基于landsat8序列影像的鄭州市城市邊緣帶提取

喬賢賢+楊玲+段琳琳+劉祖瑾+洪小瑞

摘 要： 城市邊緣帶是城市與鄉(xiāng)村之間的過渡區(qū)域。我國城鎮(zhèn)建設日益發(fā)展，使城市邊緣帶成為研究熱點。以鄭州市作為研究對象，利用RS和GIS技術，采用2013-2016年四景覆蓋鄭州市l(wèi)andsat8影像數(shù)據(jù)，選擇基于土地利用程度的邊緣帶范圍界定的方法，結合土地利用特征，設置閾值提取城市邊緣帶。結果顯示城市邊緣帶呈環(huán)形，惠濟區(qū)及經(jīng)濟開發(fā)區(qū)邊緣帶范圍偏大，靠近山區(qū)的西南部邊緣帶范圍偏小。對比得出2013年-2016年鄭州市城市邊緣帶區(qū)域土地利用類型變化顯著；建成區(qū)主要向北和西北部擴展，農(nóng)村土地利用類型向城市建設用地過渡。

關鍵詞： 城市邊緣帶； 土地利用； 提取； 對比分析

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-47-05

Extraction of urban fringe of Zhengzhou City based on landsat8 sequence images

Qiao Xianxian， Yang Ling， Duan Linlin， Liu Zujin， Hong Xiaorui

（College of environment and planning，Henan University， Kaifeng， Hennan 475004， China）

Abstract： Urban fringe is the transition area between city and countryside. With the development of urban construction in China， the urban fringe becomes a research hotspot. This paper， taking Zhengzhou city as the research object， using RS and GIS technology， using 2013-2016 four scenes covering the landsat8 image data of Zhengzhou City， selecting the urban fringe defining method based on the land use degree， combining with the characteristics of land use， sets the thresholds to extract the edge of the city zone. The results show that the urban fringe is annular， the edge zone of Huiji District and Economic Development Zone is relatively large， and the southwestern edge zone near the mountains is relatively small. By comparison， it is concluded that the land use types of urban fringe in Zhengzhou city changed significantly in 2013-2016， the built-up area mainly extends to the north and northwest， and the rural land is transition to the urban construction land.

Key words： urban fringe； land use； extraction； comparative analysis

0 引言

城市邊緣帶是城市建成區(qū)和純農(nóng)業(yè)區(qū)的中間地帶，同時具有城市與農(nóng)村兩種特征，在人口密度方面，周圍鄉(xiāng)村低于城市邊緣帶，而城市邊緣帶低于市中心[1-2]。它在城市化發(fā)展過程中最為敏感，土地利用覆蓋變化較為明顯，所以根據(jù)城市土地利用變化對城市邊緣帶進行研究。城市經(jīng)濟發(fā)展到一定階段必將造成城市化，城市擴展是指在城市化的過程中會帶動周邊城市邊緣區(qū)域的不斷發(fā)展，而城市邊緣區(qū)發(fā)展也促使城市內(nèi)部環(huán)境發(fā)生改變。

當前國內(nèi)外許多學者進行城市邊緣地帶研究。姚月通過地理信息系統(tǒng)和遙感技術對北京市海淀區(qū)城市邊緣帶和空間擴張進行定量分析[3]。程連生等通過熵值轉(zhuǎn)折點確定北京城市的內(nèi)外邊界[4]。錢建平等建立0.5km格網(wǎng)，以各單元的熵值為依據(jù)，得到荊州市邊緣帶的范圍[5]。Sharp等基于柵格完成對俄亥俄州城市邊緣帶提取后又對比研究了邊緣帶與非邊緣帶[6]。

對于鄭州市城市擴展研究，需要獲得鄭州市城市邊緣區(qū)域內(nèi)土地利用變化相關信息。目前，關于土地利用類型提取的方法主要包括有監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯分類等。在遙感圖像分類方法選取上，多使用監(jiān)督分類。黃立賢等對當前用于高光譜圖分類方法進行了詳細的研究，并對各種方法的特點進行分析以及趨勢預測[7]。馬爾侖等使用六種基于光譜監(jiān)督分類方法，最終對這六種方法分類精度進行對比，另外對各種方法的優(yōu)缺點分析[8]。楊鑫使用ERDAS遙感軟件通過監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類兩種分類方法對四川省某縣的TM影像進行分析研究[9]。金杰使用SPOT5圖像作為研究數(shù)據(jù)來分析幾種監(jiān)督分類的優(yōu)缺點，得出最大似然分類法效果最好[10]。李春干以廣西北部灣的紅樹林典型分布區(qū)為研究區(qū)，采用監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類等四種分類方法進行實驗，得出在監(jiān)督分類條件下分類結果最佳[11]。

目前研究大多集中在經(jīng)濟發(fā)達的大城市，對其他經(jīng)濟發(fā)展相對落后的其他中小型區(qū)域城市研究較少，甚至沒有。鄭州市是我國中原地區(qū)的中心城市，是我國中部地區(qū)的大型都會，并且是主要經(jīng)濟中心之一，但是仍不在經(jīng)濟發(fā)達的大城市之列，處于迅速崛起的快速發(fā)展階段，面臨著城市化發(fā)展過程中發(fā)展與制約問題。所以本文以鄭州市為研究區(qū)，選擇基于土地利用程度方法，進行城市邊緣帶提取。能有效支持鄭州市城市土地資源規(guī)劃與治理，為鄭州市土地利用相關政策的制定提供幫助，對改善鄭州城市生態(tài)環(huán)境、提高城市化水平和城市化發(fā)展質(zhì)量有重要價值。

1 研究區(qū)與研究方法

研究區(qū)地理位置是北緯34?16'-34?58'，和東經(jīng)112?42'-114?13'之間。鄭州市包括有鞏義市、登封市、滎陽市、新鄭市、新密市和中牟縣，此外還有二七區(qū)、金水區(qū)、中原區(qū)、惠濟區(qū)、管城區(qū)、上街區(qū)和鄭東新區(qū)。本文的研究區(qū)是除去五市一縣和飛地上街區(qū)以外的其他五個區(qū)。如圖1所示綠色區(qū)域即為研究區(qū)。在下文中統(tǒng)一稱研究區(qū)為鄭州市。

本文采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取的2013年、2014年、2015年、2016年四景覆蓋鄭州市的Landsat8影像為基礎數(shù)據(jù)，通過遙感軟件對圖像進行校正、裁剪以及圖像增強等操作完成影像預處理。

研究主要內(nèi)容分為兩大部分。①利用監(jiān)督分類方法對2013至2016年覆蓋鄭州市的四景Landsat-8 OLI遙感影像分類，依據(jù)土地利用分類標準建立解譯標志，提取城鎮(zhèn)用地、水域、耕地、草地、未利用地和林地。②在遙感分類結果基礎上，使用基于土地利用程度的邊緣帶提取方法，與鄭州市城市邊緣帶土地利用特征相結合，劃定城市邊緣帶大致范圍，根據(jù)提取結果對鄭州市城市擴展進行對比分析。

1.1 土地利用綜合指數(shù)模型

土地利用程度包括有土地利用程度綜合指數(shù)及土地利用程度變化率，此外土地利用程度的綜合指數(shù)定量表達式如下所示：

⑴

在表達式⑴中Ld表示鄭州市內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai表示鄭州市內(nèi)第i類土地利用程度的分級指數(shù)；Ci表示鄭州市內(nèi)第i類土地利用程度分級的面積百分比；n表示鄭州市內(nèi)土地利用程度的分級數(shù)[12]。

當土地利用程度的變化率不變時，以鄭州市土地利用程度綜合指數(shù)大小作為判斷依據(jù)，得出鄭州市土地利用程度高低。土地利用程度與社會經(jīng)濟活動有極大關系，若土地利用程度較高，說明該地區(qū)社會經(jīng)濟活動復雜，且距離市區(qū)很近，若土地利用程度較低，則該地區(qū)的社會經(jīng)濟活動單一，且距離農(nóng)村很近。所以本文選擇將土地利用程度作為判斷標準，進行了鄭州市城市邊緣帶提取[13]。

1.2 土地利用綜合指數(shù)邊緣帶提取

首先利用遙感軟件對2016年裁剪后的影像進行圖像分類，把研究區(qū)內(nèi)影像數(shù)據(jù)土地利用類型根據(jù)需要進行分類，類型包括未利用地、林地、草地、水體和耕地以及城市用地。然后對分級指數(shù)賦值，把1作為未利用地的分級指數(shù)，2作為林地和水體的分級指數(shù)，3作為耕地和草地的分級指數(shù)，4作為城市用地分級指數(shù)。根據(jù)土地利用分級劃分，利用ARCMAP軟件工具箱中的重分類（Reclassify）工具對監(jiān)督分類影像進行重分類，分類結果如圖2，紫色區(qū)域代表城鎮(zhèn)用地，淺綠色區(qū)域代表草地和耕地，深綠色區(qū)域代表林地和水域，淺粉色代表未利用地。

在ARCMAP軟件上使用Create Fishnet（建立格網(wǎng)）工具創(chuàng)建5km×5km的規(guī)則格網(wǎng)，然后使用Tabulate Area（面積制表）工具得到網(wǎng)格內(nèi)四類土地利用類型的相關屬性。根據(jù)土地利用程度綜合指數(shù)表達式計算，得到圖中各個網(wǎng)格內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的數(shù)值大小，結合鄭州市景觀實際特征，設置出合適的城市邊緣帶閾值。本文采用不同閾值范圍，逐一繪制成圖，進行對比得到合適閾值范圍即：土地利用綜合指數(shù)數(shù)值在266-325之間的區(qū)域。計算出的土地利用綜合指數(shù)結果數(shù)值大于326的部分為城市，小于265的部分視作農(nóng)村，266-325的部分就是城市邊緣帶，得到鄭州市城市邊緣帶的大致界限，如圖3所示，黃色區(qū)域代表城市邊緣帶，中間紫色區(qū)域代表城市，其余代表農(nóng)村。

圖3中基于5km×5km的網(wǎng)格提取結果只是一個粗略范圍，不能作為最終提取結果，所以進行網(wǎng)格細化，直到提取的邊緣帶效果最佳。為了能更細一步劃分，采取同樣的方法對初步裁剪出的鄭州市城市邊緣帶區(qū)域建立1km×1km的格網(wǎng)，選取相同的閾值范圍，得出城市邊緣帶區(qū)域，如圖4黃色區(qū)域。再次用同樣的方式進一步對網(wǎng)格細化，建立0.5km×0.5km格網(wǎng)，采取相同大小閾值，并刪去一部分離散和孤立的小網(wǎng)格，使其能夠呈帶狀分布，得到結果較佳的城市邊緣帶范圍，如圖5黃色區(qū)域。最后將網(wǎng)格大小劃分為0.25km×0.25km，第四次細分網(wǎng)格，選取相同閾值，并刪去大量離散且孤立的網(wǎng)格，使它可以比較完整成帶狀分布，邊緣帶范圍如圖6所示黃色區(qū)域。

2 鄭州市城市邊緣帶提取結果分析

2.1 不同網(wǎng)格下邊緣帶對比

由圖3至圖6在不同網(wǎng)格下提取的城市邊緣帶，可以得知網(wǎng)格的大小影響邊緣帶范圍確定。而在5km×5km規(guī)則格網(wǎng)下確定的邊緣帶范圍太大，只能作為城市邊緣帶大概區(qū)域。為了得到精確的結果需要進行網(wǎng)格細化，如圖4所示，1km×1km網(wǎng)格下城市邊緣帶，明顯比5km×5km網(wǎng)格下的邊緣帶精確，但是從整體看，仍需進一步劃分。如圖5所示，0.5km×0.5km網(wǎng)格下的城市邊緣帶整體效果更好，盡管會有一些離散、孤立網(wǎng)格點，但從整體上還是能夠較完整的形成一個帶狀顯示。如果接著細化 ，如圖6所示，0.25km×0.25km網(wǎng)格下的城市邊緣帶，網(wǎng)格太小太密，產(chǎn)生了大量離散或孤立的網(wǎng)格點，且很不美觀。所以最終確定0.5km×0.5km網(wǎng)格為最佳選擇，該網(wǎng)格下2016年鄭州市城市邊緣帶提取結果如圖5所示。

2.2 城市邊緣帶擴展

根據(jù)上文的提取2016年鄭州市城市邊緣帶方法，對2013年至2015年Landsat8遙感數(shù)據(jù)，通過ERDAS和ARCMAP軟件進行操作，再根據(jù)近幾年鄭州市實際變化分析，多次設置閾值范圍，得出最佳閾值，完成2013年至2016年鄭州市城市邊緣帶提取，如圖7所示，紅色區(qū)域代表各年份鄭州市城市邊緣帶。

在圖上對比得出：近幾年鄭州市城市邊緣帶區(qū)域發(fā)展較為迅速，2013年至2016年鄭州市擴展方式主要是向外式，以鄭東新區(qū)CBD、二七廣場為中心向外擴張，以東西方向為發(fā)展主軸，沿著連霍高速等交通干線擴展，以西北方向的惠濟區(qū)和東南方向的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)擴張的較為明顯。

鄭州市城市邊緣帶大致呈環(huán)形，由中心城區(qū)逐漸向外推移，沿著近郊外緣方向逐步向外擴展，其中在研究區(qū)的西北與東南方向擴張量相對較大，以鄭州市市中心即主城區(qū)作為圓心，隨著經(jīng)濟發(fā)展城市建成區(qū)逐漸向外擴張，半徑逐步增大，擴張模式屬于圈層式模式?？偟膩碚f，在2013年至2016年鄭州市的城市邊緣帶具有明顯的擴張趨勢。

2.3 結果驗證與分析

據(jù)統(tǒng)計得知鄭州市總體面積達7424.5平方公里，2014年鄭州市中心城區(qū)城區(qū)區(qū)域面積占392.8平方公里，占鄭州市總面積的5%，市區(qū)主要包括二七區(qū)的二七廣場附近的大部分區(qū)域、金水區(qū)西南大部分區(qū)域，管城區(qū)北部少部分區(qū)域，中原區(qū)西部少部分區(qū)域，以及惠濟區(qū)南部少部分區(qū)域。鄭州市城市邊緣帶外部形態(tài)受鄭州市主要交通干線影響，在研究區(qū)的東南方向與西北方向城市邊緣帶范圍較大。將提取出的2016年鄭州市的城市邊緣帶結果圖中邊緣帶中間的主城區(qū)區(qū)域與2016年鄭州市的主城區(qū)規(guī)劃用地進行對比，二者范圍基本一致，此外，提取的鄭州市城市邊緣帶范圍基本分布在2010-2020年的鄭州市城市總體規(guī)劃的擴展范圍里。這也間接說明了提取結果符合實際。

3 結束語

基于2013年、2014年、2015年、2016年鄭州市l(wèi)andsat8影像，通過對比設置較適合的閾值和網(wǎng)格大小完成鄭州市城市邊緣帶提取。得出主要結論有：

⑴ 鄭州市城市邊緣帶大概呈環(huán)形，西北部惠濟區(qū)及東南部經(jīng)濟開發(fā)區(qū)邊緣帶的范圍偏大，靠近山區(qū)的西南方向的邊緣帶范圍偏小。擴張較為明顯的區(qū)域是惠濟區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。

⑵ 基于2013年至2016年四景Landsat8遙感影像提取出的城市邊帶對比，2013年-2016年建成區(qū)主要向北面和西北方向擴展，農(nóng)村土地利用類型向城市建設用地過渡?？偟膩碚f，2013年-2016年鄭州市城市邊緣帶區(qū)域土地利用類型變化顯著。

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