基于歷史衛(wèi)星遙感影像對城區(qū)空間形態(tài)演變的研究

張現(xiàn)峰 劉乾忠 宮昌華 楊先連 錢淑君 肖艷麗 郭志謙

摘要：基于濰坊市近50年來歷史遙感影像，通過人機結(jié)合的方式，對歷史影像進行中心城區(qū)范圍提取，并開展面積變化、擴張速度和擴張強度、緊湊度、分形維數(shù)、重心遷移等相關(guān)指數(shù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)濰坊市中心城區(qū)擴張的歷史演變規(guī)律。通過提取水系、道路等城市發(fā)展相關(guān)要素，分析對其歷史變化情況進行專題分析，以此為城市發(fā)展和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)和決策支撐。研究發(fā)現(xiàn)，濰坊市中心城區(qū)的空間形態(tài)演變規(guī)律初期向東側(cè)發(fā)展，與寒亭區(qū)、坊子區(qū)形成三角狀星型結(jié)構(gòu)。后發(fā)展形成東西一體相連的單中心城區(qū)結(jié)構(gòu)，最終形成濰坊市中心城區(qū)東西、南北十字結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：遙感影像；空間形態(tài)；歷史演變；動態(tài)監(jiān)測；山東濰坊

中圖分類號：P208

文獻標(biāo)識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.007

引文格式：張現(xiàn)峰，劉乾忠，宮昌華，等.基于歷史衛(wèi)星遙感影像對城區(qū)空間形態(tài)演變的研究——以山東省濰坊市為例［J］.山東國土資源，2023，39（7）：39-45.ZHANG Xianfeng， LIU Qianzhong， GONG Changhua， et al . Study on Urban Spatial Morphology Evolution Based on Historical Satellite Remote Sensing Images——Setting Weifang City in Shandong Province as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：39-45.

0 引言

濰坊是環(huán)渤海地區(qū)重要節(jié)點城市，是連接山東半島和內(nèi)陸地區(qū)的重要交通樞紐，已列入全國性綜合交通樞紐城市。伴隨濰坊市市政府駐地的遷移，在市委市政府的大力支持下濰坊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)建設(shè)走上了快車道，濰坊市中心城區(qū)也不斷向東側(cè)發(fā)展，特別是坊子新區(qū)和高鐵新片區(qū)的建設(shè)落地，促進了城市格局向南北兩側(cè)發(fā)展，中心城區(qū)發(fā)展形態(tài)主要向東南和東北方向擴張，在經(jīng)濟發(fā)展新形勢下，研究中心城區(qū)歷史演變規(guī)律，為濰坊市進一步城市發(fā)展規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)是獲取地球資源與環(huán)境信息的重要手段，具有一定的歷史記錄性，其監(jiān)測范圍廣、重訪周期較短，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、海洋、氣象、水文、軍事、環(huán)保等各領(lǐng)域［1］，是較為完整記錄城市發(fā)展變遷過程的歷史資料。本研究充分挖掘海量歷史影像的潛在價值，依據(jù)濰坊市近50年來的歷史衛(wèi)星影像，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，提取濰坊市中心城區(qū)歷年邊界范圍，將50年分為4個階段進行分析，分別為建國建設(shè)階段、改革開放階段、房產(chǎn)改革階段、新時代階段，通過這四個具有代表性的階段開展濰坊市城區(qū)變遷工作的研究，再現(xiàn)濰坊市城區(qū)演變過程，為下一步城市建設(shè)規(guī)劃提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。國土空間規(guī)劃是謀劃空間發(fā)展和治理的重要工具［2］，本研究可為濰坊市國土空間規(guī)劃提供思路，為提高城市治理能力和體系現(xiàn)代化發(fā)展打下基礎(chǔ)。

1 研究現(xiàn)狀

城市形態(tài)變化是評價城市發(fā)展擴張的重要指標(biāo)，城市空間結(jié)構(gòu)識別是城市規(guī)劃和城市資源空間優(yōu)化的一項重要手段和基礎(chǔ)性工作［3-4］。目前基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，已開展部分城市演變研究，主要基于擴張速度和擴張強度、緊湊度、分形維數(shù)、重心遷移等各項指數(shù)反應(yīng)城市形態(tài)。羅家東等［5］基于Landsat TM影像，分析2000—2018年宜春市主城區(qū)城市擴張?zhí)卣骱托螒B(tài)演變。何麗麗等［6］基于2006年、2012年、2014年和2017年高分辨遙感影像，利用遙感、GIS技術(shù)對禪城區(qū)自行政區(qū)劃調(diào)整以來城市形態(tài)演變的特征和驅(qū)動因素進行分析。于曉歆等［7］以2000—2013年多源遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取了重慶市主城區(qū)4個時相的城區(qū)范圍，并分析了城市空間擴展的時空變化情況和城市外部形態(tài)特征演變等。毛禹等［8］利用三期遙感影像，對重慶市主城區(qū)土地利用演變情況進行了分析，并綜合景觀指數(shù)分析了人類活動的影響程度。周在輝等［9］利用1990—2016年遙感影像，從城市空間擴展和城市外部形態(tài)的時空特征兩方面，借助地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)分析酒泉城市空間形態(tài)演化規(guī)律，并進行了驅(qū)動力分析。杜軍等［10］基于歷史遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，開展北京城區(qū)邊界信息提取，從城市擴展過程、空間形態(tài)、擴展類型、空間結(jié)構(gòu)演變4個方面對北京市城區(qū)空間演進過程進行了分析。石婷婷等［11］依據(jù)潛江市5個不同年代的基礎(chǔ)地理信息資料，通過對潛江市建成區(qū)的范圍、面積、延伸率、形狀比、緊湊度等監(jiān)測指標(biāo)進行了統(tǒng)計分析。彭媛媛等［12］基于Landsat影像和夜光數(shù)據(jù)，采用緊湊度擴張速度重心遷移等指標(biāo)分析了1993—2010年廣州建成區(qū)時空擴張?zhí)攸c及其驅(qū)動因子。劉曉等［13］以8期歷史遙感影像，研究聊城市1987年以來空間擴展特征，并進行了驅(qū)動力分析。

目前基于濰坊市對中心城區(qū)歷史演變研究趨于空白，本文對濰坊市中心城區(qū)歷史演變規(guī)律和發(fā)展變化情況進行了較為系統(tǒng)的分析，并且充分利用了連續(xù)50年遙感影像數(shù)據(jù)，保持了較好的數(shù)據(jù)連續(xù)性，增加了分析結(jié)果的可靠性。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究采用Landsat系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，影像時間為1973—2022年，共計50年。盡可能選取每年度春季或秋季無云影像，其中1973—1983年使用Landsat 1-4 MSS衛(wèi)星影像，1984—2012年使用Landsat 4-5 TM影像，2013—2022年使用Landsat 7 ETM+和Landsat 8 OLI影像。Landsat系列衛(wèi)星參數(shù)詳見表1。

2.2 城區(qū)擴張演變分析方法

主要采用城區(qū)擴張速率和擴張強度指數(shù)分析濰坊市城區(qū)擴張的演變規(guī)律［14-15］，采用緊湊度、分形維數(shù)和重心遷移模型進行城區(qū)形態(tài)演變規(guī)律分析。

（1）擴張速率計算公式

AGA=UA（n+i）-UAin（1）

式中：UAi為第i年中心城區(qū)面積；UA（n+i）為第n+i年的中心城區(qū)面積;n以年為單位的時間間隔。

（2）擴張強度的計算公式

M=ΔUijΔtij×ULAij×100%（ 2）

式中：ΔUij為i到j(luò)時期中心城區(qū)面積變化值；Δtij為i到j(luò)時期的時間跨度；ULAij為時間i內(nèi)中心城區(qū)面積。

擴張速率表示不同階段中心城區(qū)擴展面積的年增長率，用以表征各個階段中心城區(qū)擴展的總體規(guī)模和趨勢。擴張強度反映的市擴張面積占總面積的百分比，常用來衡量和表達城區(qū)的擴展?fàn)顟B(tài)，擴張強度數(shù)值越大表明中心城區(qū)擴張越快，反之?dāng)U張較慢。

（3）緊湊度

緊湊度常用來反映區(qū)域形狀的特征。當(dāng)平面形狀不同時，相同的投影面積往往也能反映出不同的空間緊湊度。通常采用Batty提出的計算公式（3）［16］：

BCI=2πAP（3）

式中：A為中心城區(qū)的面積；P為研究區(qū)中心城區(qū)的周長；BCI數(shù)值一般是在0～1間，越大則形狀越緊湊，也越接近于1，形狀則更接近于圓形［17］。

（4）分形維數(shù)

分形維數(shù)的數(shù)值可以對城市在不斷擴張的過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行評價，通過中心城區(qū)周長和中心城區(qū)面積計算獲得。當(dāng)分形維數(shù)增大時說明研究區(qū)中心城區(qū)的發(fā)展擴充以向外擴張為主；而當(dāng)分形維數(shù)在減小時則說明在該研究區(qū)間內(nèi)中心城區(qū)的擴張以內(nèi)部填充為主。一般以1.5為參考界限，分形維數(shù)的計算公式如下［18］：

D=2ln（P/K）ln（A）（4）

式中：P代表中心城區(qū)周長;A代表中心城區(qū)斑塊的空間面積值;K為常數(shù)，通常取4。不同分型維數(shù)的圖形特征如表2所示。

（5）遷移重心模型

城市重心是城市能夠保持均勻分布的平衡點，是衡量城市結(jié)構(gòu)在空間分布上的一個重要指標(biāo)，通過研究城市重心遷移距離和偏移角度能夠描述出中心區(qū)域的擴展方向和主要變化路線。

Xt=∑ni=1（Cti×Xi）∑ni=1Cti（5）

Yt=∑ni=1（Cti×Yi）∑ni=1Cti（6）

式中：Xt，Yt分別表示在t年的中心城區(qū)重心坐標(biāo);Xi，Yi分別為第i個地塊的幾何中心坐標(biāo);Cti為第i個地塊的面積［19］。

提取各個年份建成區(qū)的重心［20］，對各種分析結(jié)果進行統(tǒng)計分析，最終得到濰坊市中西城區(qū)歷史演變綜合分析結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對影像數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、影像融合、鑲嵌裁剪等處理。

3 中心城區(qū)歷史演變研究

3.1 中心城區(qū)歷史演變過程研究

3.1.1 中心城區(qū)空間范圍歷史演變

依據(jù)4個階段進行演變分析，中心城區(qū)范圍擴張圖（圖2）。

建國建設(shè)階段：基于1973年衛(wèi)星遙感影像中心城區(qū)面積約6km2。1978年面積約10.67km2。

改革開放階段：即1978—1992年，整體增長較為平穩(wěn)，呈緩慢增長趨勢，1986年中心城區(qū)面積出現(xiàn)明顯增加，約31.89km2。

房產(chǎn)改革階段：即1992—2012年，中心城區(qū)面積快速增長，呈階梯增長趨勢。此階段2000年為分水嶺，2000年之前濰坊市中心城區(qū)擴張速率一直較為緩慢，主要向東側(cè)和南側(cè)擴張。2000年后中心城區(qū)面積開始大幅擴張，東西一體相連的單中心城區(qū)結(jié)構(gòu)形成。

新時代階段：即2012—2022年，中心城區(qū)整體面積勻速向東西2個方向擴張。2022年中心城區(qū)面積達302km2，中心城區(qū)范圍東西較南北方向略長，整體呈東西、南北十字結(jié)構(gòu)。

3.1.2 中心城區(qū)擴張分析

通過城區(qū)擴張速率和擴張強度指數(shù)分析濰坊市城區(qū)擴張的演變規(guī)律。以擴張速率≥10km2、6～10km2、2～6km2、≤2km2，劃分擴張速率類型為高速、快速、中速和低速。以擴張強度≥19.2%、10.5%～19.2%、5.9%～10.5%、≤5.9%，劃分強度類型為高速擴張、快速擴張、中速擴張和低速擴張（表3）［21］。

建國建設(shè)階段即1973—1978年擴張速度為低速擴張類型，擴張強度相對較大。改革開放階段即1978—1992年為中低速擴張交替類型，在1986年擴張強度出現(xiàn)少量增大。房產(chǎn)改革階段即1992—2012年為由中低速擴張至高速擴張變化發(fā)展類型，2000—2005年擴張速率和強度都呈大幅度增加，自2005年擴張速率和擴張強度都開始轉(zhuǎn)為下降趨勢，到2011年，下降趨勢減緩，逐漸趨于平穩(wěn)。新時代階段即2012—2022年為快速擴張類型，擴張強度降低，為低速擴張類型（圖3）。

3.2 中心城區(qū)空間形態(tài)演變規(guī)律

3.2.1 緊湊度分析

濰坊市中心城區(qū)緊湊度整體趨勢為緊湊到松散的反復(fù)交替，說明中心城區(qū)一直處于內(nèi)部發(fā)展和向外擴張的循環(huán)狀態(tài)。1973年左右城市處于發(fā)展初期階段，緊湊度指數(shù)較高，是由于中心城區(qū)面積較小，城區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單。1973—1978年，緊湊度指數(shù)大幅度下降，城市正處在發(fā)展階段。1978—1986年，城市出現(xiàn)一定程度的擴張，緊湊度指數(shù)下降；1986—1992年，又轉(zhuǎn)為內(nèi)部發(fā)展。1992—2000年緊湊度指數(shù)變化較小，相對穩(wěn)定，城區(qū)處在緩慢擴張和內(nèi)部建設(shè)階段；2000—2012年緊湊度指數(shù)波動明顯，中心城區(qū)處于快速發(fā)展階段。2012—2022年，中心城區(qū)緊湊度指數(shù)持續(xù)在0.3左右上下浮動，在2018年出現(xiàn)程度較小的城區(qū)范圍擴張，其后基本都處于城區(qū)范圍內(nèi)部發(fā)展建設(shè)階段（圖4）。

城市在前期的發(fā)展過程中主要為外延式擴張，當(dāng)城市發(fā)展到成熟的階段城市由外延性擴張為主轉(zhuǎn)向內(nèi)部更新和填充為主的擴張方式，城市更加緊湊［22］。

3.2.2 分形維數(shù)分析

由圖4可知，1973年—1978年，分形維數(shù)出現(xiàn)較大波動，在1975年出現(xiàn)一次明顯下降。1978—1992年期間，1986年以前，分形維數(shù)指數(shù)相對較高，基本均大于1.5，說明1986年以前，濰坊市中心城區(qū)整體處在外延式擴張階段，城市形態(tài)較為復(fù)雜。1986年后，分形維數(shù)指數(shù)開始下降，持續(xù)在1.4左右上下波動，城區(qū)基本以內(nèi)向填充的發(fā)展方式為主。1992—2012年期間，在2000—2006年分形維數(shù)出現(xiàn)較大波動，幾次下降至1.3。說明城市內(nèi)部發(fā)展明顯。2012—2022年，分形維數(shù)基本穩(wěn)定在1.4左右，城市形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定發(fā)展階段。

3.2.3 重心遷移分析

1973—1994年，中心城區(qū)重心主要在濰城區(qū)，并不斷向東遷移。1994年以白浪河為界，將白浪河以東劃分為奎文區(qū)，中心城區(qū)重心從濰城區(qū)轉(zhuǎn)至奎文區(qū)。90年代后期，濰坊市政府駐地向東搬遷約3km，遷址后城區(qū)重心持續(xù)向東南發(fā)展，重心遷移發(fā)展變化如圖5所示。

3.3 專題動態(tài)變化趨勢分析

3.3.1 水系動態(tài)變化分析

以2022年中心城區(qū)為提取范圍，提取河流水系分布情況。1973—2022年，濰坊市中心城區(qū)水系分布面積整體呈現(xiàn)增長趨勢，1973年水系分布面積1.8km2，2022年較1973年，水系面積增加約4.5km2。

1981年—1990年，濰坊市中心城區(qū)水系呈現(xiàn)枯水狀態(tài)。自1990年開始恢復(fù)庫容，其后分布面積一直相對穩(wěn)定。至2005年，水系分布面積開始出現(xiàn)較大量增加，2005年濰坊市開始對白浪河流域開展綜合治理，經(jīng)過治理后，中心城區(qū)水系面積增加至6km2左右，并保持相對穩(wěn)定。

3.3.2 道路動態(tài)變化分析

基于1984—2022年遙感影像，提取影像中大于一個像元寬度的中心城區(qū)道路分布。

1984年，濰坊市中心城區(qū)僅有幾條相互交錯的主干道，并且道路集中分布，長度較短。

1992年開始，高速公路不斷落成，主干道路增加，并快速向四周延伸，濰坊中心城區(qū)主要道路基本穩(wěn)定，東風(fēng)街在10年間持續(xù)向四周延伸，東西兩側(cè)增加部分南北路，完善了高速路口的通達性，建設(shè)多處匝道。

2012年已形成較為完善的中心城區(qū)交通路網(wǎng)，多處道路取消環(huán)島，設(shè)立高架橋和地下通路，以減輕道路壓力。

2019年，濰坊市著手打造“四縱四橫一干線”快速化通行網(wǎng)絡(luò)，4條“內(nèi)圈”主干道和主干線在1992年基本建設(shè)完成，4條“外圈”主干道在2012年基本建設(shè)完成，寶通街、濰縣中路等在2021年至2022年進行了進一步建設(shè)，提升了跨區(qū)域道路的通達性，有效緩解中心城區(qū)交通擁堵（圖6）。

3.3.3 人口變化分析

根據(jù)人口統(tǒng)計資料顯示，濰坊市市區(qū)人口一直在不斷增長過程中，根據(jù)濰坊市城區(qū)擴張面積情況分析，2004年前濰坊城區(qū)面積緩慢增加，2005年左右，城區(qū)面積開始出現(xiàn)大幅擴張，擴張速率激增，同時在2005—2010年期間，緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)指數(shù)波動較大，說明城區(qū)處在內(nèi)部發(fā)展階段，對應(yīng)人口增長過程，2008年以前，濰坊市區(qū)人口一直處于緩慢增長狀態(tài)，2008年前后城區(qū)人口出現(xiàn)較大幅度增長，與分析結(jié)果較為一致，說明在此時間段內(nèi)，城市內(nèi)部發(fā)展，人口數(shù)量增幅較大。此后城區(qū)擴張速率下降并逐漸趨于平緩，人口增長速率也逐漸降低。

4 ?結(jié)論

（1）濰坊市作為歷史文化名城，但對其歷史演變機制的研究甚少，本文分析了濰坊市近50年的歷史演變過程，相較于傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和調(diào)查、調(diào)研分析，充分利用歷史遙感影像的可追溯性和客觀記錄性，匯集濰坊市近50年衛(wèi)星遙感影像，通過遙感技術(shù)的動態(tài)監(jiān)測和變化分析能力，開展了50年長時序逐年監(jiān)測分析，以城市“老照片”的方式重現(xiàn)了濰坊市中心城區(qū)近50年的空間形態(tài)變化，更真實地反映和記錄了城市的歷史變化格局，填補了濰坊市歷史演化機制研究的空白。

（2）在影像分析的同時，結(jié)合相關(guān)指數(shù)加以統(tǒng)計分析，直觀展示了城區(qū)空間格局變化，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)的形式對其變化規(guī)律和發(fā)展趨勢進行進一步分析，在此基礎(chǔ)上又增加了水系、道路專題變化檢測分析，更好地把握濰坊市城區(qū)發(fā)展變化的整體規(guī)律。

（3）濰坊市中心城區(qū)的空間形態(tài)演變規(guī)律大體由初期的濰城區(qū)向東側(cè)發(fā)展，與寒亭區(qū)、坊子區(qū)形成三角狀星型結(jié)構(gòu)。再到奎文區(qū)、高新區(qū)的快速發(fā)展形成東西一體相連的單中心城區(qū)結(jié)構(gòu)。伴隨寒亭區(qū)高鐵新城及坊子新區(qū)的大力建設(shè)，最終形成濰坊市中心城區(qū)東西、南北十字結(jié)構(gòu)。中心城區(qū)的擴張水平與經(jīng)濟發(fā)展的速度高度契合基本體現(xiàn)出中心城區(qū)空間形態(tài)演變的規(guī)律。

致謝：感謝美國地質(zhì)勘探局（United StatesGeological Survey ， USGS）提供的Landsat系列遙感數(shù)據(jù)。

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Study on Urban Spatial Morphology Evolution Based on Historical Satellite Remote Sensing Images——Setting Weifang City in Shandong Province as an Example

ZHANG Xianfeng1， LIU Qianzhong2， GONG Changhua2， YANG Xianlian2， QIAN Shujun3， XIAO Yanli3， GUO Zhiqian3

（1. Changyi Bureau of Natural Resources and Planning ， Shandong Weifang 261300， China; 2. Weifang Planning Research Center， Shandong Weifang 261041， China; 3. No.4 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Weifang 261021， China）

Abstract：Based on historical remote sensing images of Weifang city in the past 50 years， the scope of the central urban area from the historical images has been extracted by means of man-machine combination in this paper， and statistical analysis on the relevant indexes have been carried out， such as area change， expansion speed and expansion intensity， compactness， fractal dimension and center of gravity migration， so as to find the historical evolution law of central urban expansion in Weifang city. By extracting elements related to urban development， such as water system and road， and analyzing their historical changes， thematic analysis has been carried out to provide data and decision-making support for urban development and planning. It is found that the spatial pattern of Weifang city downtown developed eastward at the beginning， forming a triangular star structure with Hanting district and Fangzi district. It has developed into a single central urban structure connected with the east and the west， and finally formed a cross structure between the east and the south in the central urban area of Weifang city.

Key words： Remote sensing image; spatial form; historical development; change detection; Weifang city in Shandong province

收稿日期：2023-03-30；

修訂日期：2023-05-24；

編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項目：濰坊市社會科學(xué)規(guī)劃研究課題

作者簡介：張現(xiàn)峰（1986—），男，山東昌樂人，工程師，主要負責(zé)地籍與不動產(chǎn)登記管理、衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究工作；E-mail：shennong747@163.com