城市不透水表面的水环境效应研究进展

快速城市化导致的生态环境变化是当前城市生态环境研究的热点问题,而城市化的水环境效应则是其中的重要方向之一。本文通过梳理城市化过程对水环境效应的影响机制,总结和归纳城市不透水表面的水环境效应研究的核心内容与主要方法,指出当前城市化过程的水环境效应研究所面临的诸多难点,并对未来研究趋势进行展望。研究认为,城市化的显著特征之一是不透水表面的不断增加,以不透水表面指数(ISA)为表征的地表覆被参数日益受到城市土地利用/覆被变化研究的重视,成为城市化过程水环境效应研究的热点指标。不透水表面对水文效应的影响主要表现在两个方面,即短时间内增大降雨的径流量,长时间内增加洪水频率和径流总量。同时,不透水表面对水质的影响主要表现为增加水体的非点源污染负荷,目前的研究方法主要依靠城市水文水质监测及模型模拟,对水环境效应的影响机制方面尚缺乏对非点源污染负荷影响机制的深入研究,同时还需要进一步构建适用于城市地区的水文水质模型。可以预见,不透水表面指数将会是城市化过程水环境效应研究的重要参数,并将推动城市土地利用/覆被变化的水环境效应研究向参数简单化与精确化方向发展。     

深圳市不透水表面的遥感监测与时空格局

定量监测城市不透水表面扩展过程,是分析城市景观格局动态,深入剖析城市地区空间镶嵌体内部异质性景观相互转化的重要基础。以深圳市为例,通过定量划分城市不透水表面等级体系,计算不透水表面的转移矩阵与景观格局指数,分析不透水表面的时空动态,结果表明:1990～2005年间,高盖度及极高盖度的不透水表面持续增加,中盖度及低盖度不透水表面先增加后减少,而自然地表及极低盖度的不透水表面则为先减少后恢复,反映了城市化进程对城市地表覆被的结构性影响。景观格局变化显示景观多样性程度较高,且经历了低-高-低-高的变化;斑块在1990年以自然地表为主,1995年以后以中盖度等级为主,高盖度等级显著增加。自然地表和中等盖度的不透水表面变化分别主导着前期和中后期的变化过程。城市建设的迅速扩张,将林地、农田、水体及滩涂等自然地表快速地转变为不同功能的建设用地,主导着不透水表面等级分布的梯度性变化。     

中国城市化过程及其资源与生态环境效应机制

目前中国城市化进程表现为速度过快、地域差异显著以及城乡二元结构明显等特征.城市化带来了显著的生态效应,使城市生态系统的结构、过程和功能受到影响或发生不可逆转的变化,出现了耕地资源流失、水资源稀缺、能源压力、城市环境污染严重以及城市区域生态占用扩大等资源与生态环境问题.目前国内外学者研究了城市热岛效应、城市地表覆被变化、城市生物多样性损失以及城市水土资源等问题,但多侧重单要素、单城市、单学科研究,缺乏多尺度机理性的研究.鉴于此,提出若干未来城市化及其生态环境效应研究的方向与议题,归纳为:(1)中国城市化过程多尺度定量模拟与监测研究;(2)阐明城市化影响下地表自然过程和人文过程相互作用的机理;(3)资源与生态环境约束下中国未来城市化的可能情景及其风险评估等.     

京津唐城市群不透水地表增长格局以及水环境效应

不透水地表(Impervious Surface Area,ISA) 时空格局是城市化与全球环境变化交互影响下的土地利用/覆盖变化-生态系统过程-区域气候变化相互作用机理以及导致的环境效应研究的重要内容。如何快速准确地实现区域尺度不透水地表遥感信息的获取是上述研究面临的重要瓶颈问题。本研究嵌入中国LUCC 信息改进了基于MODIS NDVI 与夜间灯光指数(DMSP-OLS) 提取不透水地表信息的方法,反演了2000 年与2008 年京津唐城市群2 期250 m不透水地表信息,进而分析其变化的时空格局,结合子流域单元与河流污染物监测数据评价其对海河流域地表水环境的影响。结论表明：受环渤海经济区,天津滨海新区开发等政策的影响,京津唐城市群在21 世纪初8 年不透水地表沿着城-乡梯度带、城市交通廊道及海岸带高速增长。城乡建设用地不透水地表增长呈现显著的时空差异特征,由于北京市受人口-资源-环境的压力,产业发展不断向周边地区转移,天津与河北唐山、廊坊、秦皇岛三市具有更快的不透水地表增长速度。京津唐城市群城市高密度的不透水地表分布对于海河流域地表水环境产生严重影响,不透水地表的增长加剧了流域河流水质的污染程度。同时也发现,子流域不透水地表面积比例与COD、NH₃-N浓度均值呈现显著的线性关系。     

基于混合光谱分解模型的城市不透水面遥感估算方法

城市不透水表面是城市发展建设的一种地表水不能直接下渗到土壤中的人工地貌特征,包括城市中的公路、车道、人行道、停车场、建筑屋顶等。城市不透水面是城市最基本的组分之一,其覆盖状况随城市发展的变化产生一系列生态环境效应。本文应用Landsat7-TM影像,基于线性混合光谱分解模型,提取了北京城市不透水面分布并对其进行分析。     

城市不透水面高光谱遥感监测研究进展

1995年Ridd提出VIS模型以来,城市不透水面便成为遥感应用领域中较为关注的问题。在城市遥感研究中,不透水面不仅仅是城市重要的物质组成,同时也对城市地表环境产生重要的影响。另一方面,随着遥感空间分辨率和光谱分辨率的提高,城市不透水面的提取在理论方法、技术路线等方面都得到了很大的提升。尤其是高光谱数据的发展,基于城市不透水面物质光谱信息的混合像元分解成为当前研究的热点。本文就城市不透水面在遥感应用领域的历史发展状况进行梳理和剖析,清晰化城市不透水面研究的状态,并介绍当前研究方向,为城市不透水面研究提供引玉之砖。主要讨论的内容包括:不透水面的内涵和物质组分研究、不透水面提取的技术方法进展、不透水面数据源/尺度变换等方面的进展以及不透水面研究的未来发展方向,尤其是基于高光谱数据的不透水面研究中的热点和存在的问题。     

山地城市扩展及生态变化遥感分析

城市化进程使植被和水体等生态资源用地日渐缩小和破碎。遥感技术由于具有宏观、快速、准确认知对象的优势在城市生态环境变化监测中发挥着日益重要的作用。本研究采用Landsat系列遥感数据,选择EIBI建筑指数提取城市建筑用地扩展信息,并运用遥感生态指数(RSEI)对龙岩市生态质量变化进行遥感评估。结果表明:1)增强的指数型建筑指数(EIBI)可有效抑制裸土信息,增强建筑用地信息,使用EIBI提取建筑用地的精度可达90%以上;2)2002—2014年为龙岩市快速发展期,建成区面积增幅达50%;生态退化面积大大超过生态改善面积;整体生态指数均值自0.684降至0.636,降幅达7.02%,建成区生态指数均值自0.370降至0.351;3)造成龙岩市生态质量退化的主要因素包括:一是城市建筑用地扩展,二是采矿工程建设和地表开挖工程建设。     

基于证据理论的不透水表面扩张模拟及其生态效应研究

对不透水表面扩张导致的生态环境问题的探讨。认为,不透水表面扩张是人类改变自然的一个最直接的行为方式,其直接改变地表结构导致区域下垫面结构发生变化,得出"人类活动→土地利用/覆被变化→流域生态系统结构改变和功能退化"链式驱动机制。在该链式驱动模式上,采用D-S(Dempster-Shafer)证据理模型分析了不透水表面扩张的驱动机制,量化人类活动对不透水表面扩张的影响程度,最终预测流域在人文环境驱动下的不透水表面扩张。结果表明:2002年、2009年、2018年的滇池不透水表面覆盖率分别为:7.95%,13.40%,25.95%。2002年滇池流域不透水表面覆盖率10%,即"生态环境脆弱期",如果没有其他环境压力,其生态系统结构和功能具有可持续性;2009年滇池流域不透水表面覆盖率在(10~25%)之间,即"生态系统受影响期",具有明显的生态系统结构和功能退化迹象;依照目前的驱动机制和发展模式,到2018年,其不透水表面覆盖率25%,即"生态功能退化期",其将带来不可逆转的生态破坏,如生态系统结构高度不稳定,生物多样性少,生态功能退化等现象。因此,要对滇池流域不透水表面扩张进行合理地规划,统筹经济发展和生态环境保护,以避免其带来不可控制的生态系统破坏。     

不透水地表盖度视角下中美城市群空间结构对比——以“京津冀”与“波士华”为例

将城市不透水地表盖度产品应用于城市群空间结构研究具有重要价值。本文基于多源遥感数据提取了“京津冀”与“波士华”城市群近40年（1972-2011年）亚像元级不透水地表专题信息,构建了城市群空间结构对比分析数据集;并引入引力模型和景观格局理论,利用引力指数、景观格局指数以及空间结构参数等,采用地理信息系统空间分析方法,从城市群与城市两个尺度对城市群空间结构进行了对比研究。结果表明：① “京津冀”城市群不透水地表快速增长,而“波士华”城市群较为稳定;② “京津冀”城市群空间结构经历了城市孤立发展阶段、双核心城市群阶段、城市群组阶段以及城市群网络化阶段,“波士华”城市群空间结构较为稳定,空间结构呈现出“点—轴”带状分布;③ 中国城市不透水地表盖度“高—高”聚集区呈现出典型团块状“摊大饼”形态,而美国城市呈现出一种“多中心集聚、分散成组”的态势;④ “京津冀”城市群生态、生产与生活用地不透水地表面积占比均高于“波士华”城市群。最后,基于两国城市群空间结构的对比结果,从空间布局优化角度对“京津冀”城市群的发展提出了初步建议。     

北京市不同功能区不透水地表时空变化差异

目前有关北京市不透水地表的相关研究多数是从整体层面开展,忽略了其内部功能区的作用及差异。运用分类回归树（CART）及系列变化检测模型得到北京市1991年、2001年、2011年和2015年四期不透水地表分布,并运用标准差椭圆、洛伦兹曲线、贡献指数及景观格局理论对各功能区不透水地表的时空变化进行分析。结果显示：1991-2015年北京市不透水地表的总面积增加了约144.18%,分布的主导方向由早期的东北—西南趋向于当前的正北—正南。各功能区间不透水地表的空间分布异质性逐渐减弱,但贡献指数值存在很大差异：功能拓展区的贡献指数最高,其四年中的最低值（1.79）高于其他功能区四年最高值,是北京市不透水地表增长最主要的贡献区;功能核心区的蔓延度指数值最高,约为其他功能区的2倍,为不透水地表的优势聚集区;发展新区的贡献值由负值变为正值并成倍增长,成为北京市不透水地表增长的主要源区;生态涵养发展区的贡献指数始终为负,并逐年减小。不同类型不透水地表的景观指数和质心偏移均存在差异,高盖度不透水地表的形状指数和斑块密度值最小,分布最为集中,对生态环境影响较大,北京市在未来发展过程中应合理规划控制其空间格局及增长模式,尽量减缓其增长速度及团聚程度。