基于Landsat影像的莆田市仙游县城市扩张研究

朱滨，程小龙，胡煦航

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州341000）

0 引 言

城市扩张是衡量城市化程度的主要判断指标之一。通过对城市用地扩张情形和趋向的研究，了解城市扩张现状，发现城市扩张的规律，进而可以根据城市扩张驱动力因素对城市发展中的问题采取措施，从而提高城市规划和土地利用的合理性，对生态环境保护与促进城市的可持续发展具有十分重要的意义[1-4]。

遥感、地理信息技术的出现与快速发展，为城市用地扩张分析提供了技术支撑，国内外学者也开始重视城市扩张相关研究，如：Braimoh等基于Landsat TM影像分析了城市用地变化的时空特征[5]；Jenberu等采用混合研究设计来生成和分析数据，探讨了埃塞俄比亚南部Arba Minch镇城市化的驱动力、土地利用模式[6]；李孝永等基于多时相土地利用数据对京津冀城市土地利用变化时空轨迹及驱动因素进行分析，模拟了不同情景下城市用地空间格局[7]；白贺庭等基于夜间灯光数据分析了重庆市城市扩张特征[8]；迟文峰等基于Landsat TM与高分辨率遥感影像，利用线性光谱混合模型监测并分析了内蒙古地级市土地覆盖结构及城市扩张时空动态特征[9]；刘艳明等基于多期遥感影像对克拉玛依市建成区扩张进行动态监测，采用社会经济数据分析城市扩张驱动力因素[10]。

从上述研究可以看出，国内学者城市扩张的相关研究主要集中在经济发达城市及西部城市地区，对东南沿海地区城市扩张过程的研究相对较少。莆田作为古代海上丝绸之路的始发点之一，其交通枢纽地位在福建乃至全国都居于重要意义，具有融入国家“一带一路”倡议的天然优势。本文以莆田市仙游县为研究区，基于Landsat TM/OLI卫星遥感图像数据，运用 GIS（Geographic Information System）和RS（Remote Sensing）分析手段，通过引入紧凑度、城市重心、城市扩张速度、城市扩张强度等指标，采用定量分析法对城市扩展过程中的时空特征进行研究，并结合统计数据分析城市扩张的驱动力因素。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 研究区域

仙游县地处木兰溪中上游，福建省东南沿海中部。县境濒临湄洲湾、紧挨秀屿港，与台湾地区隔海相望，山区、平原、沿海层次分明，整体地貌成马蹄状，地势顺向木兰溪。全县东西方向宽域49 km，南北方向长域63.4 km，总面积1835 km2。2017年被列入国家园林城市，素有“中国古典工艺家具之都”“中国戏剧之乡”“全国工艺美术之乡”等称号。

1.2 数据来源

为了准确提取城市建设用地现状和土地利用情况的信息，本文选取了研究区范围无云层遮盖的遥感图像，以仙游县2002年、2009年和2017年这3个年份的Landsat TM/OLI遥感卫星图像为数据源（表1），监测了仙游县2002—2009年和 2009—2017年两个时段的城市扩张过程。

表1 遥感图像数据信息一览

2 研究方法

2.1 研究路线

本文首先利用ENVI软件对多时相Landsat TM/OLI遥感影像进行图像预处理（影像的辐射定标、大气校正、图像的拼接和裁剪）；其次，采用最大似然法分别对各时期遥感影像进行监督分类；然后，采用重分类方法提取城市建设用地信息，再利用ArcGIS软件对提取的仙游县建成区结果进行叠加分析后得到城市建设用地的变化情况，最后分析城市扩张特征及驱动力因素，具体技术流程如图1所示。

图1 技术流程

2.2 图像的预处理

为消除由地物变化引起的影像辐射值改变，同时消除相同地物在不同影像中辐射值产生的差异和相同地物不同时相遥感影像的差异，本文利用ENVI软件对不同时相的遥感图像进行辐射定标和大气校正。

由于仙游县地区遥感图像由两幅相邻行编号（42、43）的遥感影像拼接才能全部覆盖，所以需在对其进行拼接处理形成覆盖全区的合成影像后，利用ArcGIS软件从国家基础地理信息系统数据县级行政界线中筛选出仙游县矢量边界。使用ENVI软件对坐标投影转换后的仙游县矢量边界和拼接后的2002年、2009年和2017年这3个年份的遥感图像进行裁剪处理。经过预处理后的3个年份影像数据 （如图2所示）采用真彩色合成显示图像（Landsat5 显示 3、2、1 波段，Landsat8 采用 4、3、2波段）。

2.3 图像监督分类

本文在遥感影像目视解译的基础上，根据国家标准 《土地利用现状分类》（GB/T 2010—2017），结合研究区域的实际情况和研究目的将仙游县的土地利用类型分成林地、城市建设用地、水域、未利用用地4类。对各时相影像用最大似然法进行监督分类[11-12]，得到最终监督分类结果如图3所示。

2.4 精度评定

图3 各时期监督分类

根据衡量标准，对得到的分类结果进行遥感分类精度评定，判断出影像处理方法是否恰当，数据结果是否满足要求。ENVI中常用的评价方法包括有分类结果叠加、混淆矩阵与ROC曲线[13]。本文采用混淆矩阵精度评价方法客观评价数据（表2），得到2002—2017年总精度的均值是94.781%，Kappa均值是0.884。精度均值大于判别精度0.7的最低允许值，达到了研究的分类精度的要求，分类结果可以用做进一步分析使用。

表2 各年份监督分类精度评价数据

2.5 图像叠加分析

使用ArcGIS软件将监督分类成果图进行重分类，提取出城市建设用地，再使用栅格计算器，对仙游县不同时期的建成区进行叠置分析，得到2002年、2009年和2017年3个时期的仙游县城市建设用地的扩张图，详见图4。

3 城市扩张分析

3.1 城市扩张时间特征分析

1）城市扩张面积变化分析

根据不同时期城市扩张情况，将2002年、2009年和2017年的城市建成区面积进行对比，得到3个不同时期仙游县建成区面积的变化情况：2002年仙游县城市用地面积为 9518.13 hm2，2009年为13915.53 hm2，2017 年 为 23588.28 hm2， 显然在2002—2017年间，仙游县建成区面积不断增长。

图4 各时期仙游县城市建设用地的扩张

对各研究时段仙游县城市用地扩张面积变化进行分析可知（表3），2009—2017年增长面积与年均增长面积较2002—2009年相比均增加近两倍。2002—2009年年均增长率为5.58%，2009—2017年年均增长率较2002—2009年上升了1.24个百分点，为6.82%。由此可见，2002—2017年仙游县年均增长面积和年均增长率均有所增加，城市建设正处于上升发展态势。

表3 各时段仙游县城市用地扩张面积变化

2）城市扩张强度分析

研究不同时期的城市扩张情况，可用扩张强度来表示。扩张强度就是描述城市化过程中建设用地扩张的强度，是城市扩张用地面积占研究区总面积的比例[14]，计算公式如下：

式（1）中：UII为扩张强度；T 为研究时段长度；S 为研究区土地总面积；Uib和Uia分别为研究期末和期初的城市用地面积。

扩张强度类型依据相应划分标准（表4）进行划分，根据公式（1）划分标准得到仙游县不同时段市用地扩张强度（表5）。

表4 扩张强度类型划分标准

表5 仙游县各阶段城市建设用地扩张强度

从表4、表5中可以看出，在研究时期仙游县城市扩张强度不断上升，2002—2009年为低速增长，扩张强度为 0.34 hm2/a；2009—2017年加速为中速增长，城市扩张强度达到 0.65 hm2/a。城市扩张强度的增加，表明仙游县在这一阶段，社会经济增长，生活质量提高，城市用地扩张面积增长愈来愈强烈，所占城区总面积比重越来越大。

3.2 城市扩张空间特征分析

为揭示2002—2017年仙游县城市用地的发展方向和偏移方向，本文利用ArcGIS10.2软件制作各时期城市建设用地变化及城市重心图（图5），采用重心转移方法分析了研究时期仙游县城市用地重心的转移情况；利用缓冲区功能分析了3个不同时期城市用地离城市重心不同距离区域的扩张情况。

图5 不同时期城市建成区变化及城市重心

1）城市建成区重心转移分析

城市重心是城市的中心或主要部分，城市重心偏移方向即为城市发展规划的方向，随着城市建成区的扩张，城市重心必然发生偏移[15-16]。重心坐标、重心偏移距离计算公式为：

式（2）中：Xt、Yt第 t年的重心横纵坐标；ati为某一时期城市建成区的图斑面积；Xi、Yi为某一时期城市建成区的重心坐标；d为重心偏移距离。

在ArcGIS 10.2中利用几何计算功能求出各时期城市建成区图斑面积ati，通过ArcToolBox中数据管理工具将图斑要素转点，确定出各时期的建成区的重心，Xi、Yi最后利用计算公式得到城市重心坐标（表 6）。

从表6可以看出，2002—2009年，仙游县城市的重心偏移距离为1.062 km，偏移方向为南偏东方向；2009—2017年，城市重心向西偏北方向偏移3.167 km，偏移速度较2002—2009年明显加快。重心坐标偏移方向发生变化，由于近年来仙游县不断沿着“一溪两岸”宜居城市发展带进行城镇化进程，在木兰溪四周进行城市扩张，尤其是东南，西北方向的扩张明显。这个时段仙游县正处于快速发展时期，在政策的影响下，社会经济人口急剧增加，导致城市居民地的建设发生偏移。

表6 各时期仙游县城市重心 单位：km

2）城市用地缓冲区分析

缓冲区分析通常是对研究要素进行一定范围内的邻近分析，它可以对不同距离范围内城市用地扩张的空间分布特征做定量分析[17]。

本文利用ArcGIS 10.2软件，以仙游县2002年城市建成区重心为圆心，分别缓冲出5个5 km缓冲区，利用叠加分析将3个时期城市建成区信息与缓冲区叠加，得到城市用地缓冲区扩张图（图6、图7）。

图6 各时期仙游县城市在缓冲区的扩张量

图7 各时期仙游县城市缓冲区扩张

从图6和图7分析可以看出，2002—2009年期间，扩张量最高达到16.526 km2，出现在距离城市重心5～10 km的范围内，随着离重心距离的增加，扩张量开始逐渐减少；2009—2017年期间，在距离城市重心也出现在5～10 km的范围内扩张量达到最高为29.261 km2，每个缓冲区城市用地的扩张面积都有所增加。

3）城市紧凑度分析

城市紧凑度是反映地物外观形态的重要参数，紧凑度变化可以对城市扩张的空间特征做定量分析[18]，计算公式如下：

式（3）中：Ct为第 t年城市紧凑度；At、Pt分别为第 t年城市面积（km2）和周长（km）。 Ct值范围在 0～1 之间，紧凑度值越大表明紧凑度越好，越小则表明紧凑度越差[19]。

由表7可知，2002—2017年期间，仙游县城市建设用地紧凑度都远小于1，这表明仙游县城市建设用地还不够紧凑，形状偏于离散，但紧凑度呈小幅增长趋势，城市紧凑度越来越高。

表7 各时期仙游县城市用地紧凑度

4 城市扩张的驱动力因素分析

4.1 社会和经济因素

社会经济的快速发展和城市人口的急剧增加，为城市化进程提供了动力，也决定了城市发展的进程。仙游县2002年GDP为47.05亿元，2009年达到120.22亿元，7年间增加了73.17亿元；2017年GDP为378.28亿元，相比2009年增加了256.08亿元。仙游县全县2002年人口为86.21万人，2017年增加至114.63万人，同比增加了32.98%，而同一时期城市建成区面积增加了 157.58 km2；利用SPSS软件分别对仙游县城市建设用地面积、GDP与城镇人口做相关性分析，其相关系数分别为0.983和0.994，这表明仙游县城市扩张与社会经济和城镇人口有很大的相关性，对城市扩张起着根本驱动力作用。

4.2 政府决策因素

政府决策对城市扩张的方向和速度起着重大影响。在仙游县城区总体规划（2009—2030年）中，将规划期限分为近期和远期两个阶段，规定未来相关城市规模围绕“海峡西岸山水文化名城、中国古典工艺家具之都”的城市性质，以注重生态、紧凑发展为指标，规划仙游县城区“一城、两轴、三心、五片”的城市空间布局结构，其中一城是指打造别具一格的仙游新城区；两轴分别是沿八二五大街和木兰溪两岸形成城市中心功能聚集轴、城市滨水休闲服务轴；三心是将仙游县现有城市发展基础和未来城市发展条件结合，大力构建城区行政贸易、文体旅游、工业研发三大中心；五片是指以一城、两轴、三心为基础形成城中、东北、东南、西南、西北五大片区。

仙游县城未来的主要发展方向以东北和东南两个方向为主，形成沿着福广高速、仙港大道、规划新306省道、莆永高速等道路的城镇延绵城市发展带，逐步加速仙游县城、中部主城、滨海产业新城的发展，大力推进城镇化进程，提高城镇化水平。因此，政策因素很大程度上对城市扩张上起到主导作用。

5 结 论

本文应用2002年、2009年和2017年3个年份Landsat TM/OLI多光谱遥感图像，结合相关统计数据，主要研究莆田市仙游县城市建设用地扩张特征分析。2002—2017年县城市建设用地扩张明显，年均扩张面积、年均扩张率明显上升，扩张强度和动态度扩张度由低速发展转为中速发展。城市建设用地重心坐标从南偏东到西偏北方向发生变化，这主要是由于这一时期仙游打造“一溪两岸”发展带，经济快速发展导致城市建设用地扩张方向发生偏移。在以2002年城市重心为圆心的5个5 km缓冲区中，在5～10 km城市扩张量达到最高，城市建设用地紧凑度在整个研究时间段内都远小于1，呈小幅增长趋势。通过对主要驱动力的分析，可知经济和人口因素对城市扩张都起着促进作用，政策因素是城市扩张的主导驱动力，并且这3个主要扩张驱动力因素又相互影响，共同促进仙游县的持续扩展。