北部的农田和林草田；2008—2015年中绿地转入面积为1.82km2，约占2008年绿地总面积的47%，主要来自于北部空闲的建设用地和梦泽湖公园、王家墩公园为主的公园绿地和水体湿地；2015—2021年，在100%城市化背景下，江汉区生产建设和生态建设协同发展，绿地建设成效显著，绿地转入面积为1.83km2，在2015年的基础上增加32%绿地空间，这其中主要转入来自于建设用地的植被覆盖。

4 结语

武汉市江汉区过去20年由于人口城市化和经济城市化等影响下，水体总面积减少约47%，其中大部分转出为建设用地和林草地，而城市绿地空间呈现出先减后增、先集中后分散的变化特征，绿地空间相较于2001年整体上升12%，受限于城市中心的地理位置，面积总量涨幅虽不大，但是结合FVC值得知植被总体覆盖度呈现大幅增长，结合Google earth影像初步判断其中一部分原因在于原始植被的生长，另一部分原因在于城市生态环境建设中，人种植被不断在建设空间中增加，这也是绿地空间呈现分散的主要原因，同时揭示了人们在生态建设相关政策和社会环境的影响下，对绿地的建设意识有所提高。

在当前社会发展不平衡不充分新背景下，面对居民健康需求日益增长、人居环境优化提质的新要求，城市绿地生态系统服务至关重要[11]。在明确这一点的前提下，对城市绿地进行历史动态研究、景观格局分析、供需平衡等多维度的研究不仅拓展了人居环境提高的的理论与方法，也有利于城市管理者健康合理的利用城市用地，形成生态持续发展。