基于遥感的不透水面监测及其对生态环境质量的影响——以郑州开封地区为例

作     者：卢楠楠 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵田田

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081802[工学-地球探测与信息技术] 07[理学] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 0713[理学-生态学] 

主      题：不透水面 线性光谱混合分解 遥感生态指数 空间自相关分析 

摘      要：21世纪以来,我国经济社会快速发展,随着城市化进程的不断加快,城市规模迅速扩大,土地利用方式随之发生改变,大量自然地表被人工地表取代,造成生态环境的破坏。作为中原城市群的重要组成部分,自2004年国家实施中部崛起战略以来郑州-开封地区经历了快速城镇化过程,城镇用地不断扩张,城市的快速扩张对生态环境产生一系列影响。对该区域城市扩张进行动态监测,并分析城市扩张对生态环境质量的影响,将为郑州-开封地区不透水面的优化设计与发展规划提供参考,对区域内的可持续发展具有重要意义。本文以郑州、开封市区以及郑州市中牟县县城以北为研究区域,以Landsat-5与Landsat-8遥感影像为数据源,基于线性光谱混合分解方法提取郑州-开封城市不透水面,分析研究区内不透水面时空分布格局及动态变化规律;同时,基于绿度指标(NDVI)、湿度指标(WET)、干度指标(NDBSI)、热度指标(LST)构建遥感生态指数(RSEI),基于RSEI模型定量分析研究区域生态环境质量的时间变化趋势以及空间分布特征;最后基于不同尺度分析不透水面扩张对生态环境质量的影响。主要研究结果如下:(1)2004-2020年,郑州-开封地区不透水面扩张速度快、强度大,扩张方向与主要交通轴线方向一致。2004-2020年不透水面面积增长率为164%。2004年不透水面面积为494.75km,2020年不透水面面积为1309.26km;不透水面覆盖度由2004年的20.04%上升为2020年的53.04%。2004-2020年,郑州-开封不透水面扩张速度和扩张强度呈现出下降趋势,在2015年出现大幅下降。郑州-开封不透水面经历了城市内部填充、向外扩展、内部填充以连接斑块三个阶段,不透水面主要呈东西方向扩张。郑州市与开封市的不透水面分布方向与主要交通轴线方向相同。政府相关政策、人口增长、经济发展、交通路线分布与不透水面扩张之间存在着密切联系。(2)2004-2020年,郑州-开封地区整体生态环境质量处于中等水平,该时期生态环境质量呈现波动下降的趋势。2004-2020年间,郑州-开封地区RSEI均值分别为0.64、0.46、0.54、0.49,通过对构建RSEI的四个指标进行主成分分析可以看到,NDVI与WET对RSEI产生积极影响,而NDBSI与LST对RSEI具有消极影响。在空间尺度上,郑州市生态环境质量较差,开封市生态环境质量较好。在各区(县)中,金水区、中原区、管城回族区生态环境质量较差,顺河回族区生态环境质量较好。城市开发强度与土地利用变化是影响生态环境质量变化的重要因素,郑州-开封地区经历16年的发展后,生态环境质量明显变差,且分布较为广泛,主要集中在郑州市三环以外区域、开封市龙亭区的大部分区域、顺河回族区西部、禹王台区西部、以及中牟县北部的黄河沿岸。(3)RSEI受到不透水面覆盖度影响,二者之间呈现显著负向空间关联。分别基于1000m×1000m网格、街道(乡镇)、区(县)尺度对2004-2020年的不透水面覆盖度与RSEI进行相关性分析,不透水面覆盖度与RSEI均值之间均呈现显著负相关关系,这表明随着不透水面的扩张,区域内的生态环境质量不断下降。双变量全局空间自相关与双变量局部空间自相关分析均表现出不透水面覆盖度与RSEI之间存在着负向空间关联,H-L(高不透水面覆盖率-低RSEI)集聚区主要分布在郑州市二环以内与开封市老城区。通过重心分析可以看到,郑州市与开封市不透水面扩张区域重心与生态环境变差重心均在同一区域,且移动方向基本相似,进一步证明不透水面的扩张影响生态环境质量。