基于不透水面的城市擴展研究
——以張店區(qū)為例

于照堃，謝千騫，陳夢雅，李忠濤，逯躍鋒

(山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，城鎮(zhèn)化進程逐漸加快。傳統(tǒng)衡量城鎮(zhèn)化水平的方法主要是對城市人口數(shù)量、人均GDP等各方面數(shù)據(jù)進行分析，得到相應的指標，進而對研究區(qū)域的城鎮(zhèn)化水平做出評價，分析城市擴展趨勢。研究者的數(shù)據(jù)通常是來自各個研究區(qū)域的政府統(tǒng)計年鑒，但這些數(shù)據(jù)可能存在斷層現(xiàn)象，導致難以對城市的擴展趨勢進行長時間段的研究[1]。以不透水面的變化來反映城市擴展趨勢恰好解決了上述問題。不透水面包含道路、建筑物等人工地表，隨著人工地表的建設，原有地表的透水能力大大減弱[2-3]，分析不透水面的變化能夠掌握城市擴展趨勢，反映城鎮(zhèn)化建設水平。

近年來，有許多關于不透水面提取及應用方面的研究，如：程吉等[4]針對GF-5衛(wèi)星提出了不透水面提取方法，程熙等[5]提出了利用多源數(shù)據(jù)進行提取的方法，畢森等[6]利用不透水面對港口城市的發(fā)展趨勢進行分析。本文以山東省淄博市張店區(qū)為研究區(qū)域，基于2000—2020年遙感影像數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯的方式獲取不透水面數(shù)據(jù)，對張店區(qū)的城區(qū)擴展趨勢進行分析，掌握其城鎮(zhèn)化發(fā)展的規(guī)律和趨勢。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

張店區(qū)(36°4′30”N-36°54′00”N，117°55′40”E-118°12′20”E)地處山東省中部，屬丘陵向平原過渡地帶，地形以平原為主，總面積約為359 km2，是淄博市的政治、經(jīng)濟等中心，同時也是魯中地區(qū)的交通樞紐，在淄博市城鄉(xiāng)建設過程中起到至關重要的帶頭作用。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文獲取張店區(qū)2000、2005、2010、2015、2020年五期遙感影像，基于遙感影像進行人工目視解譯，獲取不同年份的不透水面數(shù)據(jù)。根據(jù)土地利用類型分類體系將土地類型劃分為六個一級類。為明確張店區(qū)城鎮(zhèn)化進程及城市擴展趨勢，將一級類中的城鄉(xiāng)、工礦、居民用地進而細分為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設用地三個二級類，即為本文獲取的不透水面。

2 研究方法

2.1 不透水面擴展速度

不透水面的擴展速度V[7-8]指研究時間內(nèi)區(qū)域不透水面的年均增長面積(式(1))，反映不透水面的增長速度。

V=(Arear-Afront)/T，

(1)

式中：Afront和Arear分別表示研究區(qū)域前期年份和后期年份的不透水面面積；T表示時間間隔，由于本文研究不透水面面積變化以五年為一期，故時間間隔T=5。

2.2 土地利用變化分析

基于五期遙感影像進行人工目視解譯，獲取張店區(qū)土地利用類型，統(tǒng)計各土地類型面積變化情況，分析不透水面擴展對土地利用造成的影響。制作土地利用類型專題圖，直觀展示土地利用變化和主城區(qū)增長方向性變化。

2.3 主城區(qū)增長方向性分析

除不透水面的總面積及擴展速度外，主城區(qū)的增長方向性也是研究城市擴展的一個重要問題，有助于從整體上掌握研究區(qū)域的擴展方向[9]，及時對擴展區(qū)域及其周邊區(qū)域作出相應的規(guī)劃，避免基礎設施配套不完善等問題，提高城鎮(zhèn)化質(zhì)量。張店區(qū)主城區(qū)增長方向性的研究采用標準差橢圓法進行分析，該方法生成橢圓的傾角能夠有效反映出研究區(qū)域內(nèi)不透水面的擴展方向，基于2000、2005、2010、2015、2020年五期數(shù)據(jù)對張店區(qū)主城區(qū)不透水面進行增長方向性分析[9-10]。

3 結果分析

3.1 不透水面變化分析

本文研究的不透水面主要包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設用地，由表1可知，2000—2020年張店區(qū)不透水面總面積增長69.74 km2，其中城鎮(zhèn)用地面積增長72.08 km2，農(nóng)村居民點面積減少11.71 km2，呈負增長趨勢，其他建筑用地面積增長9.37 km2。城鎮(zhèn)用地面積呈逐漸增長趨勢，農(nóng)村居民點和其他建筑用地面積呈先增后減的趨勢，各自的峰值時間分別出現(xiàn)在2005年和2015年。

表1 張店區(qū)不透水面成分擴展表

從圖1來看，在研究時段內(nèi)，張店區(qū)不透水面擴展速度呈波動趨勢。2005—2010年不透水面擴展速度最慢(1.94 km2/a)，2010—2015年是張店區(qū)不透水面高速擴展的時期，不透水面總面積增加27.35 km2，擴展速度達到頂峰(5.47 km2/a)，這意味著此時間段內(nèi)張店區(qū)城鎮(zhèn)化進程加快。從內(nèi)部構成來看，2010—2015年間城鎮(zhèn)用地面積增長24.76 km2，占不透水面增長總面積的90.53%。

圖1 2000—2020年張店區(qū)各類不透水面擴展速度

3.2 土地利用變化

基于遙感影像數(shù)據(jù)，在提取不透水面的同時提取土地利用類型，分析不透水面擴展對土地利用的影響。由表2和圖2—圖7可知，耕地和林地面積總體呈減少趨勢，2000—2020年耕地面積減少69.70 km2，不透水面面積增加69.74 km2，林地面積減少2.57 km2，水域面積總體呈增長趨勢，面積增加1.58 km2，未利用土地面積呈現(xiàn)波動變化，凈變化值為0.94 km2，其中2015—2020年的面積存在突變現(xiàn)象，這可能是由其他土地類型向不透水面演變所導致的。

表2 土地利用面積變化表

圖2 2000年張店區(qū)土地利用類型圖

圖3 2005年張店區(qū)土地利用類型圖

圖4 2010年張店區(qū)土地利用類型圖

圖5 2015年張店區(qū)土地利用類型圖

圖6 2020年張店區(qū)土地利用類型圖

圖7 土地利用面積變化圖

對各類土地進行疊置分析與計算分析得：共有75.60 km2的土地轉為不透水面，5.85 km2的不透水面轉為其他類型土地;在其他類型向不透水面轉化過程中，占用耕地73.6 km2，占用林地0.56 km2，占用未利用土地1.44 km2，主要以占用耕地為主。

3.3 主城區(qū)增長方向性分析

張店區(qū)主城區(qū)增長方向性研究以城鎮(zhèn)用地為主要研究對象，使用2000年城鎮(zhèn)用地作為標準，對2000年城鎮(zhèn)用地進行標準離差橢圓運算，觀察城鎮(zhèn)分布趨勢。隨后分別對2005、2010、2015、2020年四期城鎮(zhèn)用地進行標準離差橢圓運算，將運算結果與2000年運算結果疊加，分析主城區(qū)增長方向。結合圖8、圖9分析可知，張店區(qū)主城區(qū)發(fā)展方向以南北向為主，根據(jù)橢圓長、短半軸變化情況，以2000年主城區(qū)(城鎮(zhèn)用地)總體空間分布位置為基礎，從2005—2015年，主城區(qū)主要向北偏西方向發(fā)展，2020年主城區(qū)發(fā)展方向發(fā)生變動，以東北方向為主，西部向外擴展。

圖8 五期主城區(qū)方向標準離差橢圓運算結果

圖9 主城區(qū)二十年擴展變化圖

總體來看，張店區(qū)主城區(qū)主要向西、向北進行擴展，東部區(qū)域進行適當擴展，西南部區(qū)域已經(jīng)達到飽和。從圖8中可看出，張店區(qū)西部、北部地勢平緩，利于城鎮(zhèn)擴展；東北方向地勢較高，不利于城鎮(zhèn)擴展，其可擴展方向與主城區(qū)增長方向性分析結果相符。

4 結果與討論

1)本文基于張店區(qū)2000、2005、2010、2015、2020年五期遙感影像進行人工目視解譯獲取不透水面以及土地利用類型，采用標準離差橢圓法對主城區(qū)擴展方向性進行分析，研究城市擴展趨勢。研究表明：在以張店區(qū)2000年城鎮(zhèn)主體空間分布為基礎的前提下，2005—2015年城鎮(zhèn)用地擴展主要以北偏西方向為主，2020年城鎮(zhèn)發(fā)展方向產(chǎn)生變動，以北為主，稍向東部傾斜。

2)在本文研究的二十年時間內(nèi)，張店區(qū)不透水面總面積增長69.74 km2，其中城鎮(zhèn)用地面積增長72.08 km2，農(nóng)村居民點面積減少11.71 km2，呈負增長趨勢，其他建筑用地面積增長9.37 km2。張店區(qū)不透水面擴展速度呈波動趨勢，2005—2010年不透水面擴展速度最慢(1.94 km2/a)，2010—2015年不透水面總面積增加27.35 km2，擴展速度達到頂峰(5.47 km2/a)。

3)在2000—2020年不透水面擴展過程中，耕地受到的影響最大，總面積減少69.70 km2，林地、水域和未利用土地受影響較小，其中水域和其他未利用土地呈小幅度增長的趨勢，同時存在林地向耕地轉變的現(xiàn)象。

4)與傳統(tǒng)地使用各個研究區(qū)域的政府統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)來研究城市擴展相比，本文基于遙感影像獲取不透水面數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，從而得出城市擴展速率及發(fā)展方向的研究方法能夠避免研究數(shù)據(jù)斷層、難以對城市擴展趨勢進行長時間跨度研究等問題。

通過對遙感影像的解譯，將解譯結果制成專題圖并結合數(shù)據(jù)結果進行展示，使數(shù)據(jù)可視化，相比于傳統(tǒng)的研究方式能夠更加直觀地展示城市拓展趨勢。

對各土地利用類型數(shù)據(jù)進行疊置分析和計算，明確各土地利用類型之間的轉化面積，而不僅僅是得出各類土地總面積增加或減少，這也是傳統(tǒng)研究方法所不具備的能力。不透水面的擴展結果可為城市規(guī)劃部門提供一定的參考，合理規(guī)劃城市發(fā)展方向。

5)由于本文研究采用人工目視解譯，對不透水面及土地利用類型的獲取在一定程度上存在主觀因素的干擾，所得數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在一定偏差，因此需要進一步的改進與完善。