基于地理国情数据的不透水面的变化分析

摘  要：该研究基于2018—2020年武汉市的地理国情监测数据，并以武汉市为研究区域，采用数量统计及空间格局分析的方法对武汉市2018—2020年的不透水面变化特点进行分析，达到对武汉市城市发展的动态了解。研究结果表明：2018—2020年武汉市的不透水面面积整体呈现逐年增加的变化规律;不透水面的空间分布均表现为由中心向外围逐渐递减，且在距中心3千米～6千米处达到最大;从空间和数量上，武汉市城市及经济发展规律相一致，即均以长江为轴心发展。

关键词：不透水面;距离谱;标准差椭圆;地理国情监测

中图分类号：TP391;P20      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2022）02-0146-04

Abstract： Based on Wuhans geographical national conditions monitoring data from 2018 to 2020， and taking Wuhan as the research area， this study uses the methods of quantitative statistics and spatial pattern analysis to analyze the change characteristics of impervious surface in Wuhan from 2018 to 2020， so as to understand the dynamics of urban development in Wuhan. The study results show that： from 2018 to 2020， the impervious surface area of Wuhan shows a change law of increasing year by year; the spatial distribution of impervious surface decreases gradually from the center to the periphery， and reaches the maximum at 3～6 kilometers away from the center; in terms of space and quantity， the law of urban and economic development in Wuhan is consistent， that is， their development both take the Yangtze River as the axis.

Keywords： impervious surface; distance spectrum; standard deviation ellipse; geographical national conditions monitoring

0  引  言

随着城市的发展，不透水面作为衡量城市化水平及城市生态环境水平的重要指标因素也在被越来越对多的研究人员所重视。而当前国内外对不透水面的研究主要分为三个方面：一是对不同数据源的不透水面提取方法的研究，如TM影像、Sentine影像、Landsat OLI等数据的提取;二是研究不透水面提取模型与算法，如SVM和线性光谱混合模型;三是对不透水面的时空演变、驱动力因素及生态环境相关的研究分析。

本文的主要內容是基于2018—2020年武汉市地理国情数据，研究武汉市不透水面的数量变化，同时运用距离谱分析、标准差椭圆分析的方法研究武汉市不透水面的空间分布规律，在分析武汉市不透水面数量和空间分布变化的基础上，分析武汉市城市扩张发张的规律。

1  研究区域概况与数据来源

1.1  研究区域概况

武汉市位于湖北省东部、长江与汉江交汇处，是国家区域中心城市（华中）、副省级市和湖北省省会。武汉市现有13个辖区，其中江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区7个为中心城区，而汉南区、东西湖区、蔡甸区、江夏区、黄陵区、新洲区6个区为新城区。截止2020年末，武汉市总面8 569.15 km2;常住人口为1 244.77万人，户籍人口为916.191 3万人。此外武汉还是中国重要的工业基地，拥有钢铁、汽车、光电子、化工、冶金、纺织、造船、制造、医药等完整的工业体系;2020年，武汉市GOP达到15 616.06亿元，位居全国第九。

1.2  研究数据

本文研究使用到的数据主要为2018—2020年地理国情普查与监测数据，2018—2020年三期高分辨率影像数据，基础测绘数据等。具体使用的数据资料如表1所示。

2  研究方法

2.1  不透水面距离谱分析

采用欧式距离的空间圈层分析方法，以研究区域几何中心为圆心，由中心向外围每隔一定距离如3 km作同心圆，有效覆盖研究区域内的主要不透水面。用以分析从城市中心到新城区不透水面的平均密度的变化趋势，可辅助分析不透水面的扩展模式。

式中，Mi为不透水面的平均密度，Si为第i个同心圆环内不透水面面积，Di为第i个同心圆环内土地面积。

2.2  标准差椭圆分析

采用方向分布（标准差椭圆）分析研究区域不透水面扩张部分的空间格局，通过研究不同时期区域不透水面图层得到不透水面的扩张区域，计算扩张区域的标准差椭圆，测量扩张区域的趋势，查看扩张区域的分布是否是狭长型的，并因此具有特定方向。通过标准差椭圆使扩张的不透水面的分布趋向变得更为明确。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762

3  结果与分析

3.1  不透水面总体概况

武汉市2018—2020年不透水面积分别为1 390.22 km2、1 430.13 km2和1 446.06 km2，2018年至2020年每年占比增长幅度分别为0.46和0.19个百分点，总体呈现逐年上升的趋势，但2020年增长幅度相较2019年有较大的下降。

从空间分布格局来看，武汉市2018—2020年间不透水面的空间分布规律相似，即自城市中心向周边逐渐递减。总体表现为中心城区不透水面密度较大，新城区较小。原因是中心城区起步较早，发展较为成熟，房屋建筑和道路等不透水面占比高;新城区尚处于发展阶段，相较之下不透水面占比小于中心城区。全市2018—2020年的不透水面分布图如图1所示。

如图2、图3所示，2018—2020年三年期间中心城区如江岸区、江汉区、汉阳区、武昌区等的不透水面积变化幅度较小，基本保持不变。硚口区与青山区的不透水面积减少较多，这与区域内旧城改造及绿化建设密切相关，也表明随着城市的发展完善，特别是中心城区的各项建设已经趋于完善，所以中心城区的变化更多的在于环境方面的改善。洪山区不透水面逐年增加，说明该区在2018—2020年期间发展较快。此外，新城区整体呈快速发展状态，其中如汉南区、黄陂区、新洲区的不透水面面积增加较多，说明新城区的建设速度在不断加快，且与不透水面积整体增加的大趋势一致，反映了新城区与中心城区的城市化发展进程。

3.2  不透水面圈层特征分析

采用基于欧氏距离的空间圈层分析法，以武汉市的几何中心为圆心构建半径依次增加3km的同心圆，最大圆的半径为84 km，以此为基础来分析从中心城区到新城区不透水面平均密度的变化情况。

如图4所示不透水面密度在距离几何中心3千米～6千米的范围显著增加，主要原因是几何中心位于二七长江大桥附近靠近江中心的位置，3千米圈层内江水占了一定比例;在距离几何中心6千米的圈层内，城区高度开发，建筑十分密集，不透水面密度达到了峰值，该范围是沿江开发强度最高的区域。距离几何中心6千米以外的各圈层不透水面密度由内向外总体减少，但不同圈层的变化规律不同：6千米～9千米圈层内不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈层内不透水面密度有所上升，并在12千米圈层形成次高峰，房屋建筑（区）、铁路与道路和构筑物为此范围内不透水面积增加的主要地表类型;12千米以外不透水面密度持续下降，57千米圈层以外下降速度放缓，三期不透水面密度下降速率较为统一，没有太大区别。

3.3  不透水面的标准差椭圆分析

标准差椭圆反映了空间要素组织的总体轮廓和主导分布方向，其中椭圆长轴半径与扁率可联合反映空间格局总体要素的集中密度，偏角反映格局的主导方向。不透水面的标准差椭圆反映出武汉市城市发展紧紧倚靠长江，其不透水面发展大体上随着长江的流向的特点。2018—2020年三期不透水面标准差椭圆具体参数如表2所示。

分析可得2018—2020年武汉市不透水面的标准差椭圆主轴方向变化微小，大致与长江的方向相一致，这与武汉市主要以长江为发展轴展开的经济增长模式相符。距离长江越近，不透水面积越大且不透水面图斑分布越密集;反之，不透水面图斑的面积越小且分布越稀疏。2020年，主轴方向顺长江方向逆时针略微偏转，这是因为黄陂区的不透水面积快速增长。黄陂区长江新城的建设较好，发展速度快。

4  结  论

本研究，分析了武汉市2018—2020年不透水面时空变化特征。结果表明：（1）总体而言，2018—2020年武汉市的不透水面是逐年递增。（2）从空间分布上来看，城市中心向周边逐渐递减。总体表现为中心城区不透水面密度较大，新城区较小;在空间距离表现为不透水面密度在距离几何中心3-6千米的范围显著增加，在距离几何中心6千米的圈层内，城区高度开发，建筑十分密集，不透水面密度达到了峰值，距离几何中心6千米以外的各圈层不透水面密度由内向外总体减少，但不同圈层的变化规律不同：6千米～9千米圈层内不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈层内不透水面密度有所上升，并在12千米圈层形成次高峰，12千米以外不透水面密度持续下降，57千米圈层以外下降速度放缓，三期不透水面密度下降速率较为统一，没有太大区别。（3）在发展方向上，2018—2020年武汉市不透水面的标准差椭圆主轴方向变化微小，大致与长江的方向相一致，这与武汉市主要以长江为发展轴展开的经济增长模式相符。距离长江越近，不透水面积越大且不透水面图斑分布越密集;反之，不透水面图斑的面积越小且分布越稀疏。

本文以武汉市为例，基于地理国情数据及遥感影像数据对不透水面进行变化监测，定量分析不透水面变化情况、特点及分布，可为海绵城市建设、城市规划管理、城市内涝治理等提供参考。

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作者简介：丁安（1992—），男，汉族，安徽安庆人，研究生在读，研究方向：测绘工程。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762