基于TM影像的焦作市城市擴(kuò)張與驅(qū)動力分析

鄧 超，程 鋼，孫震輝

（1.河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000）

城市是人口與經(jīng)濟(jì)活動高度聚集的空間載體，是人類活動的中心。城市的空間擴(kuò)展是城市形成與發(fā)展的必經(jīng)階段［1］。為確保城市建設(shè)中合理利用土地，實(shí)現(xiàn)城市健康可持續(xù)發(fā)展，必須加強(qiáng)城市建成區(qū)的動態(tài)監(jiān)測［2］。遙感技術(shù)可以獲得城市及時準(zhǔn)確的動態(tài)擴(kuò)張數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為城市擴(kuò)張分析、城市資源環(huán)境監(jiān)測的重要技術(shù)手段［3-6］。遙感技術(shù)在城市擴(kuò)展監(jiān)測方面具有優(yōu)勢，但影像監(jiān)督分類的效率和精度影響著結(jié)果的可靠性，如何提高分類精度和效率是主要的研究方向。

本文基于多時相遙感影像利用最佳指數(shù)因子法選取最佳波段組合對焦作市城市擴(kuò)張?zhí)卣鬟M(jìn)行研究，并結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對城市擴(kuò)張驅(qū)動因素進(jìn)行定量分析。

1 研究區(qū)概況

焦作市位于河南西北部，北依太行山，南臨黃河，地處黃河中下游北畔，是焦太線-焦柳線上重要的城市，是中原城市群重要組成部分。北與山西省晉城接壤，南與鄭州、洛陽隔河相望，地理坐標(biāo)位于北緯35°10′～35°21′，東經(jīng)113°4′～113°26′之間，東西長約35.2km，南北寬約 19.7km，總面積4 071km2［7］。北部山勢陡峻，南部為豫北平原，地勢高度由西北向東南遞減，東西兩側(cè)為煤礦開采區(qū)。

2 研究方法

本研究采用多時相遙感影像為主的多源數(shù)據(jù)，對焦作市建筑用地、耕地、林地、水域、未利用土地等空間分異情況進(jìn)行監(jiān)測，并利用地形圖、規(guī)劃圖、區(qū)劃圖及經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計資料對城區(qū)擴(kuò)張?zhí)卣鬟M(jìn)行量化分析。

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用遙感數(shù)據(jù)選取Landsat 5TM，軌道號124／36，采集時間為6～9月，均選擇無云影像，質(zhì)量較好，滿足應(yīng)用需求；其他數(shù)據(jù)包括河南省行政區(qū)劃圖、焦作市土地利用規(guī)劃圖、部分地形圖、2000～2011年焦作市社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料等［8］。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于受到遙感傳感器本身特性、地物光照條件、大氣作用的影響，影像在成像過程中會產(chǎn)生輻射失真和幾何畸變，在使用前需要首先對影像進(jìn)行輻射校正和幾何校正；其次通過影像配準(zhǔn)將多時相的影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)下；最后對各時相遙感影像進(jìn)行裁剪，去除多余信息，提高解譯效率。

2.2.2 TM遙感圖像彩色合成最佳波段選取

Landsat TM遙感圖像有7個波段，具有豐富的地物光譜特征，但大量的波段參與地物信息的提取不僅增加計算機(jī)的負(fù)擔(dān)，冗余的數(shù)據(jù)會影響對信息提取的效率。選取最佳波段組合是Landsat TM遙感圖像增強(qiáng)處理的關(guān)鍵步驟，直接影響到解譯和地物信息的提取。本文在進(jìn)行波段選擇時遵循以下幾點(diǎn)原則：①參與合成RGB假彩色圖像的3個波段組合總的信息量要大；②各波段之間的相關(guān)性要??；③組合而成的假彩色圖像中不同地物類型之間的光譜特征差異要大。本文通過最佳指數(shù)因子選取Landsat TM遙感圖像中3個波段疊加在一起，組合成一幅RGB彩色圖像，便于各類要素的解譯。

最佳指數(shù)因子法（Optimum Index Factor，OIF），算法簡單，且考慮了波段組合信息總量和3個波段之間的相關(guān)性對最優(yōu)波段組合選取的影響，計算方法見式（1）。

式中：Si表示第i個波段的標(biāo)準(zhǔn)差；Rij是i，j兩波段的相關(guān)系數(shù)。OIF指數(shù)越大說明波段組合越優(yōu)［9］。

在TM的1～7波段中，TM6是熱紅外波段，分辨率較低，主要反映熱輻射信息，在土地利用監(jiān)測中不予考慮，本文僅對其他6個波段進(jìn)行統(tǒng)計和計算，用ENVI4.7軟件對焦作市2000年、2008年和2011年3期TM遙感圖像中的各個波段進(jìn)行分析，得到每期的TM圖像光譜統(tǒng)計特征表、TM圖像相關(guān)系數(shù)表，根據(jù)式（1）計算分別得到每期TM圖像不同波段組合的OIF指數(shù)計算表。

通過綜合分析，得到2000年8月30號TM遙感圖像中最佳波段組合為3，4，5，2008年7月22號TM遙感圖像中最佳波段組合為1，4，5，2011年6月30號TM遙感圖像中最佳波段組合為1，4，5。

2.3 基于圖像分類和疊加分析的土地利用變化監(jiān)測

本文利用研究區(qū)的先驗(yàn)知識和其它輔助數(shù)據(jù)采用監(jiān)督分類提取各地地物信息。由于TM遙感圖像的精度較低，本文按照土地利用一級分類對研究區(qū)域進(jìn)行分類，并將圖像分為建筑與道路、耕地、林地、水域和未利用土地5類，利用監(jiān)督分類的最大似然法進(jìn)行處理，得到3個時相的分類結(jié)果，如圖1所示。

圖1 3個時相的監(jiān)測結(jié)果

其中三幅圖像中的紅色為建筑用地（含道路用地），淺綠色為耕地，深綠色為林地，藍(lán)色為水域，黃色為未利用土地。三期數(shù)據(jù)的分類總體精度和Kappa系數(shù)見表1，分類總精度均達(dá)到90%以上，可以滿足研究的要求。

將2000年和2008年，以及2008年和2011年的分類結(jié)果進(jìn)行疊加分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 土地利用變化圖

表1 分類總精度表

其中灰色的為未改變的土地利用類別，紅色的為增加的建筑和道路用地，綠色為增加的植被用地，藍(lán)色為增加的水域。

2.4 焦作市城區(qū)空間變化特征分析

根據(jù)焦作市歷年統(tǒng)計年鑒和焦作市城市總體規(guī)劃（1995～2010）［10］可知2008年焦作市是發(fā)展轉(zhuǎn)折年，城市用地迅速擴(kuò)張。本文分2000～2008年、2008～2011年兩個時間段進(jìn)行分析，利用空間分析方法對兩個階段的建成區(qū)空間擴(kuò)展情況進(jìn)行量化分析。

2.4.1 緊湊度、城市擴(kuò)展速度與強(qiáng)度分析

城市緊湊度、擴(kuò)展速度、擴(kuò)張強(qiáng)度是研究城市擴(kuò)張過程的主要分析指標(biāo)。城市緊湊度可以反映城市形態(tài)，算式如式（2）［11］所示。

式中：c為城市緊湊度；A為城區(qū)面積；P為城市輪廓周長。緊湊度值越大，形狀越緊湊。

城市擴(kuò)展速度用年均擴(kuò)展率表示，算式如式（3）所示。

式中：ES為城市年均擴(kuò)展率；La為研究初期城市建成區(qū)面積；Lb為研究末期城市建成區(qū)面積；n為研究時段，以年為單位。

城市擴(kuò)展強(qiáng)度指在研究時期內(nèi)某單位空間城市土地利用擴(kuò)張面積與土地總面積的比值，算式如式（4）所示。

式中：UILt-t＋n為城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；ULAt＋n和ULAt表示t＋n及t年時的城市土地面積；TLA為土地總面積，n同式（3）。

結(jié)合2000～2011年的統(tǒng)計年鑒有關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）～式（4）得到各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 建成區(qū)緊湊度指數(shù)

表3 建成區(qū)擴(kuò)展速度、強(qiáng)度統(tǒng)計

根據(jù)表2可知，從2000～2011年焦作市的城市緊湊度從2000年的0.346到2008年的0.411再到2011年的0.435，緊湊度明顯增加。從表3可知，城市擴(kuò)張的速度從2000～2008年的時間段的5.86到2008～2011年的6.12，城市擴(kuò)張步伐加快；擴(kuò)張強(qiáng)度也從2000～2008年時間段的0.88到2008～2011年的1.26，有顯著的增強(qiáng)，從中等擴(kuò)張強(qiáng)度進(jìn)入了快速擴(kuò)張強(qiáng)度的階段，略有超前。結(jié)合遙感影像輔助判讀，焦作市綠化面積大量增加，與焦作市建設(shè)旅游城市，加快城市發(fā)展轉(zhuǎn)型的總體規(guī)劃相一致。

2.4.2 城市用地擴(kuò)展系數(shù)

本文采用城市用地擴(kuò)展系數(shù)來測定城市用地擴(kuò)展速度。該系數(shù)是指一定時期內(nèi)城市用地增長率與城市人口增長率之間的比值［12］，算法如式（5）所示。

式中：S1為城市建成區(qū)面積年均增長速度；S2為城市非農(nóng)業(yè)人口年均增長速度。

根據(jù)統(tǒng)計年鑒的有關(guān)數(shù)據(jù)可知［6］，建成區(qū)2000～2008年增長速度為0.721，非農(nóng)人口年增長速度為0.157，城市用地擴(kuò)展系數(shù)高達(dá)457%；2008～2011年建成區(qū)的年均增長速度為0.065，非農(nóng)人口年增長速度為0.002 6，城市用地擴(kuò)展系數(shù)為96%。根據(jù)K在國內(nèi)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，2000～2008年，城市用地規(guī)模擴(kuò)展過快，主要原因在于政策因素，將郊區(qū)的大量農(nóng)村人口轉(zhuǎn)為非農(nóng)戶口，相應(yīng)的村莊轉(zhuǎn)化成了城鎮(zhèn)；2008～2011年，城市用地規(guī)模擴(kuò)展低于112%，擴(kuò)展系數(shù)明顯下降，逐漸趨向于低速發(fā)展。

通過以上對焦作市城市空間的定量分析，可知焦作市城市擴(kuò)張的以下特征：

1）建設(shè)速度快。面積從2000～2011年增加了1.85倍，超出河南省平均水平的1.15倍。

2）擴(kuò)展的方向性強(qiáng)。建成區(qū)2000～2011年的城市空間擴(kuò)展主要向南面，其次在西邊和東邊。這主要是受到焦作地區(qū)特殊地形地貌的影響。

3）城市綠地面積迅速增加。焦作市轉(zhuǎn)型為旅游城市后，更加注重城市綠地的建設(shè)，城市綠地面積不斷增加。

4）城市發(fā)展趨向合理。從上述各項(xiàng)指標(biāo)來看，市區(qū)越來越緊湊，城市用地擴(kuò)展系數(shù)趨于穩(wěn)定，雖然擴(kuò)張強(qiáng)度略有提高，但從整體上看，焦作市市區(qū)的發(fā)展正趨向于合理化。

5）耕地面積迅速減少。從2000年39.6%的比例降到了2008年的22.7%，進(jìn)一步下降到了2011年的19.6%，城市建設(shè)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致大量耕地被占用。

3 焦作市城市擴(kuò)張驅(qū)動力分析

建設(shè)用地擴(kuò)張演化主要受自然因素和人文因素影響。自然因素對城市擴(kuò)張的影響比較穩(wěn)定，一定時間內(nèi)難以對城市擴(kuò)張?jiān)斐删薮笥绊?，而人文因素發(fā)揮主導(dǎo)驅(qū)動作用，本文主要分析人文因素對焦作市城市擴(kuò)張的影響，以期揭示其主要原因和內(nèi)部機(jī)制。

在胡德勇等人研究的基礎(chǔ)上［13］兼顧到焦作市的實(shí)際情況，以焦作市2000～2011年的系列資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取10個驅(qū)動力因子對建設(shè)用地變化進(jìn)行分析，包括：X1—人口（人）；X2—GDP（萬元）；X3—第一產(chǎn)業(yè)占總產(chǎn)值比重（萬元）；X4—第二產(chǎn)業(yè)占總產(chǎn)值比重（萬元）；X5—第三產(chǎn)業(yè)占總產(chǎn)值比重（萬元）；X6—社會固定資產(chǎn)投資（萬元）；X7—非農(nóng)人口（人）；X8—人均 GDP；X9—鋪裝道路面積；X10—公交車擁有量；Y—建設(shè)用地面積（km2）。由2000～2011焦作市統(tǒng)計年鑒得到數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 原始數(shù)據(jù)表

通過相關(guān)性分析可知，城市擴(kuò)展和各要素之間有很高的相關(guān)性，各個要素間也有很高相關(guān)性。本文采用主成分分析法，降低要素之間相關(guān)性的復(fù)雜度，獲取焦作市城市擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。本文利用SPSS20.0軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)分析，得到特征值及主成分貢獻(xiàn)率，如表5所示。

表5 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

由表5可知，前兩個因子的特征值均大于1，累計方差為89.302%，超過了85%，可以包含數(shù)據(jù)的主要信息，因此本文選用前兩個因子為主因子代替所選的10個因子。

由主成分載荷矩陣如表6可知，第一主成分與GDP、第三產(chǎn)業(yè)、市區(qū)固投、人均GDP、總?cè)丝谟泻艽笙嚓P(guān)性。其中GDP、人均GDP、固定資產(chǎn)投資和基礎(chǔ)建設(shè)占財政支出的比例反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，總?cè)丝诤头寝r(nóng)人口的比重反映了城鎮(zhèn)化水平；第三產(chǎn)業(yè)占的比重反映了第三產(chǎn)業(yè)對焦作市城市擴(kuò)張的影響。第二主成分與第二產(chǎn)業(yè)占的比重相關(guān)性較強(qiáng)，說明工業(yè)也是促進(jìn)城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動力之一。下面從幾個方面分析各類驅(qū)動因素：

表6 主成分轉(zhuǎn)置載荷矩陣

1）經(jīng)濟(jì)增長。焦作市國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2000～2011年，焦作市GDP從651 866萬元增長到2 855 836萬元，增長幅度達(dá)2 203 970萬元，增長率高達(dá)338.10%，年均增長30.73%。焦作市經(jīng)濟(jì)的的快速增長為城市建設(shè)提供強(qiáng)有力的資金保障，大力推動了焦作市城市擴(kuò)張建設(shè)。

2）經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的變化。近年來，隨著焦作市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型之路的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，旅游業(yè)、服務(wù)業(yè)快速發(fā)展。在新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式下，第三產(chǎn)業(yè)體系逐步完善，正朝著功能完善、布局合理、服務(wù)一流的方向發(fā)展。2000～2011年之間，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重從3.89%下降到1.15%，第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重從67.35%下降到55.83%，而第三產(chǎn)業(yè)比重卻從32.06%上升到43.01%。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也成為城市建設(shè)用地擴(kuò)張的主要驅(qū)動因素之一。

3）固定投資。近年來，焦作市政府鼓勵外來投資，為外來投資創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，在政府導(dǎo)向下社會投資逐年增加，從2000～2011年，固定投資從258 547萬元增長到2 490 372萬元，增長率高達(dá)963.22%。不斷增加的固定資產(chǎn)投資大力推動城市建設(shè)的舊城改造、改建、擴(kuò)建、新建等活動，促使焦作市建設(shè)用地面積在不斷增長。

4）城鎮(zhèn)化建設(shè)。人口和產(chǎn)業(yè)活動在空間上集聚，農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化為非農(nóng)村人口，農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)地區(qū)，是城市化的主要過程。城鎮(zhèn)化建設(shè)促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)和人口在空間布局上合理集中。焦作市城鎮(zhèn)化在河南省處于領(lǐng)先地位，其新型城鎮(zhèn)化建設(shè)是焦作市發(fā)展的驅(qū)動力之一。

4 結(jié) 論

本文通過遙感監(jiān)測城市擴(kuò)張表明，2000～2011年，焦作市城市空間擴(kuò)展特征主要表現(xiàn)為建成區(qū)范圍的外延式水平空間擴(kuò)展，建設(shè)速度快、擴(kuò)展的方向性強(qiáng)。結(jié)合焦作市各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可知經(jīng)濟(jì)增長、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化、固定投資、城鎮(zhèn)化建設(shè)促進(jìn)焦作市擴(kuò)張的主要因素。結(jié)合焦作市規(guī)劃情況，焦作市應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)城市建設(shè)用地集約程度；通過建立完善的耕地保護(hù)制度，確保城鄉(xiāng)城市建設(shè)用地擴(kuò)張與保護(hù)耕地相協(xié)調(diào)，最終達(dá)到統(tǒng)籌發(fā)展的目的；加大舊城改造力度，避免建設(shè)用地過度擴(kuò)張；大力發(fā)展公共交通，減輕交通對城市建設(shè)用地的壓力。

［1］趙淑玲.鄭州城市空間擴(kuò)展及其對城郊經(jīng)濟(jì)的影響［J］.地域研究與開發(fā)，2004（3）：49-52.

［2］姜波，陳慶華，于寧.遙感技術(shù)在哈爾濱市數(shù)字城市規(guī)劃中的應(yīng)用［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2007（2）：76-79.

［3］JENSEN J R，COWEN D C.Remote sensing of urban／suburban infrastructure and socio-economic attributes［J］.Photogrammetric engineering and remote sensing，1999，65：611-622.

［4］WOLTER P T，JOHNSTON C A，NIEMI G J.Land use land cover change in the US Great Lakes basin 1992to 2001［J］.Journal of Great Lakes Research，2006，32（3）：607-628.

［5］韋春竹，鄭文鋒，孟慶巖，等.基于元胞自動機(jī)的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在土地利用變化模擬分析中的應(yīng)用［J］.測繪工程，2014，23（1）：45-49.

［6］李海峰.德陽市城市擴(kuò)展及地表植被覆蓋變化的遙感動態(tài)監(jiān)測與分析［J］.測繪與空間地理信息，2013（11）：9-12.

［7］焦作市人民政府.市情簡介［DB／OL］.http：／／www.jiaozuo.gov.cn

［8］焦作市統(tǒng)計信息網(wǎng).統(tǒng)計年鑒［DB／OL］.http：／／218.28.60.51

［9］路遙.1976～2001年遼寧省東港城市擴(kuò)展遙感監(jiān)測分析［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2013（4）：490-494.

［10］焦作市國土資源局.焦作市土地利用總體規(guī)劃（1995-2010）［DB／OL］.［2008-03-18］.http：／／www.jzgtzy.gov.cn／zwgk／ghjifags／20061206／024231.shtm.l

［11］方剛.宿州市城市擴(kuò)展的遙感動態(tài)變化監(jiān)測與評價［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014（4）：284-289.

［12］穆曉東，劉慧平，薛曉娟.基于遙感監(jiān)測的北京1984—2007年城市擴(kuò)展研究［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012（1）：81-85.

［13］胡德勇，李京，陳云浩等.基于多時相Landsat數(shù)據(jù)的城市擴(kuò)張及其驅(qū)動力分析［J］.國土資源遙感，2006（4）：46-49.