基于OBIA的武漢城市圈1990年～2015年建設(shè)用地變化檢測(cè)及時(shí)空特征分析

裴艷艷， 黃進(jìn)良， 王立輝， 陸 俊

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430077)

基于OBIA的武漢城市圈1990年～2015年建設(shè)用地變化檢測(cè)及時(shí)空特征分析

裴艷艷1，2，3， 黃進(jìn)良1，3*， 王立輝1，3， 陸 俊1，2，3

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430077)

武漢城市圈是國(guó)家中部崛起戰(zhàn)略和“兩型社會(huì)”建設(shè)的重要支撐點(diǎn)，研究其建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)律對(duì)區(qū)域城市規(guī)劃及國(guó)家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的制定實(shí)施具有重要意義.該文以1990年～2015年的Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蟮挠跋穹治?(Object-Based Image Analysis， OBIA) 方法提取了武漢城市圈的建設(shè)用地信息，并用擴(kuò)張面積、速度、強(qiáng)度以及緊湊度等指數(shù)分析了建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空特征.結(jié)果顯示：1)利用多種指數(shù)及SPM自動(dòng)確定分類閾值，能較好地提取建設(shè)用地，分類總精度為94.3%；2)武漢城市圈建設(shè)用地呈逐步增加趨勢(shì)，總擴(kuò)張面積約251 893.96 hm2，前10 a(1990年～2000年)擴(kuò)張緩慢，后15 a(2000年～2015年)的擴(kuò)張面積、速度、強(qiáng)度分別是前10 a的6.98、4.08和4.65倍；3)各城市建設(shè)用地面積在1990年～2015年均呈上升發(fā)展趨勢(shì)，各城市的空間形態(tài)呈現(xiàn)由北向南、由西向東趨于緊湊型的發(fā)展態(tài)勢(shì).

武漢城市圈； 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張； 面向?qū)ο螅?變化檢測(cè)； 時(shí)空特征

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是全球氣候和環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容[1]，而城市建設(shè)用地的快速擴(kuò)張是當(dāng)今LUCC的最突出特點(diǎn)之一.城市化的快速發(fā)展帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境壓力，如城市熱島、大氣污染、植被生態(tài)系統(tǒng)退化等[2-3]，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)律與發(fā)展模式及其與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系研究成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一.從數(shù)據(jù)源看，傳統(tǒng)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張多以統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)[4]為基礎(chǔ)，而隨著3S技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)向以遙感影像數(shù)據(jù)[5]為主，且以多源多時(shí)相數(shù)據(jù)[6]相結(jié)合；從研究區(qū)看，以單一城市為主，且多集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)[6-7]，對(duì)內(nèi)陸城市群的研究較為少見；從研究方法看，建設(shè)用地的提取方法主要有統(tǒng)計(jì)部門的城鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)信息、基于像元的監(jiān)督和非監(jiān)督分類方法以及面向?qū)ο蟮膱D像分析[8, 9]方法，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?zhí)卣鞫嗖捎脭U(kuò)張速度、強(qiáng)度、彈性、方向等指標(biāo)[8-10]，且注重對(duì)擴(kuò)張機(jī)制的探討及對(duì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的影響[9]研究.

武漢城市圈是國(guó)家中部崛起戰(zhàn)略的重要支撐點(diǎn)，也是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)區(qū)域，更是湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域.對(duì)武漢城市圈的研究主要有初級(jí)生產(chǎn)力估算[11]、土地利用變化[12]、城市職能體系[13]等，而對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的研究主要集中在武漢市，針對(duì)武漢城市圈的擴(kuò)張研究較少.對(duì)武漢城市圈建設(shè)用地信息的提取多采用基于像元的方法，基于OBIA的方法較為少見.

因此，本文以武漢城市圈為研究對(duì)象，以1990年、2000年、2005年、2010年和2015年長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，基于OBIA的研究方法提取了武漢城市圈建設(shè)用地的空間分布和變化信息，運(yùn)用擴(kuò)張面積、速度、強(qiáng)度、緊湊度等參量進(jìn)行分析，旨在揭示武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空規(guī)律，探討圈內(nèi)城市一體化進(jìn)程，研究結(jié)果對(duì)于城市規(guī)劃、土地利用規(guī)劃以及國(guó)家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的制定實(shí)施具有重要意義.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

武漢城市圈(Wuhan Metropolitan Area， WMA)，地理位置112°28′33″E～116°10′3″E，29°1′20″N～31°52′25″N(圖1)，又稱“大武漢都會(huì)圈”，位于湖北省東部，指以武漢為中心，覆蓋周邊8個(gè)大中型城市(孝感、天門、潛江、仙桃、咸寧、黃石、鄂州、黃岡)的城市群，總面積約為5.79×104km2.2014年，武漢城市圈的GDP為17 114.74億元，常住人口為3 099.66萬人，分別占湖北省的62.5%和53.3%.武漢城市圈為中部四大城市圈之首，是全國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)綜合改革試驗(yàn)區(qū)，對(duì)帶動(dòng)圈內(nèi)城市一體化發(fā)展和促進(jìn)東、中、西部協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義.

本文采用1990年～2015年的Landsat TM/OLI遙感影像，覆蓋武漢城市圈全境的行列號(hào)分別為121-124和38-40，所選用影像質(zhì)量良好，無云或少云，采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成顯示，以高精度提取建設(shè)用地信息.在ENVI 5.1中對(duì)各期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理，精度保證在1個(gè)像元以內(nèi).

圖1 武漢城市圈的位置圖Fig.1 Location of Wuhan Metropolitan Area

2 研究方法

本文的總體思路是采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒?，?duì)多尺度分割后的對(duì)象進(jìn)行隸屬度函數(shù)分類，利用Salford Predictive Modeler(SPM) 8.0[14]自動(dòng)構(gòu)建分類閾值，并進(jìn)行精度驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空分異規(guī)律.具體流程見圖2.

2.1 基于OBIA的建設(shè)用地提取方法

面向?qū)ο蟮膱D像分析 (Object-Based Image Analysis， OBIA)技術(shù)可以有效地提高運(yùn)行效率[9]，且分割后的對(duì)象具有形狀、光譜統(tǒng)計(jì)特征、上下文關(guān)系、與鄰近對(duì)象的距離、紋理參數(shù)等屬性，可以從根本上減少地物漏分、誤分概率，同時(shí)能避免“椒鹽”現(xiàn)象.采用eCognition 8.7對(duì)影像進(jìn)行多尺度分割，多尺度分割參數(shù)及意義見文獻(xiàn)[15].分割尺度決定影像對(duì)象的大小，一般情況下，地物類型較均勻且單一時(shí)，分割尺度設(shè)置較大，而在地物類型多樣且交錯(cuò)分布時(shí)則采用小尺度分割.目視解譯發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地在城市中心呈片狀分布，但在城郊或郊區(qū)則呈零星分布，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，本文設(shè)置統(tǒng)一的分割尺度5能較完整的獲取建設(shè)用地邊界[16].形狀參數(shù)表征了空間信息參與分割的權(quán)重，顏色參數(shù)則表征了光譜信息參與分割的權(quán)重，二者關(guān)系為：shape=1-color.形狀參數(shù)由緊致度和平滑度共同表征.結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)及研究區(qū)實(shí)際情況，本文確定形狀、緊致度參數(shù)分別為0.2和0.7[17].

圖2 數(shù)據(jù)處理及分析流程Fig.2 Flow chart of data processing and analysis

表1 分類特征及描述Tab.1 Object characteristic indexes and descriptions

注：其中ρR，ρGREEN，ρBLUE，ρNIR，ρSWIR分別指紅、綠、藍(lán)、近紅外、遠(yuǎn)紅外波段的反射率.

選用NDVI、NDWI、MNDWI、NDBI、SAVI等及亮度值作為分類特征(表1)，在eCognition 8.7中人工選擇有代表性的8 300個(gè)均質(zhì)對(duì)象作為SPM的訓(xùn)練樣本，其中建設(shè)用地983個(gè)，其他地類包括：自然植被2 342個(gè)，耕地3 804個(gè)，水域1 036個(gè)，未利用地135個(gè).SPM自動(dòng)構(gòu)建的建設(shè)用地提取規(guī)則如表2.規(guī)則1、規(guī)則5利用NDBI、BBI指數(shù)提取建設(shè)用地的主體部分，規(guī)則2、規(guī)則3及規(guī)則4則通過MNDWI、NDVI、SAVI等對(duì)水體、植被、耕地等信息加以抑制[18-21]，由此得到建設(shè)用地的空間分布結(jié)果.在ArcGIS 10.2中對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行人工檢查和修改，以提高建設(shè)用地提取精度.

表2 SPM自動(dòng)構(gòu)建的建設(shè)用地提取規(guī)則Tab.2 Extraction rules of the construction land by Salford Predictive Modeler (SPM) automatically

2.2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張分析方法

2.2.1 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)間序列分析方法 選用擴(kuò)張速度指數(shù)(Expansion Speed Index，ESI)和擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(Expansion Intensity Index，EII)[10]分析武漢城市圈擴(kuò)張的時(shí)間序列規(guī)律.擴(kuò)張速度指數(shù)(ESI)表示城市面積在某一時(shí)期內(nèi)的時(shí)段變化率，其絕對(duì)值和符號(hào)分別表示速度和趨勢(shì).擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(EII)表示單位時(shí)間內(nèi)城市面積占研究區(qū)總面積的比例，使不同時(shí)期的擴(kuò)張速度具有可比性.二者計(jì)算公式分別為：

ESI=(At-A0)/tA0×100%，

(1)

EII=(At-A0)/tS×100%，

(2)

式中，At和A0分別為研究末期和基期的城市面積，S為研究區(qū)土地總面積，t為研究時(shí)段，當(dāng)設(shè)定為年時(shí)表示年均變化率.

2.2.2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張空間序列分析方法 為分析武漢城市圈城市擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性和均衡性，將物理學(xué)中的信息熵[22]概念引入城市擴(kuò)張系統(tǒng)，并由此構(gòu)建了均衡度和優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算公式.緊湊度指數(shù)[23]反應(yīng)城市空間形態(tài)的變化規(guī)律，緊湊度越高，表明城市空間形態(tài)越緊湊，本文采用城市周長(zhǎng)和面積構(gòu)建緊湊度指數(shù).

1)信息熵(H)

(3)

式中，H為信息熵，H≥0.信息熵H用來表示系統(tǒng)的復(fù)雜性與均衡性，熵值越高，表明系統(tǒng)的均質(zhì)性越高，系統(tǒng)越穩(wěn)定、有序.當(dāng)A1=A2=…=An時(shí)，P1=P2=…=Pn=1/n，此時(shí)H達(dá)到最大值，記為Hmax，有Hmax=log(n).

2)均衡度(J)

基于信息熵函數(shù)構(gòu)建均衡度公式為：

(4)其中，J表示均衡度，是單一區(qū)域信息熵值與系統(tǒng)最大熵值之比，H表示信息熵；變化區(qū)間為[0，1]，當(dāng)J=1時(shí)，表明系統(tǒng)處于最理想的平衡狀態(tài).

3)優(yōu)勢(shì)度(I)

基于均衡度函數(shù)構(gòu)建優(yōu)勢(shì)度公式為：

I=1-J，

(5)

其中，I表示優(yōu)勢(shì)度，是實(shí)際信息熵增量與最大信息熵增量之比，變化區(qū)間與均衡度相同，意義與均衡度相反.均衡度和優(yōu)勢(shì)度增強(qiáng)了數(shù)值的可比性和指征性.

4)緊湊度(C)

城市空間形態(tài)的緊湊度計(jì)算公式為：

(6)

其中，C為城市空間形態(tài)的緊湊度，A為城市面積，P為城市輪廓周長(zhǎng).

3 精度評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證分類結(jié)果的可靠性，采用隨機(jī)樣點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn).據(jù)劉旭攏[24]等，點(diǎn)檢驗(yàn)的最少隨機(jī)抽樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為：

(7)

經(jīng)試驗(yàn)，取P=0.95，α=0.1，即置信水平為95%，查表得μ=1.96，誤差允許范圍d=±5%，則點(diǎn)檢驗(yàn)最少的個(gè)數(shù)為n=185.考慮到增加部分樣點(diǎn)更具說服力，本研究從Google Earth高分辨率影像上目視解譯得到210個(gè)隨機(jī)樣點(diǎn)(圖3)，其中建設(shè)用地樣點(diǎn)94個(gè)，非建設(shè)用地樣點(diǎn)116個(gè).計(jì)算混淆矩陣可知(表3)，建設(shè)用地的制圖精度為92.6%，用戶精度為94.6%，分類總精度94.3%，Kappa系數(shù)88.4%.

表3 點(diǎn)檢驗(yàn)的混淆矩陣Tab.3 Confusion matrix of the classification

圖3 武漢城市圈驗(yàn)證樣點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution of verification points of Wuhan Metropolitan Area

4 結(jié)果分析

4.1 武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)間序列分析

武漢城市圈1990年～2015年建設(shè)用地分布及擴(kuò)張?zhí)卣魅鐖D4及表4所示.

武漢城市圈建設(shè)用地面積在1990年～2015年呈逐步增加的趨勢(shì)，總擴(kuò)張面積約251 893.96 hm2，是1990年城市面積的1.13倍.前10 a(1990年～2000年)的擴(kuò)張面積、速度和強(qiáng)度均較低，而21世紀(jì)國(guó)家實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略以來，武漢城市圈的擴(kuò)張態(tài)勢(shì)明顯提高，后15 a(2000年～2015年)的擴(kuò)張面積占總擴(kuò)張面積的87.47%，是前10 a的6.98倍，擴(kuò)張速度和強(qiáng)度分別是前10 a的4.08和4.65倍.中部崛起戰(zhàn)略實(shí)施以來，前期5 a(2000年～2005年)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積為66 311.34 hm2，處于較高的發(fā)展水平.中期5 a(2005年～2010年)和前期5 a的特征近似，但有小幅提高，而后期5 a(2010年～2015年)則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，幅度達(dá)2%.武漢城市圈自2002年初萌芽，到2005年被列為中部四大城市圈之首，這一系列的政策導(dǎo)向促使城市擴(kuò)張?jiān)谇捌? a表現(xiàn)了較高水平，而 “兩型社會(huì)”建設(shè)促進(jìn)了中期5 a的擴(kuò)張.

圖4 1990年～2015年武漢城市圈各期建設(shè)用地面積Fig.4 Area of construction land in Wuhan Metropolitan Area， 1990～2015

表4 武漢城市圈總體擴(kuò)張?zhí)卣鱐ab.4 Characteristics of construction land sprawl of Wuhan Metropolitan Area

表5揭示了各城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)間規(guī)律.1990年～2015年，武漢市擴(kuò)張面積最大，占38.64%，其次為黃岡、咸寧、孝感，潛江市擴(kuò)張面積最小，僅占1.9%.2000年～2015年，天門、黃石、鄂州、咸寧增長(zhǎng)最快，擴(kuò)張面積分別是1990年～2000年的19.36、16.34、12.56、10.66倍.而2000年以來，大部分城市擴(kuò)張速度和強(qiáng)度變化較平穩(wěn)，但潛江市在后期5a的擴(kuò)張速度和強(qiáng)度分別是中期5a的10.14和10.32倍.武漢城市圈自成立以來，受國(guó)家政策的推動(dòng)，各城市之間的聯(lián)系越來越緊密，對(duì)圈內(nèi)城市的帶動(dòng)促進(jìn)作用明顯加強(qiáng).2006年，武漢城市圈被國(guó)家發(fā)改委列為重點(diǎn)考察對(duì)象；2007年，武漢城市圈被批準(zhǔn)為國(guó)家首批“兩型社會(huì)”建設(shè)改革試點(diǎn)之一，咸寧經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)與武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、東湖開發(fā)區(qū)合作共同發(fā)展；2010年，武漢城市圈被列為國(guó)家“十二五”重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，黃石經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)升級(jí)為國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，且以及青山-陽邏-鄂州大循環(huán)示范區(qū)、梁子湖生態(tài)旅游示范區(qū)、鄂東四市(黃石、鄂州、浠水、孝感)統(tǒng)一通信區(qū)等重點(diǎn)工作的開展，促進(jìn)了黃石、鄂州等圈內(nèi)城市的擴(kuò)張.

4.2 武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張空間序列分析

圖5表示1990年～2015年武漢城市圈擴(kuò)張的信息熵(H)、均衡度(J)、優(yōu)勢(shì)度(I)和緊湊度(C)的變化趨勢(shì).

注：緊湊度(C)單位設(shè)置為0.1.圖5 1990年～2015年武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的H、J、I和C變化趨勢(shì)圖Fig.5 Tendency of H、J、I、C in construction land sprawl of Wuhan Metropolitan Area， 1990～2015

武漢城市圈的H和J分別在0.8 Nat和0.9以上，表明城市擴(kuò)張系統(tǒng)呈均衡有序狀態(tài)；I與H、J的發(fā)展趨勢(shì)相反，I值不足0.1，表明城市擴(kuò)張呈均衡性發(fā)展，集中性低.從總體發(fā)展趨勢(shì)來看，1990年～2015年，H以下降為主，年均變化率為-0.114%，J與H的趨勢(shì)一致，年均變化率達(dá)-0.194%，表明城市擴(kuò)張系統(tǒng)有朝無序、非均衡性方向發(fā)展的趨勢(shì)；I總體上呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，年均變化率為2.735%，說明城市擴(kuò)張有朝集中化方向發(fā)展的趨勢(shì).武漢城市圈的C值較低，最大值僅為0.316%(2015年)，城市擴(kuò)張呈較分散狀態(tài).由發(fā)展趨勢(shì)可知，1990年～2010年，C呈下降狀態(tài)，而到了2015年則出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，表明城市空間形態(tài)在后期有朝緊湊性發(fā)展的趨勢(shì).總體而言，武漢城市圈的擴(kuò)張?zhí)幱诰?、有序發(fā)展?fàn)顟B(tài)，空間形態(tài)呈較分散狀態(tài)，但在后期有朝無序、非均衡以及緊湊型方向發(fā)展的趨勢(shì).

將25 a間各城市擴(kuò)張速度分為6個(gè)等級(jí)(圖6).總體上看，自北向南、由西向東，各市擴(kuò)張速度越來越高，其中南部的咸寧市擴(kuò)張速度最高.1990年～2000年，各城市擴(kuò)張速度普遍較低，均不足2%.而2000年～2015年，各市擴(kuò)張速度大幅上升，平均擴(kuò)張速度是前10 a的4.79倍.由后15 a的內(nèi)部發(fā)展趨勢(shì)來看，各城市呈現(xiàn)由“急速、高度”和“低速、慢速”向“中速、快速”發(fā)展的趨勢(shì)，逐步趨于平衡態(tài)勢(shì)，東南部的黃石、咸寧、鄂州由前期5 a的7%以上，分別下降到后期5 a的5.08%、5.04%和4.94%，而仙桃、潛江則由前期5 a的不足3%分別上升到后期5 a的3.59%和3.53%.中部崛起戰(zhàn)略促進(jìn)了武漢城市圈的整體發(fā)展，而武漢城市圈的發(fā)展帶動(dòng)了周邊城市的擴(kuò)張，促進(jìn)了圈內(nèi)城市的一體化發(fā)展.

圖6表示各城市緊湊度的變化規(guī)律，各城市的空間形態(tài)呈現(xiàn)由北向南、由西向東趨于緊湊型的發(fā)展趨勢(shì).北部的武漢、孝感、黃岡空間形態(tài)較均衡，1990年～2010年，各市緊湊度均在0.73%以下，這類城市國(guó)土面積大，城市擴(kuò)張具有廣闊的發(fā)展空間.南部及西南部的咸寧、天門、潛江、仙桃屬于中等緊湊度水平，大部分處于0.77%～1.18%，2015年，仙桃、潛江的緊湊度增加到1.59%和1.21%，原因是國(guó)土面積較小，限制了在空間上的擴(kuò)張.東部的黃石、鄂州處于高緊湊度發(fā)展?fàn)顟B(tài)，超過1.2%，呈聚集型發(fā)展，這類城市位于武漢城市圈東部，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，有利于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，而狹小的國(guó)土面積又限制其擴(kuò)張，尤其是鄂州市，緊湊度在2015年達(dá)2.08%.

圖6 1990年～2015年各市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度分級(jí)空間分布圖Fig.6 Construction land sprawl speed of each city in Wuhan Metropolitan Area， 1990～2015

圖7 1990年～2015年各城市緊湊度趨勢(shì)Fig.7 Tendency of C in construction land sprawl of each city， 1990～2015

5 結(jié)論與討論

本文以Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙椒?，提取了武漢城市圈1990年2015年的建設(shè)用地信息，并運(yùn)用擴(kuò)張面積、速度、強(qiáng)度及緊湊度等分析了武漢城市圈擴(kuò)張的時(shí)空特征.結(jié)論如下.

1) 通過手動(dòng)選擇訓(xùn)練樣本，結(jié)合NDVI、NDWI、MNDWI、SAVI、NDBI等多種指數(shù)，輔之以亮度值、特征波段組合等作為分類特征，利用SPM自動(dòng)確定分類閾值，能較好地實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)，建設(shè)用地分類總精度為94.3%.

2) 武漢城市圈建設(shè)用地面積在1990年～2015年呈逐步增加趨勢(shì)，總擴(kuò)張約251 893.96 hm2.前10 a(1990年～2000年)擴(kuò)張緩慢，后15 a(2000年～2015年)在中部崛起戰(zhàn)略的推動(dòng)下擴(kuò)張明顯，擴(kuò)張面積是前10 a的6.98倍.中部崛起戰(zhàn)略以來的三個(gè)階段，前期5 a和中期5 a的擴(kuò)張水平較高，而后期5 a則處于下降趨勢(shì).

3) 各城市建設(shè)用地面積在1990年～2015年均呈上升趨勢(shì)，武漢市最大，占38.64%，潛江市最小，僅占1.9%.天門、黃石、鄂州、咸寧增長(zhǎng)最快，后15 a的擴(kuò)張面積分別是前10 a的19.36、16.34、12.56、10.66倍.而前期5 a、中期5 a到后期5 a，各城市呈現(xiàn)由“急速、高度”和“低速、慢速”向“中速、快速”的均衡發(fā)展，圈內(nèi)城市一體化趨勢(shì)加強(qiáng).

4)各城市的空間形態(tài)呈現(xiàn)由北向南、由西向東趨于緊湊型的發(fā)展趨勢(shì).北部的武漢、孝感、黃岡，其緊湊度均在0.73%以下；南部及西南部的咸寧、天門、潛江、仙桃，緊湊度大部分處于0.77%～1.18%之間；東部的黃石、鄂州，緊湊度超過1.2%.

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Object-basedimageanalysischangedetectionandtemporal-spatialvariationonconstructionlandofWuhanMetropolitanAreafrom1990to2015

PEI Yanyan1，2，3， HUANG Jinliang1，3， WANG Lihui1，3， LU Jun1，2，3

(1.Institute of Geodesy and Geophysics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430077；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049；3.Key Laboratory for Environment and Disaster Monitoring and Evaluation of Hubei Province， Wuhan 430077)

Wuhan Metropolitan Area is an important point of the strategy of the rise of Central China and one of the earliest comprehensive reform testing areas for national resource-saving and environment-friendly society building. The study of the rule of construction land sprawl in Wuhan Metropolitan Area is of great significance for regional urban planning and policy implementation on national and regional economic development. With the Landsat TM/OLI Remote Sensing Images in 1990-2015 as data source， construction land information is extracted by object-based image analysis method. The temporal-spatial differentiation characteristics on construction land are analyzed by using expansion area， expansion speed index， expansion intensity index and compactness index. The results are as follows. 1) The useage of multiple index and automatically classification threshold by Salford Predictive Modeler is able to better extract the construction land information， with the overall accuracy of 94.3%. 2) The construction land expansion area in Wuhan Metropolitan Area has been gradually increased from 1990 to 2015， with the total expansion area of 251 893.96 hm2. The expansion of the earlier 10 years (1990-2000) is slow， and the expansion area， speed and intensity of the later 15 years (2000-2015) are 6.98， 4.08 and 4.65 times of that of the earlier 10 years， respectively. 3) The construction land sprawl area in every city showed an ascendant trend from 1990 to 2015. From north to south and west to east， the space form in every city changed to be more and more compact．

Wuhan Metropolitan Area; construction land sprawl; object-based image analysis; change detection; temporal-spatial variation

F301.24

A

2017-04-07.

中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS計(jì)劃)(KFJ-STS-ZDTP-009)；水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金(201704).

*通訊聯(lián)系人. E-mail: hjl@asch.whigg.ac.cn.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.019

1000-1190(2017)05-0671-09