基于多源遥感影像的城市化近域演化特征分析

苏巧梅，李凯新，陶伟恒，梅诗光

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

城市化水平是衡量一个国家或地区经济发展状况的重要指标。城市地域空间演化(也称景观型城市化)是城市用地逐渐覆盖地域空间的过程，是城市化最直接的物质表现[1]。城市化占用了耕地、林地和河道，对生态环境造成威胁，影响城市可持续发展[2]，因此，对不同尺度和等级的城市群或城市的扩展研究一直是城市化研究的热点。传统的城市化研究多从人口转换的角度进行，遥感和GIS的发展为城市化研究提供了新的手段，可以实时动态监测城市地域空间演化过程。基于DMSP/OLS夜间灯光遥感数据和统计数据，文献[3-8]对中国系列城市群的空间扩张和空间特征进行了研究。文献[9-13]研究了北京、武汉和南京等特大城市演化的时空格局，但DMSP/OLS夜间灯光数据的分辨率低，对大尺度城市群或城市的研究效果较好，对中小尺度城市研究效果较差。文献[14-15]利用Landsat影像进行了城市用地扩张和用地效益分析，指出其分辨率较低，存在城区边界难以确定等问题。张翰超等人[16]利用航空影像、Worldview和Quickbird等卫星影像等高分数据，研究了中国省会城市高精度扩张规律，开展城市规模分布变化和城市区域扩展分析，并提出了城市发展建议。上述研究数据以国外遥感影像为主，且主要分析不同的城市群、特大城市和大城市的城市扩展。随着我国高分系列卫星的发射成功，城市地域空间演化分析有了新手段。本文以国产高分2号(GF-2)结合Landsat ETM+/OLI影像为数据源，提取2000—2019年运城市盐湖区城市地域边界，分析2000年以来盐湖区中心城市的形态变化和空间差异。研究结果拓展了我国GF-2数据的应用领域，为区域城市化研究提供了新的手段，对科学规划和建设城市、促进城市精明增长和健康发展具有重要意义。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

盐湖区位于黄河中游，山西省西南部，是运城市政府所在地，运城市的政治、经济和文化中心。地理坐标为34°47′45″N～35°23′20″N，110°43′10″～111°12′10″E。地势呈东北——西南倾斜，南部为中条山，最高海拔1 274 m。盐湖区光照充足，属于暖温带大陆性季风气候，四季分明。区内土壤肥沃，矿产资源丰富，既是中国重要商品粮棉基地，也是最大的无机盐生产基地[17]。据统计，截止2019年末，盐湖区常住人口约72万人，地区生产总值约276.8亿元。

1.2 数据源

研究数据采用多期GF-2和Landsat ETM+/OLI。GF-2是我国于2014年发射成功的首颗高分辨率民用光学遥感卫星，影像分辨率全色为1 m，多光谱为4 m。本文选用2015年和2019年2期的GF-2影像(来源于山西省高分卫星中心)，2000年，2005年和2010年的数据是Landsat ETM+/OLI数据(国际科学数据服务平台下载)，分辨率全色为15 m，多光谱为30 m。对GF-2影像和Landsat影像数据，经过波段叠加、正射纠正、影像融合、影像镶嵌、图像配准和裁剪等数据预处理，基于GIS软件提取了盐湖区城市边界，分析了2000—2019年盐湖区城市化地域空间演化规律。技术流程如图1所示。

图1 技术流程Fig.1 Technical flow chart

2 研究方法

2.1 城市地域提取方法

张翰超等人[16]的城市地域考虑了城市用地功能，王雷等人[14]的城市地域注重市政公共设施的具备情况。土地集约利用作为提高土地利用效率的重要手段，对优化城市土地资源，改善生态环境具有重要意义[18]。考虑土地资源的集约和节约高效利用，保护耕地资源，本文城市边界的提取以中心城区为核心，城市化近域推进过程中对城市周边耕地的开发建设作为提取边界，没有考虑城市功能和市政公共设施情况。张翰超等人[16]利用高分影像手工提取了中国省会城市的高精度边界，本研究采用了国产GF-2影像和Landsat ETM+/OLI数据为数据源，手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年盐湖区城市边界。

2.2 数量分析方法

城市地域演化数量分析方法主要用城市增长速率和增长强度指数表示。增长速率指城市面积的年均增长量，表征城市用地增长的快慢，是研究城市空间增长的常用指标。增长强度指数指研究区域在研究时期内的城市用地增长面积占城市用地总面积的百分比，实质是用研究区的城市用地面积对其年均扩展速率进行标准化处理，使其具有可比性。增长速率和增长强度指数计算公式分别为：

(1)

(2)

式中，ϑ为增长速率；R为增长强度指数；Sb,Sa分别为研究期末和研究期初的城市面积；T为时间间隔。

2.3 形态特征分析方法

城市空间形态的变化可以反映城市生长过程，揭示演化规律。本文用紧凑度指数和分维数分析盐湖区城市地域空间过程的形态变化。城市空间紧凑度指数为：

(3)

式中，C为紧凑度；S为城市面积；P为城市周长。紧凑度指数与图形的面积和距离大小无关，仅与几何图形的形状有关。理论上，城市的平面几何形状越近似圆形，代表城市空间形态的紧凑度越近似等于1，城市地域空间形态表现越紧凑；相反，城市地域空间形态的紧凑度越低，城市空间形态的离散程度就越大，城市形态表现越不规则。

城市景观实体地域空间有着复杂、非线性和不规则的空间形态，具有典型的分形分维特征，城市空间形态的分维数为：

(4)

式中，D为某一时刻城市的分维数。空间分维数描述城市形状，反映城市用地的形状变化。分维数值越大，表示城市的不规则程度越大。城市空间形态的分维数数值不断提高，表明城市景观地域空间演化以量的扩张为主；分维数数值持续下降，表明城市景观地域空间形态的变化是以边缘的填充为主；分维数值保持稳定，表明城市处于稳定状态，城市地域空间演化以内部质的填充为主。

2.4 空间差异性分析

空间差异性可以用重心位移和方位变化来分析。城市地域空间的重心位置可以认为是该城市的平均位置，是描述城市地域空间演化的重要量算和分析指标。城市地域空间演化可以用城市的重心位置的变化情况来体现。遥感影像提取的城市图斑，其面积大小表征人类活动的强弱。以所提取的城市图斑为对象，面积为权重，提取城市重心，并计算重心点坐标，即:

(5)

式中，Xt，Yt分别表示t时刻的城市地域空间的重心坐标；Xi，Yi分别表示第i个城市地域的几何重心坐标值；Sti表示第i个城市地域的面积大小。通过分析不同研究年期的城市地域空间的重心位移，得到城市空间形态增长方向，追踪多个研究时段城市重心位移走向，可以预测城市地域空间演化的特点。

城市增长的方位变化也可以表达城市地域空间演化的特征。根据所提取的城市边界，通过绘制风玫瑰图来分析。风玫瑰图绘制的方法如下：以初期的城市中心为圆心，以末期的城市地域演化的边界到圆点的最长距离为半径画圆，过圆心分别做水平线和铅垂线，其中，横轴是水平线0°～180°线，代表东西方向，纵轴是铅垂线90°～270°线，代表南北方向。以初期的城市中心为圆心，从正东方向开始，每隔10°做一条方向线，制作一个可以覆盖城市地域最大范围的圆，分别显示初期和末期城市地域的位置和形状。

2.5 合理性分析方法

城市用地增长速度和城市人口增长速度应该相适应，如果城市地域增长过快，而城市人口增长缓慢，则造成土地利用粗放，资源浪费；而城市人口增长过快，城市用地增长过慢，易造成土地利用强度过高，居民生活质量水平降低。城市化地域空间演化过程的合理性用城市面积-人口弹性系数衡量，它反映城市扩展速度与城市人口增长速度之间的关系，其数学表达式为[19]：

(6)

式中，R(i)为第i时段城市区域扩展弹性系数；Pop(i)为市区第i时段人口平均增加率；A(i)为第i时段城市区域面积平均增长率。R(i)值越接近1，城市化地域空间演化过程合理程度越高；数值偏离越大，表示地域空间演化过程与人口发展之间的协调性越低。

3 结果与分析

3.1 城市边界提取结果

人机交互手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年的盐湖区城市边界，如图2所示。

图2 盐湖区城市边界Fig.2 Boundary of the urbanized area in the Salt Lake district

经统计，2000—2019年近20年间，盐湖区城市面积增长了70.05 km2，增长速率达3.69 平方千米/年，增长强度指数为337.91%。其中，2000—2015年增长最快，增长了62.65 km2，占增长总量的89.44%，是快速增长期；2015年以后仅增长了7.40 km2，占增长总量的10.56%，城市面积量的增长趋于放缓。盐湖区城市地域空间演化监测统计如表1所示。

表1 盐湖区城市地域空间演化监测统计表

3.2 形态特征分析

盐湖区城市紧凑度指数和分维数计算结果如表2所示。

表2 盐湖区城市紧凑度指数和分维数

在监测期内，盐湖区城市紧凑度指数从2000年的0.32减少到2015年的0.15，一直呈下降趋势，说明城市空间离散度不断增加，城市地域演化以量的扩展为主；2019年回升到0.16，说明城市发展紧凑度增加，城市发展空间离散度减少。分维数在2000年为1.67，2005年为1.73，2010年增加到1.86，2015年下降为1.79，2019年再下降为1.75，表示城市边缘形态不规则程度先增大后减少，说明城市地域空间演化先以量的增长为主，后转变为以边缘填充为主。紧凑度指数和分维数都说明，盐湖区的城市演化2015年以前以量的扩张为主，以后转变为质的填充。

3.3 空间差异性分析

空间差异性通过对重心位置位移变化来描述，反映城市化地域空间演化轨迹和发展方位差异。在GIS软件环境下，根据提取的2000—2019年盐湖区城市边界，计算各个研究年期的重心坐标，如图3所示。重心位移过程反映了城市地域空间演化的方向性和不均匀性。

图3 盐湖区城市重心位移图Fig.3 Centre displacement diagram of the urbanized area in the Salt Lake district

由图3可以看出，2000—2019年盐湖区城市中心逐步向北移动。2000—2005年间，重心向北偏东33°方向移动1.70 km；2005—2010年间，向正北方向移动1.16 km；2010—2015年间，又向北偏西15°方向移动1.58 km；2015—2019年间，基本达到平衡状态，仅向北偏东45°方向移动0.15 km。重心位移的距离在2000—2015年间最大，在整个研究时段，城市重心位移的距离是4.32 km，城市重心向北偏东10°方向移动，位移速度为0.23 千米/年。

以2000年盐湖区城市地域范围的中心为圆心，2019年城市地域演化边界到圆心的最长距离为半径画圆，并将所提取的2000年和2019年2期城市地域范围进行叠加，黄色区域和蓝色区域分别为2000年和2019年盐湖区城市区域，如图4所示。盐湖区城市发展特点总体上呈现出从中心城区向北部触须式扩展，2000—2019年发展较快方向为40°～60°和110°～130°方向，扩展较慢的方向是南部180°～360°方向，盐湖自然边界限制了城市区域的演化。

图4 盐湖区城市演化方向图Fig.4 Evolution directions of the urbanized area in the Salt Lake district

3.4 合理性分析

我国学者通过对中国历年城市化过程综合分析，认为R(i)=1.12时较为合适，也就是城市人口每增加1个百分点，城市用地面积大约增加1.12个百分点[19]。运城盐湖区城市面积-人口弹性系数统计如表3所示。

表3 运城盐湖区城市面积-人口弹性系数统计表

由表3可以看出， 2000—2019年，运城市城市面积变化增长率为17.79%，人口年均增长率为9.65%，城市面积-人口弹性系数R(i)=1.84，大于1.12，二者协调性低。分阶段观察，运城市域2005—2010年和2010—2015年的城市面积-人口弹性系数为3.70和5.52，远高于经验值1.12，说明期间城市用地扩张速率过快，城市人口增长缓慢，造成土地资源浪费，城市扩展与人口发展之间的协调性低。而在2000—2005年和2015—2019年间分别为0.55和0.90，前5年和近4年城市增长合理，城市演化发展与人口增长之间的协调性高。运城城市地域演化总体呈现出“合理—不合理—合理”的发展模式。

3.5 城市化地域空间演化特征

根据城市地域空间演化各要素，以及多时相遥感影像与城市交通图叠加分析，可以直观地反映景观型城市化地域空间演化特征。盐湖区城市地域空间演化特征表现为3种类型：外延扩展型、轴向扩展型和飞地扩展型，如图5所示。

(1) 外延扩展型。城市区域的外延扩展主要在北部、东北、西北方向，南部和东南部为运城市盐湖，自然边界限制了城市区域的扩张，主要表现为填充。

(2) 轴向扩展型。轴向空间扩展有3条主要的轴线：① 运稷线扩展带，沿运稷线从城市中心的解放南路向西北方向的扩展；② 西部扩展带，沿209国道从南向西北方向扩展；③ 机场路扩展带，有机场路、候风线、南同蒲铁路线等线路东北-西南向穿过，空港卫星城镇也在该方向，是盐湖区城市地域演化的主导方向。

(3) 飞地扩展型。空港新区是2002年批准建立的市级开发区，属于东部的卫星城，根据遥感影像，2010年空港区卫星城镇和盐湖区城市区域连成一体。

图5 盐湖区城市地域空间演化Fig.5 Spatial evolution pattern of the urbanized area in the Salt Lake district

4 结束语

不合理的城市化会占用优质的耕地资源，造成一系列生态环境问题。研究城市地域空间演化的特征和规律，对于合理规划国土空间、实现城市的绿色健康发展具有重要意义[20]。本文采用高中分辨率遥感影像数据GF-2和Landsat ETM+/OLI影像，提取了2000—2019 年间共5 期的盐湖区城市边界数据，对盐湖区地域空间演化过程特征进行了系统分析。结果表明：① 在2000—2019 年，盐湖区城市面积增加了70.06 km2，增长速率达3.69 平方千米/年，增长强度指数达到337.91%。其中，2000—2015年增长最快，增长了62.65 km2，占总增长量的89.44%，是快速增长期；2015年以后仅增加了7.40 km2，占总增长量的10.56%，城市面积量的增长趋于放缓。② 紧凑度指数和分维数都说明盐湖区地域空间的演化，2015年以前以量的扩张为主，之后转变为质的填充。③ 城市重心向北偏东10°方向位移4.32 km，位移速度为0.23 千米/年。总体上呈现出从中心向北部触须式发展，发展较快方向依次为40°～60°和110°～130°。④ 盐湖区城市地域演化总体呈现出“合理—不合理—合理”的发展模式。⑤ 外延扩展型、轴向扩展型和飞地扩展型为盐湖区城市地域空间演化的3种类型。本研究拓展了我国GF-2 遥感影像的应用领域，为区域城市化的研究提供了新手段，为准确地把握城市演化进程、促进城市精明增长和健康发展提供了科学依据。