张甜, 王仰麟, 刘焱序, 彭建
北京大学城市与环境学院 地表过程分析与模拟教育部重点说实验室,北京 100871

Multi-temporal detection of landscape evolution in western Shenzhen City during 1987-2015

ZHANGTian, WANGYanglin, LIUYanxu, PENGJian
Laboratory for Earth Surface Processes, Ministry of Education, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
通讯作者:通讯作者：王仰麟(1963-), 男, 陕西合阳人, 博士, 教授, 主要从事景观生态与土地利用研究。E-mail: ylwang@urban.pku.edu.cn
收稿日期:2015-12-1
修回日期:2016-07-22
网络出版日期:2016-12-25
版权声明:2016《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:国家自然科学基金项目(41330747)
作者简介:
-->作者简介：张甜(1991-), 女, 陕西汉中人, 博士生, 研究方向为综合自然地理与景观生态。E-mail: zhangtiangis@163.com



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摘要
城市扩张具有典型的阶段性特征,城市化初期的不透水面快速蔓延和中后期的生态环境约束往往呈现非线性关系。基于多时相数据对典型城市发展中关键指标的变化拐点进行识别,将有助于认识城市景观演变的时间节点,理解城市化的生态响应过程。本文选用深圳市西部1987-2015年长时序Landsat影像共27期,逐年提取新构建的归一化裸露指数（MNDBI*）与归一化植被指数（NDVI*）,从而在时间上寻找城市增长的转折点,在空间上识别不同空间位置的景观演变特征。研究结果表明,1987-2015年深圳市城市增长十分明显,并以2003年为拐点经历了“快速增长”至“平稳约束”的变化;与此对应,植被指数的关键拐点与城市化拐点基本重合,印证了城市建设用地扩张和生态系统响应的时空关联特征。此外,从空间分异来看,深圳市南部各区的城市化约束期出现相对更早,拐点一般在1995-1998年间;而北部各区的快速城市化时期持续更长,一般在2003-2006年后趋于平稳。在空间上,以市图书馆为中心刻画西、北、西北、东北剖面线方向的指标动态,发现采样中心附近的景观类型变化较小,而更远辐射半径经历了更大幅度的城市化;这说明深圳市南部城市发展较早达到饱和,且近30年的城市扩张以由南向北的放射式蔓延为主。面临城市化带来的生态威胁,相关环保措施的有力实施仅能延缓城市化导致的生境退化步伐,城市扩张所带来的生态破坏依然不容小觑,合理而有力的政策颁布、实施与监管在未来的城市发展中极为必要。

关键词：城市扩张;生态响应;拐点识别;分段线性回归;深圳市
Abstract
The expanding impervious surface along with the process of urbanization has produced great impact on ecological land in most of megalopolises all over the world. A typical urban expansion process usually shows a phase character, and the rapid increase of urban area has a non-linear correlation with vegetation degradation. Therefore, it is essential to recognize the important turning points in the curve of urban growth and the expansion pattern, which would also make a clear understanding of ecosystems' responses to urbanization. Landsat TM/ETM+ dataset was widely used in the detection of landscape change, however, most of the studies used the visual interpreted data per 5 years or above to characterize a long-term variation, and less attention was paid to the identifications of urban sprawl stages. In this study, with western Shenzhen City as a case study area, two new indexes of MNDBI* and NDVI* were built based on long-term Landsat dataset during 1987-2015, in order to identify the turning points of urban sprawl in temporal dimension and analyze the landscape evolution characteristics at different expansion axes. The results showed that western Shenzhen had experienced a rapid urbanization and the water area as well as vegetation coverage decreased dramatically. Specifically, the urban growth could be divided into two phases, i.e. rapadly growing period and stable period by the year 2003, and the vegetation degradation changed in 1999. The similar turning points confirmed the consistent spatiotemporal correlation between urbanization and the ecosystem responses. Furthermore, from the perspective of spatial differentiation, urban sprawl consistently occurred in the northern districts and coastland with sea reclamation until 2003-2006. The southern districts in western Shenzhen experienced the stable urbanization period much earlier than the other ones, with the turning points were identified during 1995-1998. Urban landscape evolution showed various characteristics in different profiles, a large number of sample points were selected through the west, north, east, northwest, northeast directions per 120 m, and the two indexes were calculated in 1987 and 2015 in four directions from central Shenzhen. Obvious urbanization as well as vegetation degradation could be found in a further expansion radius. Also, it is indicated that the north and west profiles should be the major urban expansion axes. In a word, Shenzhen's urbanization has exerted a complex effect on the eco-environment, and in order to realize vegetation restoration, a series of environmental protection policies were promulgated and implemented in recent 10 years. However, this could only postpone the process of habitat degradation rather than ecological restoration. Therefore, more powerful policies are required in the future development of Shenzhen City, and more attention should be focused on the response of ecosystems to the urbanization process.

Keywords：urban sprawl;ecological response;turning point identification;piecewise linear regression;Shenzhen City

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张甜, 王仰麟, 刘焱序, 彭建. 1987-2015年深圳市主城区景观演变过程多时相识别[J]. , 2016, 71(12): 2170-2184 https://doi.org/10.11821/dlxb201612008
ZHANG Tian, WANG Yanglin, LIU Yanxu, PENG Jian. Multi-temporal detection of landscape evolution in western Shenzhen City during 1987-2015[J]. 地理学报, 2016, 71(12): 2170-2184 https://doi.org/10.11821/dlxb201612008

1 引言

20世纪90年代以来,随着中国城市化步伐的加快,不透水面扩张极为明显^[1-2]。城市空间变化特征是其扩张的最直观体现,而不加约束的过度城市化将对生态资源造成严重威胁,因此,如何对城市增长进行科学有效的控制,成为当前城市化背景之下的关键议题。同时,城市扩张往往具有典型的阶段性特征,通常经历“萌生—快速发展—约束发展—衰退或再生”的周期性改变^[3],而各阶段出现的时间是城市自然生命周期与政策干预共同作用的结果。在城市增长的控制手段中,城市增长边界与生态控制线最为典型^[4],其概念的提出为遏制城市无序扩张、协调城市及生态系统关系提供了有力思路,因而在国内外得到广泛关注^[5-9]。从城市发展阶段来看,城市增长边界与生态控制线的划定不仅使城市不透水表面在空间上得到合理控制,也在时间上将城市增长与生态衰退的饱和点不断推迟或消除。
作为世界上最大的发展中国家,中国城市扩张时空特征及其阶段性也一直是学界关注的焦点问题^[10-11]。近年来,长三角、珠三角等地开始注重对存量建设用地进行挖掘,部分城市的外延扩展态势得到遏止^[12];同时,在土地与规划政策（如城市增长边界）的约束下,城市的扩张规模、形态和时序受到一定控制^[13],一些典型大城市扩张速度放缓,进而体现出从快速增长到逐渐稳定的非线性过程^[14]。因此,在大部分城市建设由增量扩张向存量开发的转型周期中,建设用地面积呈现从萌生到快速增长再到稳定的过程,城市自然生态空间也同步经历快速收缩到保护管控的历程^[15]。对于这一非线性过程中拐点的有效识别,将有助于认识城市发展的关键时间节点,更充分的理解城市发展的规律以及城市扩张与生态响应的关系,以对其进行必要的人为干预与及时调整。
借助Landsat TM/ETM+等中高分辨率遥感影像,解译建设用地并进行面积统计,一直是城市扩张景观演变过程识别的主流方法^[16-19]。而城市景观演变不仅仅包含着不透水面的增加,相应的生态用地减少以及绿地格局的改变^[20],也已经成为城市景观演变时空分析的主要内容。因此,基于典型的遥感指数（如植被指数、不透水指数、水体指数等）对城市景观进行定量识别,进而探究植被对城市化的响应过程成为理解城市景观演变生态效应的重要方式^[21-22]。在对数据的选取方面,针对中国不同城市结合2~4期影像对城市扩张进行动态监测的相关案例已不鲜见^[23-25],更有****借助历史图件资料将大城市扩张研究时间跨度扩展至半世纪以上^[26-27]。但使用间隔年份反映连续城市发展的方法必将损失细节信息,随着近30余年遥感影像的不断积累,6期及以上的城市面积解译结果使回归方程得以建立,从而可以对城市景观演变过程进行更有效的定量刻画与规律认知^[28]。
然而,目前城市景观演变研究中仍有一些问题值得深入探讨：第一,景观演变时间序列的连续性不高。已有研究多数采用5年或以上的时间间隔描述景观演变,样本过少将使曲线拟合精度受到影响;第二,影像解译结果重视分类信息而忽视成分信息。影像解译分类结果容易受到解译方法的影响,更会因解译主体的主观判别而增加结果的不确定性。同时,由于30 m分辨率往往存在混合像元,因而需要改变数据挖掘方法从而对像元的成分信息实现更有效的定量表征;第三,对城市发展阶段尤其是发展拐点的识别缺乏关注。在城市发展过程中城市景观演变的非线性特征尚需要更明确的识别,不同空间位置、样带或样点的景观演变过程值得进一步探索。因此,多时相、参数化的遥感影像处理方式成为目前城市景观演变研究的重要需求。
深圳市是中国城市建设最快的大城市之一,同时也是生态控制政策颁布最早的城市。为明确深圳市当前城市扩张现状,探究其城市发展关键时间节点,并在长时间序列的基础上分析城市扩张的生态响应,本文基于1987-2015年连续的Landsat影像对深圳市城市扩张的关键遥感参数进行提取;选取新构建的改进的归一化裸露指数（MNDBI*）与归一化植被指数（NDVI*）指示城市扩张及城区绿化强度,通过拟合深圳市近30年来景观演变状况,在时间上寻求城市从增长到约束的转折点;同时选取4条典型城市扩张剖面线,在空间上识别城市不同位置的景观演变特征,从而准确理解城市景观演变的非线性过程。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

作为中国首个经济特区,深圳市自1979年建市以来实现了由边陲小镇向经济中心的转变,并已在2014年国务院发布的《关于调整城市规模划分标准的通知》中被评为全国6座“超大城市”之一^[29]。在地理位置上,深圳市位于113°46′E~114°37′E、22°27′N~22°52′N之间,地处广东省南部沿海,整体呈东西宽、南北窄的狭长形分布。深圳市属亚热带海洋性季风气候,年平均气温22.4 oC,年降雨量1981 mm,全年高温多雨。市内河流水系分布呈现出小河众多、大河稀少的特征,共有独立河流93条、中小水库171座,但人均水资源拥有量仅为全国平均水平的1/12。目前,全市下辖6个行政区和4个新区、57个街道办（图1）。
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图1研究区地理位置示意及城市扩张典型剖面线
-->Fig. 1The general situation of the study area (western Shenzhen) and location of typical profiles
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自1980年批准设置经济特区以来,深圳市生态用地快速转变为硬质城建用地,目前的城市扩张已接近饱和,而生态环境则明显恶化,城市开发与生态保护间的矛盾日益突出。针对这一问题,深圳市政府于2005年在全国首批颁布了《深圳市基本生态控制线管理规定》^[30],严格限制基本生态控制线内的建设活动。深圳市共占据两景Landsat影像,考虑到不同条带号影像的时相差异以及不连续性,难以保证各参数提取结果的空间一致,本文选择深圳市西部的城市主体区域作为研究区,该区所对应的Landsat条带号为122/044。图1通过遥感影像波段融合反映出1987年深圳市土地利用状况,其在城市发展初期集中连片的不透水面主要分布于罗湖区西南部及福田区东部,该区域即为深圳市城市扩张的中心点。

2.2 数据来源

本文的主要数据来自连续的Landsat遥感影像数据,数据下载自USGS美国地质勘探局（https://earthexplorer.usgs.gov/）,主要包括Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM+及Landsat 8 OLI数据,为保证影像质量及在指数计算时对地物的真实反映,本文仅选取云量小于20%的影像,因此排除1989年、1992年数据。在所涉及的3种数据集中,除热红外波段与全色波段外均为30 m分辨率,其中Landsat 5 TM数据共20期,Landsat 7 ETM+数据共4期（1999年、2000年、2002年、2012年）,Landsat 8 OLI数据共3期（2013-2015年）。本文所涉及的遥感反演参数基于ArcMap 10.2和ENVI 5.1波段运算得到。

2.3 遥感参数信息提取

城市不透水面是指城市中由各种不透水建筑材料所覆盖的表面。归一化裸露指数（Normalized Differenced Barren Index, NDBI）是常用的识别非植被覆盖区的定量化指标,其通常反映城镇和裸地的共同信息。考虑到归一化植被指数（Normalized Differential Vegetation Index, NDVI）反映植被信息,则1-NDVI可以反映居民地、裸地以及河流等非植被信息。因而,结合NDVI构建改进的归一化裸露指数（Modified Normalized Difference Barren Index, MNDBI）,可以明显提高不透水信息提取的精度^[31]。具体计算公式为：
MNDBI=NDBI+(1-NDVI)（1）
NDBI=MIR-NIRMIR+NIR（2）
式中：NIR、MIR分别为ETM+影像的近红外、中红外波段;MNDBI取值为-1~1,正值表示不透水面信息,负值表示植被与水体。
植被指数是通过遥感光谱通道间组合运算获得的无量纲数据,是对地面植被状况的一种经验或半经验的观测。本文选取应用最为广泛的归一化植被指数NDVI来反映深圳市多年生态用地变化,NDVI取值在-1~1之间,负值表示云、水、雪,0表示岩石或裸土,正值表示植被,且随覆盖度增大而增大^[32]。具体计算公式为：
NDVI=NIR-REDNIR+RED（3）
式中：RED、NIR分别为Landsat TM/ETM+的红、近红外波段。
为尽可能减少同一景影像因获取时间、天气等不确定性因素所造成的光谱差异,本文对所求取的MNDBI及NDVI指数进行进一步的归一化处理,并以MNDBI*及NDVI*代表新构建指标,具体计算公式为：
MNDBI*=MNDBIsta-MNDBIMNDBIsta-MNDBIvegsta（4）
NDVI*=NDVIsta-NDVINDVIsta-NDVIwatersta（5）
式中：MNDBI_sta、NDVI_sta为不透水面及植被稳定像元的逐年MNDBI与NDVI平均值,对应稳定像元（通过对比Google Earth并结合TM数据目视解译得到）,包括建设用地样本5154个、植被样本2747个。同时,在MNDBI及NDVI指数中,植被与水体分别为对应指标的最小值,因此将对应地类稳定像元的平均值（MNDBI_vegsta与NDVI_watersta）也带入归一化运算中,其中稳定水体共6981个栅格样本。归一化后的MNDBI*及NDVI*指标值域在0~1之间,0值代表该类地物饱和度最高,1则表示完全非该类地物。

2.4 时间序列突变点检测

在对城市扩张趋势进行识别时,本文基于深圳市西部近30年来MNDBI*及NDVI*年均值进行拟合,识别城市景观演变特征。在对变化过程拐点的判断中,本文采用分段线性回归进行模拟,具体操作在MATLAB R2014a软件中编程实现。分段线性回归较之一元线性回归能够更精确、有效地反映数据的真实变化趋势,在判断趋势上升与下降的同时说明变化的程度,已经被广泛用于长时间序列指标变化分析中^[33]。其具体原理及计算方法为：
y=β0+β1t+εβ0+β1t+β2t-a+εt≤at>a（6）
式中：y表示MNDBI*或NDVI*指标序列;β₀为截距;β₁、β₂分别表示拐点前后的斜率;t为时序或年份;a为判断得到的拐点;ε为残差,式中参数由最小二乘法获得。本文使用分段线性回归检验多条变化曲线的拐点,以此确定城市增长到约束以及生态响应的转折年份。此外,进一步采用Pettitt检验法对分段线性回归所得拐点进行验证。作为一种非参数化趋势度量法,Pettitt检验常与其他多种检验法相结合进行判定^[34]。

3 结果与分析

3.1 城市景观演变空间格局

深圳市西部城市扩张及其生态响应过程可通过指标MNDBI*、NDVI*进行刻画,通过对逐年指标空间化制图可以发现,深圳市在近30年间经历了快速城市化进程,硬质地表不断扩张,由此导致城区内部及周边水体、绿地急剧减少（图2,图3）。图2a表明深圳市西部不透水面覆盖度整体提高,尤以北部的光明新区、龙华新区及龙岗区最为显著;相对而言,南部福田、罗湖、南山等老城区城市扩张较缓。变异系数可以衡量指标的离散程度,深圳市西部大部分地区MNDBI*均具有较高的波动性,而离散度较低的地区对应着生态本底相对完好的山区,当地MNDBI*长期处于稳定低值,因而波动性弱（图2b）。MNDBI*最大值中的低值区指示着长时间序列下的稳定建设用地,也即深圳市城市发展的最初状态,发展初期不透水面主要集中于福田、罗湖及西南沿海,北部各区建设程度相对较低（图2c）。图2d中高值区对应着城市化程度最低、植被覆盖度最高的区域,即深圳市稳定的城市绿地。
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图21987-2015年深圳市西部MNDBI*特征
-->Fig. 2The MNDBI* of western Shenzhen in 1987-2015
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图31987-2015年深圳市西部NDVI*特征
-->Fig. 3The NDVI* of western Shenzhen in 1987-2015
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深圳市西部绿化状况在城市发展初期较为优良,但随着人类活动的加剧,城市绿地不断退让为人工地表。深圳市西部植被在近30年间呈整体退化趋势,尤以北部各区最为严重;而南部部分地区植被有所恢复,主要集中于西南沿海（图3a）。已有研究表明,深圳市在20世纪80年代至90年代经历了大规模填海造陆^[35],城市扩张及伴随而来的绿地建设是沿海地区植被恢复的主要原因。同时,深圳市内部有多处集中水体,如铁岗水库、西丽水库、深圳水库等,由于政府对人工水体的持续性保护,使其周边植被多年来也呈现良好的增长趋势。图3b所示变异系数呈高低分异现象,高植被覆盖区因受季节与气候影响,通常有着更高的离散程度。尽管研究区整体承受着快速城市化带来的生态压力,但在南山区中北部、福田区北部、罗湖区东部及盐田区大部分地区有着稳定的植被覆盖,这些地区对应着深圳市的主要山地（图3d）。总体来说,深圳市西部近30年来的城市扩张对生态环境有着不可忽视的负面作用,但自然生态系统具备一定的自我调节和修复能力,且随着相关治理政策的颁布,自然生态系统不会一味地朝着恶化单向发展。因此,单纯从景观演变的空间格局来判断城市发展的合理性并不全面,长时间序列的动态变化分析极为必要。

3.2 城市景观演变拐点识别

为进一步了解深圳市西部城市扩张及其生态响应的动态变化,对27期Landsat影像计算所得的MNDBI*及NDVI*逐年均值进行统计,并按4年为间隔进行均一化,以进一步排除指标的波动变化。由此,在排除水体影响的情况下绘制两指标在1987-1990年、1991-1994年、1995-1998年、1999-2002年、2003-2006年、2007-2010年及2011-2015年共7个时段的变化趋势,并对其进行分段线性拟合,得到不同阶段的增减程度及突变点,同时绘制各指标在首尾及突变时段的空间分布图（图4）。总体来看,随着近30年间深圳市西部的城市发展,建设用地与绿地覆盖整体呈现完全相反的变化趋势,且在不同空间区域,建设用地增加与绿地减少程度差异明显。
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图41987-2015年深圳市西部NDVI*及MNDBI*拐点识别
-->Fig. 4Turning point of long-term NDVI* and MNDBI* of western Shenzhen in 1987-2015
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从图4a的变化趋势来看,MNDBI*指标呈先快速下降再趋于平缓的特征,拐点出现在2003-2006年间,通过Pettitt检验所得突变点为2003年（P < 0.05）,两种判断方法所得结果一致。具体而言,深圳市在1987-2003年间全面响应经济特区建设号召,在全区进行大规模开发建设,因此经历了城市扩张的“萌生期”与“加速阶段”;2003年至今,深圳市西部城市化步伐明显放缓,城市扩张进入“约束期”,部分城市绿地保护有所加强。与城市化进程相反,深圳市西部植被覆盖度不断降低,拐点出现在1999-2002年间,与Pettitt检验得到的1999年相符（P < 0.05）。城市扩张与生态约束拐点的出现一方面是由于城市发展生命周期的内部制约,另一方面则与当地相关政策的颁布与实施息息相关。在城市发展的第一阶段,深圳市西部生态问题突出、人居环境及生物多样性均受到不同程度的威胁,深圳市政府于2004年、2005年分别颁布了《深圳市绿地系统规划（2004-2020）》^[36]及《深圳市基本生态控制线管理规定》^[30],基于该政策背景,深圳市西部绿地在第二阶段缩减速度明显变缓,这也从另一方面反映出当地政府实施环境保护政策的及时性与有效性。
对首尾时段与突变时段的NDVI*及MNDBI*进行空间制图,并选取5个显著变化样区,识别深圳市西部城市发展的空间模式（图4b）。在城市化及其生态响应的第一阶段,全区城市绿地均大幅减少,尤以1~4号样地削减最为显著,同时,样地中对应的MNDBI*明显提升。在城市发展的第二阶段,相应地类的格局变化明显变缓,北部各区建设用地更为密集,而南部中心城区城市绿地覆盖有小幅提升。值得注意的是,以5号样地为代表的珠江口及沿海地区水体在城市发展的两个阶段均呈缩小趋势,这是深圳市为实现沿海地区高速城市化不惜“向海借地”的直观体现^[35]。同时,图4b也展示出研究区的城市扩张模式,具体以罗湖区西南部及福田区东部的10个街道办为扩张中心向四周进行蔓延式扩张,且城市整体格局于2003-2006年间基本定型,后期扩张速度明显减缓,总体呈现城市群密度高、扩张速度快且集中连片的特征。
对深圳市西部全域的景观演变拐点识别体现了城市发展的整体特征,而对各个行政区的进一步刻画则反映出了这一过程的空间特异性,有利于明晰环境变化及政策导向对于城市发展的差异化影响。图5展示了深圳市西部8个行政区NDVI*及MNDBI*的变化趋势及拐点,由此可知,位于南部的福田及罗湖区在发展初期虽具有较高的城市化水平,但各自发展模式并不相同：福田区的高速城市化阶段较短,随后经历了近20年的平稳发展,且植被与建设用地的突变具有一致性;相比之下,罗湖区的植被覆盖一直经历着高速退化,虽在近10年间城市化进程变缓,仍无法阻止植被的削减趋势。盐田区山地较多因而具备相对稳定的植被覆盖,当地城市化及植被退化呈稳定的单调变化趋势。在发展初期,毗邻深圳湾的南山区不断进行填海造陆,导致该时段MNDBI*指标迅速下降,而后期滨海地区逐步建立了如深圳湾公园等大量生态公园,使南山区发展后期的整体生态有所恢复。
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图51987-2015年深圳市西部各行政区NDVI*及MNDBI*拐点识别
-->Fig. 5Turning point identification of the long-term NDVI* and MNDBI* of each district in western Shenzhen in 1987-2015
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深圳市北部4个行政区的城市化速度、模式均与南部有着明显差异。城市化起步相对较晚的龙华新区及龙岗区的城市发展有着高度的一致性,都经历了较之南部更持久、更快速的城市扩张,而城市化变缓的2003-2006年也正是深圳市整体绿地规划及生态控制线政策所提出的时期^{[30, 36]}。紧邻珠江口的宝安区在发展初期水体集中连片分布,而填海造陆对水体景观不断压缩,已有研究表明深圳市自进入21世纪以来填海进入了理性增长阶段^[35],与本文的城市增长拐点（2003-2006年）相一致。光明新区与其他各区发展模式较为不同,自1991年起当地一直保持高速的城市增长及相应的植被退化,用地类型改变程度为各区之首。总体来看,深圳市南部各区城市发展在时间上相对北部更为超前,因而城市发展的拐点更早出现,相应的城市扩张平稳期与植被恢复期更长。

3.3 城市景观演变典型剖面线对比

城市扩张往往以一个或多个城区集群为中心向四周进行蔓延,从新扩张斑块与老城区斑块的空间关系来看,一般分为“填充式扩张”、“边缘延伸式扩张”与“边远式扩张”3种^[37]。对于深圳市西部来说,1987-2015年间以罗湖区、福田区的10个街道办为中心进行扩张,采用典型剖面线布设的方法对NDVI*、MNDBI*的空间分异进行度量。由于深圳市西部城市呈辐射式扩张趋势,因此选取西、北、西北及东北4个轴线方向,以每120 m为间断点对轴线进行划分并提取NDVI*及MNDBI*数值,并重点关注首尾两期指标的改变（图6、图7）,图中横轴为距中心辐射点的采样点次序。
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图61987年和2015年深圳西部不同扩张轴线MNDBI*动态特征
-->Fig. 6MNDBI* variation in different profiles of western Shenzhen in 1987 and 2015
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图71987年和2015年深圳市西部不同扩张轴线NDVI*动态特征
-->Fig. 7NDVI* variation in different profiles of western Shenzhen in 1987 and 2015
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经过近30年的城市扩张,深圳市西部各轴线方向2015年MNDBI*数值明显低于1987年（图6）,不透水面覆盖度大幅提升。具体而言,西向轴线贯穿福田及南山两个老城区,并涉及深圳湾与珠江口水域,福田区初始城市化水平较高,至2015年区内虽有多处饱和不透水地表,但因城市绿地的保护力度加大,部分地区MNDBI*数值升高;南山区轴线远端与宝安区样点位于珠江口水域,2015年MNDBI*数值下降是填海造陆的直观体现（图6a）。作为辐射范围最广的西北轴,主要涉及内陆地区,除福田区首尾两年变化较小之外,龙华新区、宝安区及光明新区城市化进程显著,龙华新区与宝安区交界处的稳定绿地也有小幅退化（图6b）。北向轴仅涉及两区,与福田区相似,老城区罗湖城市化较早达到饱和,后期稳定城市建设以小幅调整为主,而龙岗区在近30年间发展极为迅速,多地原有绿地完全转为不透水面,MNDBI*数值接近0（图6c）。东北轴所涉行政区与北向轴相同,但反映出不同辐射方向的发展特征,对比图6c、6d可知,罗湖区在东北方向拥有较为丰富的植被与水体资源,因而MNDBI*更高;龙岗区在东北轴向地形更为复杂,城市景观类型丰富,因而绿地与建设用地间隔出现,MNDBI*波动较大。总体来看,对于南部老城区而言,1987-2015年间MNDBI*波动较小,且罗湖区城市化起步比福田区更早,硬质地表覆盖密度更高;北部各区自1987年以来均经历了快速城市化,截止2015年,宝安区及龙华新区相较其他区而言城市化程度更高。
NDVI*的高低直接反应了植被覆盖的密集程度,在城市化驱动下各轴线方向2015年植被覆盖度较1987年有明显下降（图7）。具体而言,在西向轴线上,植被覆盖随采样点距扩张中心的距离增大而增加,且样点序列52~60的对应地区2015年植被明显恢复,对比图4b中NDVI*的空间格局可知,福田区在城市化后期出现了两处高覆盖度稳定绿地,即笔架山与莲花山公园,因此区域性的植被恢复与《深圳市绿地系统规划（2004~2020）》^[36]中对城市公园的保护规定密切相关。西北轴线上的龙华新区展现出比其他区更好的植被覆盖,但整体采样点仍经历了大幅植被退化。北向及西北轴线反映出罗湖区与龙岗区的用地变化,作为深圳市老城区,罗湖区城市景观在多年间并未发生显著改变;龙岗区在北向轴线比东北轴线绿地退化更为明显,与图6c、6d所示的不透水面改变状况一致。由于NDVI*中水体数值接近1,图7也同时反映出城市内部的水资源变化。图6d中58~77序列样点对应着深圳市主要水源地深圳水库,从NDVI*指标的变化曲线来看,该水体范围并未明显改变,由此说明深圳市在城市化进程中水体景观面积削减主要发生在沿海地区,而对城市内部水体保护较好。

3.4 城市景观演变的政策驱动力

面对快速城市化带来的巨大生态压力,深圳市政府在于2003年出台的《深圳市近期建设规划（2003~2005）》中,首次在国内创新性地提出了“基本生态控制线”的概念^[38]。在生态控制线的保护下,近年来深圳市一方面集约控制建设用地,一方面又让市民享受到其他城市少有的市区内多公园、多绿地的良好城市生态。此外,为巩固城市生态绿线的划定效果,在2004年深圳市又正式实施了《深圳市绿地系统规划（2004-2020）》^[36]。该规定要求重点关注园区内的公园、绿地建设,着力改善园区内环境,增加绿地空间,重点在科技园、大工业区、观澜高新区等园区内安排绿地空间建设,并计划结合深圳市自然地理环境和人均建设用地情况,到2020年实现人均公共绿地18 m²、绿地率50%、绿化覆盖率55%的目标。深圳市政府于2005年颁布的《深圳市基本生态控制线管理规定》^[30],严格限制基本生态控制线内的建设活动,这相当于为城市绿化筑起了一条安全线。该规定要求今后城市绿线范围内的公共绿地、防护绿地、生产绿地、居住区绿地、单位附属绿地、道路绿地、风景林地等必须按照《城市用地分类与规划建设用地标准》、《公园设计规范》等标准进行绿地建设,不得改作他用。
除对绿地的集中、强制保护以外,深圳市政府也密切关注近30年城市发展中水资源急剧减少的严重问题,当地政府在减缓自然海岸线开发的同时,也加强了城区内部多宗水库的保护与扩建,使得城市扩张对水资源的破坏趋势减缓。在2012年颁布的《深圳海洋经济十二五规划》中,明确对填海造陆及自然海岸带开发的问题做出规定,要求“对围填海工程项目尽量采取离岸式、人工岛式、栈桥式等链式的开发模式”、“对在生态敏感地区进行的重大涉海项目,实行最严格的排放标准,并制定生态恢复措施”等^[39]。此外,深圳市近年来加强对186宗中小型水库的保护与扩建,使城市内部人工水资源供给得到保障。由于深圳水库、西丽水库、铁岗水库和石岩水库是当地主要的饮用水源,为进一步加强饮用水源保护工作,针对这4个水库水源保护区存在的问题,深圳市规划与国土资源局、环保局、水务局与2002年起便正式颁布《深圳西丽铁岗石岩水库水源保护区环境综合整治实施方案》^[40],重点关注饮用水源保护区环境综合整治。
总体来说,虽然在近30年的城市化进程中,深圳市的经济发展与自然生境矛盾频现,但随着当地政府一系列生态管控及保护政策的颁布,城市化对自然生境的不利影响明显减缓。然而,从另一角度来看,相关政策规定的颁布与实施并不能阻止过度城市化造成的生态破坏,在不透水面侵占生态用地的过程中,政策驱动力只能发挥抑制与延缓作用,局部的整治优化难以根本促进城市总体生态质量的提升。同时,自然生态系统基于其自身的恢复力及弹性,虽然能够在自身遭到破坏时进行自我修复,但过度开发与不加管制终将导致生态失衡。深圳市作为国际化大都市及中国经济、技术发展的先行城市,当前已经进入了城市化进程的平稳阶段,在未来的城市发展中,合理而有力的政策颁布、实施、监管是极为必要的,这对于权衡经济发展与生态保护以及城市生态文明建设有着正向的推动作用。

4 结论与讨论

本文从时间和空间两个角度全面评价深圳市城市扩张特征,除对NDVI*、MNDBI*指标在长时间序列上的动态分析与拐点识别外,还加入了城市不同扩张轴线上的剖面线监测,以期深入了解典型大城市发展过程中的景观演变规律。在时间上,1987-2015年深圳市西部城市主体扩张明显,且以2003年为关键拐点,经历了“快速增长”至“平稳约束”的变化。同时,随着城市硬化表面的扩大,城区内植被及水体显著减少,植被指数的关键拐点与城市扩张拐点基本重合,表现了城市建成区从扩张到约束与生态用地从收缩到恢复的时间一致性。不同行政区的发展进程体现出一定的差异性与规律性,南部老城区的城市化约束期及植被缓慢退化期的出现相对更早,拐点一般出现在1995-1998年间;而北部各区的快速城市化时期持续时间更长,一般在2003-2006年后城市化才趋于平缓。
在空间上,1987-2015年间深圳市以罗湖区、福田区的10个街道办为中心点实现了蔓延式扩张,且城市化主要包括不透水面压缩城市内部生态用地、填海造陆两种模式,北部各区及珠江口沿岸城市增长最为显著,相应的植被退化程度也最大。对NDVI*及MNDBI*在不同扩张轴线上的动态刻画反映了城市不同辐射半径与方向的发展差异,距扩张中心越近的地区景观类型变化越小,说明发展较早的福田区及罗湖区城市化较早达到饱和,此外,西北与东北轴线方向的整体生态水平高于西向及北向轴线。对城市景观空间格局变化的研究同时发现,深圳市水体资源的削减主要发生在西部沿海,而城市内部的人工水体如水库等水资源保有量并无明显变化。总体而言,近10年间由于相关环保措施的有力实施,使城市化步伐与相应的生境退化明显变慢,但城市扩张所带来的生态威胁依然不容小觑。深圳市作为中国乃至世界的富有社会经济活力的大都市,其发展历程对其他城市有着极强的典范性,当地政府及环保部门应继续加强相关保护政策的实施,以实现深圳市社会、经济、生态的协调发展。
基于长时间序列连续遥感影像,本文突破了传统研究的局限性,有助于挖掘城市发展过程的细微波动,而使用NDVI*、MNDBI*等典型指标代替传统遥感影像解译而来的景观类型指标来识别城市景观演变也是研究的一大趋势。然而,由于数据来源等限制,本文也难免有一些不足之处。首先,虽然通过归一化及分时段平均的方法尽可能消除季节、天气等要素对遥感影像的影响,但在多种不确定因素作用下逐年指标仍有一定的波动。如何在数据预处理阶段加强对干扰要素的排除与滤波,还有待进一步研究。其次,本文所提取的NDVI*、MNDBI*指标属于景观组分指数,而景观连通度、多样性等构型指数也能够反映生态环境的改变,但该类指标的提取需基于各类用地的空间范围获得,相应所需的遥感指数及关键阈值的获取有待在后续研究中予以补充。
The authors have declared that no competing interests exist.

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[1]	Yang Yanzhao, Feng Zhiming, Zhao Yande, et al.Coordination between urban land expansion and population growth in China. Geographical Research, 2013, 32(9): 1668-1678. [本文引用: 1] [杨艳昭, 封志明, 赵延德, 等.中国城市土地扩张与人口增长协调性研究. 地理研究《 2013, 32(9): 1668-1678.] [本文引用: 1]
[2]	Zhang Li, Lei Jun, Li Xuemei, et al.The features and influencing factors of urban expansion in China during 1997-2007. Progress in Geography, 2011, 30(5): 607-614. [本文引用: 1] [张利, 雷军, 李雪梅, 等. 1997-2007年中国城市用地扩张特征及其影响因素分析 . 地理科学进展, 2011, 30(5): 607-614.] [本文引用: 1]
[3]	Zheng Guo.Literature review on urban stage theory . Urban Development Studies, 2010(2): 83-87. [本文引用: 1] [郑国. 城市发展阶段理论研究进展与展望 . 城市发展研究, 2010(2): 83-87.] [本文引用: 1]
[4]	Pendall R, Martin J, Fulton W.Holding the Line: Urban Containment in the United States. Washington D.C. : The Brookings Institution Center on Urban and Metropolitan Policy, 2002. [本文引用: 1]
[5]	Wang Ying, Gu Chaolin, Li Xiaojiang.Research progress of urban growth boundary at home and abroad. Urban Planning International , 2014(4): 1-11. [本文引用: 1] [王颖, 顾朝林, 李晓江.中外城市增长边界研究进展 . 国际城市规划, 2014(4): 1-11.] [本文引用: 1]
[6]	Long Ying, Shen Zhenjiang, Mao Qizhi, et al.Form scenario analysis using constrained cellular automata. Acta Geographica Sinica, 2010, 66(6): 643-655. [龙瀛, 沈振江, 毛其智, 等. 基于约束性CA方法的北京城市形态情景分析 . 地理学报, 2010, 66(6): 643-655.]
[7]	Wang Ying, Gu Chaolin, Li Xiaojiang.Preliminary study on urban growth boundary of Suzhou City . Journal of Urban and Regional Planning, 2015(2): 1-24. [王颖, 顾朝林, 李晓江.苏州城市增长边界划定初步研究 . 城市与区域规划研究, 2015(2): 1-24.]
[8]	Huber M T, Currie T M.The urbanization of an idea: Imagining nature through urban growth boundary policy in Portland, Oregon. Urban Geography, 2007, 28(8): 705-731.
[9]	Jun M J.The effects of Portland's urban growth boundary on urban development patterns and commuting. Urban Studies, 2004, 41(7): 1333-1348. [本文引用: 1]
[10]	Gao Jinlong, Chen Jianglong, Su Xi.Urban expansion and its driving mechanism in China: From three main shools' perspectives. Progress in Geography, 2013, 32(5): 743-754. [本文引用: 1] [高金龙, 陈江龙, 苏曦. 中国城市扩张态势与驱动机理研究学派综述 . 地理科学进展, 2013, 32(5): 743-754.] [本文引用: 1]
[11]	Gao Yicheng, Shen Yuming, Qiu Ling.The evolvement and restructuring of the urban spatial structure of Jincheng City, Shanxi Province. Geographical Research, 2013, 32(7): 1231-1242. [本文引用: 1] [高宜程, 申玉铭, 邱灵. 山西省晋城市空间结构演化与重构 . 地理研究, 2013, 32(7): 1231-1242.] [本文引用: 1]
[12]	Zhang Jingxiang, Zhao Dan, Chen Hao.Termination of growth supremacism and transformation of China's urban planning. City Planning Review, 2013, 37(1): 45-50. [本文引用: 1] [张京祥, 赵丹, 陈浩. 增长主义的终结与中国城市规划的转型 . 城市规划, 2013, 37(1): 45-50.] [本文引用: 1]
[13]	Long Ying, Han Haoying, Mao Qizhi.Establishing urban growth boundaries using constrained CA. Acta Geographica Sinica, 2009, 64(8): 999-1008. [本文引用: 1] [龙瀛, 韩昊英, 毛其智. 利用约束性CA制定城市增长边界 . 地理学报, 2009, 64(8): 999-1008.] [本文引用: 1]
[14]	Kuang Wenhui, Liu Jiyuan, Shao Quanqin, et al.dynamic urban growth model at regional scale and its application. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(2): 178-188. [本文引用: 1] [匡文慧, 刘纪远, 邵全琴, 等. 区域尺度城市增长时空动态模型及其应用 . 地理学报, 2011, 66(2): 178-188.] [本文引用: 1]
[15]	Wu Jiansheng, Feng Zhe, Gao Yang, et al.Research on ecological effects of urban land policy based on DLS model: A case study on Shenzhen City. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(11): 1673-1682. [本文引用: 1] [吴健生, 冯喆, 高阳, 等. 基于DLS模型的城市土地政策生态效应研究: 以深圳市为例 . 地理学报, 2014, 69(11): 1673-1682.] [本文引用: 1]
[16]	Wang Lei, Li Congcong, Ying Qing, et al.China's urban expansion from 1990 to 2010 determined with satellite remote sensing. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(16): 1388-1403. [本文引用: 1] [王雷, 李丛丛, 应清, 等. 中国1990-2010年城市扩张卫星遥感制图 . 科学通报, 2012, 57(16): 1388-1403.] [本文引用: 1]
[17]	Hadeel A S, Jabbar M T, Chen X.Application of remote sensing and GIS to the study of land use/cover change and urbanization expansion in Basrah Province, southern Iraq. Geo-spatial Information Science. 2009, 12(2): 135-141.
[18]	Alsharif A A A, Pradhan B. Urban sprawl analysis of Tripoli Metropolitan City (Libya) using remote sensing data and multivariate logistic regression model. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2014, 42(1): 149-163.
[19]	Tayyebi A, Perry P C, Tayyebi A H.Predicting the expansion of an urban boundary using spatial logistic regression and hybrid raster-vector routines with remote sensing and GIS. International Journal of Geographical Information Science, 2014, 28(4): 639-659. [本文引用: 1]
[20]	Jiao Limin, Xiao Fengtao, Xu Gang, et al.Spatial-temporal response of green land fragmentation patterns to urban expansion in Wuhan metropolitan area. Resources Science, 2015, 37(8): 1650-1660. [本文引用: 1] [焦利民, 肖丰涛, 许刚, 等. 武汉都市区绿地破碎化格局对城市扩张的时空响应 . 资源科学, 2015, 37(8): 1650-1660.] [本文引用: 1]
[21]	Zhou D, Zhao S, Liu S, et al.Spatiotemporal trends of terrestrial vegetation activity along the urban development intensity gradient in China's 32 major cities. Science of the Total Environment, 2014, 488: 136-145. [本文引用: 1]
[22]	Zhao S, Liu S, Zhou D.Prevalent vegetation growth enhancement in urban environment. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113: 6313-6318. [本文引用: 1]
[23]	Sun Shanlei, Zhou Suoquan, Wei Guoshuan, et al.Dynamic monitoring of urban expansion in the region around Hangzhou Bay. Journal of Natural Resources, 2008, 23(2): 327-335. [本文引用: 1] [孙善磊, 周锁铨, 魏国栓, 等. 环杭州湾地区城市扩张的遥感动态监测 . 自然资源学报, 2008, 23(2): 327-335.] [本文引用: 1]
[24]	He Zhen, Zhao Wenliang, He Junping.Remote sensing monitoring of urban sprawl based on object-oriented and driving forces analysis: A case study of Zhengzhou City. Geographical Research, 2011, 30(12): 2272-2280. [贺振, 赵文亮, 贺俊平. 郑州市城市扩张遥感动态监测及驱动力分析 . 地理研究, 2011, 30(12): 2272-2280.]
[25]	Li Xia, Anthony Gar-on Yeh. Application of remote sensing for monitoring and analysis of urban expansion: A case study if Dongguan. Geographical Research, 1997, 16(4): 57-63. [本文引用: 1] [黎夏, 叶嘉安. 利用遥感监测和分析珠江三角洲的城市扩张过程: 以东莞市为例 . 地理研究, 1997, 16(4): 57-63.] [本文引用: 1]
[26]	Zhang Xiufang, Niu Shuwen, Feng Xiao, et al.Spatial-temporal characteristics and driving factors of urban land expansion of a valley city: A case study of Tianshui City in western China. Geographical Research, 2013, 32(12): 2312-2323. [本文引用: 1] [张修芳, 牛叔文, 冯骁, 等. 天水城市扩张的时空特征及动因分析 . 地理研究, 2013, 32(12): 2312-2323.] [本文引用: 1]
[27]	Kuang Wenhui, Shao Quanqin, Liu Jiyuan, et al.Spatio-temporal patterns and driving forces of urban expansion in Beijing central city since 1932. Journal of Geo-information Science, 2009, 11(4): 428-435. [本文引用: 1] [匡文慧, 邵全琴, 刘纪远, 等. 1932年以来北京主城区土地利用空间扩张特征与机制分析 . 地球信息科学学报, 2009, 11(4): 428-435.] [本文引用: 1]
[28]	Zhao S, Zhou D, Zhu C, et al.Spatial and temporal dimensions of urban expansion in China. Environmental Science & Technology, 2015, 49(16): 9600-9609. [本文引用: 1]
[29]	The State Council of the People's Republic of China. Notice about Adjusting the Standard of Urban Size Classification. 2014. [本文引用: 1] [中华人民共和国国务院. 关于调整城市规模划分标准的通知. 2014.] [本文引用: 1]
[30]	The People's Government of Shenzhen City. The Regulations of Basic Ecological Line in Shenzhen City. 2005. [本文引用: 4] [深圳市人民政府. 深圳市基本生态控制线管理规定. 2005.] [本文引用: 4]
[31]	Zhan Qingming.Urban Remote Sensing Technology. Wuhan: Press of Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2001: 120-128. [本文引用: 1] [詹庆明. 城市遥感技术. 武汉: 武汉测绘科技大学出版社, 2001: 120-128.] [本文引用: 1]
[32]	Wang Zhenxing, Liu Chuang, Huete Alfredo.From AVHRR-NDVI to MODIS-EVI: Advances in vegetation index research. Acta Ecologoca Sinca, 2003, 23(5): 979-987. [本文引用: 1] [王正兴, 刘闯, Huete Alfredo.植被指数研究进展: 从AVHRR-NDVI到MODIS-EVI . 生态学报, 2003, 23(5): 979-987.] [本文引用: 1]
[33]	Liu Xianfeng, Zhu Xiufang, Pang Yaozhong, et al.The spatial-temporal changes of cold surge in Inner Mongolia during recent 53 years. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(7): 1013-1024. [本文引用: 1] [刘宪锋, 朱秀芳, 潘耀忠, 等. 近53年内蒙古寒潮时空变化特征及其影响因素 . 地理学报, 2014, 69(7): 1013-1024.] [本文引用: 1]
[34]	Pettitt A N.A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics, 1979, 28(2): 126-135. [本文引用: 1]
[35]	Yu Haibo, Mo Duowen, Wu Jiansheng.Study on the dynamic changes and driving forces based on remote sensing images of land reclamation in Shenzhen. Progress in Geography, 2009, 28(4): 584-590. [本文引用: 3] [于海波, 莫多闻, 吴健生. 深圳填海造地动态变化及其驱动因素分析 . 地理科学进展, 2009, 28(4): 584-590.] [本文引用: 3]
[36]	Planning and Land Resources Committee of Shenzhen City . Green Space System Planning of Shenzhen City (2004-2020). 2004. [本文引用: 4] [深圳市规划和国土资源委员会 . 深圳市绿地系统规划(2004-2020). 2004.] [本文引用: 4]
[37]	Li J, Li C, Zhu F.Spatiotemporal pattern of urbanization in Shanghai, China between 1989 and 2005. Landscape Ecology, 2013, 28(8): 1545-1565. [本文引用: 1]
[38]	The People's Government of Shenzhen City. Construction Planning of Shenzhen City (2003-2005). 2003. [本文引用: 1] [深圳市人民政府. 深圳市近期建设规划(2003-2005). 2003.] [本文引用: 1]
[39]	Oceanic Administration of Shenzhen City. Shenzhen's Marine Economy the 12th Five-year Plan. 2012. [本文引用: 1] [深圳市海洋局. 深圳海洋经济十二五规划. 2012.] [本文引用: 1]
[40]	The People's Government of Shenzhen City. Water and Environment Comprehensive Conservation Plan of Xili Tiegang and Shiyan Reservoir in Shenzhen City. 2002. [本文引用: 1] [深圳市人民政府. 深圳西丽铁岗石岩水库水源保护区环境综合整治实施方案. 2002.] [本文引用: 1]