基于Landsat影像的赤峰市城區(qū)擴(kuò)張時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力分析

齊廣慧，龔一赫，張 平

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，山東 泰安 271018)

城市擴(kuò)張演變是城市化的一個(gè)重要特征[1]。城市是聚落的一種特殊的社會(huì)形態(tài)，亦是一個(gè)空間概念。我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)的城市飛速發(fā)展，導(dǎo)致城市綜合體中的各項(xiàng)因素隨之產(chǎn)生時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)生某些相互作用，人類(lèi)活動(dòng)在自然界的改造行為，必然產(chǎn)生一些城市化問(wèn)題亟待解決。城市系統(tǒng)的空間擴(kuò)展是當(dāng)前對(duì)于城市系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一，城市化空間擴(kuò)展作為城市系統(tǒng)的重要體現(xiàn)，對(duì)城市環(huán)境穩(wěn)態(tài)、空氣質(zhì)量等方面都有著緊密關(guān)系。城市系統(tǒng)空間擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究與城市熱環(huán)境是許多學(xué)者力圖解決的問(wèn)題[2-5]。

與傳統(tǒng)方法相比，使用衛(wèi)星遙感影像提取城區(qū)具有成本低、覆蓋范圍廣、時(shí)序長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前進(jìn)行城市空間擴(kuò)張研究的重要方法[6]。對(duì)Landsat TM/OLI衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理，在進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，將不透水面的概念引入，不透水面為城市中的人造地表設(shè)施，如道路、樓房、屋頂、高速公路、停車(chē)場(chǎng)、廣場(chǎng)等為主，城市區(qū)域的獲取即為不透水面的獲取。進(jìn)而提取出赤峰市主城區(qū)面積，進(jìn)行時(shí)間尺度、空間尺度的研究，分析赤峰市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力。

1 研究區(qū)概況

赤峰市是內(nèi)蒙古自治區(qū)下轄地級(jí)市，位于內(nèi)蒙古東南部，介于北緯41°17′10″～45°24′15″，東經(jīng)116°21′07″～120°58′52″之間，蒙冀遼三省區(qū)接壤處，蒙東遼西冀北地區(qū)(舊熱河地區(qū))經(jīng)濟(jì)中心、區(qū)域中心城市[7]。本文選擇的研究區(qū)域?yàn)槌喾迨兄鞒菂^(qū)，由三個(gè)轄區(qū)內(nèi)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)組合，故無(wú)法依照區(qū)縣級(jí)行政區(qū)劃范圍研究，故本文選用赤峰市主城區(qū)輻射范圍內(nèi)的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地跨赤峰市的紅山區(qū)、松山區(qū)、喀喇沁旗三個(gè)轄區(qū)內(nèi)，分別為馬林鎮(zhèn)、橋北鎮(zhèn)、文鐘鎮(zhèn)、王家店鄉(xiāng)、當(dāng)鋪地滿(mǎn)族鄉(xiāng)、紅廟子鎮(zhèn)、牛家營(yíng)子鎮(zhèn)，五三鎮(zhèn)，穆家營(yíng)子共九個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及直轄城區(qū)，總面積約為1 148 km2，邊界長(zhǎng)度約為191 km。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的2003年與2009年的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat5 TM 影像，2013年與2018年選用的為L(zhǎng)andsat8 OLI影像。數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，數(shù)據(jù)時(shí)間為當(dāng)年七月份左右，云量較少，低于5%，空間分辨率為30 m。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自于赤峰市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局獲取的信息計(jì)算。

2.2 不透水面信息提取

對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等。 不透水面信息提取需要對(duì)地物類(lèi)別進(jìn)行特征樣本的選取和訓(xùn)練，本文選擇Landsat影像的近紅外波段(NIR)、紅色波段(R)、綠色波段(G)從而生成RGB標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像，使用感興趣區(qū)當(dāng)做訓(xùn)練樣本，建立地物類(lèi)型的判別標(biāo)志。

每一類(lèi)地物樣本訓(xùn)練的選取數(shù)量，應(yīng)是所用的遙感數(shù)據(jù)波段數(shù)的10～30倍，在這個(gè)基礎(chǔ)上越多越好。每一類(lèi)地物樣本的選取為150個(gè)左右，符合選取標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)選取的樣本進(jìn)行可分離性分析，基于Jeffries-Matusita距離與Transformed Divergence轉(zhuǎn)換分離度進(jìn)行。兩個(gè)參數(shù)值范圍是(0～2.0)，大于1.9說(shuō)明所選擇的樣本可分離性比較好，本文所選樣本符合要求。

進(jìn)行不透水面信息提取時(shí)，選擇支持向量機(jī)算法(SVM)，該方法已廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星影像的分類(lèi)，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以提高的分類(lèi)準(zhǔn)確率[8-9]。

本文采用總體精度和Kappa系數(shù)作為信息提取結(jié)果的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)?？傮w精度是驗(yàn)證點(diǎn)中正確的個(gè)數(shù)占總數(shù)的百分比，Kappa系數(shù)是評(píng)價(jià)分類(lèi)精度的一種方法，其值位于0～1之間，數(shù)值越大則代表模擬精度越高[10]。在對(duì)每期分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，在不透水面上隨機(jī)選取150個(gè)，通過(guò)逐點(diǎn)確認(rèn)的方式進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。提取出來(lái)2003、2009、2013、2018年的不透水面信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 城區(qū)擴(kuò)張時(shí)空分析

3.1.1 城市空間熱點(diǎn)及演變分析

判斷空間聚類(lèi)程度，如果各變量之間互相非?？拷?，即為極度相關(guān)。莫蘭指數(shù)(Moran's I)是一種通用的空間自相關(guān)測(cè)量方法。由于Moran指數(shù)不能判斷空間數(shù)據(jù)是高值聚集還是低值聚集，提出了全局G系數(shù)[11]?；贕統(tǒng)計(jì)原理，可以利用ArcGIS計(jì)算出熱點(diǎn)分布情況， 高的正數(shù)表明存在一組高值或一個(gè)熱點(diǎn)。 另一方面，數(shù)值為負(fù)值則表明存在一群低值或冷點(diǎn)。

3.1.2 城市重心演變分析

質(zhì)心的概念來(lái)源于物理量，在GIS中將城市視作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，分析其質(zhì)心便可得到空間分布及時(shí)間變化。利用加權(quán)的平均質(zhì)心方法，在平均質(zhì)心的基礎(chǔ)上增加一個(gè)面積權(quán)重，從而計(jì)算城市不透水面的質(zhì)心變化情況，X、Y分量計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中，Xt、Yt為需要得到的，在t時(shí)間點(diǎn)的總經(jīng)緯度坐標(biāo)，Xi、Yi分別為計(jì)算前t時(shí)間點(diǎn)下i圖斑的重心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，Cti為t時(shí)間點(diǎn)下圖斑i的面積數(shù)值。通過(guò)面積加權(quán)，可以在得出城市重心變化，如圖1所示。2003年赤峰市中心城區(qū)的重心位于哈達(dá)西街附近，2003～2009年向西北方移動(dòng)334.1 m，與新城區(qū)的向西方的發(fā)展建設(shè)與橋北新區(qū)的建設(shè)有直接關(guān)系，2009～2013年向南方移動(dòng)485.47 m，因?yàn)?007年赤峰市玉龍機(jī)場(chǎng)投入運(yùn)營(yíng)、文鐘鎮(zhèn)的建設(shè)導(dǎo)致。2013～2018年向西南方急速移動(dòng)1 216.35 m，與機(jī)場(chǎng)路附近的完善、新城區(qū)向西南方向擴(kuò)展、文鐘鎮(zhèn)的建設(shè)、以及南山后山的開(kāi)發(fā)有直接關(guān)系。

圖1 赤峰市中心城區(qū)重心演變

3.1.3 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)是在某一點(diǎn)數(shù)據(jù)、線(xiàn)數(shù)據(jù)或是面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給定一個(gè)距離閾值，從而形成邊界在閾值范圍鄰域，表現(xiàn)為閉合多邊形空間實(shí)體。對(duì)于城市的空間特性分析，常使用緩沖區(qū)作為研究工具，能夠定量化的描述某范圍內(nèi)的研究對(duì)象。由于2003年前后赤峰市中心城區(qū)空間結(jié)構(gòu)比較聚集，且變動(dòng)不大，所以本文建立緩沖區(qū)的對(duì)象為2003年赤峰市中心城區(qū)重心點(diǎn)，為了研究城市的空間擴(kuò)展規(guī)律，劃定緩沖區(qū)形狀為圓形，使用ArcGIS分別選定鄰域半徑為3 km、6 km、9 km、12 km、15 km的一共五個(gè)同心圓，分別與四個(gè)時(shí)相的赤峰市中心城區(qū)矢量圖疊加顯示，能夠獲得距離2003年赤峰市中心城區(qū)重心5個(gè)不同距離鄰域的擴(kuò)展特點(diǎn)以及不透水面的空間分布，方便多層次分析，緩沖區(qū)如圖2所示。

圖2 城區(qū)3 km、6 km、9 km、12 km、15 km緩沖區(qū)圖像

3.1.4 城區(qū)擴(kuò)張面積分析

提取出的赤峰市中心城區(qū)的矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，分析赤峰市主城區(qū)不透水面面積變化信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 赤峰市中心城區(qū)不透水面面積

赤峰市城市不透水面面積呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，總體面積2003～2008年增加55.723 5 km2，2008～2013年增加了73.614 6 km2，2013～2018年增加61.02 km2。3 km緩沖區(qū)內(nèi)城區(qū)由于本身就比較健全，在2003～2013年間面積增長(zhǎng)緩慢，2013～2018年發(fā)展完全，6 km、9 km、12 km的 緩沖區(qū)增長(zhǎng)基本與整個(gè)研究區(qū)的增長(zhǎng)速度相似。

3.1.5 城市化水平分析

對(duì)于城市化的評(píng)價(jià)，需要對(duì)在城市化水平進(jìn)行衡量，衡量的標(biāo)準(zhǔn)有城市化率(LUR)，即為城市區(qū)域里面，城市用于建設(shè)用的土地積所占比重，計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

公式里UCA指的是城市區(qū)域中建設(shè)用地的面積，UA是城市區(qū)域的總面積。從概念上講，建設(shè)用地包含人造地表設(shè)施如道路、樓房、高速公路、停車(chē)場(chǎng)、廣場(chǎng)等，與不透水面概念相似，故本文借用此式原理計(jì)算不透水面比例，研究區(qū)域的總面積為1 147.735 3 km2，基于研究區(qū)范圍及五層緩沖區(qū)進(jìn)行赤峰市主城區(qū)的城市不透水面比例分析，如圖4所示。

3.1.6 城市化進(jìn)程分析

“城市土地?cái)U(kuò)展面積”[10]的概念是在一年內(nèi)其他地類(lèi)轉(zhuǎn)換為城市用地的面積大小，“城市土地?cái)U(kuò)展速度”的概念為年均化的城市用地增長(zhǎng)比例，公式如式(4)、式(5)所示。

圖4 赤峰市中心城區(qū)不透水面比例

ULEA=(UCAi+n-UCAi)/n

(4)

ULEA=[(UCAi+n/UCAi)1/n-1]×100%

(5)

其中，ULEA為城市土地?cái)U(kuò)展面積；ULER為城市土地?cái)U(kuò)展速度；UCA為城市建設(shè)用地面積；i為起始年年份；n為年份數(shù)。從概念上講，建設(shè)用地包含人造地表設(shè)施如道路、樓房、高速公路、停車(chē)場(chǎng)、廣場(chǎng)等，與不透水面概念相似，故本文借用此式原理計(jì)算擴(kuò)展面積與速度。如圖5、圖6所示。

3.2 城區(qū)擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)往往會(huì)直接造成城市的擴(kuò)張，本文對(duì)赤峰市全市的生產(chǎn)總值與不透水面面積進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)赤峰市GDP總值與研究區(qū)赤峰市主城區(qū)不透水面面積具有正相關(guān)性，如圖7所示。

圖5 赤峰市中心城區(qū)不透水面擴(kuò)展面積

圖6 赤峰市中心城區(qū)不透水面擴(kuò)展速度

圖7 赤峰市GDP與中心城區(qū)3 km、6 km、9 km、12 km、15 km、全部不透水面面積關(guān)系

由赤峰市GDP與中心城區(qū)六個(gè)尺度的線(xiàn)性關(guān)系分析，可知GDP是影響赤峰市中心城區(qū)擴(kuò)展的重要因素，六個(gè)尺度的關(guān)系結(jié)果表明，線(xiàn)性模型都具有很好的擬合性，其中，3 km緩沖區(qū)因?yàn)檫_(dá)到極限而沒(méi)有擴(kuò)張空間，受GDP影響不大，6 km緩沖區(qū)發(fā)展也比較完備，增長(zhǎng)較慢，其余的9 km。12 km、15 km與全部研究區(qū)的城市擴(kuò)展情況，均與赤峰市GDP有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 人口因素

城市化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著城市化水平的增加，大量人口流入城市，城市常住人口隨之增加，會(huì)對(duì)城市的繼續(xù)建設(shè)提供條件，因此本文選取城鎮(zhèn)常住人口量與不透水面面積分析，從內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)得到赤峰市年末城鎮(zhèn)從業(yè)人口數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與赤峰市主城區(qū)不透水面面積具有正相關(guān)性，如圖8所示。

圖8 赤峰市城鎮(zhèn)就業(yè)人員與中心城區(qū)關(guān)系

3.2.3 交通因素

交通的發(fā)展往往會(huì)讓出行更為方便，因此可以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也能促進(jìn)城市化的建設(shè)，以及不透水面的建設(shè)，因此本文依照內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)局對(duì)于赤峰市總交通道路運(yùn)輸線(xiàn)公里數(shù)及貨運(yùn)量與赤峰市主城區(qū)不透水面面積進(jìn)行研究，得出三者之間均有正相關(guān)關(guān)系，擬合度0.918較高，如圖9所示。

圖9 不透水面與赤峰市交通運(yùn)輸線(xiàn)與貨運(yùn)量的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古赤峰市的主城區(qū)，經(jīng)過(guò)對(duì)Landsat TM/OLI衛(wèi)星影像的處理與分類(lèi)，提取出赤峰市主城區(qū)不透水面信息，進(jìn)行時(shí)間尺度、空間尺度的研究，得出以下結(jié)論：

(1)2003～2018年期間，赤峰市中心城區(qū)由高速擴(kuò)張轉(zhuǎn)向低速發(fā)展，但在15年內(nèi)城鎮(zhèn)化水平發(fā)生了巨大變化，不透水面面積上漲了五倍，城鎮(zhèn)化率由3.89%上漲至20.55%。

(2)由城市空間熱點(diǎn)圖可知城市的主要發(fā)展方向和高空間自相關(guān)地區(qū)，可以清楚的看見(jiàn)城市的核心區(qū)域，2003～2009年在北部和西部的拓展，2009～2013年在南部的拓展，以及2013～2018年在西南地區(qū)的拓展，結(jié)合城市重心的概念，可以看見(jiàn)城市發(fā)展的影響及內(nèi)在規(guī)律。

(3)對(duì)于赤峰市中心城區(qū)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的研究，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域不透水面面積與赤峰市城鎮(zhèn)總?cè)丝?、總GDP、交通因素有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，數(shù)據(jù)表明中心城區(qū)是赤峰市的重要部分。