GIS支持下的珠江三角 洲核心區(qū)建 設用地遙感分析

李 珽，符文穎，李 郇

（1.廣州中大城 鄉(xiāng)規(guī)劃設計研 究院有限公司，廣東 廣州510275； 2.華南師范大學地理科學學院，廣東廣州510631； 3.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣 東 廣州 510275）

1 引言

土地利用與土地覆蓋變化客觀地記錄了人類改變地表空間特征的活動，可以再現(xiàn)地球表面景觀的時空動態(tài)過程，為城市與區(qū)域問題的研究提供快捷有效的信息資源，隨著遙感（Remote Sensing）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）技術在應用領域獲得較大的發(fā)展，其結合成為研究土地利用變化的有力手段，近年來，這一技術也被廣泛用于城鎮(zhèn)空間及土地的研究中，并取得不錯的成果[1-11]。

自1978年中國實行改革開放政策以來，珠江三角洲地區(qū)城鎮(zhèn)空間及建設用地發(fā)生了巨大的變化，成為地理學和規(guī)劃學科的研究重點，然而小范圍、短時相的研究難以揭示區(qū)域土地利用的整體變化特征與規(guī)律。當前，RS與GIS技術手段的日趨成熟使得對改革開放30年間珠江三角洲地區(qū)建設用地的變化過程及發(fā)展規(guī)律進行研究成為可能。

位于珠江三角洲中心位置的珠江出海口周邊地區(qū)，集中了珠江三角洲的主要城市，為珠江三角洲的核心區(qū)，其發(fā)展在珠江三角洲地區(qū)具有代表性。本文在RS與GIS支持下，從MSS、TM/ETM+衛(wèi)星影像圖提取出珠江三角洲核心區(qū)1979、1990、1995、2000、2003、2006和2008年共7年的城鎮(zhèn)建筑覆蓋變化相關專題信息，并通過提取得到的非農建設用地總量和城鎮(zhèn)建成區(qū)等相關數(shù)據(jù)及空間分布信息來分析1979—2008年間該區(qū)建設用地的擴展速度和擴展強度，再現(xiàn)本地區(qū)城鎮(zhèn)空間格局變遷，揭示改革開放以來本地區(qū)城鎮(zhèn)建設用地及空間形態(tài)發(fā)展的總體特征，以期為區(qū)域協(xié)調發(fā)展決策與管理提供依據(jù)，同時也為進一步探尋本地區(qū)土地利用變遷和城鎮(zhèn)空間發(fā)展演變的機制奠定基礎。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

珠江三角洲地區(qū)位于廣東省中南部、珠江下游，是中國城鎮(zhèn)經(jīng)濟、人口集聚程度較高的地區(qū)之一，總面積4.17×104km2，行政上包括廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、江門市、中山市、東莞市及惠州市區(qū)、惠東縣、博羅縣和肇慶市區(qū)、高要市、四會市。本文研究的珠江三角洲核心區(qū)（以下簡稱“核心區(qū)”）是在行政劃分的基礎上按照經(jīng)濟總量排序，并綜合考慮已獲取衛(wèi)星影像圖的覆蓋范圍進行選取的，分別包括了廣州市及其下轄的增城市、從化市；佛山的禪城區(qū)、南海區(qū)、順德區(qū)、三水區(qū)；深圳市、東莞市、中山市、珠海市區(qū)?？偯娣e約為1.62×104km2，占珠江三角洲地域范圍的38.85%。

核心區(qū)地域信息的提取數(shù)據(jù)源主要為Landsat3、Landsat5、Landsat7衛(wèi)星影像圖，涉及MSS、TM、ETM等數(shù)據(jù)，共包括1979、1990、1995、2000、2003、2006和2008年的7景衛(wèi)星影像圖，同時配合中國行政區(qū)劃1∶400萬基礎地理數(shù)據(jù)確定研究范圍和輔助遙感圖像預處理。

3 GIS支持的城鎮(zhèn)空間及其用地遙感分析

基于LUCC由時空數(shù)據(jù)入手探索空間演化過程及規(guī)律的研究框架，本文在技術方法上包括用地信息提取、城鄉(xiāng)格局揭示、演化模式發(fā)掘三大部分，綜合ERDAS和ArcGIS軟件在處理衛(wèi)星影像和空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，衛(wèi)星影像圖經(jīng)波譜融合、輻射增強、幾何校正、遙感解譯、專題輸出、疊置分析等技術處理，提取出非農建設用地信息后，在GIS中進行城鎮(zhèn)化指數(shù)運算和處理，識別城鎮(zhèn)建成區(qū)，劃分城鄉(xiāng)空間格局，得到研究區(qū)內不同時期非農建設用地和城鎮(zhèn)建成區(qū)建設用地的規(guī)模數(shù)量、形態(tài)及空間分布等信息，進而對城鎮(zhèn)空間形態(tài)格局和演化過程及模式進行分析（圖1）。

圖1 基于LUCC遙感信息研究城鎮(zhèn)空間形態(tài)演變技術流程圖Fig.1 Technical process of analyzing urban spatial morphology based on the RS information research of LUCC

3.1 基礎地理底圖的處理

“國家基礎地理信息系統(tǒng)”網(wǎng)站下載的中國行政區(qū)劃1∶400萬GIS基礎地理數(shù)據(jù)系列文件，為地理坐標系統(tǒng)的經(jīng)緯度地圖，為便于計算，必須將其轉換到平面坐標系統(tǒng)。對應當前衛(wèi)星遙感領域常用的國際通用平面坐標系統(tǒng)（UTM），在ArcGIS中為該系列文件添加WGS_1984地理坐標系統(tǒng)信息，按照分帶投影原則，選擇本研究區(qū)域所在的WGS 1984 UTM Zone 49N投影帶進行轉換，并根據(jù)研究范圍進行裁剪，由此得到本文研究范圍各級行政界線、河流、主要公路、主要鐵路等圖層，作為基礎地理底圖。

3.2 城鎮(zhèn)用地影像識別分析

3.2.1 建設用地的提取 馬里蘭州大學網(wǎng)站提供的1979年MSS影像圖、1990年和2000年的TM/ETM+影像圖，采用獨立波段TIF文件的形式，并且已經(jīng)校正到UTM平面坐標系統(tǒng)Zone 49N，其中MSS圖像空間分辨率為57 m×57 m，TM/ETM+圖像分辨率為28.5 m×28.5 m。從中山大學遙感與地理信息工程系獲得的1995、2003、2006和2008年4景TM/ETM+影像圖，均為7波段合成的img文件，其中只有2006年投影到UTM平面坐標系統(tǒng)，圖像分辨率為28.5 m×28.5 m，其他年份的影像圖則尚未進行幾何校正。

由于本文研究的是城鎮(zhèn)建設用地空間形態(tài)的變化，需要重點區(qū)分植被、建設用地、水體幾大地物類型，但無需細分各類具體的內部差別，因此選用最適合劃分水陸及植被與裸地邊界的TM742波段組合，用ERDAS進行多光譜img文件的合成。

對1979、1990、1995、2000、2003、2006和2008年7年的衛(wèi)星影像圖進行輻射校正和增強，同時利用ERDAS將1995、2003和2008年3景數(shù)據(jù)進行幾何校正，統(tǒng)一重采樣為28.5 m×28.5 m柵格單元。由此，所有衛(wèi)星影像圖統(tǒng)一到相同的坐標系統(tǒng)和分辨率。

輻射增強、校正、重采樣后的各景衛(wèi)星影像圖還覆蓋了研究區(qū)域外的部分地塊，為減少提取用地信息的運算量，從上述的基礎地理底圖行政界線系列圖層編輯修改得到本文研究范圍的shp文件，導入ERDAS，制成aoi文件，并對各年份衛(wèi)星影像圖進行掩膜運算，實現(xiàn)圖像的不規(guī)則裁剪，得到研究范圍的各時期遙感圖（圖2）。

圖2 珠江三角洲核心區(qū)研究范圍遙感圖的截取Fig.2 Remote sensing map intercept of the studied area, the core area of PRD

利用ERDAS分別對各年圖像訓練樣本，建立分類模板后，采用可能性矩陣對其進行評價，計算輸出的誤差矩陣值均達到85%以上，表示分類模板效果良好，根據(jù)模板進行最大似然法監(jiān)督分類得到的結果，解譯準確率基本能夠滿足分析城鎮(zhèn)土地利用及空間形態(tài)演化的需要。完成監(jiān)督分類后，對分類像元進行二值化處理，將整個研究范圍內的用地分為建設用地和非建設用地。

由于監(jiān)督分類是一個按照圖像光譜特征進行聚類分析的過程，容易產生雜點，分類結果中會產生一些面積很小的圖斑，應用中需要對這些小圖斑進行剔除。對于圖像空間分辨率為28.5 m×28.5 m的影像圖，1個像元是812.25 m2，考慮本文只需獲得建設用地，而建設用地有連片發(fā)展的特點，并且其規(guī)模一般都大于1 hm2，因此在ERDAS中把上述二值化分類圖中小于12像元的圖斑過濾掉，于是就把分類圖中小于1 hm2的小地塊當作航片波譜解譯的誤差剔除掉了。

對上述操作得到的圖形再次進行二值化重編碼，進行矢量化處理，轉換為shp格式，得到可用于GIS分析的非農建設用地空間信息基礎圖件。

3.2.2 城鎮(zhèn)建成區(qū)的劃分 遙感影像圖提取得到的非農建設用地較為分散，整體格局不夠明顯，為更加清晰反映各時間階段城鎮(zhèn)建設用地規(guī)模、形態(tài)和實際使用情況，還需要進一步劃分城鎮(zhèn)建成區(qū)，即集中連片的建設區(qū)域的范圍。

在ArcGIS中利用1 km×1 km的網(wǎng)格對各年份非農建設用地進行全覆蓋的系統(tǒng)采樣，分別計算網(wǎng)格中的城鎮(zhèn)化指數(shù)，其計算公式為：城鎮(zhèn)化指數(shù)=網(wǎng)格中的建設用地面積/網(wǎng)格面積×100%。將計算結果賦值給每個網(wǎng)格單元中心點，利用ArcGIS進行反距離插值（Inverse Distance Weighting），生成7幅城鎮(zhèn)化等值線圖（圖3）。

圖3 城鎮(zhèn)化網(wǎng)格采樣及等值線模板Fig.3 Urbanized grid sampling and contours model

對于時空跨度較大的研究區(qū)域，由于其內部不同時期的城市及不同城市之間在發(fā)展過程中的土地利用集約程度存在差異，傳統(tǒng)的遙感城鎮(zhèn)空間分析中單純以某一數(shù)值的城鎮(zhèn)化指數(shù)為劃分標準的方法未能適用，因此本文進一步采用數(shù)據(jù)挖掘方法，通過分析各年地理網(wǎng)格城鎮(zhèn)化指數(shù)的數(shù)據(jù)特征，參照實際情況將等值線的值做如下確定：大于均值1個標準差以上時為城鎮(zhèn)建成區(qū)，大于均值不足1個標準差時為城鄉(xiāng)過渡地帶，小于均值的則為農村地區(qū)。

由此可確定各時期城鎮(zhèn)建成區(qū)的邊界范圍，同時還可以將等值線圖作為統(tǒng)計和分析各時段不同城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍內建設用地規(guī)模和空間形態(tài)分布的切割模板，并進一步獲得各時期建設用地的數(shù)量等相關數(shù)據(jù)及相應的用地空間分布圖。

3.3 城鎮(zhèn)空間與用地監(jiān)測結果分析

3.3.1 擴展強度分析 根據(jù)以上航拍圖提取的建設用地顯示，在改革開放之初的1979年，核心區(qū)非農建設用地總量僅101.63 km2，城鎮(zhèn)建成區(qū)則僅有65.35 km2，占該地區(qū)國土總面積均不足1%，時至2008年，該地區(qū)的非農建設用地已達到5429.48 km2，占地區(qū)總面積的33.52%，城鎮(zhèn)建成區(qū)面積也達到4268.99 km2，占該地區(qū)國土總面積的26.35%（圖4），在改革開放30年間，核心區(qū)的非農建設用地增長了約53倍，城鎮(zhèn)建成區(qū)增長了65倍。

3.3.2 擴展速度分析 從總體上看，核心區(qū)非農建設用地的年均增量呈逐年遞增的態(tài)勢。1979—1990年間，該區(qū)的非農建設用地年均增長量僅94.94 km2，1990 —1995年間，非農建設用地年均增量上升到189.99 km2，進入2000—2003年，非農建設用地年均增長量達到350.71 km2，至2006—2008年間，更升高到409.55 km2（圖5）。其中2003—2006年，因處在國家土地政策調整期，在緊縮政策影響下，增量幅度有所下降外，其他時間段的非農建設用地年均增長量均比之前的時間段有所增多。

與非農建設用地稍有不同，1979—2008年間，核心區(qū)城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴展強度具有明顯的階段性，可分為不同強度水平的3個相對平穩(wěn)階段。20世紀80年代，該地區(qū)城鎮(zhèn)建成區(qū)年均增量水平維持在50—60 km2；20世紀90年代，則年均增量為120—150 km2的強度水平；進入21世紀，核心區(qū)的城鎮(zhèn)建成區(qū)的年均增量則在250—300 km2的幅度波動。

1979—1990年，核心區(qū)非農建設用地年均增長率達到24.64%，1990年以來核心區(qū)非農建設用地增長速度總體呈下降趨勢，并且受經(jīng)濟和政府調控等因素強烈影響而波動幅度較大。1990—1995年之間年均非農建設用地增長率為12.83%，2000—2003年間下降到10.24%，2003—2006年開始嚴控農用地轉建設用地，非農建設用地供給總量大幅減少，增長率大幅低至3.58%，在2006—2008年間略有回升至8.52%（圖5）。

與非農建設用地的增長類似，改革開放以來核心區(qū)的城鎮(zhèn)建成區(qū)面積增長速度也經(jīng)歷了一個由快到緩的過程。1979—1990年間，核心區(qū)的城鎮(zhèn)建成區(qū)增長速度為23.87%，略低于非農建設用地總體增長速度，這是由于中國長期以來實行嚴格控制大城市規(guī)模的政策，該區(qū)在這一時期的建設主要是農村城鎮(zhèn)化的過程，建設用地空間分布上極為分散，很多小城鎮(zhèn)處于逐步形成的過程。進入20世紀90年代后，城鎮(zhèn)建成區(qū)的面積增長速度總體呈下降趨勢，從1990—1995年間的14.21%，到2000—2003年間下降到13.38%，再到2006—2008年間下降到6.42%，但1990—2006年間，本地區(qū)城鎮(zhèn)建成區(qū)面積的增長速度均高過非農建設用地的總體增長速度水平，說明20世紀80年代培養(yǎng)的眾多小城市已基本成型，并且很好地承擔了增長極的功能，該區(qū)建設用地的空間集聚趨勢越來越明顯。尤其是在2003—2006年間國家開始實行緊縮性的土地政策，嚴控農用地轉為建設用地，這3年間核心區(qū)用地的增長主要集中在城鎮(zhèn)及其近郊區(qū)，城鎮(zhèn)建成區(qū)增長7.76%，達到非農建設用地增長速度的2倍以上。

2006—2008年，核心區(qū)的城鎮(zhèn)建成區(qū)增長率再次低于總體非農建設用地的增長速度，這個時期該區(qū)內的城鎮(zhèn)已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段，城鎮(zhèn)規(guī)模普遍較大，城鎮(zhèn)建成區(qū)內建設密度也較高，在當前的技術水平下，大城市的規(guī)模不經(jīng)濟開始顯現(xiàn)，與此同時經(jīng)過一段時間國家緊縮性土地供給政策的調控，各地土地建設模式也相應做了調整，對應國家一系列住房與土地政策改變，開發(fā)商開始對手頭上大量囤積的土地進行開發(fā)，包括大量位于城鎮(zhèn)建成區(qū)以外的用地，于是該區(qū)的城鎮(zhèn)出現(xiàn)分散發(fā)展的趨勢。

圖4 1979—2008年珠江三角洲核心區(qū)建設用地情況Fig.4 Construction land in the core area of PRD during the period of 1979 — 2008

圖5 1979—2008年珠江三角洲核心區(qū)建設用地增長情況Fig.5 Construction land growth in the core area of PRD during the period of 1979 — 2008

3.3.3 空間格局演化分析 改革開放初期，核心區(qū)城鎮(zhèn)建設用地的擴展剛開始以點狀擴張和帶狀生長為主，城鎮(zhèn)之間的交流也較弱，多通過河流、水系及為數(shù)不多的交通要道聯(lián)系。隨著交通設施的投入力度加大，各個城鎮(zhèn)群落之間的聯(lián)系大大增強，城鎮(zhèn)分布開始沿著道路網(wǎng)絡發(fā)展，并在東岸地區(qū)形成較為明顯的線狀空間。20世紀90年代中期后，城鎮(zhèn)建設呈現(xiàn)出漸進式延展，以沿交通干道向兩邊擴散的方式為主，在珠江口東岸形成連綿成帶的發(fā)展趨勢，廣佛地區(qū)也開始呈現(xiàn)出都市密集區(qū)成片發(fā)展的趨勢。而在跨入21世紀后，城鎮(zhèn)發(fā)展在原有布局的基礎上進行近域擴散，并且由交通干道串聯(lián)的密集區(qū)作為增長極在這個時期帶動作用明顯，珠三角東岸形成更密集的發(fā)展帶，而廣佛地區(qū)與珠三角西岸北部的城鎮(zhèn)一起，形成大范圍的都市建設圈層?？傮w而言，1979—2008年間，核心區(qū)城鎮(zhèn)建設用地在不同時期、不同方位上呈現(xiàn)點狀分散蔓延、軸線輻射、扇面擴展、填充式增長4種基本擴展方式的不同組合，而整體則表現(xiàn)出點狀擴張到線狀空間出現(xiàn)，再到形成密集發(fā)展帶和都市建設圈層的動態(tài)演變過程（圖6，封三）。

4 結論

對遙感影像圖的分析處理結果顯示，改革開放30年來，核心區(qū)城鎮(zhèn)空間及建設用地發(fā)生了巨大的變化，非農建設用地增長了約53倍，城鎮(zhèn)建成區(qū)增長了約65倍。

通過對比各發(fā)展階段可以發(fā)現(xiàn)，盡管城鎮(zhèn)建設用地的發(fā)展及城鎮(zhèn)空間的變化受經(jīng)濟波動和政府調控等因素影響強烈，但非農建設用地的年均增量呈逐年遞增的態(tài)勢，而增長速度則經(jīng)歷了一個由快到緩的過程，相比之下，城鎮(zhèn)建設用地的年均擴展量則更有階段性，而建設用地的增長速度在1990年以后就總體呈下降趨勢。

在一系列政府行為及其相應的經(jīng)濟變化的影響下，1979—2008年間，核心區(qū)城鎮(zhèn)空間的增長模式經(jīng)歷了由1979—1990年間的分散發(fā)展到1990—2006年間的集聚發(fā)展，再到2006—2008年間的分散發(fā)展的空間轉換，在此期間，城鎮(zhèn)空間的形態(tài)以點狀分散蔓延、軸線輻射、扇面擴展、填充式增長為基本擴展方式迅速變化著，而整體則表現(xiàn)出點狀擴張到線狀空間出現(xiàn)，再到形成密集發(fā)展帶和都市建設圈層的動態(tài)演變過程。

本文采用的RS和GIS綜合應用的技術方法，將核心區(qū)當作一個整體，進行建設用地與城鎮(zhèn)空間格局方面特征的總結，對進一步深入開展空間演變發(fā)展規(guī)律與機制的研究有重要意義。隨著計算機技術的發(fā)展，綜合應用RS與GIS平臺進行土地利用變化的研究具有客觀、便捷等優(yōu)勢，也將越來越受到地理與規(guī)劃等與空間研究密切相關學科的重視，并且通過與分形理論及各類經(jīng)濟模型等新的理論性研究結合，該技術將在土地利用/土地覆蓋變化方面的綜合應用研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

（References）:

［1］ Weng Q.Land use change analysis in the Zhujiang Delta of China using satellite remote sensing, GIS and stochastic modeling［J］.Journal of Environmental Management, 2002, 64（3）: 273-284.

［2］ Seto K.C., Kaufmann R.K.Modeling the Drivers of Urban Land Use Change in the Pearl River Delta, China: Integrating Remote Sensing with Socioeconomic Data［J］.Land Economics, 2003, 79（1）: 106-121.

［3］ 黎夏，葉嘉安.利用遙感監(jiān)測和分析珠江三角洲的城市擴張過程——以東莞市為例［J］.地理研究，1997，16（4）：56-62.

［4］ 陳水森，黎夏，鄒春洋.珠江口岸區(qū)近20年來土地利用變化基本特點［J］.人民珠江，2001，（5）：52-54.

［5］ 胡偉平，楊國清，吳志峰，等.珠江三角洲城鎮(zhèn)建筑覆蓋近期變化研究［J］.地理研究，2003，22（6）：780-788.

［6］ 黎夏.珠江三角洲發(fā)展走廊1988～1997年土地利用變化特征的空間分析［J］.自然資源學報，2004，19（3）：307-315.

［7］ 閆小培，毛蔣興，普軍.巨型城市區(qū)域土地利用變化的人文因素分析——以珠江三角洲地區(qū)為例［J］.地理學報，2006，61（6）：613-623.

［8］ 潘洪義，門明新，許皞，等.基于RS與GIS唐山市工業(yè)用地空間擴展模式研究［J］.中國土地科學，2007，21（1）：48-52.

［9］ 樊風雷，王云鵬.基于遙感數(shù)據(jù)的珠江三角洲核心區(qū)域土地利用時間序列變化分析［J］.農業(yè)現(xiàn)代化研究，2008，29（2）：223-226.

［10］ 王紅梅，郭蒙，李靜.哈爾濱市建設用地空間格局分析［J］.中國土地科學，2008，22（8）：29-34.

［11］ 劉旭攏，鐘凱文，陳志良，等.基于RS與GIS的伶仃洋兩岸土地利用時空演化分析［J］.熱帶地理，2009，29（1）：64-68.

［12］ 馬曉東.基于ESDA的城市化空間格局與過程比較研究［M］.南京：東南大學出版社，2007：7-8.