基于RS 和GIS 的哈尔滨中心城区不透水面研究

王钰

（哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025）

1 概述

不透水面是指天然的或人工的能阻断或消弱地表水向地下渗透到土壤层中的表面[1,2]。国内方面，不透水面已成为监测城市空间的通用指标，遥感技术因具有空间连续、高效等优势成为不透水面研究的首选技术手段[3,4]。计算机自动解译是目前主流提取方法，光谱和几何特征的结合是不透水面信息提取的发展趋势[5]。国外方面，Ridd[6]提出的植被-不透水层-土壤(VIS)模型成为定量获取不透水面信息主要的技术手段。Weng 等利用不透水面指数和植被覆盖度指数，定量分析了不透水面与热岛效应的关系[7]。Hanson 对城市不透水面、地表温度进行了定量分析，结果表明不透水面是引发城市热岛效应最主要的因素[8]。因此，本研究利用遥感技术获取1987 年-2016 年近30 年时间的城市不透水面，分析其景观格局时空变化，为哈尔滨地区的城市规划提供了参考。

2 研究区概况与数据处理

2.1 研究区概况

本文研究区为哈尔滨市南岗、香坊、道里、道外、松北、平房这几个区。经过改革开放，研究区经济快速发展，建成区面积扩大，城市不透水面增加。

2.2 数据来源与处理

所 需 遥 感 影 像 为1987、1997、2007、2017 四 个 年 份 的Landsat 卫星影像，影像轨道编号为118/28，来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)。基础地理数据为一个行政区划，来源于国家基础地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。辐射光线通常在经过大气层时会被散射和吸收，遥感影像不能真实记录地表信息，这对本研究所做出的反演不透水面具有较大干扰，需要及时进行大气纠正[9]。在ENVI 软件中，运用FLAASH 模块对其进行纠正。通过研究区边界的裁剪，最后保存为横轴墨卡托投影（见表1）。

表1 横轴墨卡托投影参数

3 不透水面时空演变分析

在ENVI 环境中利用波段计算器进行基于NDISI 指数的计算，提取的哈尔滨中心城区不透水面信息，各年份哈尔滨中心城区不透水面不同级别面积及百分比如表2 所示。不透水面被划分为7 个级别：极低、低等、较低、中等、较高、高等、极高（图1至图4）。

图4 2016 年不透水面信息

图1 1987 年不透水面信息

结果表明：1987 年和1997 年，研究区周边地带以极低和低等两个级别为主，中等以上的不透水面主要分布在香坊和南岗在东北处的交界地带，不透水面变化不大，主要是因为这一时期哈尔滨经济发展困难，以已有建成区内部密度的增加为主，城市扩展缓慢。2007 年，整个研究区中等以上不透水面分布范围明显加大，香坊和南岗在东北处的交界地带由以前的中等以上不透水面为主变成高等以上不透水面为主。松北南部和平房西北部形成有一定规模的高等级不透水面。2005 年，哈尔滨市政府搬迁到松北南部，带动此处城市发展，平房工业园区也进行了大规模建设，城市化率在这一时期快速提升。2007 年和2016 年的不透水面分布，相比前两个年份，中心地带的高等及以上不透水面有向南、西、东三个方向的扩展趋势，松花江限制了向北的发展。

景观格局指数表征地物空间结构，通常组合选取多种指数来描述景观特征。本研究主要选取了斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、聚集度(AI)、景观形状指数(LSI)、散布与并列指数(IJI)这7 个景观指数[10]。

图2 1997 年不透水面信息

在Fragstats 软件下进行景观指数计算（见表3）。结果显示：研究区不透水面的斑块数量在1987 年至1997 年间大幅增多，破碎的程度也开始上升，1997 年至2007 年间大幅度地有所减少，2016 年也仍然维持着下降的趋势，渐渐地趋于稳定。1987 年至1997 年间最大斑块指数主要呈现出增加，1997 年至2016 年主要呈现下降的趋势。

表3 不透水面景观指数

图3 2007 年不透水面信息

1997 年之前，景观形状指数一直呈现上升的变化趋势，随后开始持续地下降，表明1997 年之前，研究区不透水面的斑块复杂程度及曲折程度是逐渐趋向上升的，1997 年之后复杂程度及曲折程度开始逐渐趋向下降。散布与并列指数在1987 年至1997 年间呈现逐渐上升趋势，说明各个不透水面类型间相邻的不透水面类型不断增多，不透水面景观分布趋于分散，在1997年至2016 年间开始逐渐下降，说明不透水面类型间相邻的不透水面类型逐渐明显减少。

从景观尺度来看，景观多样性指数在1.49-1.59 之间，景观均匀度指数在0.72-0.76 之间，表明研究区受到人为活动干扰，景观多样性水平很低，斑块类型分布较均匀，不透水面优势景观类型较少。

4 结论与讨论

4.1 1987 年至2016 年间，不透水面的总体变化趋势表现为高等、较低级别的不透水面积的占比持续增长，说明哈尔滨的城市化建设进程仍然是正在持续、更好地推进中。极低层次级别的不透水面迅速减少，说明在城市工程建设和规划扩张的过程中，不透水面级别分布特征发生了变化，一些农田等自然用地已转变为功能不同的城市建设用地。

4.2 哈尔滨市景观格局演变与哈尔滨市城市化的发展相关。在城市规划建设的过程中，交通路网等设施的建设和完善是提升不透水面景观衔接性的一个重要因素。经济发展使得土地资源综合利用的需求量增加，哈尔滨市对周边地区的辐射影响也在城市化进程中起到了重要推动作用。本研究对不透水面景观格局变化的定量分析为今后分析研究不透水面所带来的环境效应奠定了良好基础。