基于RS技術(shù)的河谷型小城市建設(shè)用地時(shí)空演變分析
——以武山縣為例

于志遠(yuǎn)

（天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

自20世紀(jì)90年代以來，我國城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)用地也在逐步擴(kuò)大。城市建設(shè)用地的擴(kuò)展是由社會生產(chǎn)力發(fā)展而引起的，是一個(gè)城市規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程。在城市化不斷演變推進(jìn)的過程中，城市建設(shè)用地逐漸向周圍城鄉(xiāng)結(jié)合地帶擴(kuò)展。

我國西北地區(qū)東南部多處于黃土高原與南部山地之間，分布著廣泛的河谷型城市，城市被迫沿地形及河流走向發(fā)展。天水是西北地區(qū)典型的河谷型城市，位于甘肅省東南部，有“兩山夾一川”的自然地理環(huán)境。武山縣位于天水市西北部的渭河上游，地處秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復(fù)合地帶，城區(qū)為渭河河谷平原，南山為中低丘陵。

河谷地形阻礙了城市空間的發(fā)展，是城市發(fā)展的制約條件。武山縣享有絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶甘肅段和關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的位置優(yōu)勢，有關(guān)其建設(shè)用地方面的研究比較少見，本文選取武山縣作為個(gè)案進(jìn)行研究。

本文通過中科院對地觀測數(shù)據(jù)共享計(jì)劃網(wǎng)站獲取了武山縣2013年和2020年Landsat8的數(shù)據(jù)，同時(shí)在遙感影像和ENVI軟件等技術(shù)的支撐下，對武山縣城市建設(shè)用地進(jìn)行動態(tài)化研究分析。

一、研究現(xiàn)狀

對于城市建設(shè)用地的研究，國內(nèi)外存在很大差別。國外研究開始較早，集中在19世紀(jì)，研究方向最初聚集于聚落的地理特征，隨著研究成果的豐富和研究技術(shù)的成熟，逐漸轉(zhuǎn)向了聚落的保護(hù)與發(fā)展。[1]

受西方研究影響，我國城市聚落研究主要集中在對城市外部空間形態(tài)、城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、城市空間評價(jià)、城鎮(zhèn)群體空間結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與機(jī)制和區(qū)域城鎮(zhèn)體系等方面的研究。在城市建設(shè)用地發(fā)展研究領(lǐng)域中，對于河谷型城市目前還沒有獨(dú)立的研究系統(tǒng)，沒有深入的理論和應(yīng)用。因此，本文選取了武山縣作為研究對象，并嘗試?yán)眠b感影像從多角度、多層次進(jìn)行研究，試圖找到獨(dú)特的研究成果，對武山縣的城市空間發(fā)展進(jìn)行梳理，得出相應(yīng)結(jié)論。

二、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

（一）研究區(qū)概況

本研究的區(qū)域?yàn)楦拭C省武山縣，位于甘肅省東南部，地處秦嶺北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣的復(fù)合地帶，東連甘谷，南靠岷縣、禮縣，西接漳縣，北鄰隴西、通渭二縣。地勢西高東低，南高北低，均向中部河谷川區(qū)傾斜，城區(qū)為渭河河谷平原，南山為中低丘陵。武山縣境內(nèi)非金屬礦儲藏量大，是天水市面積較大的縣城，人口數(shù)量也居于前列。近年來隨著國土空間的規(guī)劃，武山縣被確定為關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)“兩軸”經(jīng)濟(jì)帶東西軸線的重要三級城市，成為天水地區(qū)典型且發(fā)展迅速的城市，未來將承擔(dān)隴東南地區(qū)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范基地和區(qū)域物流集散中心的功能，因此選擇該地作為研究區(qū)域。

（二）研究區(qū)數(shù)據(jù)

本研究采用國內(nèi)中科院對地觀測數(shù)據(jù)共享計(jì)劃網(wǎng)站Landsat8的遙感影像數(shù)據(jù)。Landsat8是美國在2013年發(fā)射升空的第八顆陸地衛(wèi)星，它與之前的系列衛(wèi)星相比，有著更高的分辨率，且圖像地物信息也更為精確，所以被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和資源管理的各個(gè)方面。在實(shí)際應(yīng)用過程中，Landsat8搭載的兩個(gè)傳感器在成像方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，利用Landsat8的數(shù)據(jù)來探測地球表面的物質(zhì)有很強(qiáng)的優(yōu)勢。[2-4]本研究通過GIS，結(jié)合光譜分析及數(shù)字圖像處理，獲取武山縣建設(shè)用地信息。為了提高遙感影像獲取質(zhì)量，本研究選擇在正常天氣狀態(tài)下，云量控制在10%以內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)。

三、研究方法

（一）建設(shè)用地的提取

目前，利用遙感影像觀測城市建設(shè)用地的研究比較普遍，提取的方法主要包括圖像差值法、圖像比值法、光譜閾值法等。這些方法可以滿足對信息提取的不同條件需求。因此，本次研究綜合利用NDBI和NDVI指數(shù)，獲取了武山縣7年內(nèi)建設(shè)用地的擴(kuò)展情況。[5-7]NDBI歸一化建筑指數(shù)和NDVI歸一化植被指數(shù)對于觀察城市建設(shè)過程中的景觀變化十分便利，當(dāng)?shù)乇頉]有建筑或建筑較少時(shí)，NDVI指數(shù)偏高；相反，若地表建筑較多時(shí)，NDBI指數(shù)偏高。因此，本研究通過判斷哪類指數(shù)較高，來斷定城市建設(shè)用地的擴(kuò)展趨勢。

本研究依據(jù)武山縣建設(shè)用地統(tǒng)一空間布局，提取建筑用地的影像數(shù)據(jù)，利用疊加分析來處理。首先，對不同區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行大氣校正并分類，得到該年份的建設(shè)用地特征圖，然后再進(jìn)行疊加處理，處理后的圖像呈現(xiàn)多年建設(shè)用地的變化趨勢，這樣可以避免因圖像中出現(xiàn)一些小斑塊而影響圖像信息。[19]然后，將得到的兩幅二值化圖，分別運(yùn)用柵格運(yùn)算進(jìn)行疊加計(jì)算分析，具體步驟為：第一步，把矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)；第二步，對轉(zhuǎn)化后的柵格數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖層進(jìn)行疊加操作；第三步，將柵格數(shù)據(jù)矢量化得出結(jié)果圖層。當(dāng)兩幅圖的像元值均為0時(shí)，用白色表示。在經(jīng)過疊加處理后獲得的圖像中，若像元值等于1，則表示為建設(shè)用地，即黑色顯示的部分都是建設(shè)用地。經(jīng)過以上操作就能快速獲得武山縣建設(shè)用地信息，并以專題圖的形式呈現(xiàn)。最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行武山縣建設(shè)用地的時(shí)空變化特征分析。[8]

（二）NDBI指數(shù)法與NDVI指數(shù)法

1.NDBI指數(shù)法

楊山在研究過程中最早提出仿歸一化植被指數(shù)，經(jīng)過查勇等研究人員的不斷努力調(diào)整為歸一化建筑指數(shù)，后來學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了NDBI指數(shù)的概念。[9-10]本文利用NDBI歸一化建筑指數(shù)，精確提取武山縣的地物以及建筑密度。NDBI指數(shù)計(jì)算公式為：

TM4代表近紅外波段的反射率；

TM5代表短紅外波段的反射率。

地物反射率在不同的波段會呈現(xiàn)一定的規(guī)律，這增加了遙感影像的判讀與信息提取的便利。NDBI的取值范圍在[-1,1]之間，若NDBI的像元值大于0，則表示該部分為建筑用地；若小于0，則表示該地為非建筑用地。

2.NDVI指數(shù)法

Rouse在1973年提出歸一化植被指數(shù)，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，該指數(shù)被廣泛應(yīng)用于植被遙感影像研究。NDVI指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

TM3代表紅光波段的反射率；

TM4代表近紅外波段的反射率。

在獲取的武山縣NDVI影像圖中，NDVI的取值范圍為[-1,1]，大于0的區(qū)域被默認(rèn)為植被，小于0的部分被默認(rèn)為其他地物。

本研究將NDBI指數(shù)與NDVI指數(shù)綜合利用的步驟為：首先，對研究區(qū)域內(nèi)的圖像利用NDBI和NDVI指數(shù)進(jìn)行處理，并且做二值化分析處理；然后，對處理后的2013年和2020年的圖像進(jìn)行疊加處理；最后，對獲得的信息進(jìn)行對比和判斷，進(jìn)而獲得武山縣城市建設(shè)用地的變化范圍和變化趨勢。

（三）精度驗(yàn)證

遙感影像的精度驗(yàn)證一般通過更高分辨率的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本研究利用2020年武山縣分辨率為0.1米的正射影像完成精度驗(yàn)證。隨機(jī)抽取200份樣本，計(jì)算其總精度與Kappa系數(shù)，最終得出武山縣遙感影像地物提取精度達(dá)到89.6%（見表1）。[11-12]

表1 遙感影像精度驗(yàn)證

四、結(jié)果分析

（一）空間布局變化對比

根據(jù)提取和處理得到的武山縣2013年城市建設(shè)用地影像可以看出武山縣建筑用地主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)和洛門鎮(zhèn)，西部存在斷裂區(qū)域，總體上分布比較零散，呈現(xiàn)出不連續(xù)分布。由此說明武山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)依托的資源和基礎(chǔ)設(shè)施條件不同，從而在發(fā)展方面存在差距。

武山縣2020年城市建設(shè)用地主要向東西方向延伸，尤其向洛門鎮(zhèn)方向延伸最為明顯，增長類型以居住和行政辦公居多，但向西存在中斷區(qū)域。根據(jù)分析可知，其原因在于該縣緊緊圍繞國土空間規(guī)劃，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，有計(jì)劃地完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，吸引了很多企業(yè)招工建廠，擴(kuò)大了城市外圍區(qū)域面積，建設(shè)用地增加，加速了城市建設(shè)向更大范圍推進(jìn)。綜上所述，武山縣近7年城市建設(shè)用地總體上向東擴(kuò)展面積最大，西部存在中斷區(qū)域，發(fā)展存在不均衡現(xiàn)象。

（二）城市建設(shè)用地動態(tài)變化

對2013年和2020年武山縣建設(shè)用地遙感影像圖進(jìn)行疊加處理后得到結(jié)論：新增建設(shè)用地，東部區(qū)域分布最多；減少的建設(shè)用地，西部地區(qū)較多；原有的建設(shè)用地，東西均有分布，分布較廣。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，武山縣2013～2020年新增的建設(shè)用地面積為22.5km2，究其原因是武山縣總體規(guī)劃的不斷完善和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷擴(kuò)張。由于山區(qū)退耕還林，部分區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為林地，截至2020年“消失”建設(shè)用地為7.3km2。但未變化的建設(shè)用地整體面積占比仍然較大，其中一個(gè)原因是這些區(qū)域大多在山區(qū)以及河谷堤壩地區(qū)，建設(shè)成本較高；另一個(gè)原因是河谷堤壩區(qū)域存在河水溢出危及人民財(cái)產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn)。而2013～2020年“消失”建設(shè)用地多轉(zhuǎn)變?yōu)楣珗@綠地、防護(hù)綠地和廣場，例如人民廣場的建設(shè)。整體來說，2013～2020年城市建設(shè)用地迅速增長，向東擴(kuò)展幅度巨大，向西存在建設(shè)中斷區(qū)域，發(fā)展存在不均衡現(xiàn)象。

（三）建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的影響因素

根據(jù)2013年和2020年武山縣遙感影像顯示的城市建設(shè)用地變化和《武山縣“多規(guī)合一”城鄉(xiāng)統(tǒng)籌總體規(guī)劃（2016-2030）》，影響武山縣建設(shè)用地變化的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1.政府招商引資的發(fā)展

天水市“1135”發(fā)展戰(zhàn)略是影響武山縣發(fā)展規(guī)劃的重要推動力，地方政府通過不斷完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來招商引資，這樣就需要更多的生產(chǎn)場地，隨之建設(shè)用地也會增加，并使得武山縣建設(shè)用地向東偏移。除此之外，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也提高了武山縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，為武山縣打造城市空間廣闊、布局合理、生態(tài)宜居的現(xiàn)代化城市提供了基礎(chǔ)保障。

2.基礎(chǔ)設(shè)施的完善

2013年武山縣道路發(fā)展存在地形上的限制，但隨著發(fā)展重點(diǎn)的偏移，截至2020年，武山縣已建成了連接城關(guān)鎮(zhèn)到洛門鎮(zhèn)全長15.3公里的武山大道，并且建成了以寧遠(yuǎn)大道、南北濱河路、福源路、新興路等為主干道的城市路網(wǎng)。城區(qū)市政道路總長度達(dá)到41.5公里，形成了東西延伸、交通便利的體系，到2030年中心城區(qū)規(guī)劃范圍總面積將達(dá)到115平方公里。

3.地理位置優(yōu)越

武山縣位于甘肅省東南部，由于當(dāng)?shù)鬲?dú)特的小氣候，適合蔬菜水果的種植，蔬菜種植規(guī)模巨大，榮獲國家級蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化示范縣和全國首批基礎(chǔ)設(shè)施蔬菜標(biāo)準(zhǔn)園創(chuàng)建縣的稱號。未來十年，依靠便利的交通和優(yōu)越的氣候條件，武山縣中心城區(qū)將重點(diǎn)建設(shè)成為甘肅絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶旅游服務(wù)基地、隴東南特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范基地、區(qū)域性物流集散中心和關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)特色工業(yè)基地。

五、結(jié)論

（一）主要結(jié)論

本研究基于2013年和2020年武山縣遙感影像，通過NDBI指數(shù)和NDVI指數(shù)對圖像進(jìn)行處理和分析，獲取了武山縣7年內(nèi)建設(shè)用地的擴(kuò)展情況，分析了武山縣建設(shè)用地動態(tài)變化趨勢和影響因素，最終得出如下結(jié)論：

第一，武山縣2013～2020年新增建設(shè)用地面積為22.5km2，并且呈現(xiàn)出向周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)擴(kuò)張的趨勢，尤其是城關(guān)鎮(zhèn)—洛門鎮(zhèn)一帶建設(shè)用地增加明顯，主要類型有居住用地、工業(yè)用地、服務(wù)業(yè)用地，以及行政辦公用地等。

第二，2020年武山縣建設(shè)用地整體發(fā)展水平不均衡，東部擴(kuò)展的區(qū)域狹長，西部擴(kuò)展存在中斷部分。

第三，武山縣建設(shè)用地變化的主要影響因素有招商引資的發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的完善和地理位置的優(yōu)越。

（二）不足與反思

本研究運(yùn)用遙感技術(shù)與ENVI軟件對武山縣建設(shè)用地動態(tài)變化進(jìn)行了分析。NDBI指數(shù)和NDVI指數(shù)相結(jié)合的方法雖然獨(dú)特，但仍然存在很多不足，例如獲取遙感影像時(shí)，影響影像清晰度的因素有很多，包括天氣、云量、灰塵等，可能會影響圖像的質(zhì)量，希望會在未來的研究中逐步完善。