基于地理國情數(shù)據(jù)的不透水面的變化分析

摘? 要：該研究基于2018—2020年武漢市的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以武漢市為研究區(qū)域，采用數(shù)量統(tǒng)計及空間格局分析的方法對武漢市2018—2020年的不透水面變化特點進行分析，達到對武漢市城市發(fā)展的動態(tài)了解。研究結(jié)果表明：2018—2020年武漢市的不透水面面積整體呈現(xiàn)逐年增加的變化規(guī)律;不透水面的空間分布均表現(xiàn)為由中心向外圍逐漸遞減，且在距中心3千米～6千米處達到最大;從空間和數(shù)量上，武漢市城市及經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律相一致，即均以長江為軸心發(fā)展。

關(guān)鍵詞：不透水面;距離譜;標準差橢圓;地理國情監(jiān)測

中圖分類號：TP391;P20 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2022）02-0146-04

Abstract： Based on Wuhans geographical national conditions monitoring data from 2018 to 2020， and taking Wuhan as the research area， this study uses the methods of quantitative statistics and spatial pattern analysis to analyze the change characteristics of impervious surface in Wuhan from 2018 to 2020， so as to understand the dynamics of urban development in Wuhan. The study results show that： from 2018 to 2020， the impervious surface area of Wuhan shows a change law of increasing year by year; the spatial distribution of impervious surface decreases gradually from the center to the periphery， and reaches the maximum at 3～6 kilometers away from the center; in terms of space and quantity， the law of urban and economic development in Wuhan is consistent， that is， their development both take the Yangtze River as the axis.

Keywords： impervious surface; distance spectrum; standard deviation ellipse; geographical national conditions monitoring

0? 引? 言

隨著城市的發(fā)展，不透水面作為衡量城市化水平及城市生態(tài)環(huán)境水平的重要指標因素也在被越來越對多的研究人員所重視。而當前國內(nèi)外對不透水面的研究主要分為三個方面：一是對不同數(shù)據(jù)源的不透水面提取方法的研究，如TM影像、Sentine影像、Landsat OLI等數(shù)據(jù)的提取;二是研究不透水面提取模型與算法，如SVM和線性光譜混合模型;三是對不透水面的時空演變、驅(qū)動力因素及生態(tài)環(huán)境相關(guān)的研究分析。

本文的主要內(nèi)容是基于2018—2020年武漢市地理國情數(shù)據(jù)，研究武漢市不透水面的數(shù)量變化，同時運用距離譜分析、標準差橢圓分析的方法研究武漢市不透水面的空間分布規(guī)律，在分析武漢市不透水面數(shù)量和空間分布變化的基礎(chǔ)上，分析武漢市城市擴張發(fā)張的規(guī)律。

1? 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1? 研究區(qū)域概況

武漢市位于湖北省東部、長江與漢江交匯處，是國家區(qū)域中心城市（華中）、副省級市和湖北省省會。武漢市現(xiàn)有13個轄區(qū)，其中江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)、洪山區(qū)7個為中心城區(qū)，而漢南區(qū)、東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陵區(qū)、新洲區(qū)6個區(qū)為新城區(qū)。截止2020年末，武漢市總面8 569.15 km2;常住人口為1 244.77萬人，戶籍人口為916.191 3萬人。此外武漢還是中國重要的工業(yè)基地，擁有鋼鐵、汽車、光電子、化工、冶金、紡織、造船、制造、醫(yī)藥等完整的工業(yè)體系;2020年，武漢市GOP達到15 616.06億元，位居全國第九。

1.2? 研究數(shù)據(jù)

本文研究使用到的數(shù)據(jù)主要為2018—2020年地理國情普查與監(jiān)測數(shù)據(jù)，2018—2020年三期高分辨率影像數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)等。具體使用的數(shù)據(jù)資料如表1所示。

2? 研究方法

2.1? 不透水面距離譜分析

采用歐式距離的空間圈層分析方法，以研究區(qū)域幾何中心為圓心，由中心向外圍每隔一定距離如3 km作同心圓，有效覆蓋研究區(qū)域內(nèi)的主要不透水面。用以分析從城市中心到新城區(qū)不透水面的平均密度的變化趨勢，可輔助分析不透水面的擴展模式。

式中，Mi為不透水面的平均密度，Si為第i個同心圓環(huán)內(nèi)不透水面面積，Di為第i個同心圓環(huán)內(nèi)土地面積。

2.2? 標準差橢圓分析

采用方向分布（標準差橢圓）分析研究區(qū)域不透水面擴張部分的空間格局，通過研究不同時期區(qū)域不透水面圖層得到不透水面的擴張區(qū)域，計算擴張區(qū)域的標準差橢圓，測量擴張區(qū)域的趨勢，查看擴張區(qū)域的分布是否是狹長型的，并因此具有特定方向。通過標準差橢圓使擴張的不透水面的分布趨向變得更為明確。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762

3? 結(jié)果與分析

3.1? 不透水面總體概況

武漢市2018—2020年不透水面積分別為1 390.22 km2、1 430.13 km2和1 446.06 km2，2018年至2020年每年占比增長幅度分別為0.46和0.19個百分點，總體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，但2020年增長幅度相較2019年有較大的下降。

從空間分布格局來看，武漢市2018—2020年間不透水面的空間分布規(guī)律相似，即自城市中心向周邊逐漸遞減。總體表現(xiàn)為中心城區(qū)不透水面密度較大，新城區(qū)較小。原因是中心城區(qū)起步較早，發(fā)展較為成熟，房屋建筑和道路等不透水面占比高;新城區(qū)尚處于發(fā)展階段，相較之下不透水面占比小于中心城區(qū)。全市2018—2020年的不透水面分布圖如圖1所示。

如圖2、圖3所示，2018—2020年三年期間中心城區(qū)如江岸區(qū)、江漢區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)等的不透水面積變化幅度較小，基本保持不變。硚口區(qū)與青山區(qū)的不透水面積減少較多，這與區(qū)域內(nèi)舊城改造及綠化建設(shè)密切相關(guān)，也表明隨著城市的發(fā)展完善，特別是中心城區(qū)的各項建設(shè)已經(jīng)趨于完善，所以中心城區(qū)的變化更多的在于環(huán)境方面的改善。洪山區(qū)不透水面逐年增加，說明該區(qū)在2018—2020年期間發(fā)展較快。此外，新城區(qū)整體呈快速發(fā)展狀態(tài)，其中如漢南區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)的不透水面面積增加較多，說明新城區(qū)的建設(shè)速度在不斷加快，且與不透水面積整體增加的大趨勢一致，反映了新城區(qū)與中心城區(qū)的城市化發(fā)展進程。

3.2? 不透水面圈層特征分析

采用基于歐氏距離的空間圈層分析法，以武漢市的幾何中心為圓心構(gòu)建半徑依次增加3km的同心圓，最大圓的半徑為84 km，以此為基礎(chǔ)來分析從中心城區(qū)到新城區(qū)不透水面平均密度的變化情況。

如圖4所示不透水面密度在距離幾何中心3千米～6千米的范圍顯著增加，主要原因是幾何中心位于二七長江大橋附近靠近江中心的位置，3千米圈層內(nèi)江水占了一定比例;在距離幾何中心6千米的圈層內(nèi)，城區(qū)高度開發(fā)，建筑十分密集，不透水面密度達到了峰值，該范圍是沿江開發(fā)強度最高的區(qū)域。距離幾何中心6千米以外的各圈層不透水面密度由內(nèi)向外總體減少，但不同圈層的變化規(guī)律不同：6千米～9千米圈層內(nèi)不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈層內(nèi)不透水面密度有所上升，并在12千米圈層形成次高峰，房屋建筑（區(qū)）、鐵路與道路和構(gòu)筑物為此范圍內(nèi)不透水面積增加的主要地表類型;12千米以外不透水面密度持續(xù)下降，57千米圈層以外下降速度放緩，三期不透水面密度下降速率較為統(tǒng)一，沒有太大區(qū)別。

3.3? 不透水面的標準差橢圓分析

標準差橢圓反映了空間要素組織的總體輪廓和主導分布方向，其中橢圓長軸半徑與扁率可聯(lián)合反映空間格局總體要素的集中密度，偏角反映格局的主導方向。不透水面的標準差橢圓反映出武漢市城市發(fā)展緊緊倚靠長江，其不透水面發(fā)展大體上隨著長江的流向的特點。2018—2020年三期不透水面標準差橢圓具體參數(shù)如表2所示。

分析可得2018—2020年武漢市不透水面的標準差橢圓主軸方向變化微小，大致與長江的方向相一致，這與武漢市主要以長江為發(fā)展軸展開的經(jīng)濟增長模式相符。距離長江越近，不透水面積越大且不透水面圖斑分布越密集;反之，不透水面圖斑的面積越小且分布越稀疏。2020年，主軸方向順長江方向逆時針略微偏轉(zhuǎn)，這是因為黃陂區(qū)的不透水面積快速增長。黃陂區(qū)長江新城的建設(shè)較好，發(fā)展速度快。

4? 結(jié)? 論

本研究，分析了武漢市2018—2020年不透水面時空變化特征。結(jié)果表明：（1）總體而言，2018—2020年武漢市的不透水面是逐年遞增。（2）從空間分布上來看，城市中心向周邊逐漸遞減。總體表現(xiàn)為中心城區(qū)不透水面密度較大，新城區(qū)較小;在空間距離表現(xiàn)為不透水面密度在距離幾何中心3-6千米的范圍顯著增加，在距離幾何中心6千米的圈層內(nèi)，城區(qū)高度開發(fā)，建筑十分密集，不透水面密度達到了峰值，距離幾何中心6千米以外的各圈層不透水面密度由內(nèi)向外總體減少，但不同圈層的變化規(guī)律不同：6千米～9千米圈層內(nèi)不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈層內(nèi)不透水面密度有所上升，并在12千米圈層形成次高峰，12千米以外不透水面密度持續(xù)下降，57千米圈層以外下降速度放緩，三期不透水面密度下降速率較為統(tǒng)一，沒有太大區(qū)別。（3）在發(fā)展方向上，2018—2020年武漢市不透水面的標準差橢圓主軸方向變化微小，大致與長江的方向相一致，這與武漢市主要以長江為發(fā)展軸展開的經(jīng)濟增長模式相符。距離長江越近，不透水面積越大且不透水面圖斑分布越密集;反之，不透水面圖斑的面積越小且分布越稀疏。

本文以武漢市為例，基于地理國情數(shù)據(jù)及遙感影像數(shù)據(jù)對不透水面進行變化監(jiān)測，定量分析不透水面變化情況、特點及分布，可為海綿城市建設(shè)、城市規(guī)劃管理、城市內(nèi)澇治理等提供參考。

參考文獻：

[1] 楊麗媛，陳洋波.1979—2020年深圳市不透水面信息提取及其時空格局變化分析 [J].水土保持通報，2021，41（5）：198-205.

[2] 肖睿銘，閆金鳳，王甜.港口岸線增長與城市土地利用變化強度關(guān)聯(lián)分析 [J].測繪科學，2020，45（7）：181-189+198.

[3] 蔣曉燕.各級不透水面百分比區(qū)間城市熱環(huán)境影響分析 [J].能源與環(huán)境，2020（4）：48-49.

[4] 劉美，杜國明，于鳳榮，等.哈爾濱城鄉(xiāng)梯度建設(shè)用地結(jié)構(gòu)變化及不透水面遙感監(jiān)測分析 [J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2020，35（5）：1206-1217.

[5] 許紅，嚴靜，張群洪.基于概念樹的空間關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法及其在土地利用分析中的應(yīng)用 [J].華中農(nóng)業(yè)大學學報（社會科學版），2009（6）：46-50.

[6] 李宜寬，李峙，謝春艷.基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法的馬山縣土地違法利用分析 [J].大眾科技，2018，20（9）：107-110.

[7] 丁健，李孝玲.基于遙感影像對濟南城區(qū)不透水面的變化監(jiān)測與分析 [J].測繪與空間地理信息，2021，44（S1）：71-74.

[8] 康翔，潘劍君.近30年來南京市不透水面時空演變特征分析 [J].測繪與空間地理信息，2021，44（3）：120-123+126.

[9] 石春艷，張連蓬，趙清.徐州市城市不透水面變化及其影響因素分析 [J].地理空間信息，2021，19（10）：33-39+149.

[10] 黃菲，劉正才，謝婷，等.一種基于NDISI的復(fù)合權(quán)重波段雙差值不透水面提取指數(shù) [J].地球信息科學學報，2021，23（10）：1850-1860.

[11] 石曉峰，熊克俊，盧剛，等.寧鎮(zhèn)揚地區(qū)不透水面增長變化監(jiān)測及其增長模式分析 [J].測繪通報，2021（2）：136-9.

[12] 張森，史雨晴，李香迎，等.上海浦東新區(qū)快速城市化不透水面演變及驅(qū)動力分析 [J].江西科學，2021，39（3）：558-61.

[13] 劉藝璇，黃景能，吳玫玫，等.上海市居住區(qū)不透水面率及其影響因素分析 [J].地理空間信息，2021，19（7）：6-8+35+6.

[14] 袁修柳，楊昆，王保云.武漢市2015年不透水面的提取及其空間自相關(guān)分析 [J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2017，56（9）：1642-1647.

作者簡介：丁安（1992—），男，漢族，安徽安慶人，研究生在讀，研究方向：測繪工程。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762