基于多時相遙感影像的城市演變分析

余新朝

(余姚市測繪與地理信息局，浙江余姚 315400)

1 引言

1.1 研究背景

經(jīng)濟社會的發(fā)展使得農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)業(yè)人口轉變、農(nóng)村地域向非農(nóng)業(yè)地區(qū)轉變和農(nóng)業(yè)活動向非農(nóng)業(yè)活動轉變越來越快，城鎮(zhèn)化不斷推進，而隨著交通越來越發(fā)達，城市人口流動速度越來越快，使得城市化進入新的活躍期。在這種快速的城市化過程中，必將產(chǎn)生交通、環(huán)境、人口、就業(yè)、社會秩序等一系列的城市發(fā)展問題，這就加快了人們對城市這樣一個生態(tài)系統(tǒng)如何與自然環(huán)境進行和諧相處并持續(xù)發(fā)展進行深入思考。探究城市問題產(chǎn)生的深層次原因，對城市空間結構和發(fā)展演變進行多方面的綜合性研究。遙感影像能夠直接反映地表覆蓋情況，信息量豐富，通過遙感影像能夠直觀表現(xiàn)出城市發(fā)展與分布狀況。因此，利用遙感技術能夠查明城市建成區(qū)的空間分布以及時序變化。

本文以寧波市為例，利用4個時相的高分辨率遙感影像，結合GIS的空間分析方法，進行城市發(fā)展演變及城市空間擴展產(chǎn)生的影響研究，為城市空間拓展的優(yōu)化調整和合理布局提供一定的理論指導。通過基于遙感數(shù)據(jù)的城市空間演變和產(chǎn)生的影響的研究，促進城市“理性增長”，保障城市總體規(guī)劃的實施。

1.2 區(qū)域概況

浙江寧波位于東海之濱，長江三角洲的東南角。如圖1所示，本文研究范圍主要包括寧波市轄的海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、鄞州區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)和北侖區(qū)6個區(qū)的行政區(qū)域范圍，總面積約2560 km2。

2 遙感影像選擇

圖1 寧波市轄區(qū)

城市是一個典型的動態(tài)空間復雜系統(tǒng)，具有開放性、動態(tài)性、自組織性、非平衡性等耗散結構特征，其發(fā)展和擴展受許多不確定性因素，如自然、經(jīng)濟社會、文化、政治、法律等多種因素的影響，因而其行為過程具有高度的復雜性［1］。城市擴展主要體現(xiàn)在其所占用土地面積的增加和單位土地利用價值的增加，城市擴展實際上是城市的所有組成部分的增長，包括人口的增加、公共設施的增加、基礎設施的擴建、加工業(yè)和服務業(yè)的發(fā)展、國民經(jīng)濟產(chǎn)值的增長等，其主要標志是大量建筑物的出現(xiàn)。因此，城市擴展實際上是城市化現(xiàn)象在空間上的具體表現(xiàn)。

為滿足城市擴展和城市土地利用動態(tài)變化研究對數(shù)據(jù)源的實時、準確的要求，提取數(shù)據(jù)源采用4個不同時相的遙感影像，影像的日期和類型分別為:1998年航攝影像、2002年航攝影像圖、2005年IKONOS衛(wèi)星遙感影像和2008年IKONOS衛(wèi)星遙感影像。4個時相的遙感影像，年份間隔相當，分別為4年、3年、3年，從城市擴展研究的角度，4個時相的影像所包含的信息代表了1998年～2008年10年間寧波城市擴張演化過程中4個時期的狀態(tài)，影像很具有代表性，幾個波段的地面分辨率都大于5 m，滿足城市擴展和城市土地利用動態(tài)變化研究的要求，如圖2所示。

圖2 4年遙感影像

3 信息提取與分析

3.1 用地信息提取

對遙感數(shù)據(jù)進行地形圖配準、影像糾正、投影變換、影像分類以及裁剪等預處理工作，在此基礎上進行信息提取，得到4個年份的用地類型現(xiàn)狀圖，如圖3所示。

圖3 4年用地類型現(xiàn)狀圖

從4年的用地類型分類圖中，我們就可以看出，粉紅色的建成區(qū)面積不斷擴大，而與之形成鮮明對比的是河道和綠地面積的不斷減少，三江口流域的灘涂、水體和規(guī)劃區(qū)范圍內的綠地不斷被建成區(qū)侵蝕。

3.2 用地信息提取

為掌握土地現(xiàn)狀、制定土地政策，合理開發(fā)利用土地資源，國家對土地利用類型進行分類。在對研究區(qū)的用地類型分類過程中，根據(jù)《寧波市城市規(guī)劃管理技術規(guī)定》和《開展城鄉(xiāng)現(xiàn)狀建設用地調查的工作草案》，結合實際，按照全面調查、突出重點的原則，將城鄉(xiāng)用地分為建成區(qū)和非建成區(qū)兩大類，并在大類中規(guī)定了10個須調查的類別，分別是居住、道路廣場、公共設施、工業(yè)、倉儲、對外交通、市政公共設施、綠地、特殊用地和水域及其他用地。

(1)對于建成區(qū)與非建成區(qū)兩大類，用地類型多樣性造成的景觀紊亂度是城市邊緣帶的最大特點，能夠利用C.E香思的信息熵原理完成［2］，具體表達式如下:

式中的信息熵H反映地物類型的數(shù)量及分布的均勻程度，Pi是區(qū)域內各類用地占總用地的面積百分比，i是用地類型的數(shù)量。

信息熵的高低能夠反映出城市用地的均衡度，熵值越高，則不同職能的用地類型數(shù)量越多，面積相差就越小，土地分布也就越均衡，當城市各用地類型的面積相等時，熵值達到最大，表明城市土地利用達到了均衡狀態(tài)［3］。

確定城市實體范圍是進行用地分類的前提，首先劃分判別單元，根據(jù)信息熵公式，結合調查情況和遙感影像解譯結果計算各單元的信息熵值，將信息熵值大于0.65的作為城鄉(xiāng)結合部范圍，最終確定城市實體范圍。利用ArcGIS將通過信息熵原理確定的城市實體范圍用矢量化的方式畫出實體范圍線，得到了4個時相的城市擴展圖，如圖4所示。

圖4 四個時相的城市擴展圖

(2)對基于建成區(qū)數(shù)據(jù)的分類進行研究。利用監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和綜合閾值法等方法針對建成區(qū)提取土地利用信息，對分類結果進行對比，單獨使用某種方法其結果均不太理想，多次研究發(fā)現(xiàn)利用非監(jiān)督分類與監(jiān)督分類結合的方法能夠得到較好的效果。先通過設置恰當?shù)腘DVI建成區(qū)指數(shù)閾值，用ENVI中的bandmath功能提取土地利用信息，閾值處理后的NDVI圖中非建成區(qū)地物像元賦予了灰度0值，然后再用bandmath功能將此處理后NDVI圖與基礎影像的波段圖像進行挨個復合，復合后的每個波段的圖像也都除去了城市建設之外地物的信息，然后對復合后的波段圖像進行監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，生成建成區(qū)范圍圖。

應用最大似然法，將非監(jiān)督分類后圖中已選訓練樣區(qū)與原始影像疊加，建立解譯標志使光譜信息與地物特征建立聯(lián)系，遵循光譜特征均一的原則分別在4個時相的影像上選取各用地類型中有代表性的訓練樣本，確保訓練樣本的數(shù)量足夠多。另外，充分考慮混合像元點的存在以及地物類型相同但光譜特征不同或光譜特征相同但地物類型不同的現(xiàn)象選擇訓練樣區(qū)，再對同類的進行合并，有效地提高了分類的精度。

3.3 城市擴展分析

根據(jù)遙感影像得到四年的用地分類結果，分別計算4個時期各用地類型的面積、比重、擴展面積和擴展強度，并繪出了土地利用擴展面積、擴展強度和結構變化圖，如圖5～圖7所示。

圖5 用地類型擴展面積圖

圖6 用地類型擴展強度圖

圖7 用地結構變化圖

根據(jù)分析數(shù)據(jù)得到以下變化:

(1)居住用地迅速增加。1998年居住用地面積為12.94 km2，所占比重為0.27，到2008年，居住用地面積增加到60.46 km2，比重為0.21，其中比重逐年穩(wěn)定到0.21。

(2)公共設施用地面積在1998年～2002年，面積增加11.63 km2，增幅達到最大有3倍之多。公共設施用地面積也在2002年達到最大比重為0.12，從2005年到2008年，公共設施用地面積變化不大，總體上有所增加達到23 km2多。

(3)工業(yè)用地面積增幅為所有用地類型中最大，所占比重從1998年的0.14上升到2008年的0.43，翻了2倍還要多，而面積從1998年的6.7 km2到2002年的36.87 km2，面積增加了 30.17 km2，年增加達到7.5 km2，增幅較大。

(4)倉儲用地面積從1998年的 1.05 km2到2005年的8.59 km2，2008年面積與2005年持平，年增幅為0.75 km2，倉儲用地所占比重4年來未發(fā)生較大變化。

(5)對外交通用地面積變化不大，總體上有所增加，1998年～2002年這4年增加了 5.89 km2，2002年～2005年這3年間增加了9.76km2，2005年～2008年這3年間面積增加了2.62 km2，對外交通用地面積這10年里所占比重變化不大。

(6)道路廣場用地面積再2002年、2005年、2008年持續(xù)增加，分別為15.37 km2、21.56 km2、22.52 km2，10年間共增長了 7.15 km2。

(7)市政公共設施用地面積雖然從1998年的0.36 km2增加到2008年的2.84 km2，但是所占城市用地面積比重卻有增加。

(8)綠地面積從1998年的 0.86 km2增加到2008年的7.91 km2，10年間面積增加了 7.05 km2，年增長面積僅為0.7 km2。

(9)特殊用地的面積僅從1998年的 0.72 km2增加到2002年的6.81 km2，后面6年間沒有變化。

(10)水域與其他用地面積10年來雖然增加，但是所占比重持續(xù)走低，從1998年的0.14減少到2008年的0.03。

通過對數(shù)據(jù)進行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，十年間的城市發(fā)展表現(xiàn)出了一些不合理的擴張趨勢:

①城市建設用地面積增長呈現(xiàn)增長過快趨勢

據(jù)相關研究表明，全世界建設用地以年均1.2%的速度遞增［4］，而從1998年～2008年，寧波建設用地從88.19 km2增加到 429.97 km2，年均增速將近 8%，遠高于世界平均水平，面積總量翻了快4倍。人均建設用地從16.5 m2增加到75.7 m2，增長了5倍之多，城鎮(zhèn)建設用地呈現(xiàn)出明顯的非理性增長趨勢。

②城市發(fā)展中土地利用過于粗放

每一種生產(chǎn)要素都存在著投入的效益問題，土地與勞動、資金、技術等一樣，也是一種重要的生產(chǎn)要素，城市用地產(chǎn)出效率是城市用地合理利用與否的重要衡量指標。就寧波來說，城市用地產(chǎn)出率偏低，表明城市用地擴展過程中存在著重視外延式擴展，忽視內涵式擴展的傾向，城市用地內斂性不足。

③城市用地結構的出現(xiàn)不合理狀況

在建國后相當一個時期內，我國的城市建設在指令性的計劃經(jīng)濟體制指導下普遍存在著重生產(chǎn)、輕生活的傾向，導致工業(yè)、倉儲等生產(chǎn)性用地比例過高，而居住、公共設施等生活性用地比例偏低。城市用地結構不合理使得社會經(jīng)濟活動的矛盾突出，也違背了城市發(fā)展的客觀規(guī)律要求。在改革開以后，雖然城市用地結構已經(jīng)有一定程度的調整，如公共設施、道路廣場、綠地等用地比重上升，居住、工業(yè)、倉儲用地比重下降，但變化幅度不大，城市用地結構不合理的狀況還未得到根本性改變。

形成上述不合理發(fā)展的原因，主要是城市用地的無償使用，使人們產(chǎn)生了城市用地產(chǎn)出率的“誤區(qū)”，認為勞動、資金、技術分別有全員勞動生產(chǎn)率、百元資金利稅率、技術進步貢獻率，卻忽視了城市用地的產(chǎn)出效率［5］。長期計劃經(jīng)濟體制下城市用地無償劃撥使用，而形成了無限供給的思維，土地利用粗放，以至于城市出現(xiàn)攤大餅式的發(fā)展方式，加之土地出讓、開發(fā)成為多數(shù)城市財政收入的重要來源，因而造成重視外延式發(fā)展，忽視內涵式發(fā)展，由此帶來耕地資源減少、水資源不足以及城市生態(tài)環(huán)境退化等一系列問題。隨著土地使用權出讓等政策的施行，為了保障城市財政收益，不斷加大了土地出讓規(guī)模，“土地財政”政策直接造成了土地開發(fā)規(guī)模過大，導致土地粗放使用，偏離了合理開發(fā)城市空間的正常軌道。

4 結論

利用多時相的遙感影像對城市空間擴展的演變分析，是對城市擴展進行監(jiān)測的一個有效手段。選取周期合理、積累時間較長的遙感影像數(shù)據(jù)進行處理分析，能夠得到相應年份城市各類建設用地類型所占比重，結合數(shù)理方法對城市擴展進行分析，能夠對城市空間的發(fā)展狀況進行有效評估。將遙感和GIS應用到城市空間擴展研究中，借助GIS這一工具為城市研究提供幫助，分析城市發(fā)展中存在的問題，能夠為城市的發(fā)展提供科學的依據(jù)，對城市的合理規(guī)劃和科學決策具有重要意義。

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