点视角下人居地生态环境时空动态研究

(()总第1JOURNALOFNORTHUNIVERSITYOFCHINA(NATURALSCIENCEEDITION)88期)SumNo.188()文章编号:1673-3193201906-0542-07

点视角下人居地生态环境时空动态研究

()太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原030024

白 波,徐明德,白晋晋

)摘 要:为评价方法,热点分 以晋城市人居地为研究对象,以遥感影像为数据源,遥感生态指数(RSEI析、标准差椭圆为分析方法,在点视角下分析评价了人居地生态环境的时空动态变化.结果表明:点视角下能更确切且有针对性地反映城区、乡镇、农村人居地的生态环境状况;城区、乡镇层面,多数人居地生态环境得到改善,高平市境内呈退化趋势;村层面,整体上生态环境状况分布集聚性、方向性明显,阳城县为低值、改善区,高平市为低值、退化区.

关键词: 人居地;点视角;遥感生态指数;热点分析;方向分布分析

:/中图分类号: X826 文献标识码:A doi10.3969.issn.1673-3193.2019.06.010j

StudnSatiotemoralDnamicsofHumanSettlementsyoppy

BasedonPointView

,,BAIBoXUMin-deBAIJin-ingj

:,AbstractTakinhelivinlaceofJinchenitstheresearchobecttheremotesensinimaewasgtgpgCyajgg

,)musedasthedatasourcetheremotesensincoloicalindex(RSEIodelwasusedastheevaluationgegsatialandtemoraldnamicsofthehabitatenvironmentwasanalzedandevaluatedfromthepointofppyy

,view.Theresultsshowthattheecoloicalenvironmentaroundthecittownsandvillaescanbemoregyg,,methodthehotsotanalsisandthestandarddeviationelliseweretheanalticalmethodsandthepypy

(,,)ColleeofEnvironmentalScienceandEnineerinTaiuanUniversitfTechnoloTaiuan030024,Chinagggyyogyy

,accuratelndtaretedlreflectedfromthepointofview.Attheurbanandtownshilevelstheecolo-yagypg

,icalenvironmentofmostpeole'ssettlementsisimrovedandtheterritorfGaoinisderaded.Atppyopgg,thelevelofvillaetheoveralldistributionofecoloicalenvironmentisobviousllusteredanddirec-ggyc

,tional.Yanchenountisalow-valueandimrovementareaandGaoinitisalow-valueandde-ggCyppgCyradedarea.g

:;();;Keordshabitatointview;remotesensincoloicalindexRSEIhotsotanalsisdirectiondis-pgegpyyw

tributionanalsisy

随着我国城镇化水平的日益提高,全国范围

内人口分布以及经济社会发展呈现出一定的空间差异,城镇人口聚集,经济发展迅速,与之对应的是乡村人口的流失,经济社会发展相对较慢,给城、镇、乡、村人居地生态环境带来不同程度的影

1]响[.因此,准确分析评价城镇乡村人居地的生

施极其重要.

]2-3

、单一指标要有依据赋权法的综合指数法[

]4-5]6

、遥感生态指数()法[法[等,其中基于主RSEI

目前生态环境的分析评价,在评价方法上主

成分分析的RSEI权重的确定不受主观因素影响,且评价指标均来自遥感反演,能较客观地反映区

]6

;在研究对象上,主要是以省域生态环境状况[

态环境状况,对进一步制定针对性保护和恢复措

收稿日期:2018-12-25

)基金项目 :山西省自然科学基金资助项目(2012011033-1

,男,硕士生,主要从事生态环境规划的研究.作者简介 :白 波(1993-)

,男,教授,主要从事环境规划和污染控制系统工程研究.通信作者 :徐明德(1958-)

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点视角下人居地生态环境时空动态研究(白 波等)

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市县[7]、流域[8]

等区域为主,区域视角的研究不能

针对性反映人居地的生态状况,且在点视角下针对人居地生态环境状况评价的研究尚不多见本文以RSEI为评价方法,在点视角下分析评

.

价了晋城市各县城城区、乡镇及农村人居地的生态环境状况,以期为研究人居地生态环境状况提供新方法,同时为晋城市制定针对性保护与恢复政策及措施提供科学依据.

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

晋城市位于山西南部,总面积括沁水县、阳城县、泽州县、高平市五个县9490km

2

(县级,包市),7469个乡镇(

不包括县城城区所在镇),包括自然村)镇人口逐年增加41个村(,乡村人口逐年减少.2000年至今,晋城市城

,于村人口,与之对应的20城10年城镇人口首次超过乡镇化水平逐年上升,由58.3%.具体研2究00区1年的位、人34口.1和%升至城镇化20水16年的平如图1和图2所示.

图1 研究区区位图

Fig

.1 Thelocationofthestudyarea图2 人口及城镇化水平

Fig

.2 Populationandurbanizaionlevel1.2 数据来源及预处理

研究数据包括遥感数据和统计数据感数据:.其中遥

O空间数据云网LI每年各2000年两站景ETM,(1均25选/3+、2008年取5,九12月4/TM份35左)右,来、无源20云于16年

,或地少理云的数据《山西省统计年鉴.晋城市2001~2016年人口数据,来源于

在何校正、EN大气校正VI5.3》中对遥感数据进行辐射定标.、几、裁剪、拼接,获得研究区遥感

数据.1.3 研究方法

1.3.1参考前人研究 生态环境评价方法

[6

]环境状况,选取RSE流通量、环.考虑到地表温度的遥I分析晋城市生态感反演受大气湍

境辐射等因素的影响较大[

9]

以绿度(,此次仅标,运用主成分分析方法集成三项指标NDVI)、湿度(Wet)、干度(N[D6]

S.

I

)为指参考已有研究,NDVI[10]

WetETM+11]、WetOLI

12

])、NDS、WETI(SI[13(W、et[[]IBTIM

[14]、选取以下公式进行计算:

)1

)N绿度 We2

t)湿度DVI=(NIR-R)/(NIR+R).

(1

)Wet0T.1M594=0

N.I03.2R1562-B60B.+6+8006.200.2M211411-G0+.601.093102M2R,(+2

)We0ETt.0M6+56=0

NIR-0.7629M1-G0+.50388.09M262R,(+3

)0O.3LI407=0

N.I15R11-B0.+71017.19M731-G0+.405.593283M2R.+ 3

)干度(4

)NDSI-NIR=-(SBI)+IBISI=(MM)/()1+R/(1+R2,+NIR+B5

,IBI=G[2M(1/(M1+NIR)IR/(N6)

)N/I(-NIR+RGR/+(MINIR)]+/[R2M1/()-R,NIR,M)+G/M(1G++NMIIR)式中:B,G,)]+,()1、M2分别指蓝波段、7绿波段、红波段、近红外波段、中红外波段外波段1主成分分析结果如表2的反射率.

、中红率均在75%以上,包含了原始数据的大部分信息1所示,主成分1贡献

,且干度指标权重为负,湿度及绿度指标权重为正,

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中北大学学报(自然科学版)

2019年第6期

符合实际情况[6]1.3.2 人居地生态环境分析方法

.

考虑到不同行政级别人居地对生态环境影响程度及范围差异较大,将晋城市人居地划分为县

(栅格图为数据城区)、乡镇、源村三级,统计,以以晋城市人居地建R成SE区I、中△R心为SE圆I心,不同半径圆形邻域的平均值作为人居地R圆形邻域半径的选择考虑人居地对生态环境的影SEI、△RSEI,△RSEI指不同年份RSEI差值.响范围,县城城区半径选择以不同半径来反映究区多山多丘陵的R地S形EI的空间分布特征3km,5km,7km,特征,各乡镇及农.结合研村在研究期间受地形限制建成区扩张幅度较小,因此仅分别以镇RSEI1k、△Rm,S3kEIm半径邻域平均值作为农村、乡

.

表1 主成分分析

Tab.1 Principalcomponentanaly

sis年份

指标NDSI-PC1

PC2

PC3

2000

NWDeVt

I00.640..5581-0.12000.0.76特征值2.29

0..8576120.580.贡献率/NDSI

%7-60.4.67N2

200.0.6422.300.0992008

WDeVtI00..5565-0.67

0.特征值2.4800.71488贡献率/NDSI%82.760..74460.40N-2016

WDeVtI00.61

105.0.18

92.0..5557-0.06-0特征值00..3.7660.08

50.75396贡献率/%825..536212.830.511..0864

以农村采1k用热m圆形邻域点分析、方RS向EI分、布△R分SE析I平均值为数据源,研究农村

RSEI、△RSEI的空间集聚状态及其分布方向趋势1

采用)热点分析.

工具,分析AR晋C城GI市S1农0村.4.R1提供的优化的热点分析

的高低值集聚状态.优化S的EI热、点△R分S析EI在空间上

工具首先采用空间自相关分析方法确定使空间要素发生明显聚类的合适距离,其次用热点分析度量各要素的

Getis-OrdGi*

局部统计量,以此识别不同显著性

的冷(低值)热(高值)点,热点分析的计算公式为

nnj∑nGij-

j∑=wi,ji*

=

j∑=1

ω,jxn1

xj=1n∑nj=1

wi2

nS,j- ∑wi,

j 2

,

(8

)n-1

j=1

∑nx2

nS=

j=1

j2

n-

j∑=n1

xj式中:x

,

(9

)j是j要素的属性值;ωi,j是要素i间权重;,j的空2

n为要素总数运用)方向分布分析.

方向分布a分rc析g

is软件提供的标准差椭圆工具进行,通过计算椭圆的长短半轴、方向及中心坐标确定椭圆,椭圆的长轴表示数据的分布方向趋势,短轴衡量数据的分布范围,长短轴差异越大,即椭圆离心率越大,数据方向性越明显;短轴越短表示数据对中心点的集聚性越明显,以此得到农村布趋势RSEI及△RSEI高低值点的空间分椭圆的长短半轴分别是各要素横纵坐标的标

.

准差,椭圆方向的确定以椭圆长轴所在直线为准,以正北方向为0度,顺时针旋转的角度即为椭圆角度β.β计算公式为anβ=

i∑n=1

􀭹xni2-i∑=1

􀭹yi2+ ∑n􀭹x2n􀭹22n2ii=1

-ni∑=1yi +4 i=1

􀭹i􀭹yi2􀭾􀭹∑x

,

i∑=1

xiyi式中:􀭾xi,􀭹yi是中心点横纵坐标与各要素横纵(10

坐)标的差值标准差椭圆工具用来分析高值点的分布方向

.

趋势,因此对低值点分析前需要进行预处理,此次预处理采用1减去RSEI或△RSEI.

结果与分析

2.1 县城区生态环境状况时空动态

采用焦点统计工具来统计以县城建成区中心

点为圆心,以半径平均值作为城区的3k,沁水县RSmEI,值5k,m结果如图,7km圆形邻域的从整体上看、陵川县、高平市3.

、阳城县、泽州县的RSEI依次由高到低,且各城区的RSEI值随统计邻域半径的增大而增大.从各县情

t2(总第188期)

点视角下人居地生态环境时空动态研究(白 波等)

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况看,高平市2000~2016年生态环境状况持续变2008~2016年影响最为明显,到2016年7km圆形邻域内生态环境差异较小,RSEI的均值均维持在0.42左右;陵川县2000~2016年县域3km范

境状况均大幅度改善,通过遥感图可知沁水县县城发展空间受地形限制,研究期间县城建成区扩张较小,对周围环境影响较小;泽州县生态环境整体上较差,研究期间有所改善,2008~2016年改善幅度较大;阳城县生态环境整体上看有所改善,3km邻域范围内持续改善,5km,7km范围

内在2000~2008年大幅度优化,2008~2016年略微变差.

差,对周围环境的影响范围随时间逐渐扩大,

围内生态环境退化严重,且其影响范围有所扩大,对5km范围内生态环境干扰强度逐年略微增加;

沁水县的RSEI随时间而增大,其县城区及周围环

Fi.3 ChaneofRSEIincountreasgyag

图3 县城区RSEI时空变化图

2.2 乡镇生态环境状况时空动态SEI值进行可视化表达,如图4所示.

、△R对各乡镇3km圆形邻域统计的RSEI-

格局,研究期间乡镇生态环境除高平市外整体呈改善状态.

整体上看,乡镇RSEI呈四周高中间低的分布

Fi.4 ChaneofRSEIintownshigpg

图4 乡镇RSEI时空变化图

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中北大学学报(自然科学版)

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分乡镇看,沁水县、陵川县乡镇生态环境较好,研究期间RS境EI维持在较高水平,陵川县西部区域乡镇生态环有所退化;高平市生态环境在研究期间退化严重,RSEI降低幅度在0.22左右000~2;阳城县008年大部分乡镇

、泽州县中部区域乡镇生态环境较差,研究期间先降低后升高,整体保持在中等状态.2.3 村生态环境状况时空动态

以村点RSEI、△RSEI为属性值,结合各村之间的空间关系进行热点分析、方向分布分析,识别高低值点集聚情况及其分布方向趋势,结果如图5~图7所示.

图5 农村Fig

.5 VillageRRSESI热点分析及标准差椭圆分析图

EIhotspotanalysisandstandarddeviationellipseanaly

sis图6 农村Fig

.6 Villag△Re△RSEI热点分析及标准差椭圆分析图

SEIhotspotanalysisandstandard由图deviationellipseanaly

sis乡镇相同,5可知,农村生态环境状况分布格局与

中间低四周高部区域,.以20阳00年低值点较集中分布在晋城市中城县、泽州县北部

区域为主,沁水县,进入高平市2000~201,6年低值点聚集区逐步退出到20向16年沁水县境内低值点聚集区仅在西北东南方呈细条状分布,高平市大部分区域为低值点聚集区;高值点稳定分布在晋城市四周由图6可.

知,中在阳2城00县0~2北部008年及沁水△R县S南EI高值聚

集区主要集部区域,2008~2016年重心西移,呈现出零星分布状态;

2高平市000~2、00阳城8年县△R分S布EI低值点分布范围较大,在较为集中,,分布范围缩20小08,~主20要16年低值聚集区重心北移向高平市所在区域聚集.

图7 农村Fig

.7 RSEIand△RRSSEEII和dire△RctioSndEI方向分布

istributioninvillage表2 椭圆短轴长度

Tab.2 Lengthofellipticalshortaxis年份短轴(高值)/短轴(低值)/220000083m

227424m

22016

2011929520297966527920000008~20080~~2200116

6

23027620927505633247

291028778908586

R 结合图SEI及7(a),7(b和表2可知,整体上,8△R以上SE的I高低值点标准差椭圆离心率均保)持在0.较高水平,说明高低值点在空间分布上方向性趋势明显;短轴长度变化幅度除△RSEI高值点外均较小,表明各村点对中心点的

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向心力无明显变化,高低值点聚集区分布的离散程度变动较小,2016年大于2000△R~S20EI高值点的椭圆短轴2008~

高值点聚集区分布趋于零散08年,说明2008~2016年高值点向心力减小,;研究期间RSEI高值点标准差椭圆角度随时间增大,低值点随时间减小,说明高值点分布方向顺时针旋转,低值点逆时针方向旋转.

3 讨 论

本文以晋城市为研究区,以人居地为研究对象,采用椭圆为分析工RSEI为评价方法,以热点分析、标准差具,综合分析评价了晋城市人居地生态环境的时空动态变化化为点要素1

)研究对象上,通过统,计本文选取人居地.

圆形邻域平均值,并获将得其各概人居地生态环境状况,与已有研究以区域、流域为研究对象相比

[7-8]

的影响,另一方面,将一方面强调了人类对生态环境

与人类生产生活最为密切的生态环境作为分析对象,突出以人为中心此基础上考虑现阶段热度因子遥感反演尚存的问

2

)研究方法上,本文借鉴前人研究[6.

]

,并在题[

9]

标,采,综合考用主成虑分选分取析干方度法、集湿成度各、项绿指度标为.评在价村指点

R分析方法SEI分析上引入优化的热点分析和标准差椭圆,得到农村生态环境状况在不同显著性下的高低值聚类,并分析高低值分布的方向趋势,在此基础上实现了农村生态环境状况的可视化,与以往仅以阈值分类或差值法[15-16]

等研究相比,

此次生态环境状况的分析评价更为确切且有针

对性.

通过分析识别晋城市各级人居地生态环境状

况,给出如下建议:

县、1沁)水城区层面县城区均,2呈00现0出~2一01定6年,阳城县、泽州

的改善趋势,说明近年来城区人居环境得到一定改善,高平市、陵川县生态环境退化,尤其高平市退化最为严重,且影响范围扩大至7k境m以外,在以后的经济社会发展中要注重生态环的保护及恢复工作,缩小人类活动对生态环境的影响范围生态环境均有2

)乡镇层面所改,善除高平市外其余县境内各乡镇.

,高平市境内大部分乡镇呈退化趋势,RSEI减幅在0.2~0.3之间,尤其是其北部乡镇退化比较严重,因此有必要针对高平市各乡镇,尤其是北部区域乡镇采取因地制宜的

生态环境恢复措施,强化乡镇绿地建设,最大限度保证人居地生态环境的健康发展值点3

主)要农村层聚集区面,,其阳.

分城布县具、泽有州明县显、的高方平向市性为,低且随时间逆时针转动布在.时间序列上,阳城县北部及沁20水00县~境20内16年改善区主要分,退化区主要集中在高平市境内,因此,针对高平市境内农村生态环境的持续退化,迫切需要加大生态环境保护力度,适当缩减耕地范围,强化退耕还林还草,建设生态文明村,逐步提高农村人居地生态环境质量,改善农村生活生产条件.

结视化分析1

) 论

提出的在点视角下综合运用图表分析、高低值聚类及方向分布分析对人居、可地生态环境状况时空动态进行研究的方法,能更确切且有针对性地反映城区、乡镇、农村的生态环境状况城市城2

).

、通过可视化镇、乡、村、的聚集性及方向性分生态环境状况进行析分,对级晋识别,得出城区、乡镇整体上生态环境状况中等且有改善趋势,农村生态环境状况分布聚集性、方向性明显,阳城县为低值、改善区,高平市为低值、退化区.参考文献:

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