干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:排日海合力力昝梅.干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究.自然资源遥感():.(.():.)干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究排日海合力力 昝 梅(.新疆师范大学地理科学与旅游学院乌鲁木齐 .新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室乌鲁木齐)摘要:城市作为人类生活和生产的核心区域其生态环境质量越来越受到人们关注特别是生态环境脆弱的干旱区城市 在新疆的南疆和北疆 个典型绿洲城市(乌鲁木齐市和喀什市)分别选取研究区基于 ()构建 个城市遥感生态指数()比较 年、年和 年 个研究区生态环境质量的时空变化特征并利用随机森林模型定量分析 个研究区 的影响因素 结果表明:近 间研究区 生态环境质量变差研究区 生态环境质量变好研究区 生态环境改善的区域集中在城市中心的老城区而城区外围的新建区生态环境变差研究区 东北部生态环境明显改善而城市中心周围的新建区生态环境质量变差 植被覆盖度是影响 个研究区 最重要的因子气温和降水量是影响 个研究区 次重要的因子影响因子对 个研究区 的影响范围有所差异 近 间研究区 城市规模的扩大、不透水面的增加和植被覆盖度的减小是生态环境变差的主要原因而研究区 城市化与绿色健康城市发展模式共同推进的举措对生态环境质量的改善发挥了重要作用 研究结果可以为研究区城市健康发展提供科学依据关键词:乌鲁木齐市 喀什市 随机森林中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室开放课题“玛纳斯湖湖滨植被水分利用效率对干旱胁迫的影响研究”(编号:)和新疆师范大学博士科研启动基金项目“新疆森林碳储量影响因子研究”(编号:)共同资助第一作者:排日海合力力()女硕士研究生主要从事干旱区生态环境研究:.通信作者:昝 梅()女副教授主要从事干旱区生态环境与遥感应用研究:.引言生态环境质量是指生态环境在一定时间和空间内影响人类生存和社会经济发展的程度是生态环境的基本属性 城市化是人类进步的必然过程也成为对社会、经济和城市环境持续施加压力的主要因素是全球关注的问题 遥感技术具有快速、实时和大规模监测的优点已广泛应用于生态环境领域 有学者利用遥感反演的植被指数和地表温度评价森林群落生长情况利用地表温度进行城市热岛效应分析 但生态系统的形成与发展受多种因素影响在一定程度上单一指标不能全面反映自然过程的真实情况 年徐涵秋提出的遥感生态指数()综合利用多种指标定量评价生态环境质量 近年来 被广泛应用于区域生态环境质量评价 和建模 在研究内容方面 被用于地区、环境质量时空演变分析、城市化环境效应的定量分析、生态环境驱动因子探讨 以及生态环境质量与城市扩张影响机制的研究 ()云计算平台为实现大区域长时期 的遥感估算提供了数据源和技术保障 该平台可以快速高效地批量处理海量遥感影像弥补了传统单机模式处理遥感数据的缺陷目前利用 分析城市生态环境质量的研究主要集中在我国经济发达的东部沿海地区对西部干旱区城市的关注较少尤其是不同城市化水平的多个城市之间生态环境质量对比的研究更少 乌鲁木齐市人口密集经济高速发展是我国向西开放的桥头堡 近年来随着乌鲁木齐市城市化水平的提高出现了一些生态环境问题如大气和水环境的恶化、大面积开垦草原引起的沙漠化和土地沙化现象以及过度放牧引起的草原退化等 喀什市位于塔克拉玛干沙漠边缘生态环境及其脆弱近些年来土地盐泽化加剧沙化草场退化的生态环境问题也自 然 资 源 遥 感 年比较严峻 此外乌鲁木齐市和喀什市是新疆北疆和南疆城市化发展较快的典型城市 因此本文在 个城市分别选取研究区利用遥感数据计算 个研究区 年、年和 年绿度指标归一化植被指数()、湿度指标()、热度指标地表温度()和干度指标()采用主成分分析法()构建 模型并对 个研究区生态环境质量的时空变化特征进行对比分析 选取研究区与 紧密相关的 种因子利用随机森林模型比较分析 个研究区 影响因子的重要性及偏依赖性 本研究结果可以为促进新疆南北疆城市化和生态环境质量协调发展提供理论依据对研究区环境保护和可持续发展也具有实际意义 研究区及其数据源.研究区概况乌鲁木齐市位于新疆天山北麓准噶尔盆地南缘()是中国乃至中亚和欧洲的交通枢纽已成为中国向西开放的桥头堡 乌鲁木齐市属于温带大陆性干旱半干旱气候是新疆城市化进程最快的城市城市土地和人口的增长对周围生态环境产生了很大影响 喀什市位于新疆天山南部塔里木盆地西缘()是我国连接中亚、西亚和南亚进而连接欧洲的天然路桥和黄金通道 喀什市属于典型的暖温带大陆性干旱气候 近年来喀什市的城市化得到很大发展 本文在 个城市分别选取研究区如图 所示()研究区()研究区 图 研究区位置示意图.数据来源 平台的快速发展为遥感数据提供了强大处理平台 本研究基于 利用 年、年和 年共 景 影像数据在 平台中对遥感数据进行批量拼接、裁剪和水体掩模等预处理 为了避免季节差异造成的影响选取每年 月之间的夏季和秋季的数据 基于 平台计算研究区 和 并利用 法构建研究区 数字高程模型()数据来自地理空间数据云平台(:/.)空间分辨率为 研究区 年、年和 年土地利用类型数据、植被覆盖度()、气温、降水量、人口空间分布以及国内生产总值()空间分布网格数据集(经济密度)都来源于中国科学院资源环境科学数据中心(:/./)空间分辨率均为 根据分类标准对土地利用数据采用耕地、林地、草地、水域、建设用地和裸地 个一级类型进行处理 并对以上空间数据进行坐标系统和空间分辨率的统一 研究方法.构建 综合考虑了研究区干旱、脆弱的生态环境特征第 期排日海合力力等:干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究及适用性选取了 模型该模型可以对大区域生态环境实现快速监测和评价 模型包括 个指标分别反映面积广大的研究区与人类生存息息相关的绿度、湿度、热度和干度生态因素这些指标也是评价干旱区生态环境质量必须包含的重要因素 其中 可以反映植被生长和覆盖度的状况 可以较好地反映研究区土壤和植被的水分信息 与城市生态环境密切相关因而使用 表征热度指标 城区建筑用地面积不断扩大加上城市周围裸地广泛分布是造成研究区土壤干化危害区域生态环境的原因所以本文将裸地指数()和建筑指数()加权平均后得到的 作为干度指标反映研究区干旱化的程度 总之 模型能够针对研究区存在的生态环境问题进行客观的评价并对研究区具有较好的适用性 其中 和 的公式分别为:()/()().().()式中 和分别为遥感影像相应的蓝光、绿光、红光、近红外、短波红外 和短波红外 波段的反射率 的公式为:()().()()/()/()式中:()为黑体辐射亮度对于 影像./().对于 影像./().()为 ()热红外波段在传感器处的辐射值 为热红外波段中心波长 .为地表比辐射率 和 的公式分别为:/()()()/()()()()/()在构建 前对 个指标进行归一化处理确保 个指标的数值范围在之间 基于 个标准化指数采用 计算 的初始值 的计算公式为:()/()()式中 和 分别为初始值 的最大值和最小值 越接近 表明生态环境质量越好 越接近 表明生态环境质量越差.随机森林模型随机森林算法是 提出的一种包含大量决策树的多分类器组合算法被认为是一种有效的机器学习算法 其基本原理是在 决策树中引入 算法进行多次有放回的随机抽样然后训练得到单个决策树分类器完成对集成模型的构建 与其他模型相比随机森林算法可以处理高维数据集具有较高的可靠性和较低的时间复杂度算法灵活、稳健和实用性高 此外随机森林算法在参数优化、变量排序以及后续变量解释力分析等方面优势较为明显 近年来该方法被广泛应用于解决复杂的地理综合问题中例如驱动因子分析、因子贡献、预测分析和遥感大数据分类等领域 综上所述本文选取随机森林算法定量计算研究区 影响因子的重要性和偏依赖性其中变量重要性的值越大说明该因子对因变量的贡献权重越高.模型适用性的检验为了评价 模型对研究区生态环境质量的综合代表性分别计算了研究区 年的 和 之间的相关系数(图)由各生态因子与 的相关系数可以看出研究区 的 分别与各生态因子之间相关系数绝对值的平均值为.与 相关性最显著相关系数为 .与 和 的相关性较高相关系数分别为.和.研究区 的 与各生态因子之间相关系数绝对值的平均值为.与 的相关性最为显著相关系数为.与 和 的相关性比较高分别为 .和.以上结果说明 个研究区 与各生态因子相关性较好比任意单一指标更具代表性 即 能够综合表达研究区各指标的信息 同时也说明选取 评价研究区城市生态环境质量的适用性较好评价结果客观准确性较好自 然 资 源 遥 感 年()和()和()和()和()和()和()和()和()和()和 图 年 和 之间的相关系数及相关性检验.结果与分析.和生态因子的时间变化特征由表 可以看出:研究区 在 年、年和 年 均值分别为.和.呈逐渐下降的趋势 年的 相比 年降低了.降幅约为.研究区 在 年、年和 年 均值分别为.和.呈逐渐增加趋势相比 年研究区 在 年 增加了.增幅约为.研究期内 个研究区的 和 均值整体呈下降趋势 的均值整体呈增加趋势 研究区 的 均值呈下降趋势而研究区 的 均值整体呈略微增加的趋势表 个研究区各年份指标和 的变化.研究区年份平均值标准差平均值标准差平均值标准差平均值标准差研究区 年.年.年.研究区 年.年.年.时空格局分析.等级空间分布特征参考已有生态质量分级标准以.为间隔分成 级分别代表生态质量优、良好、中等、较差和差 对估算得到的 个研究区 期 分别进行分级并统计面积如表 所示 年、年和 年研究区 生态环境质量以较差和中等级为主其中较差的生态环境的面积分别占总面积的.和.中等级生态环境的面积分别占总面积的.和.生态环境质量较差和差区域的面积呈增加趋势 年较差和差区域面积最多达到.说明 年以来研究区 生态环境质量呈现下降趋势 表 各年份生态等级和面积比例统计.()研究区年份差较差中等良好优研究区 年.年.年.研究区 年.年.年.年研究区 生态环境质量处于差和较差的区域占总面积的比例超过 中等及以上的区域面积比例为.年和 年研究区 生态环境差的面积相比 年分别减少.和.第 期排日海合力力等:干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究而 年生态质量优的区域面积相比 年增加.说明研究期内研究区 生态环境质量整体呈上升趋势 可以看出近 研究区 生态环境质量等级优和良好的面积占比明显高于研究区 研究区 生态环境质量等级差和较差的占比整体呈增加趋势而研究区 生态环境质量差的占比明显减少 个研究区 的等级分布如图 所示 由图()()可知研究期内研究区 生态环境差和较差的区域主要分布在北部米东区和中部达坂城区植被稀疏的裸地区域 近 间研究区 生态环境质量以中等级转为较差和差的等级为主土地利用类型以城市、耕地和草地为主 由图()()可知研究期内研究区 生态环境良好和优的区域主要分布在中南部的耕地区域而生态环境差的区域主要分布在北部的裸地和主城区外围新开发的区域()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区 图 个研究区 的等级分布.等级变化检测为了更好地提取研究区 变化特征将共 的研究期分为 个时段分别为 年、年和 年 将 相比前一时期面积变化的剧烈程度分为 个级别:急剧变差、明显变差、略微变差、生态不变、略微变好、明显变好和急剧变好并分别用 和 表示 其中急剧变差、明显变差和略微变差归为变差类生态不变为一类略微变好、明显变好和急剧变好归为一类 检测结果如表 所示 由以上不同时段的统计结果表明 个研究区生态环境质量等级不变的面积分别约占整个区域面积的 和 左右 研究区 在 年生态环境质量变差的面积比 年的多说明 年后生态环境变差速度比前 的快 研究区 在 年生态环境变好速度比 年表 年 个研究区 等级变化检测.研究区类别级差 年 年 年面积/比例/面积/比例/面积/比例/研究区 变差不变变好 .研究区 变差不变变好 .自 然 资 源 遥 感 年的变化速度快 近 研究区 生态环境质量整体呈变差趋势而研究区 呈变好趋势(图)由图 可以看出生态变差的区域主要分布于人口聚集区、耕地和草地区域()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区 图 年 个研究区 变化监测.驱动因子分析.因子重要性分析利用随机森林模型定量分析不同因子对研究区 的影响包括自然因素(、气温、降水量和)和人为因素(经济密度、人口密度和土地利用类型)首先对研究区 年、年和 年的 和对应年份的 个影响因子分别进行 (研究区)和 (研究区)网格化处理并求算每个格网各指标的均值 然后将 作为随机森林模型的因变量 个影响因子作为模型自变量进行不同年份影响因子重要性分析由图 可知 年、年和 年研究区 的 影响因子重要性排序基本保持一致其中 的贡献率最大平均约为 其次是气温和降水量 人口密度的贡献率最小平均约为 年和 年研究区 的 主要影响因子重要性顺序基本一致而 年影响因子重要性顺序与后 个时期稍有差异整体上 对 的贡献率最大平均约为 其次是降水量和气温 经济密度的贡献率最小平均约为 总之研究期内 个研究区的自然因素比人为因素对 的影响更大其中 个研究区自然因素重要性分别约为.和.()研究区()研究区 图 影响因子重要性排序.第 期排日海合力力等:干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究.因子偏依赖性分析随机森林模型的偏依赖性表示因变量对自变量的边缘依赖性是机器学习对结果可解释性的指标 本文选取 年、年和 年、气温、降水量、经济密度、人口密度、土地利用类型和 的年均值分别和研究区 与研究区 的 年均值进行偏依赖性分析 由图 和图 可以看出不同因子对 个研究区 的影响区间和影响程度有所差异 ()()气温 ()降水量 ()经济密度 ()人口密度 ()土地利用类型 ()图 研究区 影响因子对 的偏依赖.()()气温 ()降水量 ()经济密度 ()人口密度 ()土地利用类型 ()图 研究区 影响因子对 的偏依赖.自 然 资 源 遥 感 年 由图 可以看出研究区 的 增加对 的影响程度逐渐上升当 .后对 的影响程度达到最大且几乎保持不变 当气温在 的时候对 的影响程度比较高大于 后对 的影响程度急剧下降 降水量大于 后对 的影响程度急剧上升 经济密度大于 万元/后对 的影响程度逐渐增加 人口密度大于 人/后对 的影响程度达到最大且几乎保持不变 林地对 的影响最大而建设用地和裸地对 的影响逐渐下降 后对 的影响达到最大且几乎保持不变由图 可以看出对于研究区 对 的影响趋势与研究区 相似 气温在 的时候对 的影响程度比较低大于 后对 的影响程度急剧上升达到 后对 的影响逐渐下降 降水量的增加对 的影响程度逐渐上升当降水量大于 时对 的影响程度达到最大且几乎保持不变 经济密度对 的影响趋势与研究区 类似 人口密度大于 人/后对 的影响程度逐渐上升 研究区 土地利用类型对 的影响趋势与研究区 相似 当 时对 的影响达到最大之后对 的影响逐渐下降此外当 时影响明显下降 讨论.不同土地利用类型的 等级变化分析生态环境质量的变化与土地利用类型的转换有一定关系(图)从图 可以看出 个研究区裸地和建设用地的生态环境质量等级较低主要集中在差和较差等级其中约超过 的裸地面积是生态环境质量差和较差状态 草地、裸地和建设用地中几乎没有生态环境质量优的等级 耕地和森林生态环境质量较高都在中等以上等级 研究区 中等和良好等级的耕地面积占总耕地面积的 良好和优等的森林面积占总森林面积的 研究区 中等及以上等级的耕地面积占总耕地面积的以上 在 个研究区不同土地利用类型主要是在中等等级比例变化较明显 从研究区生态环境质量的等级所占的比例来看对生态环境质量变化影响大小的排序依次为裸地 建设用地 草地 耕地 森林 相比 年 年研究区 生态环境质量降低的原因在于裸地和草地生态环境质量差和较差的面积比例的增加以及建设用地生态环境质量较差面积比例的增加 对于研究区 生态环境质量变好的原因在于耕地生态环境质量良和优的面积比例的增加和草地与建设用地生态环境质量差和较差()年研究区()年研究区()年研究区()年研究区 图 年和 年不同土地利用类型的 等级面积比列.第 期排日海合力力等:干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究面积的比例明显减少 以上分析可知耕地和草地与裸地和建设用地对生态环境质量影响的差异本质上是由植被覆盖和不透水表面导致的在生态环境退化中生态环境质量差和较差等级主要是由于在城市扩张过程中建设用地占领了原有的耕地和草地.生态环境质量差异的原因分析以上研究表明 间研究区 的生态环境质量总体表现为变差的状态而研究区 生态环境质量呈变好的状态 主要是由于城市规模、自然和人文环境不同以及生态环境主要影响因子的变化导致不同城市生态环境质量有所不同 乌鲁木齐市是新疆城市规模最大的城市随着城市化进程的推进不透水面增加植被覆盖减少导致城市中心地表温度升高热岛效应加剧环境质量恶化 而喀什市自 年 月获批设立经济特区后城市化的进程不断加快绿色健康的城市发展模式有序推进植被覆盖对该城市的生态环境质量起了很重要的作用 此外 影响生态环境的因子对全球气候变化产生的不同响应也可能是 个研究区生态环境表现出差异的原因从研究区生态环境质量的时空分布特征来看 间研究区 生态环境质量差的区域主要集中在北部米东区和中部的达坂城区生态环境质量好的区域主要分布在城市西南和东北部 研究区 生态环境质量差的区域主要集中在研究区 中心区和北部生态环境质量好的区域主要分布在城市中部和南部 间 个研究区城市化进程加快城市迅速向外围扩展以建筑物为代表的不透水面逐渐代替原有草地和耕地是研究区生态环境质量下降的原因之一 其中研究区 以天山区、沙依巴克区和新市区为代表的中心城区的扩张最为明显 研究区 除了城市中心扩张外城乡交接带明显向城郊延伸从地形地貌角度看研究区 北部邻接沙漠以戈壁沙地为主研究区 北部位于山地南坡以裸地为主所以导致 个研究区生态环境质量差的区域集中在北部 个研究区部分区域生态环境质量有所改善的原因可能与旧城改造工程以及环境保护和恢复政策的出台有关总之气温和降水等自然要素在气候变化作用下直接影响生态环境质量人类活动引起的土地利用和植被覆盖的变化导致城市生态环境的变化更加复杂 有研究表明城市生态环境质量的短期变化主要是由人类活动引起的而城市生态环境质量的长时期变化主要是自然和人类活动综合作用的结果 快速城市化伴随着社会经济的繁荣但其威胁城市可持续发展的负面影响也不能忽视 根据干旱区绿洲城市的特点今后应该在节水前提下提高城市植被覆盖度增加绿度从而改善城区小气候环境 对城市建设用地规模科学规划提高现有城区土地利用效率倡导集约和节约型城市化发展模式此外通过生态环境综合治理措施促进城市生态环境的改善推进绿色生产和生活方式实现城市化与生态环境质量协调发展 结论在乌鲁木齐市和喀什市分别选取研究区基于 平台利用 系列遥感数据构建了 年、年和 年 模型对 个研究区生态环境质量进行评价并利用随机森林模型对研究区影响 的因子进行定量分析 主要结论如下:)间 个研究区生态环境质量呈相反的变化特征 其中研究区 生态环境质量整体变差变差速度先慢后快 研究区 生态环境质量整体变好变好速度呈先快后慢的特征 研究区 生态环境显著改善的区域集中在城市中心的老城区生态环境变差的区域主要集中在城市外围的新建区 研究区 生态环境改善的区域主要集中在城市东北部生态环境质量变差的区域主要分布在城市中心周围的新建区)是影响 个研究区 最重要的因子气温和降水量分别是影响 个研究区 次重要的因子 不同影响因子对 个研究区 的影响范围有所差异 个研究区 分别大于.和.后 因子对其城市 的影响程度达到最大且几乎保持不变 个研究区气温分别在 和 范围内时对其城市 的影响逐渐增大 研究区 降水量大于 后对 的影响程度急剧上升而研究区 年降水量大于 时对 的影响程度达到最大且几乎保持不变)间研究区 城市化规模不断扩大、不透水面增加和 的减小是城市生态环境变差的主要原因 而研究区 城市化与绿色健康城市发展模式共同推进的举措对该城市生态环境质量变好发挥了重要作用 因此在节水前提下提高干旱区绿洲城市植被覆盖科学规划建设用地规模提高现有城区土地利用效率倡导集约、节约型绿色城市化发展模式进而促进城市化与生态环境质量协调发展参考文献():王东升王小磊雷泽勇.基于遥感生态指数的阜新市生态质量评估.生态科学():.():.自 然 资 源 遥 感 年 .:.张瑞钢莫兴国林忠辉.滹沱河上游山区近 年蒸散变化及主要影响因子分析.地理科学():.():.徐涵秋.城市遥感生态指数的创建及其应用.生态学报():.():.朱 泓王金亮程 峰等.滇中湖泊流域生态环境质量监测与评价.应用生态学报():.():.蒋超亮吴 玲刘 丹等.干旱荒漠区生态环境质量遥感动态监测 以古尔班通古特沙漠为例.应用生态学报():.:.():.:.():.张亚球姜 放纪梦达等.基于遥感指数的区县级生态环境评价.干旱区研究():.():.刘立冰熊康宁任晓冬.基于遥感生态指数的龙溪虹口国家级自然保护区生态环境状况评估.生态与农村环境学报():.():.万虹麟霍 飞牛玉芬等.顾及.浓度遥感生态指数模型的沧州市区生态环境质量动态监测分析.地球物理学进展():.():.郑子豪吴志峰陈颖彪等.基于 的长三角城市群生态环境变化与城市化特征分析.生态学报():.():.杭 鑫罗晓春曹 云等.基于 模型的生态质量评估及城镇化影响 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