基于多源遙感影像的城市化近域演化特征分析

蘇巧梅，李凱新，陶偉恒，梅詩光

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

城市化水平是衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況的重要指標。城市地域空間演化(也稱景觀型城市化)是城市用地逐漸覆蓋地域空間的過程，是城市化最直接的物質表現(xiàn)[1]。城市化占用了耕地、林地和河道，對生態(tài)環(huán)境造成威脅，影響城市可持續(xù)發(fā)展[2]，因此，對不同尺度和等級的城市群或城市的擴展研究一直是城市化研究的熱點。傳統(tǒng)的城市化研究多從人口轉換的角度進行，遙感和GIS的發(fā)展為城市化研究提供了新的手段，可以實時動態(tài)監(jiān)測城市地域空間演化過程?；贒MSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，文獻[3-8]對中國系列城市群的空間擴張和空間特征進行了研究。文獻[9-13]研究了北京、武漢和南京等特大城市演化的時空格局，但DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率低，對大尺度城市群或城市的研究效果較好，對中小尺度城市研究效果較差。文獻[14-15]利用Landsat影像進行了城市用地擴張和用地效益分析，指出其分辨率較低，存在城區(qū)邊界難以確定等問題。張翰超等人[16]利用航空影像、Worldview和Quickbird等衛(wèi)星影像等高分數(shù)據(jù)，研究了中國省會城市高精度擴張規(guī)律，開展城市規(guī)模分布變化和城市區(qū)域擴展分析，并提出了城市發(fā)展建議。上述研究數(shù)據(jù)以國外遙感影像為主，且主要分析不同的城市群、特大城市和大城市的城市擴展。隨著我國高分系列衛(wèi)星的發(fā)射成功，城市地域空間演化分析有了新手段。本文以國產(chǎn)高分2號(GF-2)結合Landsat ETM+/OLI影像為數(shù)據(jù)源，提取2000—2019年運城市鹽湖區(qū)城市地域邊界，分析2000年以來鹽湖區(qū)中心城市的形態(tài)變化和空間差異。研究結果拓展了我國GF-2數(shù)據(jù)的應用領域，為區(qū)域城市化研究提供了新的手段，對科學規(guī)劃和建設城市、促進城市精明增長和健康發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

鹽湖區(qū)位于黃河中游，山西省西南部，是運城市政府所在地，運城市的政治、經(jīng)濟和文化中心。地理坐標為34°47′45″N～35°23′20″N，110°43′10″～111°12′10″E。地勢呈東北——西南傾斜，南部為中條山，最高海拔1 274 m。鹽湖區(qū)光照充足，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。區(qū)內土壤肥沃，礦產(chǎn)資源豐富，既是中國重要商品糧棉基地，也是最大的無機鹽生產(chǎn)基地[17]。據(jù)統(tǒng)計，截止2019年末，鹽湖區(qū)常住人口約72萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值約276.8億元。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)采用多期GF-2和Landsat ETM+/OLI。GF-2是我國于2014年發(fā)射成功的首顆高分辨率民用光學遙感衛(wèi)星，影像分辨率全色為1 m，多光譜為4 m。本文選用2015年和2019年2期的GF-2影像(來源于山西省高分衛(wèi)星中心)，2000年，2005年和2010年的數(shù)據(jù)是Landsat ETM+/OLI數(shù)據(jù)(國際科學數(shù)據(jù)服務平臺下載)，分辨率全色為15 m，多光譜為30 m。對GF-2影像和Landsat影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過波段疊加、正射糾正、影像融合、影像鑲嵌、圖像配準和裁剪等數(shù)據(jù)預處理，基于GIS軟件提取了鹽湖區(qū)城市邊界，分析了2000—2019年鹽湖區(qū)城市化地域空間演化規(guī)律。技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程Fig.1 Technical flow chart

2 研究方法

2.1 城市地域提取方法

張翰超等人[16]的城市地域考慮了城市用地功能，王雷等人[14]的城市地域注重市政公共設施的具備情況。土地集約利用作為提高土地利用效率的重要手段，對優(yōu)化城市土地資源，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[18]?？紤]土地資源的集約和節(jié)約高效利用，保護耕地資源，本文城市邊界的提取以中心城區(qū)為核心，城市化近域推進過程中對城市周邊耕地的開發(fā)建設作為提取邊界，沒有考慮城市功能和市政公共設施情況。張翰超等人[16]利用高分影像手工提取了中國省會城市的高精度邊界，本研究采用了國產(chǎn)GF-2影像和Landsat ETM+/OLI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年鹽湖區(qū)城市邊界。

2.2 數(shù)量分析方法

城市地域演化數(shù)量分析方法主要用城市增長速率和增長強度指數(shù)表示。增長速率指城市面積的年均增長量，表征城市用地增長的快慢，是研究城市空間增長的常用指標。增長強度指數(shù)指研究區(qū)域在研究時期內的城市用地增長面積占城市用地總面積的百分比，實質是用研究區(qū)的城市用地面積對其年均擴展速率進行標準化處理，使其具有可比性。增長速率和增長強度指數(shù)計算公式分別為：

(1)

(2)

式中，?為增長速率；R為增長強度指數(shù)；Sb,Sa分別為研究期末和研究期初的城市面積；T為時間間隔。

2.3 形態(tài)特征分析方法

城市空間形態(tài)的變化可以反映城市生長過程，揭示演化規(guī)律。本文用緊湊度指數(shù)和分維數(shù)分析鹽湖區(qū)城市地域空間過程的形態(tài)變化。城市空間緊湊度指數(shù)為：

(3)

式中，C為緊湊度；S為城市面積；P為城市周長。緊湊度指數(shù)與圖形的面積和距離大小無關，僅與幾何圖形的形狀有關。理論上，城市的平面幾何形狀越近似圓形，代表城市空間形態(tài)的緊湊度越近似等于1，城市地域空間形態(tài)表現(xiàn)越緊湊；相反，城市地域空間形態(tài)的緊湊度越低，城市空間形態(tài)的離散程度就越大，城市形態(tài)表現(xiàn)越不規(guī)則。

城市景觀實體地域空間有著復雜、非線性和不規(guī)則的空間形態(tài)，具有典型的分形分維特征，城市空間形態(tài)的分維數(shù)為：

(4)

式中，D為某一時刻城市的分維數(shù)。空間分維數(shù)描述城市形狀，反映城市用地的形狀變化。分維數(shù)值越大，表示城市的不規(guī)則程度越大。城市空間形態(tài)的分維數(shù)數(shù)值不斷提高，表明城市景觀地域空間演化以量的擴張為主；分維數(shù)數(shù)值持續(xù)下降，表明城市景觀地域空間形態(tài)的變化是以邊緣的填充為主；分維數(shù)值保持穩(wěn)定，表明城市處于穩(wěn)定狀態(tài)，城市地域空間演化以內部質的填充為主。

2.4 空間差異性分析

空間差異性可以用重心位移和方位變化來分析。城市地域空間的重心位置可以認為是該城市的平均位置，是描述城市地域空間演化的重要量算和分析指標。城市地域空間演化可以用城市的重心位置的變化情況來體現(xiàn)。遙感影像提取的城市圖斑，其面積大小表征人類活動的強弱。以所提取的城市圖斑為對象，面積為權重，提取城市重心，并計算重心點坐標，即:

(5)

式中，Xt，Yt分別表示t時刻的城市地域空間的重心坐標；Xi，Yi分別表示第i個城市地域的幾何重心坐標值；Sti表示第i個城市地域的面積大小。通過分析不同研究年期的城市地域空間的重心位移，得到城市空間形態(tài)增長方向，追蹤多個研究時段城市重心位移走向，可以預測城市地域空間演化的特點。

城市增長的方位變化也可以表達城市地域空間演化的特征。根據(jù)所提取的城市邊界，通過繪制風玫瑰圖來分析。風玫瑰圖繪制的方法如下：以初期的城市中心為圓心，以末期的城市地域演化的邊界到圓點的最長距離為半徑畫圓，過圓心分別做水平線和鉛垂線，其中，橫軸是水平線0°～180°線，代表東西方向，縱軸是鉛垂線90°～270°線，代表南北方向。以初期的城市中心為圓心，從正東方向開始，每隔10°做一條方向線，制作一個可以覆蓋城市地域最大范圍的圓，分別顯示初期和末期城市地域的位置和形狀。

2.5 合理性分析方法

城市用地增長速度和城市人口增長速度應該相適應，如果城市地域增長過快，而城市人口增長緩慢，則造成土地利用粗放，資源浪費；而城市人口增長過快，城市用地增長過慢，易造成土地利用強度過高，居民生活質量水平降低。城市化地域空間演化過程的合理性用城市面積-人口彈性系數(shù)衡量，它反映城市擴展速度與城市人口增長速度之間的關系，其數(shù)學表達式為[19]：

(6)

式中，R(i)為第i時段城市區(qū)域擴展彈性系數(shù)；Pop(i)為市區(qū)第i時段人口平均增加率；A(i)為第i時段城市區(qū)域面積平均增長率。R(i)值越接近1，城市化地域空間演化過程合理程度越高；數(shù)值偏離越大，表示地域空間演化過程與人口發(fā)展之間的協(xié)調性越低。

3 結果與分析

3.1 城市邊界提取結果

人機交互手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年的鹽湖區(qū)城市邊界，如圖2所示。

圖2 鹽湖區(qū)城市邊界Fig.2 Boundary of the urbanized area in the Salt Lake district

經(jīng)統(tǒng)計，2000—2019年近20年間，鹽湖區(qū)城市面積增長了70.05 km2，增長速率達3.69 平方千米/年，增長強度指數(shù)為337.91%。其中，2000—2015年增長最快，增長了62.65 km2，占增長總量的89.44%，是快速增長期；2015年以后僅增長了7.40 km2，占增長總量的10.56%，城市面積量的增長趨于放緩。鹽湖區(qū)城市地域空間演化監(jiān)測統(tǒng)計如表1所示。

表1 鹽湖區(qū)城市地域空間演化監(jiān)測統(tǒng)計表

3.2 形態(tài)特征分析

鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)和分維數(shù)計算結果如表2所示。

表2 鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)和分維數(shù)

在監(jiān)測期內，鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)從2000年的0.32減少到2015年的0.15，一直呈下降趨勢，說明城市空間離散度不斷增加，城市地域演化以量的擴展為主；2019年回升到0.16，說明城市發(fā)展緊湊度增加，城市發(fā)展空間離散度減少。分維數(shù)在2000年為1.67，2005年為1.73，2010年增加到1.86，2015年下降為1.79，2019年再下降為1.75，表示城市邊緣形態(tài)不規(guī)則程度先增大后減少，說明城市地域空間演化先以量的增長為主，后轉變?yōu)橐赃吘壧畛錇橹?。緊湊度指數(shù)和分維數(shù)都說明，鹽湖區(qū)的城市演化2015年以前以量的擴張為主，以后轉變?yōu)橘|的填充。

3.3 空間差異性分析

空間差異性通過對重心位置位移變化來描述，反映城市化地域空間演化軌跡和發(fā)展方位差異。在GIS軟件環(huán)境下，根據(jù)提取的2000—2019年鹽湖區(qū)城市邊界，計算各個研究年期的重心坐標，如圖3所示。重心位移過程反映了城市地域空間演化的方向性和不均勻性。

圖3 鹽湖區(qū)城市重心位移圖Fig.3 Centre displacement diagram of the urbanized area in the Salt Lake district

由圖3可以看出，2000—2019年鹽湖區(qū)城市中心逐步向北移動。2000—2005年間，重心向北偏東33°方向移動1.70 km；2005—2010年間，向正北方向移動1.16 km；2010—2015年間，又向北偏西15°方向移動1.58 km；2015—2019年間，基本達到平衡狀態(tài)，僅向北偏東45°方向移動0.15 km。重心位移的距離在2000—2015年間最大，在整個研究時段，城市重心位移的距離是4.32 km，城市重心向北偏東10°方向移動，位移速度為0.23 千米/年。

以2000年鹽湖區(qū)城市地域范圍的中心為圓心，2019年城市地域演化邊界到圓心的最長距離為半徑畫圓，并將所提取的2000年和2019年2期城市地域范圍進行疊加，黃色區(qū)域和藍色區(qū)域分別為2000年和2019年鹽湖區(qū)城市區(qū)域，如圖4所示。鹽湖區(qū)城市發(fā)展特點總體上呈現(xiàn)出從中心城區(qū)向北部觸須式擴展，2000—2019年發(fā)展較快方向為40°～60°和110°～130°方向，擴展較慢的方向是南部180°～360°方向，鹽湖自然邊界限制了城市區(qū)域的演化。

圖4 鹽湖區(qū)城市演化方向圖Fig.4 Evolution directions of the urbanized area in the Salt Lake district

3.4 合理性分析

我國學者通過對中國歷年城市化過程綜合分析，認為R(i)=1.12時較為合適，也就是城市人口每增加1個百分點，城市用地面積大約增加1.12個百分點[19]。運城鹽湖區(qū)城市面積-人口彈性系數(shù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 運城鹽湖區(qū)城市面積-人口彈性系數(shù)統(tǒng)計表

由表3可以看出， 2000—2019年，運城市城市面積變化增長率為17.79%，人口年均增長率為9.65%，城市面積-人口彈性系數(shù)R(i)=1.84，大于1.12，二者協(xié)調性低。分階段觀察，運城市域2005—2010年和2010—2015年的城市面積-人口彈性系數(shù)為3.70和5.52，遠高于經(jīng)驗值1.12，說明期間城市用地擴張速率過快，城市人口增長緩慢，造成土地資源浪費，城市擴展與人口發(fā)展之間的協(xié)調性低。而在2000—2005年和2015—2019年間分別為0.55和0.90，前5年和近4年城市增長合理，城市演化發(fā)展與人口增長之間的協(xié)調性高。運城城市地域演化總體呈現(xiàn)出“合理—不合理—合理”的發(fā)展模式。

3.5 城市化地域空間演化特征

根據(jù)城市地域空間演化各要素，以及多時相遙感影像與城市交通圖疊加分析，可以直觀地反映景觀型城市化地域空間演化特征。鹽湖區(qū)城市地域空間演化特征表現(xiàn)為3種類型：外延擴展型、軸向擴展型和飛地擴展型，如圖5所示。

(1) 外延擴展型。城市區(qū)域的外延擴展主要在北部、東北、西北方向，南部和東南部為運城市鹽湖，自然邊界限制了城市區(qū)域的擴張，主要表現(xiàn)為填充。

(2) 軸向擴展型。軸向空間擴展有3條主要的軸線：① 運稷線擴展帶，沿運稷線從城市中心的解放南路向西北方向的擴展；② 西部擴展帶，沿209國道從南向西北方向擴展；③ 機場路擴展帶，有機場路、候風線、南同蒲鐵路線等線路東北-西南向穿過，空港衛(wèi)星城鎮(zhèn)也在該方向，是鹽湖區(qū)城市地域演化的主導方向。

(3) 飛地擴展型?？崭坌聟^(qū)是2002年批準建立的市級開發(fā)區(qū)，屬于東部的衛(wèi)星城，根據(jù)遙感影像，2010年空港區(qū)衛(wèi)星城鎮(zhèn)和鹽湖區(qū)城市區(qū)域連成一體。

圖5 鹽湖區(qū)城市地域空間演化Fig.5 Spatial evolution pattern of the urbanized area in the Salt Lake district

4 結束語

不合理的城市化會占用優(yōu)質的耕地資源，造成一系列生態(tài)環(huán)境問題。研究城市地域空間演化的特征和規(guī)律，對于合理規(guī)劃國土空間、實現(xiàn)城市的綠色健康發(fā)展具有重要意義[20]。本文采用高中分辨率遙感影像數(shù)據(jù)GF-2和Landsat ETM+/OLI影像，提取了2000—2019 年間共5 期的鹽湖區(qū)城市邊界數(shù)據(jù)，對鹽湖區(qū)地域空間演化過程特征進行了系統(tǒng)分析。結果表明：① 在2000—2019 年，鹽湖區(qū)城市面積增加了70.06 km2，增長速率達3.69 平方千米/年，增長強度指數(shù)達到337.91%。其中，2000—2015年增長最快，增長了62.65 km2，占總增長量的89.44%，是快速增長期；2015年以后僅增加了7.40 km2，占總增長量的10.56%，城市面積量的增長趨于放緩。② 緊湊度指數(shù)和分維數(shù)都說明鹽湖區(qū)地域空間的演化，2015年以前以量的擴張為主，之后轉變?yōu)橘|的填充。③ 城市重心向北偏東10°方向位移4.32 km，位移速度為0.23 千米/年。總體上呈現(xiàn)出從中心向北部觸須式發(fā)展，發(fā)展較快方向依次為40°～60°和110°～130°。④ 鹽湖區(qū)城市地域演化總體呈現(xiàn)出“合理—不合理—合理”的發(fā)展模式。⑤ 外延擴展型、軸向擴展型和飛地擴展型為鹽湖區(qū)城市地域空間演化的3種類型。本研究拓展了我國GF-2 遙感影像的應用領域，為區(qū)域城市化的研究提供了新手段，為準確地把握城市演化進程、促進城市精明增長和健康發(fā)展提供了科學依據(jù)。