1. 引言
生态空间一词始于18世纪60年代的欧洲地区，是伴随着工业化发展带来诸多环境问题而兴起的[1]。生态空间是以生态服务为主要目的的区域范围，划分生态空间的范围是协调保护和发展、保障生态服务持续供给的基础[2]，生态空间具有广义和狭义之分，广义的生态空间不单是动植物栖息、代谢的自然生态空间，还包括了具有社会属性的生产空间和生活空间[3]；狭义的生态空间是指生态土地的空间尺度[4]。区域生态空间是生态空间的重要组成部分，是跨人文地理学、城市规划、生态学等的交叉研究领域。区域生态空间为城市在保障城市生态安全、提升居民生活质量方面有着重要作用。
二十世纪九十年代，中国学者将生态空间的研究引进来，初期侧重于理论研究，以区域为中心，后逐步与景观生态学结合，进行景观评价、管理和生态规划的研究[5]。目前，国内外的学者对不同地区的植被覆盖、植被分类、环境变化等方面进行了大量的研究，其中包括：归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)、绿度植被指数(GVI)、比值植被指数(RVI)、差值植被指数(DVI)等[6]，比较常用的有NDVI等。通过对国外生态空间学科的研究分析，发现国外的生态空间研究主要集中在环境科学和生态学上，而区域研究和地理学科也在其中占有一席之地。通过对我国区域生态空间布局与规划设计的对比分析，发现我国在空间布局与规划设计方面有所侧重，而国外则侧重于对生态空间的利用、管理及其对公共卫生的影响的研究。
改革开放以来，中国的经济发展迅速，取得了世界上最大的成就。但是，在发展的同时，生态退化和环境污染也在不断加剧。随着我国生态文明建设的不断深入，国家机构改革的深入，我国国土空间规划体系的构建、国土空间用途的统一管理、自然资源监督体系的完善，都是亟待解决的问题[7]。区域生态空间是城市生态系统中的一个重要环节，它对城市生态安全和提高居民生活品质起着举足轻重的作用。
在区域的生态系统中，水体与植被是一个非常重要的自然因素。水体和植被是生态环境的重要自然要素，也是区域生态空间的重要组成要素，水体和植被的变动情况直接反映了该地区的生态空间状况。由于植物与水体在不同频带上的频谱特性反应存在着明显的差别，利用不同的频带间计算方法，可以得到反映地表植被和水体的指标。通过对水体、植被的动态分析，可以有效地了解城市生态环境的演变和保护，这对自然环境的保护有非常重大的意义。
2015年4月，《京津冀协同发展规划纲要》正式宣布通过。根据该规划纲要，德州市是山东省唯一一个纳入京津冀一体化的城市，具有“一区四大基地”的战略地位[8]。德州市位于京津冀一体化发展和省会经济圈的交汇点，是区域一体化的关键节点。德州市的发展过程中，大量的矿物燃料排放到大气中，造成了环境污染；由于人口的迅速增加，大量的生活废水、农业废水等废弃物通过或间接排放到水体中，再加上人口密集、废弃物污染等一系列的环境问题，会使城市规划与环保产生矛盾，因此德州市的生态空间遭到很大破坏。德州市生态空间的动态变化，深刻地反映出我国北方区域发展和生态文明建设的重大成果。
发展区域生态空间预测对于促进区域生态文明建设、可持续发展、保护自然资源环境、实现“金山银山”战略具有重大意义。城市土地利用与生态环境的协调发展是未来可持续发展研究的重要内容[9]。这对于推进区域生态服务价值评价、优化产业布局、树立生态红线意识、促进生态补偿机制建设等都有着重要的实践意义。
2. 研究内容
2.1. 研究区概况
图1描述了德州市的地理位置。德州市坐落于中国华东地区，属山东西北部、位于黄河下游冲积平原地区，东经115˚45'~117˚36'，北纬36˚24'25"~38˚0'32"。德州市的主要气候特点是季风气候比较明显，四季分明，干湿边界分明。德州市春季较为干旱且回暖很快，夏季炎热且多雨，降水集中在夏季，秋季凉爽多晴天，冬季寒冷少雪较干燥，因此具有典型的大陆性气候特点。德州市境内跨省的主要河流有黄河、卫运河、漳卫新河；主要的污水河有徒骇河、德惠新河和马颊河，这些河流基本上形成了干支相通、流域相联、排水能力强的水系。
截止到2014年末，德州市土地面积为1035767.48 km2。其中，耕地总面积达78.68%，为814927.59 km2；建设用地总面积达17.88%，为185231.86 km2。
近年来，德州市经济综合实力显著增强。产业结构不断调整优化，呈现“二三一”格局产业，这对经济和社会迅速发展、人民生活水平不断提高的需求起到了强有力的保障作用。农业生产能力不断释放，工业经济实现跨越式发展，服务业成为经济增长的新引擎；德州市整体城乡居民收入显著提高，生活水平不断提升。
Figure 1. Location map of the study area
图1. 研究区位置图
2.2. 数据来源及处理
本文在研究时使用了Landsat-7和Landsat-8影像数据，这些数据来自于地理空间数据云 (http://www.gscloud.cn)。2010年选取Landsat-7影像数据，选择8月、10月的数据，云量小于等于1%。2020年选取Landsat-8影像数据，选择8月、10月的数据，云量小于等于4%。由于遥感资料有缺失损害，而夏季是对植被覆盖和水体的观测的最好时间，所以资料选取了夏季、无云或少云、质量较好、满足基本应用要求的图像，对研究区植被、水体进行了研究分析。
由于资料是零散的，我们首先利用ENVI技术将已有的遥感数据进行拼接，再将其分割出德州市的区域图像，然后进行辐射定标后，再进行大气校正等操作。将已经经过上述处理的数据用Band Math计算。计算方法：
(1)
(2)
在这里，NIR表示近红外辐射波段(700 nm~1000 nm)的波谱特性，Red表示红光波段(650 nm)的波谱特性，Green表示绿光波段(500 nm~560 nm)的波谱特征。
水体和植被是生态环境的重要自然要素，也是区域生态空间的重要组成要素。遥感指数的提取要求既要科学地反应研究区域生态环境的植被状况，又要简单易行，利于区域间的互相比较[10]。在植被研究中，归一化植被指数(NDVI)在多种植被指数中应用最多最广泛。在水体研究中，归一化水体指数(NDWI)适合加强和提取水域的水信息。水体和植被的动态研究能很好的反映出区域生态空间的动态变化，对认识城市生态环境的变化过程及保护具有重要的理论和实践意义。
本次实验数据采用ArcGis10.2软件进行绘图，采用描述性统计分析和比较分析的方法对德州市的植被空间变化特征和水空间变化特征进行分析。
3. 结果与分析
3.1. 德州市近十年(2010~2020)植被空间变化特征
NDVI是指利用多频段的遥感数据，利用特定的频带组合方法，对植物的生长特性进行定量描述。一般都是以近红外和可见光为基带的两个特征频带进行计算。各种植被指标中，归一化植被指标能较好地反映植被的覆盖度、长势和季节动态，因此其应用最为广泛。NDVI是以遥感图像频带为基础的比率计算，其数值为−1 ≤ NDVI < 1，而为负则为云、水、雪等。
图2为德州市2010和2020年的NDVI图：
Figure 2. Comparison of NDVI images in Dezhou City
图2. 德州市NDVI图像对比
本文以0.3为评判标准，植被区域为NDVI值大于等于0.3，具体如表1所示：
Table 1. Criteria for judging NDVI values
表1. NDVI值判断标准
|
−1~0 |
0~0.3 |
0.3~1 |
土地类型 |
云、水、雪等覆盖 |
建筑面积 |
植被面积 |
根据表1提取植被区域，如图3所示：
Figure 3. Comparison of vegetation area in Dezhou City
图3. 德州市植被面积对比
德州市区域总面积为1,035,632 km2，经过计算可知2010年、2020年德州市植被面积如表2：
Table 2. Comparison of vegetation area in Dezhou City in 2010 and 2020
表2. 德州市2010与2020植被面积对比
|
植被面积(km2) |
占比 |
2010 |
872,840 |
84% |
2020 |
838,860 |
81% |
由表2可知，2010年德州市植被面积为872,840 km2，占比84%；2020年植被面积为838,860 km2，占比81%。在2010到2020年间，德州市植被面积从2010年的872,840 km2下降到了2020年的838,860 km2，从84%下降到81%，绿化状况有所变差。
经过数据处理后，得到德州市各区县植被面积变化如表3：
Table 3. Changes in vegetation area in each district and county of Dezhou City
表3. 德州市各区县植被面积变化
|
德城区 |
陵城区 |
禹城市 |
乐陵市 |
临邑县 |
平原县 |
夏津县 |
武城县 |
庆云县 |
宁津县 |
齐河县 |
2010 |
49% |
85% |
84% |
85% |
84% |
85% |
84% |
83% |
80% |
85% |
84% |
2020 |
37% |
84% |
83% |
84% |
83% |
83% |
84% |
81% |
78% |
83% |
79% |
植被变化情况 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
不变 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
植被变化幅度 |
12% |
1% |
1% |
1% |
1% |
2% |
0 |
2% |
2% |
2% |
5% |
由表3可知，除德城区植被覆盖度小于0.5外，其他地区都在0.8左右。从2010年到2020年，德城区的植被面积由49%减少到了37%，共下降了12%，齐河县84%减少到了79%，共下降了5%，平原县、武城县、庆云县以及宁津县分别下降了2%，其余的其他区县如陵城区、禹城市、乐陵市以及临邑县分别下降了1%，夏津县的植被面积保持不变。
本文以植被变化幅度0.05为判断标准，变化幅度大于等于0.05即为区域植被生态状况下降，小于0.05认为属于正常范围。各区县的具体变化情况如表4：
Table 4. Changes in the ecological status of each district and county in Dezhou City
表4. 德州市各区县生态状况变化
|
德城区 |
陵城区 |
禹城市 |
乐陵市 |
临邑县 |
平原县 |
夏津县 |
武城县 |
庆云县 |
宁津县 |
齐河县 |
植被 变化 情况 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
不变 |
下降 |
下降 |
下降 |
下降 |
植被 变化 幅度 |
12% |
1% |
1% |
1% |
1% |
2% |
0 |
2% |
2% |
2% |
5% |
区域植被生态 状况 |
下降 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
下降 |
因此从表4可知，生态状况变差的区县有德城区和齐河县，其他区县保持不变。
由上述可知，德州市各区县植被面积普遍减少，德州市生态状况整体变差。德城区、齐河县植被面积大幅度减少，其中，德城区变化幅度最大，共减少了12%；其次是齐河县，减少了5%；除夏津县近十年的植被面积不变外，另外的其他区县的变化幅度在1%~2%区间，属于城市化发展进程中正常变化范围。
经分析可知，德州市整体植被面积下降有以下几点原因：首先，城市建设和城市的景观设计不相适应。由于缺乏对城市建设的协调和长期规划，致使森林滥伐、绿地侵占等问题时有发生，甚至侵占规划绿地。目前，城市更新中出现了许多不和谐的项目，造成了极大的损失和资源浪费。为此，应建立健全有关的监督和管理体系，以确保绿色建筑的健康发展。其次，我国的城市建设有一定的不科学倾向。在没有充分考虑当地的条件和环境特征的前提下，一味地引进外来树种，而忽视了本土的利用，而把人工造景看得比自然风景更重，最后会造成品种的栽植和病虫害。因此，必须强化管理，管理是建设中的重要环节，包括检疫制度、植物引种、入侵植物的危害机理等，必须建立健全的管理体系，保证城市绿化的长期有效保障。最后，耕地利用效率增加，耕地面积减少，也是植被面积减少的一个重要原因。
3.2. 德州市近十年(2010~2020)水空间变化特征
水是人类赖以生存和发展的最为宝贵的自然资源，是人类社会经济活动必要的物质基础和前提条件[11]。基于遥感影像提取水体信息对多尺度分析水资源分布和演变过程具有重要意义[12]。Mcfeeters S K 利用绿光波段与近红外波段的关系，提出归一化水体指数(NDWI)，该方法能在一定程度上抑制植被信息，突出水体信息，得到广泛应用[13]。NDWI阈值为[0, 1]。
图4为德州市2010和2020年的NDWI图。
本文以0.4为评判标准，水体区域为NDWI值大于等于0.4的区域，具体如表5所示。
根据表5提取水体区域，如图5所示。
Figure 4. Comparison of NDWI images in Dezhou City
图4. 德州市NDWI图像对比
Table 5. Criteria for judging NDWI values
表5. NDWI值判断标准
Figure 5. Comparison of water body area in Dezhou City
图5. 德州市水体面积对比
德州市区域总面积为1,035,632 km2。经过计算可知，2010年、2020年德州市水体面积如表6所示：
Table 6. Comparison of water area in Dezhou City in 2010 and 2020
表6. 德州市2010与2020水体面积对比
|
水体面积(km2) |
占比 |
2010 |
18,334 |
1.8% |
2020 |
21,775 |
2.1% |
由表6可知，2010年德州市水体面积共18,334 km2，占德州市总面积的1.8%，2020年德州市水体面积共21,775 km2，占德州市总面积的2.1%，这十年间水体面积由1.8%上升到了2.1%，共上升了0.3%，整体水空间状况有所改善。
经过数据处理后，得到德州市各区县水体面积变化如表7：
Table 7. Changes in water area in different districts and counties of Dezhou City
表7. 德州市各区县水体面积变化
|
德城区 |
陵城区 |
禹城市 |
乐陵市 |
临邑县 |
平原县 |
夏津县 |
武城县 |
庆云县 |
宁津县 |
齐河县 |
2010 |
4.5% |
2.3% |
1.7% |
1.1% |
0.9% |
1.5% |
0.6% |
1.5% |
3.1% |
0.3% |
3.2% |
2020 |
7.6% |
2.4% |
1.8% |
1.2% |
1.0% |
2.0% |
0.9% |
1.5% |
3.5% |
0.5% |
3.5% |
水体面积变化情况 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
不变 |
上升 |
上升 |
上升 |
水体面积变化幅度 |
3.1% |
0.1% |
0.1% |
0.1% |
0.1% |
0.5% |
0.3% |
0 |
0.4% |
0.2% |
0.2% |
由表7可知，从2010年到2020年，德城区的水体面积由4.5%增加到了7.6%，共上升了3.1%，平原县由1.5%增加到了2.0%，庆云县由3.1%增加到了3.5%，夏津县、齐河县增加了0.3%，宁津县增加了0.2%，陵城区、禹城市、乐陵市、临邑县增加了0.1%，只有武城县保持不变。
本文以变化幅度0.5%为判断标准，变化幅度大于等于0.5%即为水体生态空间状况有所改善，小于0.5%认为属于正常范围。各区县的具体变化情况如表8：
Table 8. Changes in water ecological situation in different districts and counties of Dezhou City
表8. 德州市各区县区域水体生态情况变化
|
德城区 |
陵城区 |
禹城市 |
乐陵市 |
临邑县 |
平原县 |
夏津县 |
武城县 |
庆云县 |
宁津县 |
齐河县 |
水体面积变化情况 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
上升 |
不变 |
上升 |
上升 |
上升 |
水体面积变化幅度 |
3.1% |
0.1% |
0.1% |
0.1% |
0.1% |
0.5% |
0.3% |
0 |
0.4% |
0.2% |
0.2% |
区域水体生态状况 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
由表8可知，区域水体生态状况改善的有德城区和平原县，其他区县保持不变。
由上述可知，从2010年到2020年的十年间，德州市各区县的水体面积普遍增加，区域水体生态状况整体有所改善。在水体面积中，德城区变化最大，共增加了2.1%，其次是平原县增加了0.5%，除武城县不变外，其余区县增加了0.1%~0.4%不等。就区域水体生态状况而言，德城区和平原县生态状况变好，其他地区保持不变。
由此可见，德州市水体面积在十年间发生了较为明显的变化，究其原因有以下几点：
首先，德州市现代化水网系统得到了优化，供水保障能力得到了显著提高，水旱灾害防治能力得到了显著改善，河湖生态环境得到了极大的改善，水资源的保障能力也达到了一个新的高度。到2021年，共有21个不同类型的水库建成，总蓄水量3亿3千万立方米；新建235个水闸，300平方公里以上的骨干水网总长873公里，年调节雨洪资源容量接近6亿方；建成7.3万公里城乡供水管网和6万公里村级管网，实现了城乡供水一体化率99%，为全国农村饮水安全树立了示范样板[14]。其次，为了缓解水资源短缺问题，我国颁布了《水污染防治法》[15]，由此越来越多的河流开展了水污染防治规划编制，德州市的黄河、卫运河等也不例外。德州市水污染治理效果显著。最后，我们要加强节约用水和废水的再利用。在此以前，水资源的有效利用程度很低，节约用水还有很大的空间。节约用水，科学用水，是我国水资源管理工作的重中之重。通过开展节水宣传、提高水费、调节水价、实行计划供水和取水许可等措施，确保节约用水的目的。
3.3. 德州市生态空间变化特征分析
由对德州市NDVI、NDWI图像及数据分析可知，德州市整体植被面积减少，水体面积增加，德州市生态空间发生变化，具体变动情况如表9：
Table 9. Changes of water bodies and vegetation in various districts and counties of Dezhou City in the past decade
表9. 近十年来德州市各区县水体和植被的变动情况
|
德城区 |
陵城区 |
禹城市 |
乐陵市 |
临邑县 |
平原县 |
夏津县 |
武城县 |
庆云县 |
宁津县 |
齐河县 |
区域植被生态状况 |
下降 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
下降 |
区域水体生态状况 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
整体变化情况 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
改善 |
不变 |
不变 |
不变 |
不变 |
下降 |
由表9可知，区域植被生态状况有所下降的有德城区和齐河县，其他区县保持不变；区域水体生态状况有所改善的有德城区和平原县，其他地区保持不变。就整体区域植被生态状况而言，改善的有德城区和平原县，下降的有齐河县。
德州市生态空间变化状况与经济发展息息相关。经济的增长往往伴随着生态环境的牺牲。从经济发展状况来看，近十年来齐河县国内生产总值(GDP)一直稳居德州市第一，德城区为第二。齐河县以牺牲植被为代价发展经济，不值得提倡。
从地理方位来看，区域生态状况明显改善的有德城区和平原县，主要集中在德州市的西北部和中西部地区。区域生态状况有所下降的为齐河县，分布于德州市的东南部地区。
4. 结论
本研究基于2010年和2020年的遥感数据，运用归一化植被指数(NDVI)和归一化水体指数(NDWI)对德州市生态空间的动态变化进行了深入分析。研究结果揭示了德州市在植被覆盖和水体面积方面的变化趋势，为理解该区域的生态保护、环境管理和可持续发展提供了科学依据。
研究发现，德州市的NDVI值从2010年到2020年有所下降，表明德州市各区县植被覆盖度减少，尤其是德城区、齐河县植被面积大幅度减少，集中在德州市的西北部和东南部。本研究通过引入NDVI指数，提供了更精确的量化分析。NDWI值的上升表明德州市的水体面积有所增加，以德城区、平原县为代表的区县水空间状况得到改善。这一点与前人研究中关于水资源管理重要性的论述相呼应，本研究通过实际数据支持了这一观点，并进一步分析了水体面积增加的具体区域分布。尽管植被面积有所减少，但水体面积的增加使得德州市整体生态空间得到改善。本研究为德州市乃至其他类似区域的生态空间管理和规划提供了更为科学和精确的决策支持。