基于landsat8序列影像的郑州市城市边缘带提取

乔贤贤+杨玲+段琳琳+刘祖瑾+洪小瑞

摘 要： 城市边缘带是城市与乡村之间的过渡区域。我国城镇建设日益发展，使城市边缘带成为研究热点。以郑州市作为研究对象，利用RS和GIS技术，采用2013-2016年四景覆盖郑州市landsat8影像数据，选择基于土地利用程度的边缘带范围界定的方法，结合土地利用特征，设置阈值提取城市边缘带。结果显示城市边缘带呈环形，惠济区及经济开发区边缘带范围偏大，靠近山区的西南部边缘带范围偏小。对比得出2013年-2016年郑州市城市边缘带区域土地利用类型变化显著；建成区主要向北和西北部扩展，农村土地利用类型向城市建设用地过渡。

关键词： 城市边缘带； 土地利用； 提取； 对比分析

中图分类号：TP79 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）06-47-05

Extraction of urban fringe of Zhengzhou City based on landsat8 sequence images

Qiao Xianxian， Yang Ling， Duan Linlin， Liu Zujin， Hong Xiaorui

（College of environment and planning，Henan University， Kaifeng， Hennan 475004， China）

Abstract： Urban fringe is the transition area between city and countryside. With the development of urban construction in China， the urban fringe becomes a research hotspot. This paper， taking Zhengzhou city as the research object， using RS and GIS technology， using 2013-2016 four scenes covering the landsat8 image data of Zhengzhou City， selecting the urban fringe defining method based on the land use degree， combining with the characteristics of land use， sets the thresholds to extract the edge of the city zone. The results show that the urban fringe is annular， the edge zone of Huiji District and Economic Development Zone is relatively large， and the southwestern edge zone near the mountains is relatively small. By comparison， it is concluded that the land use types of urban fringe in Zhengzhou city changed significantly in 2013-2016， the built-up area mainly extends to the north and northwest， and the rural land is transition to the urban construction land.

Key words： urban fringe； land use； extraction； comparative analysis

0 引言

城市邊缘带是城市建成区和纯农业区的中间地带，同时具有城市与农村两种特征，在人口密度方面，周围乡村低于城市边缘带，而城市边缘带低于市中心[1-2]。它在城市化发展过程中最为敏感，土地利用覆盖变化较为明显，所以根据城市土地利用变化对城市边缘带进行研究。城市经济发展到一定阶段必将造成城市化，城市扩展是指在城市化的过程中会带动周边城市边缘区域的不断发展，而城市边缘区发展也促使城市内部环境发生改变。

当前国内外许多学者进行城市边缘地带研究。姚月通过地理信息系统和遥感技术对北京市海淀区城市边缘带和空间扩张进行定量分析[3]。程连生等通过熵值转折点确定北京城市的内外边界[4]。钱建平等建立0.5km格网，以各单元的熵值为依据，得到荆州市边缘带的范围[5]。Sharp等基于栅格完成对俄亥俄州城市边缘带提取后又对比研究了边缘带与非边缘带[6]。

对于郑州市城市扩展研究，需要获得郑州市城市边缘区域内土地利用变化相关信息。目前，关于土地利用类型提取的方法主要包括有监督分类与非监督分类、人工神经网络、模糊逻辑分类等。在遥感图像分类方法选取上，多使用监督分类。黄立贤等对当前用于高光谱图分类方法进行了详细的研究，并对各种方法的特点进行分析以及趋势预测[7]。马尔仑等使用六种基于光谱监督分类方法，最终对这六种方法分类精度进行对比，另外对各种方法的优缺点分析[8]。杨鑫使用ERDAS遥感软件通过监督分类和非监督分类两种分类方法对四川省某县的TM影像进行分析研究[9]。金杰使用SPOT5图像作为研究数据来分析几种监督分类的优缺点，得出最大似然分类法效果最好[10]。李春干以广西北部湾的红树林典型分布区为研究区，采用监督分类与非监督分类等四种分类方法进行实验，得出在监督分类条件下分类结果最佳[11]。

目前研究大多集中在经济发达的大城市，对其他经济发展相对落后的其他中小型区域城市研究较少，甚至没有。郑州市是我国中原地区的中心城市，是我国中部地区的大型都会，并且是主要经济中心之一，但是仍不在经济发达的大城市之列，处于迅速崛起的快速发展阶段，面临着城市化发展过程中发展与制约问题。所以本文以郑州市为研究区，选择基于土地利用程度方法，进行城市边缘带提取。能有效支持郑州市城市土地资源规划与治理，为郑州市土地利用相关政策的制定提供帮助，对改善郑州城市生态环境、提高城市化水平和城市化发展质量有重要价值。

1 研究区与研究方法

研究区地理位置是北纬34?16'-34?58'，和东经112?42'-114?13'之间。郑州市包括有巩义市、登封市、荥阳市、新郑市、新密市和中牟县，此外还有二七区、金水区、中原区、惠济区、管城区、上街区和郑东新区。本文的研究区是除去五市一县和飞地上街区以外的其他五个區。如图1所示绿色区域即为研究区。在下文中统一称研究区为郑州市。

本文采用地理空间数据云平台获取的2013年、2014年、2015年、2016年四景覆盖郑州市的Landsat8影像为基础数据，通过遥感软件对图像进行校正、裁剪以及图像增强等操作完成影像预处理。

研究主要内容分为两大部分。①利用监督分类方法对2013至2016年覆盖郑州市的四景Landsat-8 OLI遥感影像分类，依据土地利用分类标准建立解译标志，提取城镇用地、水域、耕地、草地、未利用地和林地。②在遥感分类结果基础上，使用基于土地利用程度的边缘带提取方法，与郑州市城市边缘带土地利用特征相结合，划定城市边缘带大致范围，根据提取结果对郑州市城市扩展进行对比分析。

1.1 土地利用综合指数模型

土地利用程度包括有土地利用程度综合指数及土地利用程度变化率，此外土地利用程度的综合指数定量表达式如下所示：

⑴

在表达式⑴中Ld表示郑州市内土地利用程度综合指数；Ai表示郑州市内第i类土地利用程度的分级指数；Ci表示郑州市内第i类土地利用程度分级的面积百分比；n表示郑州市内土地利用程度的分级数[12]。

当土地利用程度的变化率不变时，以郑州市土地利用程度综合指数大小作为判断依据，得出郑州市土地利用程度高低。土地利用程度与社会经济活动有极大关系，若土地利用程度较高，说明该地区社会经济活动复杂，且距离市区很近，若土地利用程度较低，则该地区的社会经济活动单一，且距离农村很近。所以本文选择将土地利用程度作为判断标准，进行了郑州市城市边缘带提取[13]。

1.2 土地利用综合指数边缘带提取

首先利用遥感软件对2016年裁剪后的影像进行图像分类，把研究区内影像数据土地利用类型根据需要进行分类，类型包括未利用地、林地、草地、水体和耕地以及城市用地。然后对分级指数赋值，把1作为未利用地的分级指数，2作为林地和水体的分级指数，3作为耕地和草地的分级指数，4作为城市用地分级指数。根据土地利用分级划分，利用ARCMAP软件工具箱中的重分类（Reclassify）工具对监督分类影像进行重分类，分类结果如图2，紫色区域代表城镇用地，浅绿色区域代表草地和耕地，深绿色区域代表林地和水域，浅粉色代表未利用地。

在ARCMAP软件上使用Create Fishnet（建立格网）工具创建5km×5km的规则格网，然后使用Tabulate Area（面积制表）工具得到网格内四类土地利用类型的相关属性。根据土地利用程度综合指数表达式计算，得到图中各个网格内土地利用程度综合指数的数值大小，结合郑州市景观实际特征，设置出合适的城市边缘带阈值。本文采用不同阈值范围，逐一绘制成图，进行对比得到合适阈值范围即：土地利用综合指数数值在266-325之间的区域。计算出的土地利用综合指数结果数值大于326的部分为城市，小于265的部分视作农村，266-325的部分就是城市边缘带，得到郑州市城市边缘带的大致界限，如图3所示，黄色区域代表城市边缘带，中间紫色区域代表城市，其余代表农村。

图3中基于5km×5km的网格提取结果只是一个粗略范围，不能作为最终提取结果，所以进行网格细化，直到提取的边缘带效果最佳。为了能更细一步划分，采取同样的方法对初步裁剪出的郑州市城市边缘带区域建立1km×1km的格网，选取相同的阈值范围，得出城市边缘带区域，如图4黄色区域。再次用同样的方式进一步对网格细化，建立0.5km×0.5km格网，采取相同大小阈值，并删去一部分离散和孤立的小网格，使其能够呈带状分布，得到结果较佳的城市边缘带范围，如图5黄色区域。最后将网格大小划分为0.25km×0.25km，第四次细分网格，选取相同阈值，并删去大量离散且孤立的网格，使它可以比较完整成带状分布，边缘带范围如图6所示黄色区域。

2 郑州市城市边缘带提取结果分析

2.1 不同网格下边缘带对比

由图3至图6在不同网格下提取的城市边缘带，可以得知网格的大小影响边缘带范围确定。而在5km×5km规则格网下确定的边缘带范围太大，只能作为城市边缘带大概区域。为了得到精确的结果需要进行网格细化，如图4所示，1km×1km网格下城市边缘带，明显比5km×5km网格下的边缘带精确，但是从整体看，仍需进一步划分。如图5所示，0.5km×0.5km网格下的城市边缘带整体效果更好，尽管会有一些离散、孤立网格点，但从整体上还是能够较完整的形成一个带状显示。如果接着细化 ，如图6所示，0.25km×0.25km网格下的城市边缘带，网格太小太密，产生了大量离散或孤立的网格点，且很不美观。所以最终确定0.5km×0.5km网格为最佳选择，该网格下2016年郑州市城市边缘带提取结果如图5所示。

2.2 城市边缘带扩展

根据上文的提取2016年郑州市城市边缘带方法，对2013年至2015年Landsat8遥感数据，通过ERDAS和ARCMAP软件进行操作，再根据近几年郑州市实际变化分析，多次设置阈值范围，得出最佳阈值，完成2013年至2016年郑州市城市边缘带提取，如图7所示，红色区域代表各年份郑州市城市边缘带。

在图上对比得出：近几年郑州市城市边缘带区域发展较为迅速，2013年至2016年郑州市扩展方式主要是向外式，以郑东新区CBD、二七广场为中心向外扩张，以东西方向为发展主轴，沿着连霍高速等交通干线扩展，以西北方向的惠济区和东南方向的经济开发区扩张的较为明显。

郑州市城市边缘带大致呈环形，由中心城区逐渐向外推移，沿着近郊外缘方向逐步向外扩展，其中在研究区的西北与东南方向扩张量相对较大，以郑州市市中心即主城区作为圆心，随着经济发展城市建成区逐渐向外扩张，半径逐步增大，扩张模式属于圈层式模式。总的来说，在2013年至2016年郑州市的城市边缘带具有明显的扩张趋势。

2.3 结果验证与分析

据统计得知郑州市总体面积达7424.5平方公里，2014年郑州市中心城区城区区域面积占392.8平方公里，占郑州市总面积的5%，市区主要包括二七区的二七广场附近的大部分区域、金水区西南大部分区域，管城区北部少部分区域，中原区西部少部分区域，以及惠济区南部少部分区域。郑州市城市边缘带外部形态受郑州市主要交通干线影响，在研究区的东南方向与西北方向城市边缘带范围较大。将提取出的2016年郑州市的城市边缘带结果图中边缘带中间的主城区区域与2016年郑州市的主城区规划用地进行对比，二者范围基本一致，此外，提取的郑州市城市边缘带范围基本分布在2010-2020年的郑州市城市总体规划的扩展范围里。这也间接说明了提取结果符合实际。

3 结束语

基于2013年、2014年、2015年、2016年郑州市landsat8影像，通过对比设置较适合的阈值和网格大小完成郑州市城市边缘带提取。得出主要结论有：

⑴ 郑州市城市边缘带大概呈环形，西北部惠济区及东南部经济开发区边缘带的范围偏大，靠近山区的西南方向的边缘带范围偏小。扩张较为明显的区域是惠济区和经济开发区。

⑵ 基于2013年至2016年四景Landsat8遥感影像提取出的城市边带对比，2013年-2016年建成区主要向北面和西北方向扩展，农村土地利用类型向城市建设用地过渡。总的来说，2013年-2016年郑州市城市边缘带区域土地利用类型变化显著。

参考文献（References）：

[1] Droogers， P.Global Irrigated Area Mapping：Overview and

Recommendations[R].SriLanka：International Water Management Institute，2002.

[2] Merrett，S..Water for agriculture：Irrigation agriculture in

international perspectives.Spon's Environmental Science and Engineering Series[R]. New York， NY，USA：Taylor and Francis，2002.

[3] 姚月.城市邊缘区空间发展探讨—以北京市海淀区为例[J].

地球信息科学，2014.16（2）：214-224

[4] 程连生，赵红英.北京城市边缘带探讨[J].北京师范大学学报

（自然科学版），1995.3（1）：127-133

[5] 钱建平，周勇，杨信廷.基于遥感和信息熵的城乡结合部范围界

定：以荆州市为例[J].长江流域资源与环境，2007.16（4）：451-455

[6] Sharp JS， Clark J K.Between the country and the

concrete： rediscovering the rural-urban fringe[J].City & Community，2008.7（1）：61-79

[7] 黄立贤，沈志学.高光谱遥感图像的监督分类[J].地理空间信

息，2011.5（19）：81-83

[8] 马尔仑，郑艳楠.基于光谱特征的监督分类方法在黄河口湿

地的应用比较[J].价值工程，2014.2（5）：184-185

[9] 杨鑫.浅谈遥感图像监督分类与非监督分类[J].四川地质学

报，2008.28（3）：251-254

[10] 金杰，朱海岩，李子潇等.ENVI遥感图像处理中几种监督分

类方法的比较[J].水利科技与经济，2014.20（1）：146-160

[11] 李春干，代华兵.红树林空间分布信息遥感提取方法[J].湿地

科学，2014.12（5）：580-589

[12] 刘纪远.中国资源环境遥感宏观调查与动态研究[M].中国

科学技术出版社，1996.

[13]王秀兰，李雪瑞，冯仲科.基于TM影像的北京城市边缘带范

围界定方法研究[J].遥感应用，2010.4：100-104