基于GIS和RS的城市空間形態(tài)變化研究
——以西昌市為例

裴勇軍，周光紅，田學(xué)軍

(1.衢州市測繪院，浙江衢州324000;2.成都理工大學(xué)，四川 成都610059;3.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定071000)

一、前 言

城市空間形態(tài)變化研究，是城市發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)，對城市遠(yuǎn)景規(guī)劃有十分重要的指導(dǎo)作用。它也是城市人類活動演變以及區(qū)域城鎮(zhèn)化分布研究的重點內(nèi)容和基礎(chǔ)內(nèi)容。目前，基于GIS和RS的城市空間形態(tài)變化是關(guān)于城市發(fā)展趨勢研究的熱點，是對城鎮(zhèn)化和人類活動趨勢研究的有效手段。研究利用GIS和RS首次在西昌市基于不同時段影像、解譯數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，完成了圖像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的疊合，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了西昌市空間形態(tài)變化和城鎮(zhèn)化的分析與評價。

二、研究方法及數(shù)據(jù)處理

一個城市的空間形態(tài)變化除了受到自然因素的影響，更多地受到人類活動和經(jīng)濟等因子的影響。論文在研究西昌市空間形態(tài)發(fā)展模式時把影響西昌市空間形態(tài)變化的影響因子概括為自然因子和人類活動因子。人類活動因子主要是通過土地利用變化率來表示，作為研究的一個驅(qū)動力變化因子，通過分析1989年TM數(shù)據(jù)和1999年ETM數(shù)據(jù)求得土地利用變化率，土地利用變化率越高的地方，說明人類活動越活躍。自然因子主要是從西昌市的DEM數(shù)據(jù)提取坡度、坡向、地面粗糙度、相對高程作為研究的驅(qū)動力因子。坡度大小是制約生產(chǎn)力空間布局的重要因子，對交通、經(jīng)濟及人類聚居影響很大;坡向影響人類居住地的選擇，也是直接造成局部地區(qū)氣候特征的差異，影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展;地表粗糙度是反映地形的起伏變化和侵蝕程度的宏觀地形因子;相對高程是地勢起伏大小的指標(biāo)，地勢起伏對人類的居住習(xí)慣及城市空間形態(tài)變化有著重要的影響。最后通過AHP按不同權(quán)重疊加5個因子得到西昌市空間形態(tài)變化圖。研究方法思路圖見圖1。

1.人類活動因子——土地利用變化率的提取

(1)遙感圖像的預(yù)處理及監(jiān)督分類

研究所采用的數(shù)據(jù)為于1989年05月11日拍攝的西昌市Landsat TM數(shù)據(jù)，以及于1999年11月23日拍攝的西昌市Landsat ETM數(shù)據(jù)。在Envi軟件中通過圖像幾何校正、圖像裁剪和拼接、多波段數(shù)據(jù)融合及波段選擇、圖像增強完成對TM和ETM圖像的預(yù)處理。在實地考察、參考其他學(xué)者的成果和反復(fù)解譯的基礎(chǔ)上建立各地物的解譯標(biāo)志，利用Envi軟件采用最大似然(Likelihood Classification)分類器進(jìn)行監(jiān)督分類，再采用人工目視解譯的方法進(jìn)行局部修改得到分類圖。

(2)土地利用變化率的提取

研究中土地利用變化的速度主要是通過土地利用類型的時空變化進(jìn)行度量，它既可表征單一土地利用類型的時序變化，也可對區(qū)域土地利用動態(tài)的總體狀況及其區(qū)域分異進(jìn)行分析。表達(dá)式如下

式中，Ka、Kb分別為區(qū)域某一特定土地利用類型研究期初及研究期末的面積;T為研究時段長;R為單一土地利用類型變化率。該指數(shù)可以刻畫區(qū)域土地利用變化程度。分類統(tǒng)計得出表1的結(jié)果。

表1 研究區(qū)域土地利用類型面積及其變化

利用ArcGIS軟件對分類圖進(jìn)行分析即可得出土地利用變化率。土地利用變化率的值越高表示該地的土地利用變化越快，也表明該地人類活動越活躍，空間形態(tài)變化越明顯。為了便于研究，研究在ArcGIS中采用自然裂點法將土地利用變化率分為5個級別，即無變化、變化較低、變化一般、變化較快、變化顯著(如圖2所示)。

2.自然因子——坡度、坡向、相對高程、地面粗糙度的提取

(1)坡度因子的提取

研究采用的DEM數(shù)據(jù)利用經(jīng)過幾何校正的地形圖提取的高程數(shù)據(jù)生成的?；贒EM的坡度提取通常在3像素×3像素的DEM柵格分析窗口中，采用幾何平面來擬合或差分計算的方法進(jìn)行。研究在ArcGIS軟件中提取的坡度如圖3所示。

圖2 土地利用變化率分類圖

圖3 西昌市坡度圖

(2)坡向因子的提取

研究在ArcGIS軟件中基于DEM數(shù)據(jù)提取坡向。為了便于統(tǒng)一計算，需將坡向根據(jù)四川省坡向分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類合并為4類，即平緩地、陽坡、半陽坡、陰坡。最后按照此類分法提取出坡向分布如圖4所示。

圖4 西昌市坡向分級圖

(3)地面粗糙度的提取

地面粗糙度一般定義為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比。研究在ArcGIS軟件中基于DEM提取的地面粗糙度如圖5所示。

圖5 西昌市地面粗糙度

(4)相對高程的提取

本文采用的是領(lǐng)域統(tǒng)計提取方法［1］在ArcGIS軟件中提取西昌市的相對高程，整個研究區(qū)域的相對高程數(shù)據(jù)可以利用ArcGIS的柵格計算器求取，這種方法提取出來的相對高程數(shù)據(jù)由于采用了領(lǐng)域統(tǒng)計分析方法，因而提取出來的相對高程數(shù)據(jù)沒有被分級，數(shù)值具有連續(xù)性(如圖6所示)。

3.利用層次分析法(AHP)獲得空間形態(tài)變化圖

研究基于層次分析法求的以上5個因子的權(quán)重，解決了評價要素的不同屬性、不同度量標(biāo)準(zhǔn)、不同定性與定量標(biāo)準(zhǔn)等的統(tǒng)一化和規(guī)范化問題。

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)前面提取出的因子，將分類指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、指標(biāo)層(因素層)兩個層次。目標(biāo)層為空間形態(tài)變化圖。指標(biāo)層為:坡度、坡向、地面粗糙度、相對高程、土地利用變化率。

(2)構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某一個因素的相對重要性的比較。判斷矩陣的元素用Santy的1～9標(biāo)度方法給出。層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度及其含義見表2。

圖6 西昌市相對高程

表2 層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度及其含義

確定評價因子權(quán)重判斷矩陣

利用方根法計算判斷矩陣aij的最大特征根及其對應(yīng)特征向量，經(jīng)計算，矩陣的特征向量為:W=(0.192 1，0.097 3，0.109 7，0.118 9，0.482 0)此即為坡度，坡向，相對高程，地面粗糙度，土地利用變化率分別對空間形態(tài)變化趨勢的權(quán)重。

計算判斷矩陣的最大特征根為5.059 5。

(3)一致性檢驗

由于客觀事物的復(fù)雜性或?qū)κ挛镎J(rèn)識的片面性，通過判斷矩陣求出特征向量，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性和隨機性檢驗，檢驗公式

式中，CR為判斷矩陣的隨機一致性比率;RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)［1］，由大量試驗給出。CI判斷矩陣的一致性指示，由式(3)確定

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根;m為判斷矩陣的階數(shù)。

CR小于0.10時認(rèn)為判斷矩陣具有一致性;否則，不具有一致性，需要重新構(gòu)造判斷矩陣。對于本次研究中構(gòu)建的判斷矩陣，CR為0.013 3小于0.1，表明判斷矩陣具有滿意的一致性。

判斷矩陣構(gòu)建后，通過計算各矩陣的特征值和特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗，得出各指標(biāo)的權(quán)重。指標(biāo)體系和權(quán)重的具體內(nèi)容見表3。

表3 因子指標(biāo)體系和權(quán)重

(4)求取空間形態(tài)變化圖

根據(jù)上述分析，結(jié)合西昌市空間動態(tài)變化的5個影響因子的量化結(jié)果，根據(jù)層次分析法確定的各因子權(quán)重，在ArcGIS軟件中進(jìn)行多因子分級加權(quán)運算，即可得到西昌市空間動態(tài)變化趨勢圖 。值越大，說明該地發(fā)展速度越快，為了便于分析研究，本文采用自然裂點法將西昌市空間形態(tài)變化趨勢圖分為5個級別，即無變化、變化較低、變化一般、變化較快、變化顯著(如圖7所示)。

圖7 西昌市空間形態(tài)變化分類圖

三、結(jié) 論

通過對得到的西昌市空間形態(tài)變化圖的分析可以看出:

1)空間形態(tài)變化較大的地方主要集中在城鎮(zhèn)邊緣，可以看出西昌市城鎮(zhèn)變化方向為城鎮(zhèn)不斷擴大，大量侵占耕地和草地。從時間變化特征來看，研究區(qū)1989—1999年土地利用類型面積有較大幅度的變化，其中耕地減少幅度較大，10年間共減少1 829.1 0 hm2。 林 地 面 積 顯 著 增 加，共 增 加2 497.116 hm2，其原因主要是1998年以后國家實施天然林保護(hù)工程和退耕還林政策，研究區(qū)大量的陡坡耕地生態(tài)退耕所致，同時研究區(qū)發(fā)揮光熱資源優(yōu)勢，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展經(jīng)濟林木也是導(dǎo)致林地增加的重要原因［6］。草地面積明顯減少，共減少了2 287.42 hm2。建設(shè)用地呈現(xiàn)出快速增加的趨勢，10年面積增加2 042.24 hm2;水域和未利用地分別減少了 98.55 hm2和331.26 hm2。

2)將空間形態(tài)變化圖與坡度圖、坡向圖、地面粗糙度圖和相對高程圖進(jìn)行分析統(tǒng)計，可以得到坡度、坡向、地面粗糙度和相對高程對城市空間形態(tài)變化關(guān)系表(見表4)。

表4 坡度、坡向、地面粗糙度和相對高程對城市空間形態(tài)變化關(guān)系表

可以看出人類居住地逐漸往低坡度的平原地區(qū)發(fā)展，坡度在45°下，空間形態(tài)變化較大。坡向為平緩地和半陽坡空間形態(tài)變化較大。相對高程在200～450 m的地方變化較大，2000 m以上的地方基本上無變化。

3)空間形態(tài)變化活躍的地方主要集中在瀘黃高速公路兩旁、邛海周圍及城鎮(zhèn)化邊緣。研究結(jié)果與實際情況相符合，表明研究方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測出城市空間形態(tài)變化趨勢。

通過此項研究表明:在西昌市首次建立了基于不同時段影像、解譯數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成了圖像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的疊合，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了西昌市空間形態(tài)變化和城鎮(zhèn)化的分析與評價。研究利用RS技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方法，可以方便快速地得出土地利用類型率，以及坡度、坡向、地面粗糙度和相對高程等自然因子對城市空間形態(tài)變化的影響，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測出城市空間形態(tài)變化趨勢，對城鎮(zhèn)土地利用管理與城鎮(zhèn)遠(yuǎn)景規(guī)劃有十分重要的指導(dǎo)作用。

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