基于历史卫星遥感影像对城区空间形态演变的研究

张现峰 刘乾忠 宫昌华 杨先连 钱淑君 肖艳丽 郭志谦

摘要：基于潍坊市近50年来历史遥感影像，通过人机结合的方式，对历史影像进行中心城区范围提取，并开展面积变化、扩张速度和扩张强度、紧凑度、分形维数、重心迁移等相关指数的统计分析，发现潍坊市中心城区扩张的历史演变规律。通过提取水系、道路等城市发展相关要素，分析对其历史变化情况进行专题分析，以此为城市发展和规划提供数据和决策支撑。研究发现，潍坊市中心城区的空间形态演变规律初期向东侧发展，与寒亭区、坊子区形成三角状星型结构。后发展形成东西一体相连的单中心城区结构，最终形成潍坊市中心城区东西、南北十字结构。

关键词：遥感影像；空间形态；历史演变；动态监测；山东潍坊

中图分类号：P208

文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.007

引文格式：张现峰，刘乾忠，宫昌华，等.基于历史卫星遥感影像对城区空间形态演变的研究——以山东省潍坊市为例［J］.山东国土资源，2023，39（7）：39-45.ZHANG Xianfeng， LIU Qianzhong， GONG Changhua， et al . Study on Urban Spatial Morphology Evolution Based on Historical Satellite Remote Sensing Images——Setting Weifang City in Shandong Province as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：39-45.

0 引言

潍坊是环渤海地区重要节点城市，是连接山东半岛和内陆地区的重要交通枢纽，已列入全国性综合交通枢纽城市。伴随潍坊市市政府驻地的迁移，在市委市政府的大力支持下潍坊高新技术产业开发区建设走上了快车道，潍坊市中心城区也不断向东侧发展，特别是坊子新区和高铁新片区的建设落地，促进了城市格局向南北两侧发展，中心城区发展形态主要向东南和东北方向扩张，在经济发展新形势下，研究中心城区历史演变规律，为潍坊市进一步城市发展规划提供基础数据支撑和决策依据。

卫星遥感影像数据是获取地球资源与环境信息的重要手段，具有一定的历史记录性，其监测范围广、重访周期较短，广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等各领域［1］，是较为完整记录城市发展变迁过程的历史资料。本研究充分挖掘海量历史影像的潜在价值，依据潍坊市近50年来的历史卫星影像，基于卫星遥感技术，提取潍坊市中心城区历年边界范围，将50年分为4个阶段进行分析，分别为建国建设阶段、改革开放阶段、房产改革阶段、新时代阶段，通过这四个具有代表性的阶段开展潍坊市城区变迁工作的研究，再现潍坊市城区演变过程，为下一步城市建设规划提供坚实的数据基础。国土空间规划是谋划空间发展和治理的重要工具［2］，本研究可为潍坊市国土空间规划提供思路，为提高城市治理能力和体系现代化发展打下基础。

1 研究现状

城市形态变化是评价城市发展扩张的重要指标，城市空间结构识别是城市规划和城市资源空间优化的一项重要手段和基础性工作［3-4］。目前基于卫星遥感技术，已开展部分城市演变研究，主要基于扩张速度和扩张强度、紧凑度、分形维数、重心迁移等各项指数反应城市形态。罗家东等［5］基于Landsat TM影像，分析2000—2018年宜春市主城区城市扩张特征和形态演变。何丽丽等［6］基于2006年、2012年、2014年和2017年高分辨遥感影像，利用遥感、GIS技术对禅城区自行政区划调整以来城市形态演变的特征和驱动因素进行分析。于晓歆等［7］以2000—2013年多源遥感影像为数据源，提取了重庆市主城区4个时相的城区范围，并分析了城市空间扩展的时空变化情况和城市外部形态特征演变等。毛禹等［8］利用三期遥感影像，对重庆市主城区土地利用演变情况进行了分析，并综合景观指数分析了人类活动的影响程度。周在輝等［9］利用1990—2016年遥感影像，从城市空间扩展和城市外部形态的时空特征两方面，借助地理信息技术和遥感技术分析酒泉城市空间形态演化规律，并进行了驱动力分析。杜军等［10］基于历史遥感影像、基础地理信息数据，开展北京城区边界信息提取，从城市扩展过程、空间形态、扩展类型、空间结构演变4个方面对北京市城区空间演进过程进行了分析。石婷婷等［11］依据潜江市5个不同年代的基础地理信息资料，通过对潜江市建成区的范围、面积、延伸率、形状比、紧凑度等监测指标进行了统计分析。彭媛媛等［12］基于Landsat影像和夜光数据，采用紧凑度扩张速度重心迁移等指标分析了1993—2010年广州建成区时空扩张特点及其驱动因子。刘晓等［13］以8期历史遥感影像，研究聊城市1987年以来空间扩展特征，并进行了驱动力分析。

目前基于潍坊市对中心城区历史演变研究趋于空白，本文对潍坊市中心城区历史演变规律和发展变化情况进行了较为系统的分析，并且充分利用了连续50年遥感影像数据，保持了较好的数据连续性，增加了分析结果的可靠性。

2 研究方法

2.1 数据源

本研究采用Landsat系列卫星影像为数据源，影像时间为1973—2022年，共计50年。尽可能选取每年度春季或秋季无云影像，其中1973—1983年使用Landsat 1-4 MSS卫星影像，1984—2012年使用Landsat 4-5 TM影像，2013—2022年使用Landsat 7 ETM+和Landsat 8 OLI影像。Landsat系列卫星参数详见表1。

2.2 城区扩张演变分析方法

主要采用城区扩张速率和扩张强度指数分析潍坊市城区扩张的演变规律［14-15］，采用紧凑度、分形维数和重心迁移模型进行城区形态演变规律分析。

（1）扩张速率计算公式

AGA=UA（n+i）-UAin（1）

式中：UAi为第i年中心城区面积；UA（n+i）为第n+i年的中心城区面积;n以年为单位的时间间隔。

（2）扩张强度的计算公式

M=ΔUijΔtij×ULAij×100%（ 2）

式中：ΔUij为i到j时期中心城区面积变化值；Δtij为i到j时期的时间跨度；ULAij为时间i内中心城区面积。

扩张速率表示不同阶段中心城区扩展面积的年增长率，用以表征各个阶段中心城区扩展的总体规模和趋势。扩张强度反映的市扩张面积占总面积的百分比，常用来衡量和表达城区的扩展状态，扩张强度数值越大表明中心城区扩张越快，反之扩张较慢。

（3）紧凑度

紧凑度常用来反映区域形状的特征。当平面形状不同时，相同的投影面积往往也能反映出不同的空间紧凑度。通常采用Batty提出的计算公式（3）［16］：

BCI=2πAP（3）

式中：A为中心城区的面积；P为研究区中心城区的周长；BCI数值一般是在0～1间，越大则形状越紧凑，也越接近于1，形状则更接近于圆形［17］。

（4）分形维数

分形维数的数值可以对城市在不断扩张的过程中的内部结构进行评价，通过中心城区周长和中心城区面积计算获得。当分形维数增大时说明研究区中心城区的发展扩充以向外扩张为主；而当分形维数在减小时则说明在该研究区间内中心城区的扩张以内部填充为主。一般以1.5为参考界限，分形维数的计算公式如下［18］：

D=2ln（P/K）ln（A）（4）

式中：P代表中心城区周长;A代表中心城区斑块的空间面积值;K为常数，通常取4。不同分型维数的图形特征如表2所示。

（5）迁移重心模型

城市重心是城市能够保持均匀分布的平衡点，是衡量城市结构在空间分布上的一个重要指标，通过研究城市重心迁移距离和偏移角度能够描述出中心区域的扩展方向和主要变化路线。

Xt=∑ni=1（Cti×Xi）∑ni=1Cti（5）

Yt=∑ni=1（Cti×Yi）∑ni=1Cti（6）

式中：Xt，Yt分别表示在t年的中心城区重心坐标;Xi，Yi分别为第i个地块的几何中心坐标;Cti为第i个地块的面积［19］。

提取各个年份建成区的重心［20］，对各种分析结果进行统计分析，最终得到潍坊市中西城区历史演变综合分析结果。

2.3 数据处理

对影像数据进行辐射定标、大气校正、几何校正、影像融合、镶嵌裁剪等处理。

3 中心城区历史演变研究

3.1 中心城区历史演变过程研究

3.1.1 中心城区空间范围历史演变

依据4个阶段进行演变分析，中心城区范围扩张图（图2）。

建国建设阶段：基于1973年卫星遥感影像中心城区面积约6km2。1978年面积约10.67km2。

改革开放阶段：即1978—1992年，整体增长较为平稳，呈缓慢增长趋势，1986年中心城区面积出现明显增加，约31.89km2。

房产改革阶段：即1992—2012年，中心城区面积快速增长，呈阶梯增长趋势。此阶段2000年为分水岭，2000年之前潍坊市中心城区扩张速率一直较为缓慢，主要向东侧和南侧扩张。2000年后中心城区面积开始大幅扩张，东西一体相连的单中心城区结构形成。

新时代阶段：即2012—2022年，中心城区整体面积匀速向东西2个方向扩张。2022年中心城区面积达302km2，中心城区范围东西较南北方向略长，整体呈东西、南北十字结构。

3.1.2 中心城区扩张分析

通过城区扩张速率和扩张强度指数分析潍坊市城区扩张的演变规律。以扩张速率≥10km2、6～10km2、2～6km2、≤2km2，划分扩张速率类型为高速、快速、中速和低速。以扩张强度≥19.2%、10.5%～19.2%、5.9%～10.5%、≤5.9%，划分强度类型为高速扩张、快速扩张、中速扩张和低速扩张（表3）［21］。

建国建设阶段即1973—1978年扩张速度为低速扩张类型，扩张强度相对较大。改革开放阶段即1978—1992年为中低速扩张交替类型，在1986年扩张强度出现少量增大。房产改革阶段即1992—2012年为由中低速扩张至高速扩张变化发展类型，2000—2005年扩张速率和强度都呈大幅度增加，自2005年扩张速率和扩张强度都开始转为下降趋势，到2011年，下降趋势减缓，逐渐趋于平稳。新时代阶段即2012—2022年为快速扩张类型，扩张强度降低，为低速扩张类型（图3）。

3.2 中心城区空间形态演变规律

3.2.1 紧凑度分析

潍坊市中心城区紧凑度整体趋势为紧凑到松散的反复交替，说明中心城区一直处于内部发展和向外扩张的循环状态。1973年左右城市处于发展初期阶段，紧凑度指数较高，是由于中心城区面积较小，城区内部结构简单。1973—1978年，緊凑度指数大幅度下降，城市正处在发展阶段。1978—1986年，城市出现一定程度的扩张，紧凑度指数下降；1986—1992年，又转为内部发展。1992—2000年紧凑度指数变化较小，相对稳定，城区处在缓慢扩张和内部建设阶段；2000—2012年紧凑度指数波动明显，中心城区处于快速发展阶段。2012—2022年，中心城区紧凑度指数持续在0.3左右上下浮动，在2018年出现程度较小的城区范围扩张，其后基本都处于城区范围内部发展建设阶段（图4）。

城市在前期的发展过程中主要为外延式扩张，当城市发展到成熟的阶段城市由外延性扩张为主转向内部更新和填充为主的扩张方式，城市更加紧凑［22］。

3.2.2 分形维数分析

由图4可知，1973年—1978年，分形维数出现较大波动，在1975年出现一次明显下降。1978—1992年期间，1986年以前，分形维数指数相对较高，基本均大于1.5，说明1986年以前，潍坊市中心城区整体处在外延式扩张阶段，城市形态较为复杂。1986年后，分形维数指数开始下降，持续在1.4左右上下波动，城区基本以内向填充的发展方式为主。1992—2012年期间，在2000—2006年分形维数出现较大波动，几次下降至1.3。说明城市内部发展明显。2012—2022年，分形维数基本稳定在1.4左右，城市形态逐渐趋于稳定发展阶段。

3.2.3 重心迁移分析

1973—1994年，中心城区重心主要在潍城区，并不断向东迁移。1994年以白浪河为界，将白浪河以东划分为奎文区，中心城区重心从潍城区转至奎文区。90年代后期，潍坊市政府驻地向东搬迁约3km，迁址后城区重心持续向东南发展，重心迁移发展变化如图5所示。

3.3 专题动态变化趋势分析

3.3.1 水系动态变化分析

以2022年中心城区为提取范围，提取河流水系分布情况。1973—2022年，潍坊市中心城区水系分布面积整体呈现增长趋势，1973年水系分布面积1.8km2，2022年较1973年，水系面积增加约4.5km2。

1981年—1990年，濰坊市中心城区水系呈现枯水状态。自1990年开始恢复库容，其后分布面积一直相对稳定。至2005年，水系分布面积开始出现较大量增加，2005年潍坊市开始对白浪河流域开展综合治理，经过治理后，中心城区水系面积增加至6km2左右，并保持相对稳定。

3.3.2 道路动态变化分析

基于1984—2022年遥感影像，提取影像中大于一个像元宽度的中心城区道路分布。

1984年，潍坊市中心城区仅有几条相互交错的主干道，并且道路集中分布，长度较短。

1992年开始，高速公路不断落成，主干道路增加，并快速向四周延伸，潍坊中心城区主要道路基本稳定，东风街在10年间持续向四周延伸，东西两侧增加部分南北路，完善了高速路口的通达性，建设多处匝道。

2012年已形成较为完善的中心城区交通路网，多处道路取消环岛，设立高架桥和地下通路，以减轻道路压力。

2019年，潍坊市着手打造“四纵四横一干线”快速化通行网络，4条“内圈”主干道和主干线在1992年基本建设完成，4条“外圈”主干道在2012年基本建设完成，宝通街、潍县中路等在2021年至2022年进行了进一步建设，提升了跨区域道路的通达性，有效缓解中心城区交通拥堵（图6）。

3.3.3 人口变化分析

根据人口统计资料显示，潍坊市市区人口一直在不断增长过程中，根据潍坊市城区扩张面积情况分析，2004年前潍坊城区面积缓慢增加，2005年左右，城区面积开始出现大幅扩张，扩张速率激增，同时在2005—2010年期间，紧凑度指数和分形维数指数波动较大，说明城区处在内部发展阶段，对应人口增长过程，2008年以前，潍坊市区人口一直处于缓慢增长状态，2008年前后城区人口出现较大幅度增长，与分析结果较为一致，说明在此时间段内，城市内部发展，人口数量增幅较大。此后城区扩张速率下降并逐渐趋于平缓，人口增长速率也逐渐降低。

4  结论

（1）潍坊市作为历史文化名城，但对其历史演变机制的研究甚少，本文分析了潍坊市近50年的历史演变过程，相较于传统的统计数据分析和调查、调研分析，充分利用历史遥感影像的可追溯性和客观记录性，汇集潍坊市近50年卫星遥感影像，通过遥感技术的动态监测和变化分析能力，开展了50年长时序逐年监测分析，以城市“老照片”的方式重现了潍坊市中心城区近50年的空间形态变化，更真实地反映和记录了城市的历史变化格局，填补了潍坊市历史演化机制研究的空白。

（2）在影像分析的同时，结合相关指数加以统计分析，直观展示了城区空间格局变化，通过统计数据的形式对其变化规律和发展趋势进行进一步分析，在此基础上又增加了水系、道路专题变化检测分析，更好地把握潍坊市城区发展变化的整体规律。

（3）潍坊市中心城区的空间形态演变规律大体由初期的潍城区向东侧发展，与寒亭区、坊子区形成三角状星型结构。再到奎文区、高新区的快速发展形成东西一体相连的单中心城区结构。伴随寒亭区高铁新城及坊子新区的大力建设，最终形成潍坊市中心城区东西、南北十字结构。中心城区的扩张水平与经济发展的速度高度契合基本体现出中心城区空间形态演变的规律。

致谢：感谢美国地质勘探局（United StatesGeological Survey ， USGS）提供的Landsat系列遥感数据。

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Study on Urban Spatial Morphology Evolution Based on Historical Satellite Remote Sensing Images——Setting Weifang City in Shandong Province as an Example

ZHANG Xianfeng1， LIU Qianzhong2， GONG Changhua2， YANG Xianlian2， QIAN Shujun3， XIAO Yanli3， GUO Zhiqian3

（1. Changyi Bureau of Natural Resources and Planning ， Shandong Weifang 261300， China; 2. Weifang Planning Research Center， Shandong Weifang 261041， China; 3. No.4 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Weifang 261021， China）

Abstract：Based on historical remote sensing images of Weifang city in the past 50 years， the scope of the central urban area from the historical images has been extracted by means of man-machine combination in this paper， and statistical analysis on the relevant indexes have been carried out， such as area change， expansion speed and expansion intensity， compactness， fractal dimension and center of gravity migration， so as to find the historical evolution law of central urban expansion in Weifang city. By extracting elements related to urban development， such as water system and road， and analyzing their historical changes， thematic analysis has been carried out to provide data and decision-making support for urban development and planning. It is found that the spatial pattern of Weifang city downtown developed eastward at the beginning， forming a triangular star structure with Hanting district and Fangzi district. It has developed into a single central urban structure connected with the east and the west， and finally formed a cross structure between the east and the south in the central urban area of Weifang city.

Key words： Remote sensing image; spatial form; historical development; change detection; Weifang city in Shandong province

收稿日期：2023-03-30；

修订日期：2023-05-24；

编辑：陶卫卫

基金项目：潍坊市社会科学规划研究课题

作者简介：张现峰（1986—），男，山东昌乐人，工程师，主要负责地籍与不动产登记管理、卫星遥感应用研究工作；E-mail：shennong747@163.com