基于GIS的城市空間擴(kuò)展特征分析

摘 要：以RS和GIS技術(shù)為支撐，基于多時(shí)相Landsat遙感數(shù)據(jù)，采用人工解譯方法提取錦葫沿海四個(gè)城市空間特征信息，結(jié)合地學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，定量研究了城市擴(kuò)張速度、強(qiáng)度、緊湊度及城市用地分維數(shù)四個(gè)指標(biāo)。結(jié)果表明：1990-2010年城市擴(kuò)張面積為8166 hm2，擴(kuò)張速度為7.37%，擴(kuò)張強(qiáng)度為0.11；城市用地?cái)U(kuò)展速度最快的是葫蘆島市；擴(kuò)展強(qiáng)度最大的是錦州；錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散；葫蘆島市的城市用地邊界最為復(fù)雜。該結(jié)論可以作為城市規(guī)劃的前期研究，并為城市空間擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究及空間擴(kuò)展模擬打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GIS 城市空間擴(kuò)展 錦葫沿海地區(qū)

中圖分類號(hào)：F291 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-00-03

長期以來，由于缺乏堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和定量研究方法，我國城市空間擴(kuò)展研究仍然囿于描述性研究，缺乏系統(tǒng)的空間與微觀研究。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、地理信息系統(tǒng)的普及和城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立為解決以上問題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。利用GIS進(jìn)行城市空間擴(kuò)展研究是GIS應(yīng)用于城市規(guī)劃的新興領(lǐng)域[1]，該文基于GIS和RS技術(shù)，對(duì)錦葫沿海四個(gè)城市進(jìn)行城市空間擴(kuò)展特征的定量分析，可以作為城市規(guī)劃的前期研究，并為城市空間擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究及空間擴(kuò)展模擬打下基礎(chǔ)。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域包括錦州、葫蘆島、興城、凌海4市的行政范圍（以下簡(jiǎn)稱“錦葫沿海地區(qū)”），面積7847.6 km2，沿海岸帶呈帶狀分布，地理坐標(biāo)在北緯39 °59′～41 °26′，東經(jīng)119 °12′47″～121 °45′之間，是傳統(tǒng)的遼西走廊區(qū)位，也是溝通關(guān)內(nèi)外、聯(lián)結(jié)東北華北的黃金通道。錦葫沿海地區(qū)區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，屬于“城市熱點(diǎn)區(qū)域”及“生態(tài)敏感區(qū)域”，有填海造地的現(xiàn)象存在，不同于內(nèi)陸城市的空間擴(kuò)展，因此選擇錦葫沿海地區(qū)作為研究區(qū)域具有典

型性[2]。

本研究采用1990年9月2日、2000年6月19日和2010年9月28日3個(gè)時(shí)相的Landsat TM和ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源（軌道號(hào)為：120-31、120-32、121-31和121-32），輔助數(shù)據(jù)源包括地形圖、遼寧省地圖、四個(gè)城市的相關(guān)規(guī)劃圖等圖件。

用地分類標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)2011年發(fā)布的《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》。在Erdas 2011中完成對(duì)影像的校正配準(zhǔn)、拼接、切割、假彩色合成等步驟。利用ArcGIS 9.3軟件，通過人工解譯遙感影像進(jìn)行地物分類，進(jìn)行遙感影像的目視解譯和數(shù)字化景觀

信息[3]。

2 研究方法

2.1 擴(kuò)張速度

建設(shè)用地的擴(kuò)張速度表示單位時(shí)間內(nèi)建設(shè)用地的變化幅度，計(jì)算公式為[4]：

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)區(qū)域建設(shè)用地的年變化率；Ua、Ub分別為研究時(shí)段開始于結(jié)束時(shí)建設(shè)用地的面積；T為研究時(shí)段，此處設(shè)為年。

2.2 擴(kuò)張強(qiáng)度

建設(shè)用地的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Iue為建設(shè)用地的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)；ΔUi為某一時(shí)段建設(shè)用地的擴(kuò)張數(shù)量；Ai為研究單元的土地總面積；Δt為某一時(shí)段的時(shí)間跨度。

2.3 緊湊度

城市空間緊湊度變化是度量空間形態(tài)變化的最主要特征指標(biāo)之一，倍受關(guān)注[5]，緊湊度的變化可表征城市用地?cái)U(kuò)展的空間

特征。

式中：c為緊湊度；At、Pt分別為第t年城市斑塊的面積和周長。c值在0～1，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好，反之越差。圓是形態(tài)最緊湊的圖形，其緊湊度為1。

2.4 城市用地分形維數(shù)

城市用地分形維數(shù)可描述城市邊界形狀的曲折性和復(fù)雜性，它反映了土地利用形狀的變化及土地利用受干擾的程度[6]，計(jì)算公式如下：

式中：St為第t年城市斑塊的分形數(shù)；At、Pt分別為第t年城市斑塊的面積（km2）和周長（km）。分形維數(shù)值的理論范圍在1～2，維數(shù)越大表示圖形形狀越復(fù)雜。當(dāng)維數(shù)<1.5時(shí)，說明圖形趨向于簡(jiǎn)單；當(dāng)維數(shù)=1.5時(shí)，表示圖形處于布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越接近于該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)維數(shù)>1.5時(shí)，則圖形趨于復(fù)雜。

3 城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展特征分析

為了更直觀地反映1990-2010年各城市空間結(jié)構(gòu)的變化過程，在ArcGIS中只提取主城區(qū)建設(shè)用地屬性，分別生成錦、葫、凌、興四個(gè)城市主城區(qū)的城市擴(kuò)展圖，見圖1。

統(tǒng)計(jì)各時(shí)期、各城市的城市建設(shè)用地面積，計(jì)算城市擴(kuò)展速度和強(qiáng)度，見表1。

從錦、葫、凌、興1990-2010年間城市用地?cái)U(kuò)展情況表中可以看出：

（1）1990-2000年，城市用地增長量最高的是葫蘆島市，高達(dá)2117 hm2，最低的是凌海市，增量為239 hm2；城市用地?cái)U(kuò)展速度最快的是葫蘆島市，其次是凌海市、錦州市，最低的是興城市；擴(kuò)展強(qiáng)度是錦州市最高，次之是葫蘆島市、興城市，最低是凌海市。

（2）2000-2010年，城市用地增長量最高的是葫蘆島市，高達(dá)2040公頃，最低的是凌海市，增量只有234 hm2；擴(kuò)展速度最快的是葫蘆島市，其次是錦州市、凌海市，擴(kuò)展速度最慢的是興城市；擴(kuò)展強(qiáng)度最高的為錦州市，其次是葫蘆島市，凌海市和興城市的城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度相當(dāng)。

（3）1990-2010年這20年里，城市用地?cái)U(kuò)展速度最快的是葫蘆島市，其次是凌海市、錦州市和興城市；擴(kuò)展強(qiáng)度排序是錦州市、葫蘆島市、興城市、凌海市。

按照公式分別計(jì)算錦、葫、凌、興四市城市緊湊度和分形維數(shù)，將結(jié)果用柱狀圖直觀地表示出來，見圖2和圖3。

從圖2和圖3中可以看出：

（1）城市緊湊度由高到低依次是：凌海市、興城市、錦州市、葫蘆島市。錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散。由于緊湊度變化與城市效率變化呈現(xiàn)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]，因此葫蘆島市在下一步城市規(guī)劃中應(yīng)加強(qiáng)城市的空間布局，提高緊湊度，使城市投入要素資源的配置和利用水平得到了改善。

（2）葫蘆島市的城市用地邊界最為復(fù)雜，其次是錦州市。凌海市1990-2000年形狀不斷復(fù)雜，2000-2010年趨于簡(jiǎn)單；興城市正好與凌海市相反。由于在信息熵?zé)o法測(cè)得的時(shí)候，可用分維代替信息熵進(jìn)行地理信息分析[8]，因此錦葫沿海四個(gè)城市中，葫蘆島市的城市用地空間形態(tài)分布是相對(duì)最為均衡的。

4 結(jié)語

本研究利用遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)和GIS的空間分析技術(shù)監(jiān)測(cè)錦葫沿海四個(gè)城市1990—2010年城市擴(kuò)張面積為8166 km2，擴(kuò)張速度為7.37%，擴(kuò)張強(qiáng)度為0.11；城市用地?cái)U(kuò)展速度最快的是葫蘆島市；擴(kuò)展強(qiáng)度最大的是錦州；錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散；葫蘆島市的城市用地邊界最為復(fù)雜。利用多時(shí)相遙感影像作為數(shù)據(jù)源，并利用遙感的數(shù)字圖像處理技術(shù)和GIS的空間分析技術(shù)相結(jié)合，可快速有效地監(jiān)測(cè)城市用地?cái)U(kuò)展的面積、速度、強(qiáng)度等，從而可在宏觀上把握城市開發(fā)的方向、速率及占用耕地情況，進(jìn)而為政府建設(shè)、規(guī)劃部門提供宏觀管理信息和科學(xué)的決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉峰.基于GIS的城市空間擴(kuò)展研究[D].天津大學(xué)，2007.

[2] 任韶紅，蘇雷，朱京海.錦葫沿海地區(qū)景觀格局變化研究[J].中國建設(shè)信息，2012（21）：77-79.

[3] 蘇雷，朱京海，胡克梅，等.基于CA模型的城市空間擴(kuò)展模擬預(yù)測(cè)—以錦葫沿海地區(qū)為例[J].國土資源遙感，2012，24（3）：129-134.

[4] 馮曉剛，李銳，莫宏偉.基于RS和GIS的城市擴(kuò)展及驅(qū)動(dòng)力研究—以西安市為例[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010（2）：202-

208.

[5] 蔡博峰，張?jiān)鱿椋瑒⒈?，?基于遙感和GIS的天津城市空間形態(tài)變化分析[J].地球信息科學(xué)，2007，9（5）：89-93.

[6] 馮健.杭州城市形態(tài)和土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化[J].地理學(xué)報(bào)，2004，58（3）：343-353.

[7] 郭騰云，董冠鵬.基于GIS和DEA的特大城市空間緊湊度與城市效率分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11（4）：482-490.

[8] 陳彥光，劉繼生.城市土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的定量描述.從信息熵到分?jǐn)?shù)維[J].地理研究，2001，20（2）：146-152.