基于遙感指數(shù)的福州市建成區(qū)近20 年擴展研究

吳菲

（福州大學環(huán)境與安全工程學院 福建福州 350108）

0 引言

城市的不斷擴展是現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的必然結果，城市擴展也會成為社會經(jīng)濟發(fā)展的動力。改革開放以來，由于經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，全國城市擴展都呈現(xiàn)出一種顯著加快的趨勢［1］，城市空間的擴展成為了衡量城市化發(fā)展的一個重要指標［2］。其中的城市建成區(qū)擴展會導致城市周邊地區(qū)土地利用產生急劇變化，因而一直是人們研究城市問題的重要內容［3］。

建筑用地信息的準確提取是分析城市擴展的前提。隨著遙感技術的快速發(fā)展，針對利用遙感影像提取城市建筑用地信息，國內外學者提出了許多不同的指數(shù)。楊山［4］在研究城鎮(zhèn)空間形態(tài)的信息提取時，提出了仿歸一化植被指數(shù)；查勇等［5］提出并利用歸一化差值建筑用地指數(shù)NDBI 自動提取了無錫市城鎮(zhèn)用地信息；GUINDON［6］基于遙感影像的空間和光譜特征，利用邏輯判別法對城市建筑用地進行了分類研究；徐涵秋［7-8］提出了壓縮數(shù)據(jù)維的方法，并構建了遙感建筑用地指數(shù)（IBI）。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市是我國東南部沿海地區(qū)的重要省會城市，位于福建省中東部閩江口，是福建省的政治、文化、科技、教育中心，同時也是海峽西岸經(jīng)濟區(qū)中心城市之一，下轄6 個市轄區(qū)、1 個縣級市及6 個縣?？紤]到空間分布上的連續(xù)性，本次研究范圍包含全部倉山區(qū)、臺江區(qū)、鼓樓區(qū)以及部分馬尾區(qū)和晉安區(qū)，暫不考慮2017 年撤縣設區(qū)的長樂區(qū)，研究區(qū)面積為733 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源

考慮到遙感數(shù)據(jù)影像的完整性、可獲取性以及數(shù)據(jù)源的一致性，本次研究均采用Landsat 系列衛(wèi)星所獲取的遙感數(shù)據(jù)。選取福州市成像時間分別為2000 年6 月29 日（Landsat 5）、2010 年5 月24 日（Landsat 5）以 及2020 年7 月22 日（Landsat 8）的3 景遙感影像。

1.3 遙感影像預處理

由于大氣的太陽輻射會發(fā)生反射、折射、吸收、散射和透射，而其中發(fā)生的吸收和散射會對傳感器的接收產生較大的影響，因此需要對影像進行輻射校正。除此之外，輻射校正還能消除太陽高度角、視角和地形等對地面光譜反射信號的影響。本次研究通過FLAASH 校正工具，對影像進行大氣校正，并利用裁剪工具裁剪研究區(qū)范圍。

1.4 建筑用地信息提取

受遙感影像同物異譜和異物同譜的影響，建筑用地電磁波反射光譜在遙感影像上呈現(xiàn)出明顯的異質性，因此很難通過簡單的方法準確地將其從遙感影像中提取出來［9］。徐涵秋［7-8］的基于壓縮數(shù)據(jù)維技術的提取方法首次提出用指數(shù)波段而不是影像的原始波段來構建指數(shù)。該方法能有效壓縮數(shù)據(jù)維，減少數(shù)據(jù)的處理量，降低數(shù)據(jù)的冗余度，從而提高專題信息提取的準確度。因此本文采用IBI（Index-based Build-up Index）建筑用地指數(shù)來提取研究區(qū)城市建筑用地信息（圖1），IBI 表達式見式（1）。

式中：NDBI 為歸一化建筑指數(shù)［5］；SAVI 為土壤調節(jié)植被指數(shù)［10］；MNDWI 為改進型歸一化水體指數(shù)［11］。

2 城市空間擴展分析

2.1 城市建成區(qū)的提取

城市建成區(qū)邊界的準確提取是進行城市擴展研究的前提［12］。本研究在遵循保持城市空間具有連續(xù)性的原則上，根據(jù)福州市遙感影像，城市建筑用地信息提取結果以及福州市行政邊界，結合目視解譯獲得福州市城市建成區(qū)的矢量邊界圖（圖2）。獲得的建成區(qū)范圍為倉山區(qū)、臺江區(qū)、鼓樓區(qū)，晉安區(qū)緊鄰倉山區(qū)、臺江區(qū)的城區(qū)（包括新店鎮(zhèn)、樂峰鎮(zhèn)、王莊街道、象元街道、茶園街道和鼓山鎮(zhèn)），位于閩江北面的部分馬尾區(qū)（包括馬尾鎮(zhèn)、羅星街道），用其對所提取的各年份的建筑用地信息進行掩膜，最終得到各年份的城市建成區(qū)內的建筑用地信息（圖3）。

圖2 研究區(qū)分區(qū)邊界

圖3 研究區(qū)不同年份建筑用地分布

2.2 城市擴展的面積、速率和方向

對2000 年、2010 年和2020 年3 個時像中所提取的城市建筑用地信息進行統(tǒng)計（表1），可以看出，福州市在這20 年間城市擴展是十分明顯的，且在不同時間段其擴展的速率有所變化。在2000—2010 年期間，建成區(qū)內的城市建筑用地從123.57 km2增加到了139.94 km2，以年均1.25%的速率在增加，總共增加了16.37 km2的建筑用地面積，面積凈增率為13.25%。在2010—2020 年間的城市擴展的面積與速度都明顯高于2000—2010 年。在2010—2020 年這10 年中，建成區(qū)內城市建筑用地面積以年均2.56%的速度在增長，從2010 年的139.94 km2到2020年的180.17 km2，面積凈增率達到了28.75%，凈增面積超過了2000—2010 年凈增面積的2 倍。

表1 福州2000—2020 年城市建筑用地變化信息

為了更加直觀、形象地了解福州城市建筑用地在2000—2010 年以及2010—2020 年間的變化，本文對3 個時相的建筑用地影像進行疊加，如圖4 所示?？梢院苊黠@地看出，福州市建成區(qū)建筑用地在2000—2020 年這20 年間面積增加最多的區(qū)域是在倉山區(qū)，晉安區(qū)和馬尾區(qū)建筑面積也有所增加，而臺江區(qū)和鼓樓區(qū)則沒有明顯的變化。為了更加清晰地了解各個區(qū)域的變化，本文對建成區(qū)進行進一步分區(qū)研究。

圖4 研究區(qū)城市建筑用地變化

利用獲得的建成區(qū)范圍，分別計算出建成區(qū)內5 個區(qū)域各自的面積，對影像中所提取的城市建成區(qū)內的建筑用地信息進行分區(qū)統(tǒng)計，并計算出各個區(qū)域擴展的面積與速率（表2）?？梢院苊黠@地看出，不同的區(qū)域在2000 年、2010 年和2020 年這3 個時間點，其建筑面積占建成區(qū)面積的比例有較大的不同，但大致上都朝著50%靠近。對于不同行政區(qū)而言，其在不同的階段（2000—2010 年和2010—2020 年）也會表現(xiàn)出很大的差異。例如臺江區(qū)和鼓樓區(qū)在2000—2010 年間，其建筑面積都呈現(xiàn)負增長的狀態(tài)，而倉山區(qū)建筑面積的凈增率則高達39.87%。而在2010—2020 年間，臺江區(qū)的建筑面積有所增加，而鼓樓區(qū)依舊保持負增長的狀態(tài)。晉安區(qū)和馬尾區(qū)在這期間的年均速率雖然沒有倉山區(qū)在這期間的高，但卻是其在2000—2010 年間的年均速率的2 倍。雖然倉山區(qū)的年均速率在2010—2020 年有所下降，但總體來看變化不大，并且依舊是5 個區(qū)中面積增長速度最快的。綜合圖4 及表2 對福州市5 個區(qū)（臺江區(qū)、鼓樓區(qū)、晉安區(qū)、馬尾區(qū)、倉山區(qū)）的城市建成區(qū)建筑面積擴展情況及其原因進行分類詳細分析，根據(jù)增長速率及空間擴展情況可將其分為3 類：空間整治型、平穩(wěn)發(fā)展型以及快速擴展型。

（1）空間整治型。從表2 可以看出，臺江區(qū)與鼓樓區(qū)在2000—2010 年間建筑用地的面積不僅沒有增長，反而分別減少了2.39 km2和3.31 km2，在2010—2020 年間期間，鼓樓區(qū)的建筑依然呈現(xiàn)負增長狀態(tài)，而臺江區(qū)的建筑面積雖有所提升，但總體而言，鼓樓區(qū)和臺江區(qū)的建筑面積在2000—2020 年都是逐漸減少的。因為鼓樓區(qū)作為福州的核心城區(qū)，一直都是福州市的政治、經(jīng)濟、文化中心，不僅聚集了80%以上的省、市直屬部門，且福州市著名的國家5A 級景區(qū)三坊七巷也坐落于此，是福州市最早發(fā)展起來的城區(qū)。緊鄰鼓樓區(qū)的臺江區(qū)南鄰閩江，位于建成區(qū)中心，也是在福州的中心區(qū)域，與鼓樓區(qū)一樣，是福州城區(qū)最早發(fā)展起來的區(qū)域之一。同時由于臺江區(qū)總面積不到18 km2，且區(qū)域范圍內沒有大片的水域和山體，因此在2000 年，臺江區(qū)的建筑用地面積僅為12.96 km2，比建筑面積最小的馬尾區(qū)多了不到1 km2，但其建筑用地的面積卻占了總面積的73.05%。從2000—2020 年臺江區(qū)的建筑面積比例從73.05%降低至60.96%，鼓樓區(qū)的建筑面積從60.28%降低至49.73%，再結合圖4 也可以看出，雖然2010 年和2020 年都有新建的建筑，但總體的建筑面積并沒有大幅度的增加。結合臺江區(qū)和鼓樓區(qū)現(xiàn)有的土地利用情況來看，這2 個城區(qū)在空間上的擴展已經(jīng)趨于成熟，沒有多余的土地可以用來充當建筑用地，發(fā)展趨勢主要是集約發(fā)展，對原有的城區(qū)空間結構進行整治，使得建筑用地的利用更加合理有效。

表2 福州2000—2020 年城市分區(qū)建筑用地變化信息

（2）平穩(wěn)發(fā)展型。完整的晉安區(qū)與馬尾區(qū)是福州市面積最大的2 個城區(qū)，大部分為林地。在本次研究范圍內，晉安區(qū)建成區(qū)內2020 年的建筑用地面積是2000 年面積的1.41 倍，從2000 年的33.40 km2增加到了2020 年的47.08 km2。其中，2000—2010 年間，面積增加了3.41 km2，年平均擴展速率為0.98%；在2010—2020 年間增加的面積為10.24 km2，年平均擴展速率為2.48%，分別為2000—2010 年的擴展面積和速率的3.00 倍和2.72 倍。馬尾區(qū)建成區(qū)內2020 年的建筑用地面積是2000 年面積的1.25 倍，從2000 年的12.42 km2增加到了2020年的15.50 km2。其中，2000—2010 年間，面積增加了0.87 km2，年平均擴展速率為0.68%；在2010—2020 年間增加的面積為2.21 km2，年平均擴展速率為1.55%，分別為2000—2010 年的擴展面積和速率的2.54 倍和2.37 倍?？梢婑R尾區(qū)和晉安區(qū)在2010—2020 年間的發(fā)展速率比2000—2010 年間的發(fā)展速率快。結合圖4 也可以看出，2010—2020 年增加的建筑用地的面積比2000—2010 年增加的建筑用地面積大。2 個區(qū)域都是主要向北擴展，晉安區(qū)內的建筑擴展分布比較均衡。馬尾區(qū)內在2000—2010 年間，主要的建筑用地擴展分布也比較均衡，但在2010—2020 間增加的建筑面積主要集中在靠近臺江區(qū)的馬尾鎮(zhèn)。

（3）快速發(fā)展型。倉山區(qū)位于福州市建成區(qū)南部，與另外4個城區(qū)隔著1 條閩江。在2000 年，其建筑用地為44.62 km2，雖然是5 個城區(qū)中面積最大的，但是其占總面積的比例卻是5個城區(qū)中最小的，甚至不到鼓樓區(qū)和臺江區(qū)的1/2。而到2010年，其建筑用地面積達到62.41 km2，占比已經(jīng)達到41.77%，雖然依舊是5 個城區(qū)中占比最小的，但是已經(jīng)逐漸接近其他5 個城區(qū)的比例。到2020 年，倉山區(qū)的建筑面積已經(jīng)達到90.17 km2，占比已經(jīng)超過馬尾區(qū)和鼓樓區(qū)。2000—2010 年間，面積增加了17.79 km2，年平均增長率達到了3.41%；2010—2020 年間，面積增加了27.76 km2，年平均增長速率為3.75%。在2 個時間段內，無論是增長的面積還是年均增長速率，倉山區(qū)都是5 個城區(qū)中最大的。這一現(xiàn)象與 《福州市城市總體規(guī)劃（1995—2010）》中所提出的“跨江面海”的發(fā)展思路有密切的關系。福州“跨江面?！钡囊粋€發(fā)展關鍵就是向南發(fā)展，而其中重要的一點就是發(fā)展倉山區(qū)。政策的支持加上日益發(fā)達的外部交通網(wǎng)絡，越來越多的人將目光放在了倉山區(qū)，尤其是區(qū)內金山新區(qū)的開發(fā)，大批企業(yè)入駐金山工業(yè)區(qū)，也吸引了大量居民入住，因此倉山區(qū)呈現(xiàn)出快速面狀發(fā)展狀態(tài)。

3 結論

本文以福州市中心城區(qū)及其比鄰地區(qū)作為研究區(qū)，利用IBI 指數(shù)進行城市建筑用地信息提取，在此基礎上遵循保持城市空間連續(xù)性原則，結合目視解譯確定建成區(qū)邊界，得到建成區(qū)的建筑用地信息，并對得到的結果進行分區(qū)研究，分析各個區(qū)域的建筑用地擴展的面積及其速率。福州市建成區(qū)在2000—2020 年間建筑用地面積增加了56.6 km2，占建成區(qū)總面積的比例從2000 年的40.54%增加到了59.10%。其中發(fā)展最為快速的是倉山區(qū)，作為四面臨江的區(qū)域，倉山區(qū)內建筑用地呈現(xiàn)的是一種區(qū)域內部面狀擴展的形式，主要集中在倉山區(qū)南部。近鄰城區(qū)中心的晉安區(qū)與馬尾區(qū)，在2000—2020 年間，建筑用地面積分別增加了13.65 km2和3.08 km2。晉安區(qū)增加的建筑用地分布較為分散，而馬尾區(qū)內，不同位置的區(qū)域建筑面積都有一定增加，但靠近臺江區(qū)的馬尾鎮(zhèn)相比于其他地區(qū)，其建筑的增長面積明顯較大。作為福州傳統(tǒng)中心的鼓樓區(qū)和臺江區(qū)，自古以來就是福州的發(fā)展中心，因此這2 個城區(qū)在空間的擴展已經(jīng)趨于飽和，不太可能有大范圍的擴張。