半城市化地區(qū)界定方法研究

摘要：半城市化地區(qū)是普遍存在卻難以精確量定的空間實體，現(xiàn)有劃分方法往往難以兼顧空間要素指標(biāo)和研究精度的匹配。以烏魯木齊市高新區(qū)為研究區(qū)，在Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)支持下綜合使用3S技術(shù)，結(jié)合斷裂點分析方法，根據(jù)用地指標(biāo)斷裂點的空間分布界定出半城市化地區(qū)的地域范圍。結(jié)果表明，烏魯木齊高新區(qū)半城市化地區(qū)呈星形發(fā)散狀分布于老城區(qū)和郊區(qū)之間；經(jīng)實地采樣驗證，上述方法可行，能為半城市化地區(qū)的空間界定研究提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：遙感影像；GIS空間分析；半城市化地區(qū)；范圍界定；烏魯木齊市

中圖分類號：TU984 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0581-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.009

Abstract： The peri-urban area does exist generally，but it is difficult to identify precisely. Current methods have some difficulty in combining spatial indicators with linkage of the research precision. Taking Gaoxin District of Urumqi as a study area，the spatial boundary of peri-urban area was identified using 3S technique based on remotely sensed images of Landsat OLI，and the break point analysis method combining with the position of the inner and outer boundaries of land-use indicators’ breakpoints. The results showed that peri-urban area in Gaoxin District of Urumqi appeared star radial divergent distribution between the old city and suburban districts. Using field sampling to verify，the results proved that the method was workable and offered a new way in the research on abstraction of peri-urban area.

Key words：remotely sensed images；GIS spatial analysis；peri-urban area；spatial definition；Urumqi city

半城市化地區(qū)是城市化發(fā)展到一定階段但還未達到完全城市化階段形成的獨特地域?qū)嶓w，是城市人口和產(chǎn)業(yè)等要素的空間集聚與擴散互相作用形成的景觀與城鄉(xiāng)職能混雜交錯、似城非城的新型地域類型[1]，是土地利用變化最劇烈的區(qū)域，也是“量質(zhì)并重”提升城市發(fā)展內(nèi)涵的重要功能區(qū)，而在過去這也是政府和規(guī)劃考慮的盲點區(qū)。目前對于半城市化地區(qū)的研究主要集中在景觀格局、土地利用和微觀實證研究等方面[2，3]，對其空間范圍的界定是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。國外半城市化地區(qū)的研究可追溯到20世紀(jì)50年代，Gottmann[4]在1957年提到存在這類處在城市之間的非城市用地、非傳統(tǒng)農(nóng)村用地的獨特地區(qū)。Phillips等[5]認(rèn)為半城市化地區(qū)是用特征和現(xiàn)象組合來描述的城市邊緣的擴散型地域類型。Douglas[6]提出了半城市化地區(qū)在產(chǎn)業(yè)、就業(yè)和景觀方面的界定條件。國內(nèi)最早關(guān)于半城市化地區(qū)的識別研究是2002年賈若祥等[1]指出在中國以城鄉(xiāng)結(jié)合部、鄉(xiāng)和發(fā)達農(nóng)村為主，已初具城市特點和功能但還未被劃為城市的地區(qū)。田莉等[7]將上海市內(nèi)郊區(qū)這類地區(qū)定義為半城市化地區(qū)，還有許多學(xué)者根據(jù)指標(biāo)值閾的劃定對不同地區(qū)進行界定[8-10]。近年來，中國眾多研究者利用3S技術(shù)和數(shù)理模型，在城鄉(xiāng)空間界定研究中發(fā)揮了積極的作用。程連生等[11]最早應(yīng)用信息熵原理和遙感影像處理技術(shù)劃分出城市邊緣帶的內(nèi)外邊界，王海鷹等[12]基于邏輯回歸模型探究了城市邊緣區(qū)的界定方法，章文波等[13]引入突變檢測方法確定城鄉(xiāng)過渡帶位置。

綜觀對半城市化地區(qū)范圍的已有研究，常用的界定方法一類是城鄉(xiāng)功能地域的經(jīng)驗定性劃分，另一類是以識別指標(biāo)判定居多的定量劃分?？偨Y(jié)起來存在以下幾點問題：①半城市化的劃分正逐步走向定性與定量結(jié)合，但尚未形成權(quán)威的指標(biāo)體系及確定方法；②保持行政邊界完整性為許多學(xué)者所考慮，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲取，但對于經(jīng)濟發(fā)展不均衡的區(qū)域，有可能把大面積不滿足要求的城市或鄉(xiāng)村地域劃入半城市化地區(qū)；③依靠單純的社會經(jīng)濟指標(biāo)的統(tǒng)計方法難以準(zhǔn)確、適時地收集到半城市化地區(qū)的數(shù)據(jù)和信息，在空間體現(xiàn)方面有一定的局限性。由此可見，對這一具有模糊性和動態(tài)變化特征的特殊區(qū)域的邊界確定還沒有形成完善的界定方法。

總之，半城市化地區(qū)的空間界定研究對提升城市人口與產(chǎn)業(yè)空間布局的合理性、提高土地的集約利用效益和科學(xué)地規(guī)劃與治理等方面都具有重要意義。本研究以烏魯木齊市高新區(qū)為例，借助遙感影像與3S技術(shù)能夠快速、靈活和動態(tài)地獲取數(shù)據(jù)，試圖提出半城市化地區(qū)空間范圍界定的新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)的選取

烏魯木齊市高新區(qū)（新市區(qū)）是2011年由烏魯木齊市國家級高新區(qū)與所在地行政區(qū)新市區(qū)區(qū)政合一成立的新區(qū)。區(qū)內(nèi)人口流動量大、經(jīng)濟增長迅猛、地理景觀混雜交錯，分布著烏魯木齊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，還包括老城區(qū)和純農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，目前該區(qū)正處于首府城北新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)中。因此，選取首府社會經(jīng)濟發(fā)展最有活力的高新區(qū)為案例研究區(qū)是本研究目標(biāo)的最佳選擇。

1.2 界定指標(biāo)的選取

土地利用和用地景觀是半城市化地區(qū)與城市和農(nóng)村地區(qū)最直接的差異體現(xiàn)。遵循界定指標(biāo)選取的針對性、區(qū)域差異性和可操作性原則，以研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀信息為基礎(chǔ)，選取以下兩個能夠反映區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和景觀特征的定量指標(biāo)，一個是建設(shè)用地比例，體現(xiàn)區(qū)域建設(shè)強度和規(guī)模；另一個是土地利用信息熵（W），是用地斑塊類型及其在區(qū)域土地利用中所占面積的比例，是基于信息理論的熵模型指數(shù)[14]，其表達式為：

W=-■Xi·LnXi （1）

式中，i表示地類數(shù)量；Xi表示某一用地類型的面積占樣本總面積的比例。W=0表示整個區(qū)域中僅有一個地類斑塊構(gòu)成，W越大，用地斑塊分布的有序性越小，土地利用類型越豐富，用地景觀越紊亂。

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理與信息提取

為結(jié)合2013年土地利用變更統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時考慮遙感數(shù)據(jù)的可得性和優(yōu)選性、干旱區(qū)地物特征的有效識別，研究選取烏魯木齊市2013年8月28日OLI_TIRS影像為遙感數(shù)據(jù)源，選取多光譜654 nm波段（30 m分辨率）假彩色合成，與全色8波段（15 m分辨率）采用GS方法融合后[15]，得到15 m分辨率柵格圖像。將試驗區(qū)的土地利用類型分為農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他用地3類，采用監(jiān)督分類方法，建立相應(yīng)判讀標(biāo)志。為進一步提高分類精度，減少同物異譜、同譜異物對分類結(jié)果的影響，以其矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建掩膜（Mask）文件，采用最大似然法實施分類，輔以目視解譯對錯判的地類進行修正，并進行聚類分析和合并子類等處理，其土地利用分類結(jié)果如圖1所示。在實地調(diào)研過程中，未獲取到對應(yīng)年份的土地利用現(xiàn)狀圖，故利用GPS接收機在研究區(qū)內(nèi)盡可能地均勻收集各分類地物的采樣點，對地物分類圖進行精度驗證。經(jīng)校驗，總分類精度為87.79%（Kappa系數(shù)0.81），能夠滿足本研究的精度需求。

1.4 斷裂點分析方法

斷裂點分析是一種被廣泛應(yīng)用于確定城市之間吸引范圍的研究方法。研究通過構(gòu)造斷面線將指標(biāo)值與所在斷面線形成數(shù)據(jù)列，選擇某一方向的斷面線為基本單元序列，則在第i個方向上第j個序列特征值表示為Xij，其下一個序列特征值為Xi（j+1），計算指標(biāo)在該斷面線方向上的變化率為Vij，所對應(yīng)的距離衰減值為DDVij。分析比較每條斷面線方向上的最大距離衰減值DDVij，即提取為該方向的斷裂點，依次確定每條斷裂線方向上的斷裂點位置。

DDVij=Vij/V= （2）

2 結(jié)果與分析

2.1 半城市化地區(qū)的識別

2.1.1 單個指標(biāo)計算結(jié)果 通過地理信息空間分析技術(shù)，經(jīng)多次對比不同尺寸網(wǎng)格大小對用地信息的空間表達效果，最終選取網(wǎng)格尺寸為500 m，整個研究區(qū)域被劃分為2 046個網(wǎng)格單元。將矢量化后的8 520個土地利用單元與相對應(yīng)的網(wǎng)格進行“Intersect”處理，得到各數(shù)據(jù)單元的土地利用類型及其面積大小，依次計算各判別單元的土地利用信息熵值和建設(shè)用地比例，結(jié)果如表1所示。

2.1.2 斷裂點分析結(jié)果 與純城市與鄉(xiāng)村地域比較，半城市化地區(qū)的用地相對混雜，單位網(wǎng)格內(nèi)景觀更紊亂，相鄰網(wǎng)格內(nèi)的建設(shè)用地比例的差值更大。識別半城市化地區(qū)的空間范圍首先要確定從城市建成區(qū)到半城市化區(qū)域到農(nóng)村地區(qū)各單指標(biāo)的突變點。以高新區(qū)內(nèi)中心為初始點，每10°向外劃出1條斷面線，與已經(jīng)量化的指標(biāo)進行“Intersect”，每條斷面線依次經(jīng)過的網(wǎng)格構(gòu)成一個數(shù)據(jù)序列Xi，共得到36個數(shù)據(jù)列，提取各數(shù)據(jù)序列指標(biāo)變化的最大與次大斷裂點位置。

2.1.3 單指標(biāo)空間范圍識別 依次將提取到的36條斷裂線方向上各指標(biāo)的兩類斷裂點標(biāo)注在矢量圖上，作為進一步識別單指標(biāo)范圍的內(nèi)外邊界點。經(jīng)對比分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)邊界點往往比外邊界點的突變值要大，故將提取的最大值作為半城市化地區(qū)內(nèi)邊界突變點，次大值作為半城市化地區(qū)的外邊界突變點，在矢量圖上依角度順次連接。

根據(jù)運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在北郊大面積的農(nóng)村用地中，由于分布有農(nóng)村居民點、旅游景區(qū)等孤島型建筑，使得原本很明顯屬于農(nóng)村用地的范圍被計入了半城市化地區(qū)。因此，結(jié)合實地調(diào)查，綜合考慮區(qū)域劃分的連續(xù)性和完整性，排除異常突變點，對劃分結(jié)果進行一定的修改和校正，并將行政區(qū)劃矢量圖與之疊加，得出單指標(biāo)識別的半城市化地區(qū)范圍（圖2）。

2.2 空間范圍的確定與分布特征

利用定量方式初步確定單指標(biāo)識別的半城市化地區(qū)空間范圍后，進行空間疊加分析和平滑處理，最終界定出烏魯木齊市高新區(qū)半城市化地區(qū)的空間范圍（圖3）。

在研究區(qū)內(nèi)盡可能均勻地選取野外采樣點，借助GPS接收機，逐一對采樣點處的地域景觀和生產(chǎn)（生活）活動進行實地驗證。對于部分交通可達性低的采樣點，在不影響判別結(jié)果的基礎(chǔ)上，作微幅定位調(diào)整。實地驗證結(jié)果顯示，在100例采樣點中，半城市化地區(qū)共計34例，其中位于研究結(jié)果的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的半城市化地區(qū)采樣點為29例。即得到本研究對半城市化地區(qū)界定結(jié)果的精度為85.29%，精度較高，研究結(jié)果可信。

研究結(jié)果表明，在烏魯木齊市高新區(qū)的南部核心區(qū)與北部郊區(qū)之間存在著大量的半城市化地區(qū)，空間形態(tài)呈現(xiàn)星形發(fā)散狀分布，實體地域面積65.54 km2。主要分布在迎賓路街道北部、地窩堡鄉(xiāng)東部、三工街道北部、二工鄉(xiāng)大部分區(qū)域、喀什東路街道西緣和安寧渠鎮(zhèn)大部分區(qū)域。半城市化區(qū)域在一定程度上既保留了原農(nóng)村的土地利用特征，又由于城市化效應(yīng)派生出多樣化的半城市化用地類型。將半城市化地區(qū)空間矢量范圍與土地利用數(shù)據(jù)疊加，提取各地類用地信息，從用地數(shù)量和程度上來看，農(nóng)用地占半城市化區(qū)域面積的60.25%，建設(shè)用地占36.21%。相當(dāng)部分的工礦用地處于正在施工或待施工狀態(tài)，農(nóng)牧用地、獨立工礦點、城鄉(xiāng)居民點和未利用地等用地類型混雜交錯，城市形態(tài)更復(fù)雜化。

3 結(jié)論

對烏魯木齊市高新區(qū)半城市化地區(qū)空間范圍的界定，證明了綜合使用3S技術(shù)，以遙感數(shù)據(jù)源獲取土地利用指標(biāo)為依據(jù)，運用斷裂點分析方法，切合地兼顧了區(qū)域空間要素指標(biāo)和研究精度，定量界定出半城市化地區(qū)的空間范圍是可行和有效的。

1）RS影像具有連續(xù)性、適時性和更新快等特點，能真實、客觀地記錄土地利用/覆蓋信息，結(jié)合GIS地統(tǒng)計方法和GPS實時定位驗證，為缺少相應(yīng)年份的土地利用變更數(shù)據(jù)的研究區(qū)提供了現(xiàn)實可靠的數(shù)據(jù)源。區(qū)域土地利用信息熵值和建設(shè)用地比例指標(biāo)直接體現(xiàn)半城市化區(qū)域與完全城市化地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)景觀和用地的空間差異，是確定半城市化區(qū)域范圍的有效依據(jù)。

2）把斷裂點理論引入地理信息空間分析，提取各方向上的兩類斷裂點位置，貼切地標(biāo)度出半城市化地區(qū)的內(nèi)外邊界。本研究提出的新方法沒有介入人為對指標(biāo)閾值的判斷，且打破行政界線劃分，是適用于不同地區(qū)半城市化區(qū)域界定研究的可行性途徑。

3）烏魯木齊市高新區(qū)存在大量呈星形發(fā)散狀的半城市化地區(qū)，結(jié)合實地采樣驗證，界定結(jié)果的精度為85.29%，提取的半城市化地區(qū)實體邊界基本符合區(qū)域發(fā)展特點，可信度較高。作為區(qū)域城市擴展的前沿陣地，其界定結(jié)果可為今后更科學(xué)地管理和發(fā)展半城市化區(qū)域提供切實可行的依據(jù)。

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