基于遙感影像的欽州地區(qū)建成區(qū)時空擴(kuò)展特征分析*

阮紅燕，黃智剛，裴文文，張宇鵬

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004)

1 引言

城市建成區(qū)是指已經(jīng)城市化的區(qū)域，并不是地理學(xué)上城市化區(qū)域，而是指一個城市行政區(qū)域單位，管轄以集中連片或分成若干分散片區(qū)的區(qū)域中心，大多為一個城市的中心區(qū)域，一般不包括大面積農(nóng)田和成片不適宜建設(shè)區(qū)域［1］。城市擴(kuò)張是驅(qū)動其及其周圍土地利用類型明顯變化的關(guān)鍵性因素，針對城市擴(kuò)張引起的土地利用類型變化這一問題國內(nèi)外學(xué)者已做了廣泛的研究［2-3］。然而城市擴(kuò)張不僅僅涉及土地利用類型的變化，還涉及城市建成區(qū)形態(tài)等的變化。如李愛民利用遙感影像分析了鄭州市1999年至2007年建成區(qū)擴(kuò)張?zhí)卣鳎⒆隽顺鞘杏玫匾?guī)模預(yù)測與人口變化關(guān)系［4］，張心怡等利用GIS技術(shù)分析了上海市城鎮(zhèn)化中建設(shè)用地的擴(kuò)張過程、特征以及規(guī)律等［5］。

欽州地處我國西南沿海，北緯21°35'～22°41'，東經(jīng)107°72'～109°56'之間，是華南經(jīng)濟(jì)圈、西南經(jīng)濟(jì)圈與東盟經(jīng)濟(jì)圈的結(jié)合部，是西南地區(qū)最近的出海通道，具有亞熱帶向熱帶過度的海洋性季風(fēng)氣候特點。欽州市歷史悠久，距今已有九千年的人類發(fā)展史，1949年后歷經(jīng)多次規(guī)劃，20世紀(jì)80年代建成區(qū)主要集中于主城區(qū)，1992年批準(zhǔn)建立欽州港形成“一城兩港 (欽州港、沙井港)”的空間結(jié)構(gòu)格局，2008年最新規(guī)劃形成新的空間格局“一城三區(qū)”即主城區(qū)、濱海新區(qū)、欽州港區(qū)和三娘灣旅游度假區(qū)。欽州市是全國少有的由鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展為城市的區(qū)域之一，目前因國家北部灣發(fā)展政策，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，城市化也隨之快速發(fā)展，對其建成區(qū)擴(kuò)張及形態(tài)變化研究具有實踐的指導(dǎo)意義。

該文以欽州最新城區(qū)規(guī)劃格局即“一城三區(qū)”(圖1)為研究對象，基于多時相的LandsatTM/ETM+影像數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)和城市形態(tài)定量分析指標(biāo)，分析欽州地區(qū)1987～2010年建成區(qū)擴(kuò)張過程及特征規(guī)律。

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

研究利用ENVI、ARCGIS等輔助軟件，通過提取建成區(qū)斑塊及其面積、周長和質(zhì)心坐標(biāo)等信息，計算各時期建成區(qū)擴(kuò)展速率、分形維數(shù)和緊湊度指數(shù)等綜合定量化分析欽州市建成區(qū)時空擴(kuò)展特征。技術(shù)路線如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理

研究收集了覆蓋研究區(qū)域1987年、1990年、1996年、2000年、2005年、2008年和2010年共7個時期的LandsatTM/ETM+影像數(shù)據(jù)，由于LandsatETM+衛(wèi)星2003年后出現(xiàn)故障無法獲取正確影像信息，因此研究中的1987年、1990年、1996年、2005年、2008年和2010年為LandsatTM影像數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)為欽州市1:10萬地形圖、欽州市歷年總體規(guī)劃圖件等。對研究區(qū)影像做輻射校正、幾何精度校正后進(jìn)行鑲嵌，以研究區(qū)域矢量化后邊界裁剪影像得到研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)示意

圖2 研究技術(shù)路線

2.3 建成區(qū)提取

研究采用傳統(tǒng)的最大似然監(jiān)督分類法提取建成區(qū)斑塊 (以2000年從LandsatETM+影像中提取建成區(qū)斑塊為例)。

2.3.1 最佳組合波段選擇

LandsatETM+影像有八個波段，其中第六波段為熱紅外波段，分辨率60m，主要用于與溫度有關(guān)的研究中;第8波段為全色波段分辨率為15m;第1～第5和第7波段為可見光波段，分辨率30m。因此研究基于ENVI軟件對6個可見光波段做主成分分析并統(tǒng)計其相關(guān)性系數(shù)，結(jié)果顯示 (表1):波段2和波段4相關(guān)性系數(shù)為0.826最小，次之為波段4和波段7相關(guān)性系數(shù)為0.836，因此選擇相關(guān)性系較小的三個波段如波段2、波段4和波段7組合為假彩色圖像RGB742，其中建成區(qū)基本呈紫紅色，植被呈綠色，水系呈藍(lán)色，裸地呈淺粉色。

2.3.2 最大似然法監(jiān)督分類

基于RGB741假彩色圖像，利用ENVI軟件采集建成區(qū)、植被、裸地及水域等四種地物的樣本，并進(jìn)行樣本可分離性分析，可分離性值介于0～2之間，大于1.9則可分離性好，值為2.0則分離性最佳，試驗重復(fù)采集樣本至相互可分離性達(dá)1.99以上，利用采集的樣本在ENVI中對影像執(zhí)行監(jiān)督分類，輸出分類結(jié)果。

表1 各波段相關(guān)性系數(shù)

2.3.3 分類結(jié)果評價

研究采用混淆矩陣法對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗證，精度驗證結(jié)果 (表2)知，最大似然法分類總體精度為89.76%，kappa 系數(shù)為 0.87。

表2 精度驗證系數(shù)表

2.3.4 屏幕矢量化

基于建成區(qū)具有連續(xù)的、成片區(qū)域特點，利用ENVI軟件的屏幕數(shù)字化功能將分類后各個建成區(qū)圖斑矢量化，并轉(zhuǎn)換成GIS可識別的矢量文件格式后導(dǎo)入GIS軟件，提取分析各個建成斑塊區(qū)。在矢量文件下，基于GIS軟件下，增加分析斑塊的面積 (area)、周長 (length)等字段，利用ArcGIS自帶字段計算器計算提取建成區(qū)面積、周長等，建立建成區(qū)的面積和周長屬性數(shù)據(jù)庫。

2.3.5 建成區(qū)擴(kuò)展指標(biāo)分析方法

城市建成區(qū)時空擴(kuò)展分析主要基于GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合相關(guān)學(xué)科定量分析方法，引入擴(kuò)展速度指數(shù)、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、分形維數(shù)和緊湊度指數(shù)等對城市建成區(qū)的擴(kuò)張模式和方向性進(jìn)行分析。

基于已提取的各個時期建成區(qū)邊界，在GIS軟件平臺利用信息提取技術(shù)提取各時期建成區(qū)斑塊的面積和周長信息，從而研究分析各個時期建成區(qū)在相應(yīng)時間段內(nèi)的面積變化。

上述公式中，Aa為研究某一時間段的初期城市建成區(qū)面積，Ab為該時間段的研究末期城市建成區(qū)面積，T為該研究時間段的跨度年份。

擴(kuò)展速度指數(shù)是研究城市空間擴(kuò)展強(qiáng)度的重要性指標(biāo)，主要用于描述在不同時段范圍內(nèi)各個建成區(qū)研究單元的面積擴(kuò)展強(qiáng)弱、快慢及其擴(kuò)展趨勢，計算表達(dá)式為:

式 (3)中Ua、Ub分別為a時刻和b時刻某一種利用類型土地的面積，T為a時刻與b時刻之間的研究時長，設(shè)T以年為單位，則Mue為該利用類型土地面積的年變化率［6-7］。

城市的空間形態(tài)具有分形的特征，體現(xiàn)了城市內(nèi)部自組織、自相似和邊界分形擴(kuò)展的能力，因此利用分維數(shù)來分析描述其復(fù)雜的邊界形狀是十分有意義的，同時也反映了城市內(nèi)部土地利用的形狀變化［10-12］。分形維數(shù)是一個面積與周長之間的關(guān)系函數(shù)，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的形狀指數(shù)，其定義如下［13］:

式 (4)中，St為t時期城市斑塊的分形維數(shù)，At、Pt分別為t時期城市斑塊的面積與周長。一般的，St的理論值介于1～2之間，值越大則其邊界越復(fù)雜，值越小則邊界趨于簡單整齊，用地緊湊節(jié)約較好，說明該城市斑塊向一種更好的趨勢發(fā)展。

城市空間外部形態(tài)的一個十分重要表征指數(shù)是外圍輪廓緊湊度指數(shù)。利用Boyce提出的緊湊度指數(shù)公式計算不同時期的緊湊度指數(shù)［14］:

上式 (5)中，k為城市形態(tài)緊湊度指數(shù)，A、P分別為城市面積和城市輪廓周長。緊湊度指數(shù)k以圓形區(qū)域作為標(biāo)準(zhǔn)度量單位，即圓形地物的緊湊度指數(shù)為k=1，則其他任何形狀地物緊湊度指數(shù)均為0＜k＜1。一般的，緊湊度指數(shù)越大則其空間形態(tài)越緊湊;反之則緊湊性能越差，地物離散程度則越大。城市空間形態(tài)緊湊度越大則其受外界干擾越小，較容易保持其內(nèi)部形態(tài)穩(wěn)定性［15］。

3 結(jié)果與分析

欽州市建成區(qū)擴(kuò)展受其規(guī)劃影響，1992年欽州港區(qū)開始籌劃并于1994年正式獲得批準(zhǔn)后開始建設(shè)，欽州港區(qū)的建設(shè)是全國少有的由填海區(qū)開始建設(shè)區(qū)域之一。從獲取的影發(fā)現(xiàn)，港區(qū)填海區(qū)域于1995年可明顯提取，而其港區(qū)建成區(qū)域則從1996年開始可明顯提取到填海區(qū)域面積，但是截止2010年的影像仍未能明顯提取濱海新區(qū)和三娘灣度假區(qū)的建成區(qū)邊界信息。因此，對欽州市中心城區(qū)建成區(qū)研究主要對象為主城區(qū)、欽州港區(qū)，且欽州港區(qū)建設(shè)的特殊性對其研究從其填海建設(shè)開始研究。

3.1 建成區(qū)面積增長分析

城市空間的擴(kuò)展最主要最直觀的表現(xiàn)即建成區(qū)面積的增長。研究提取從1987～2010年的各個時期欽州市中心建成區(qū)邊界，結(jié)合GIS信息提取技術(shù)和疊加分析功能，提取各年份建成區(qū)面積周長信息，表3顯示從1987～2010年期間建成區(qū)面積和周長均連續(xù)增加。

表3 1987～2010欽州市中心城區(qū)建成區(qū)面積增長統(tǒng)計

由表3中建成區(qū)擴(kuò)展面積情況明顯可以看出，從1987～2005年期間的年平均擴(kuò)張面積均為增加趨勢，而2005～2008年的年平均擴(kuò)張面積則為下降趨勢，2008年后年平均擴(kuò)張面積繼續(xù)增加，并且增加量較大，尤其是欽州港區(qū)的2008～2010年期間年平均擴(kuò)張面積約為前幾年的4倍之多。主城區(qū)的年平均擴(kuò)張面積在2000年之前相差較小，而2000～2005年期間的年平均擴(kuò)張面積急劇增加，約為1996～2000年間的3倍;隨后2005～2008年間的年平均擴(kuò)張面積減小，僅約為0.65km2;2008～2010年間的年平均擴(kuò)張面積恢復(fù)增加，建成區(qū)擴(kuò)張面積增加表明城市的發(fā)展水平不斷提高。欽州港區(qū)的年平均擴(kuò)張面積規(guī)律與主城區(qū)相似，均是2005年之前持續(xù)增加，而2005～2008年突然下降，2008年后繼續(xù)增加，并且2008～2010年的年平均擴(kuò)張面積為2.83km2，其擴(kuò)張面積量約為前幾年最大擴(kuò)張面積的3倍，處于快速增長階段，說明2008～2010年欽州港區(qū)發(fā)展快速。

3.2 擴(kuò)展強(qiáng)度分析

研究采用擴(kuò)張速度指數(shù)和擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)分析建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度，不同時段建成區(qū)擴(kuò)張速率擴(kuò)張強(qiáng)度經(jīng)過可視化顯示 (如圖4)顯示:主城區(qū)在1996年之前處于擴(kuò)張緩慢下降階段，1996年后至2005年擴(kuò)張速率逐漸上升，2005年擴(kuò)張速率最大，而1987年到2005年的擴(kuò)張強(qiáng)度一直處于逐漸緩慢上升趨勢;2005～2008年主城區(qū)的擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度均下降，說明2005年至2008年間主城區(qū)發(fā)展緩慢，之后擴(kuò)張強(qiáng)度增加。欽州港區(qū)在1990～2008年間一直處于擴(kuò)張速率不斷下降趨勢，之后上升?？梢?，主城區(qū)和欽州港區(qū)在2005～2008年間面積擴(kuò)張均處于減少區(qū)域，該階段城市發(fā)展緩慢。

圖4 各時段建成區(qū)擴(kuò)展速度指數(shù) (a)及擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù) (b)

3.3 擴(kuò)張形態(tài)分析

擴(kuò)展形態(tài)分析主要通過計算斑塊的面積-周長線性相關(guān)性、分形維數(shù)和緊湊度指數(shù)反映其邊界擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)展過程中斑塊內(nèi)部土地利用形態(tài)。基于提取的建成區(qū)面積和周長信息，按照相關(guān)模型和公式計算分形維數(shù)和聚集度指數(shù) (如表4)。

根據(jù)分形原理，采用邊界維數(shù)的計算模式分別計算1987～2010年期間7個年份的建成區(qū)面積和周長的自然對數(shù)，以周長對數(shù)為橫坐標(biāo)，面積對數(shù)為縱坐標(biāo)做線性擬合。結(jié)果顯示欽州市建成區(qū)的面積對數(shù)與周長對數(shù)呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性 (圖6)，其中主建成區(qū)的線性擬合函數(shù)為Ln(At)=1.135 Ln(Pt)+3.924，相關(guān)性系數(shù)R2為0.841;欽州港建成區(qū)的線性擬合函數(shù)為Ln(At)=1.330 Ln(Pt)+1.565 相關(guān)性系數(shù)R2較主城區(qū)高，為0.877，說明欽州港建成區(qū)較主建成區(qū)有較顯著的線性回歸關(guān)系。

圖6 建成區(qū)面積-周長對數(shù)相關(guān)性 (a為主城區(qū)，b為欽州港區(qū))

表4 建成區(qū)擴(kuò)張形態(tài)指數(shù)

根據(jù)面積-周長線性擬合方程和分維數(shù)計算模型，計算不同時期欽州市各城區(qū)分維數(shù) (圖7a)，可以看出:1987～2010年間，主城區(qū)和欽州港區(qū)的分形維數(shù)值均介于1.0到1.5之間，說明其建成區(qū)形態(tài)較簡單，且呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢，在建成區(qū)面積不斷擴(kuò)張的前提下，該時期內(nèi)建成區(qū)以外部擴(kuò)張為主內(nèi)部填充為輔。由圖表可知1990年和2008年主城區(qū)分形維數(shù)下降較大，且1990年和2008年均處于面積增加，說明該兩個時期擴(kuò)張主要以內(nèi)部填充為主要;此外主城區(qū)各年份的分形維數(shù)均處于1.1上下波動，說明主城區(qū)主要以較簡單的外部面積延伸為主要擴(kuò)張趨勢。欽州港區(qū)的分形維數(shù)從1990年到2010年均處于1.15左右波動，說明面積擴(kuò)張以外部范圍延伸為主要。

采用緊湊度計算公式計算得到欽州市建成區(qū)擴(kuò)張過程中緊湊度指數(shù) (圖7b)，結(jié)果表明，欽州市建成區(qū)的緊湊度指數(shù)相對較低，1987年和1990年因建成區(qū)用地規(guī)模相對較小，緊湊度相對較高，且1990年較1987年高。結(jié)合1990年分形維數(shù)較1987年低及面積擴(kuò)張趨勢表明，1990年建成區(qū)用地以內(nèi)部填充為主，用地規(guī)模緊湊;1990～1996年緊湊度指數(shù)急劇下降，1996年后緊湊度指數(shù)波動較小，緊湊度較低，總體保持相對穩(wěn)定的外部擴(kuò)張狀態(tài)。欽州港區(qū)的緊湊度指數(shù)從1996～2010年均維持在0.2左右，2000～2005年期間緊湊度有上升趨勢，2005年后逐漸下降。欽州港區(qū)的緊湊度變化與其自身發(fā)展有密切關(guān)系，2000～2005年欽州港區(qū)面積擴(kuò)張劇增，外部擴(kuò)張和內(nèi)部填充同時進(jìn)行，故緊湊度有上升趨勢;2005～2008年面積擴(kuò)張急劇減少，而分形維數(shù)增加說明以外部小范圍擴(kuò)張為主。

圖7 各時期建成區(qū)形態(tài)指數(shù) (a為分維數(shù)，b為緊湊度指數(shù))

4 結(jié)論

通過欽州市中心城區(qū)擴(kuò)展分析，得出以下主要結(jié)論:

(1)1987～2005年期間的年平均擴(kuò)張面積均為增加趨勢，而2005—2008年的年平均擴(kuò)張面積則為下降趨勢，2008年后年平均擴(kuò)張面積繼續(xù)增加，并且增加量較大且擴(kuò)展以主城區(qū)圍繞欽江向北方向為擴(kuò)展為主，表明主城區(qū)在該時段處于前期緩慢擴(kuò)張向快速擴(kuò)張發(fā)展階段。

(2)欽州港區(qū)的年平均擴(kuò)張面積規(guī)律與主城區(qū)相似，均是2005年之前持續(xù)增加，而2005～2008年突然下降，2008年后繼續(xù)增加。

(3)擴(kuò)張速度指數(shù)和擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)均表明:主城區(qū)在1996年之前處于擴(kuò)張緩慢下降階段，1996年后至2005年擴(kuò)張速率逐漸上升，2005年擴(kuò)張速率最大，而1987年到2005年的擴(kuò)張強(qiáng)度一直處于逐漸緩慢上升趨勢;而2005年至2008年間主城區(qū)發(fā)展緩慢，之后擴(kuò)張強(qiáng)度增加;主城區(qū)和欽州港區(qū)在2005～2008年間面積擴(kuò)張均處于減少區(qū)域，該階段城市發(fā)展緩慢。

(4)1987～2010年間，主城區(qū)和欽州港區(qū)的建成區(qū)形態(tài)較簡單，且呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢，在建成區(qū)面積不斷擴(kuò)張的前提下，該時期內(nèi)建成區(qū)以外部擴(kuò)張為主內(nèi)部填充為輔;欽州港區(qū)從1990～2010年面積擴(kuò)張以外部范圍延伸為主要。城市發(fā)展理論認(rèn)為，每個城市擴(kuò)張都會經(jīng)歷緩慢擴(kuò)展期、中速擴(kuò)展期、快速擴(kuò)張期［16-17］;分析可知目前欽州市中心城區(qū)發(fā)展處于中速發(fā)展向快速發(fā)展階段，城市發(fā)展仍將趨于劇烈演化階段，因此繼續(xù)探索欽州市建成區(qū)擴(kuò)展的時空規(guī)律性對今后欽州市城市發(fā)展方向的定位和規(guī)劃的指導(dǎo)意義重大，其發(fā)展規(guī)律性有待進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)。

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