基于RSEI 指数的合肥市城市生态变化

董敏 明彦利

（福州大学环境与安全工程学院 福建福州 350108）

0 引言

随着中国城市化的快速发展，城市建设用地规模不断向郊区扩张，“城市病”带来的负面效应也愈发严重，城市生态问题日益严峻，及时客观地对城市生态环境变化进行检测和评估具有重要意义［1］。

合肥市位于安徽中部地区，是长三角城市群副中心之一，合肥都市圈中心城市，自2000 年以来城市化进程和现代化建设快速发展。根据合肥市国民经济和社会发展统计公报，2000年作为“九五”计划最后1 年，合肥市基本完成建成城市大框架的任务。2011 年完成行政区划调整，将庐江县和县级市巢湖市划归辖下。2020 年，根据新一线城市研究所发布《2020 城市商业魅力排行榜》，合肥市首次获评“新一线城市”。

与合肥市高速发展的城市建设相比，在城市发展过程中的生态环境问题关注仍相对较少。以往的研究更多地集中在长三角城市群［2］、京津冀城市群［3］和粤 港澳大湾区［4］等 地区，针对合肥市基于多指标、大范围、长时间序列的生态变化动态监测研究还不多见。因此，本文拟采用新型遥感生态指数（RSEI）对合肥市2000—2020 年的城市生态变化进行综合研究。

1 研究区及研究方法

1.1 研究区

合肥市作为安徽省省会，是全省政治、经济和文化中心，中国东部地区重要城市，常住人口818.9 万人，城镇化率76.33%。合肥属亚热带季风气候，四季分明，雨量适中，年平均气温15.7 ℃，年降水量约1 000 mm。本文选取合肥市老城区及其周边区域为研究区，总面积约为2 326 km2（图1）。

图1 合肥市研究区示意图

1.2 遥感数据来源和处理

本文选取2000-04-08 和2020-05-17 的Landsat TM 和OLI/TIRS 图像，两幅遥感影像的季相接近，植被生长状态相似，保证生态研究结果的可比性。使用二阶多项式和最近邻重新采样对不同年份的两个图像进行几何校正和配准，并且配准的均方根误差（RMSE）小于0.5 像素。使用Chander 等［5］和Chavez［6］的IACM 大气校正模 型进行Landsat TM5 图像的辐射校正。使用Landsat 8 网站上公布的参数和模型进行辐射校正，以减少不同阶段图像的地形、光线和大气的差异［7］。

1.3 研究方法

RSEI 指数是由徐涵秋提出的遥感生态指数［8］（Remote Sensing based Ecological Index），遥感生态指数（RSEI）选择了与人类生活相关的4 个因素，即绿度、湿度、干度和热度，作为反映生态质量诸多自然因素中的生态评价因子，并利用现有的遥感技术从遥感图像快速提取4 项指标的信息，即采用归一化差异植被指数（NDVI）、缨帽变换（TCT）的湿度分量（WET）、由建筑指数（IBI）和裸土指数（SI）合成的干度指数（NDBSI）、以及地表温度（LST）分别代表绿度、湿度、干度和热度。各指标表述如下：

（1）绿度指标。归一化差异植被指数（NDVI）是最广泛使用的植被指数之一，是植被覆盖度、植被生物量和叶面积指数的重要指标［9］。因此，本文选择NDVI 作为绿度指标。

（2）湿度指标。缨帽变换后的湿度分量（TCW）可反映地表植被、水体和土壤的湿度状况［10］。

（3）干度指标。造成土壤干燥的主要原因是建设用地和裸地。本文选择建筑指数IBI 和土壤指数SI 来代表干度指标［11］。

（4）热度指标。热度指标由地表温度（LST）表示［12］。

（5）基于遥感的生态指标RSEI 的构建。将得到的4 个指标通过主成分分析（PCA）耦合，使用归一化后的第一主成分（PC1）构建RSEI。由于上述4 个指标的维数不均匀，如果这些指标直接用于计算PCA，则每个指标的权重将是不平衡的。因此，在计算PCA 之前，将上述指标归一化，即每个指标值转换为0～1 范围内的无量纲值。每个指数的通用归一化公式如式（1）。

式中：NIi是归一化指标值；Ii是指标中像元I 的值；Imax是该指标的最大值；Imin是该指标的最小值。在4 个指标归一化之后，借助于遥感软件的主成分分析模块计算PC1。为了使大值表示较好的生态，可用1 减去PC1 来获得初始生态指数RESI0，见式（2）。

同样，为了获得的RSEI 值在不同时间和空间的可比性，RSEI0值也应该进行归一化处理，见式（3）：

式中：RSEI 即为所求的遥感生态指数，取值范围为［-1，1］，且值越大代表生态质量越好。

（6）RSEI 计算。首先将图像的4 个生态指标归一化后组合成新的图像，并使用改进的归一化水体指数（MNDWI）掩膜水体，以消除水体对主成分分析结果的影响。最后，对新合成的图像进行主成分变换，得到不同年份的RSEI 图像（图2）。

图2 RSEI 生态指数

2 结果与分析

通过主成分分析获得2000 年和2020 年研究区4 个指标对PC1 的荷载值，并计算4 个指标和RSEI 的均值及其变化幅度（表1）。

表1 不同年份4 个指标和RSEI 统计

自2000 年至2020 年，研究区生态状况总体呈下降态势，RSEI 均值由2000 年0.592 下降至2020 年0.544，下降了6.42%。对生态状况起积极作用的绿度均值上升，升幅为4.24%，湿度均值下降，降幅为2.43%，对生态状况起负面作用的干度均值上升，升幅为34.08%，热度下降，降幅为28.42%。绿度上升、热度下降为生态带来的积极作用不及湿度下降、干度上升带来的负面作用，研究区总体生态质量降低。

为进一步探究研究区内局部生态质量变化，将归一化后的RSEI 生态指数用等间隔法划分为5 个等级，数值由低到高分别表示生态极差（0～0.2）、较差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、优秀（0.8～1.0），并统计各个生态等级的面积及其所占比例（表2）。

表2 研究区不同年份RSEI 生态指数等级划分及面积占比

2000 年研究区总体生态质量以中等和良好为主，面积占比分别为44.508 6%和44.965 7%，合计89.474 3%，生态较差和优秀区域所占面积极少，分别为6.946 2%和3.579 1%，生态极差区域面积仅占0.004%。2020 年研究区总体生态状况发生改变，生态中等和良好的面积减少，面积占比分别为33.896 9%和28.882 1%，降幅分别为10.611 7%和16.083 6%，生态极差、较差和优秀区域面积增加，升幅分别为0.635 1%、17.554 2%和8.506 0%。值得注意的是，虽然研究区整体生态状况呈下降趋势，但生态质量优秀（0.8～1.0）区域面积占比却有所上升，从RSEI 图像（图2）可以看到，2000 年生态中等和良好的区域由于合肥市不断发展，城市建设向周围郊区扩张，RSEI 生态指数等级出现明显下降，但城市新建城区周边生态状况有所改善。

3 结论

本文对安徽省合肥市2000 年到2020 年间的生态质量进行了监测与分析。结果表明，合肥市城区生态质量整体处于中等良好水平，但由于近年来的快速发展，城市建设用地面积迅速扩张，生态状况呈现下降趋势。合肥市老城区生态质量未发生明显变化，建成区面积扩大，新开发建设区生态质量出现下降。近年来，由于合肥市城市规划对绿地系统布局和生态环境优化的重视，依托巢湖、紫蓬山、大蜀山风景名胜区和三十岗生态旅游区等景区进行绿地系统布局和生态优化工程建设，新建成城区周边区域生态状况明显改善。综上可知，大面积的城市建设用地扩张会导致区域生态环境质量下降，但科学生态规划的实施有利于生态状况的恢复和改善。因此，生态环境优化是当前城市规划和建设过程中不可忽视的重点内容。