基于GIS的城市空间扩展特征分析

摘 要：以RS和GIS技术为支撑，基于多时相Landsat遥感数据，采用人工解译方法提取锦葫沿海四个城市空间特征信息，结合地学统计方法，定量研究了城市扩张速度、强度、紧凑度及城市用地分维数四个指标。结果表明：1990-2010年城市扩张面积为8166 hm2，扩张速度为7.37%，扩张强度为0.11；城市用地扩展速度最快的是葫芦岛市；扩展强度最大的是锦州；锦州市、葫芦岛市城市空间越来越分散；葫芦岛市的城市用地边界最为复杂。该结论可以作为城市规划的前期研究，并为城市空间扩展的驱动机制研究及空间扩展模拟打下基础。

关键词：GIS 城市空间扩展 锦葫沿海地区

中图分类号：F291 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-03

长期以来，由于缺乏坚实的数据基础设施和定量研究方法，我国城市空间扩展研究仍然囿于描述性研究，缺乏系统的空间与微观研究。计算机技术的发展、地理信息系统的普及和城市基础数据库的建立为解决以上问题奠定了技术基础。利用GIS进行城市空间扩展研究是GIS应用于城市规划的新兴领域[1]，该文基于GIS和RS技术，对锦葫沿海四个城市进行城市空间扩展特征的定量分析，可以作为城市规划的前期研究，并为城市空间扩展的驱动机制研究及空间扩展模拟打下基础。

1 区域概况及数据处理

研究区域包括锦州、葫芦岛、兴城、凌海4市的行政范围（以下简称“锦葫沿海地区”），面积7847.6 km2，沿海岸带呈带状分布，地理坐标在北纬39 °59′～41 °26′，东经119 °12′47″～121 °45′之间，是传统的辽西走廊区位，也是沟通关内外、联结东北华北的黄金通道。锦葫沿海地区区位优势明显，属于“城市热点区域”及“生态敏感区域”，有填海造地的现象存在，不同于内陆城市的空间扩展，因此选择锦葫沿海地区作为研究区域具有典

型性[2]。

本研究采用1990年9月2日、2000年6月19日和2010年9月28日3个时相的Landsat TM和ETM遥感影像为主要数据源（轨道号为：120-31、120-32、121-31和121-32），辅助数据源包括地形图、辽宁省地图、四个城市的相关规划图等图件。

用地分类标准依据2011年发布的《城市用地分类与规划建设用地标准》。在Erdas 2011中完成对影像的校正配准、拼接、切割、假彩色合成等步骤。利用ArcGIS 9.3软件，通过人工解译遥感影像进行地物分类，进行遥感影像的目视解译和数字化景观

信息[3]。

2 研究方法

2.1 扩张速度

建设用地的扩张速度表示单位时间内建设用地的变化幅度，计算公式为[4]：

式中：K为研究时段内区域建设用地的年变化率；Ua、Ub分别为研究时段开始于结束时建设用地的面积；T为研究时段，此处设为年。

2.2 扩张强度

建设用地的扩张强度指数计算公式为：

式中：Iue为建设用地的扩张强度指数；ΔUi为某一时段建设用地的扩张数量；Ai为研究单元的土地总面积；Δt为某一时段的时间跨度。

2.3 紧凑度

城市空间紧凑度变化是度量空间形态变化的最主要特征指标之一，倍受关注[5]，紧凑度的变化可表征城市用地扩展的空间

特征。

式中：c为紧凑度；At、Pt分别为第t年城市斑块的面积和周长。c值在0～1，其值越大，表明地物形状的紧凑性越好，反之越差。圆是形态最紧凑的图形，其紧凑度为1。

2.4 城市用地分形维数

城市用地分形维数可描述城市边界形状的曲折性和复杂性，它反映了土地利用形状的变化及土地利用受干扰的程度[6]，计算公式如下：

式中：St为第t年城市斑块的分形数；At、Pt分别为第t年城市斑块的面积（km2）和周长（km）。分形维数值的理论范围在1～2，维数越大表示图形形状越复杂。当维数<1.5时，说明图形趋向于简单；当维数=1.5时，表示图形处于布朗随机运动状态，越接近于该值，稳定性越差；当维数>1.5时，则图形趋于复杂。

3 城市建设用地扩展特征分析

为了更直观地反映1990-2010年各城市空间结构的变化过程，在ArcGIS中只提取主城区建设用地属性，分别生成锦、葫、凌、兴四个城市主城区的城市扩展图，见图1。

统计各时期、各城市的城市建设用地面积，计算城市扩展速度和强度，见表1。

从锦、葫、凌、兴1990-2010年间城市用地扩展情况表中可以看出：

（1）1990-2000年，城市用地增长量最高的是葫芦岛市，高达2117 hm2，最低的是凌海市，增量为239 hm2；城市用地扩展速度最快的是葫芦岛市，其次是凌海市、锦州市，最低的是兴城市；扩展强度是锦州市最高，次之是葫芦岛市、兴城市，最低是凌海市。

（2）2000-2010年，城市用地增长量最高的是葫芦岛市，高达2040公顷，最低的是凌海市，增量只有234 hm2；扩展速度最快的是葫芦岛市，其次是锦州市、凌海市，扩展速度最慢的是兴城市；扩展强度最高的为锦州市，其次是葫芦岛市，凌海市和兴城市的城市用地扩展强度相当。

（3）1990-2010年这20年里，城市用地扩展速度最快的是葫芦岛市，其次是凌海市、锦州市和兴城市；扩展强度排序是锦州市、葫芦岛市、兴城市、凌海市。

按照公式分别计算锦、葫、凌、兴四市城市紧凑度和分形维数，将结果用柱状图直观地表示出来，见图2和图3。

从图2和图3中可以看出：

（1）城市紧凑度由高到低依次是：凌海市、兴城市、锦州市、葫芦岛市。锦州市、葫芦岛市城市空间越来越分散。由于紧凑度变化与城市效率变化呈现一定的对应关系[7]，因此葫芦岛市在下一步城市规划中应加强城市的空间布局，提高紧凑度，使城市投入要素资源的配置和利用水平得到了改善。

（2）葫芦岛市的城市用地边界最为复杂，其次是锦州市。凌海市1990-2000年形状不断复杂，2000-2010年趋于简单；兴城市正好与凌海市相反。由于在信息熵无法测得的时候，可用分维代替信息熵进行地理信息分析[8]，因此锦葫沿海四个城市中，葫芦岛市的城市用地空间形态分布是相对最为均衡的。

4 结语

本研究利用遥感数字图像处理技术和GIS的空间分析技术监测锦葫沿海四个城市1990—2010年城市扩张面积为8166 km2，扩张速度为7.37%，扩张强度为0.11；城市用地扩展速度最快的是葫芦岛市；扩展强度最大的是锦州；锦州市、葫芦岛市城市空间越来越分散；葫芦岛市的城市用地边界最为复杂。利用多时相遥感影像作为数据源，并利用遥感的数字图像处理技术和GIS的空间分析技术相结合，可快速有效地监测城市用地扩展的面积、速度、强度等，从而可在宏观上把握城市开发的方向、速率及占用耕地情况，进而为政府建设、规划部门提供宏观管理信息和科学的决策依据。

参考文献

[1] 李晓峰.基于GIS的城市空间扩展研究[D].天津大学，2007.

[2] 任韶红，苏雷，朱京海.锦葫沿海地区景观格局变化研究[J].中国建设信息，2012（21）：77-79.

[3] 苏雷，朱京海，胡克梅，等.基于CA模型的城市空间扩展模拟预测—以锦葫沿海地区为例[J].国土资源遥感，2012，24（3）：129-134.

[4] 冯晓刚，李锐，莫宏伟.基于RS和GIS的城市扩展及驱动力研究—以西安市为例[J].遥感技术与应用，2010（2）：202-

208.

[5] 蔡博峰，张增祥，刘斌，等.基于遥感和GIS的天津城市空间形态变化分析[J].地球信息科学，2007，9（5）：89-93.

[6] 冯健.杭州城市形态和土地利用结构的时空演化[J].地理学报，2004，58（3）：343-353.

[7] 郭腾云，董冠鹏.基于GIS和DEA的特大城市空间紧凑度与城市效率分析[J].地球信息科学学报，2009，11（4）：482-490.

[8] 陈彦光，刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描述.从信息熵到分数维[J].地理研究，2001，20（2）：146-152.