基于多時相遙感曹妃甸建成區時空擴展分析

王卉,楊久東,張凌云

(華北理工大學 礦業工程學院,河北 唐山 063210)

隨著社會經濟的發展,城市擴展早已經普遍存在并較快發展起來[1]。城市空間形態的研究是科學研究城市空間擴展進程的重要組成部分。城鎮空間擴展是城市化過程空間布局與結構化的綜合反映[2],而城鎮建成區規模的擴大是城市擴展過程中最顯著的標志。建成區的擴展直接或者間接地影響著區域的生態環境,導致了環境的污染和氣候的破壞。因此,城市空間擴展時空變化一直是專家學者研究的重點,專家學者從城市建成區的識別監測[3]、城市擴展的特征形態[4,5]、城市的擴展模式與驅動力[6,7]、對城市建成區時空的模擬預測研究[8]等方面開展了眾多研究分析。我國現有城市擴展研究對中小城市的關注并不充分,類似于有著“渤海明珠”之稱的曹妃甸區,這樣一個經過填海造地政策實施后的城區擴展的相關文獻比較少。因此,選擇以曹妃甸區為案例區,基于遙感和GIS平臺,定量分析建成區空間形態變化。

隨著社會經濟的發展,城市擴展早已經普遍存在并較快發展起來[1]。城市空間形態的研究是科學研究城市空間擴展進程的重要組成部分。城鎮空間擴展是城市化過程空間布局與結構化的綜合反映[2],而城鎮建成區規模的擴大是城市擴展過程中最顯著的標志。建成區的擴展直接或者間接地影響著區域的生態環境,導致了環境的污染和氣候的破壞。因此,城市空間擴展時空變化一直是專家學者研究的重點,專家學者從城市建成區的識別監測[3]、城市擴展的特征形態[4,5]、城市的擴展模式與驅動力[6,7]、對城市建成區時空的模擬預測研究[8]等方面開展了眾多研究分析。我國現有城市擴展研究對中小城市的關注并不充分,曹妃甸區有著“渤海明珠”之稱的,并經過填海造地政策的實施,現對此類城區擴展研究的相關文獻比較少。因此,選擇以曹妃甸區為案例區,基于遙感和GIS平臺,定量分析建成區空間形態變化。

1 研究方法

1.1 建成區的遙感解譯

在Envi軟件支持下,根據曹妃甸區特殊的地理環境和自然資源將其7期遙感影像的土地利用類型分為建成區、耕地、水體、裸地和濕地等類,城市擴展研究主要利用提取的建成區數據。遙感解譯主要采用最佳指數法確定最佳波段組合、監督分類法等方法,最佳指數法見式(1)。

(1)

式中:Si—i波段的標準差;Rij—i、j波段間的相關系數。

1.3 建成區時空擴展分析方法

城市建成區的時空擴展是指在一定的時間間隔內,城市建成區發生變化的面積、位置、形態、擴展方向等信息[9]?；?期曹妃甸區遙感影像,利用監督分類方法提取出各時期的建成區后,進行城市空間擴展分析,得到城市建成區擴張態勢。此次研究從擴展數量擴展形態和擴展方向差異性方面進行建成區的時空擴展分析。

擴展速率和擴展強度。城市建成區空間擴展的數量分析重要指標為擴展速率和擴展強度[10],見式(2)、式(3)。

擴展速度指數的計算公式為:

V=Aij/Tij

(2)

擴展強度指數的計算公式為:

M=ΔAij/Ai/Tij)×100%

(3)

式中:Ai為i時刻的建成區面積,km2;Aj為j時刻的建成區面積,km2;Tij為i時刻到j時刻的時間間隔。

擴展形態。主要利用質心指數、緊湊度指數、分形維數、放射狀指數等方面進行擴展形態分析。

質心指數見式(4)。

(4)

緊湊度指數見式(5)。

(5)

分形維數見式(6)。

D=2ln(C/4)/ln(A)

(6)

放射狀指數見式(7)。

(7)

式中:Xi、Yi為第i個研究區地塊的重心坐標;Cti為第i個地塊面積,A為建成區面積;C為建成區周長。ri為建成區中心到建成區邊界的半徑長度;n為等角差放射線的數量。

質心指數指的是空間分布上的一個重要因素,質心遷移的過程體現城市建成區的時空演變態勢。緊湊度、分形維數、放射狀指數是反映城市空間布局和結構形態的重要指標。緊湊度的值域范圍為[0,1],其值越大,表明這個建成區的緊湊度越好,但值過高或過低都是不利于建成區的健康發展[11]。分形維數是展現建成區邊界形狀變化多樣性的函數,當D>1.5,邊界形狀相對曲折復雜;當D=1.5,邊界形狀最不穩定,處于隨機運動狀態;當D<1.5,邊界形狀相對簡單[12]。當建成區面積逐漸增加時,若分形維數也增大,說明城市建成區面積增大,呈現出向外部擴展的態勢;若減小,則說明城市建成區面積減小,呈現出內部填充的態勢[11]。放射狀指數法考慮了曹妃甸區與區域內各部分客觀位置特征和兩者之間的聯系,其反映區域內部聯系的真實性更強。

2 研究區概況與數據源

2.1 研究區概況

曹妃甸區位于河北省唐山市的最南端,地處環渤海中心地帶,與天津、北京接壤,南臨渤海。曹妃甸是因灤河北移而形成的一條東北、西南走向的帶狀沙島海灘距大陸岸線約20 km。

曹妃甸區介于北緯39°07′43″～39°27′23″,東經118°12′12″～118°43′16″之間,輻射東北、華北、西北,面向東北亞,通往世界各地。曹妃甸區常住人口數為35.21萬人,總面積2 114 km2,其中陸地1 408.14 km2,管轄海域705.86 km2。近些年填海造地政策的實施以及工業經濟的發展進一步影響了建成區的空間布局。

2.2 數據源

選取曹妃甸區7期遙感影像,時序單元為3年的單一尺度,即2003年、2006年、2009年、2012年、2015年、2018年和2021年,具體情況見表1。輔助資料有曹妃甸區矢量底圖等。

表1 研究所用遙感數據時相

3 結果與分析

3.1 建成區的遙感解譯分析

監督分類法是基于先驗知識對影像中的地物進行分類,所以首先應確定地物類別,根據研究區域的實際情況,將地類分為:建成區、耕地、水體、濕地、裸地。其次通過 Regions of Interest 選取一定數量的訓練樣本。訓練樣本的分離度值域范圍為:0～2,當值超過1.9 時,樣本的可分離性較好,可執行監督分類;當值大于 1 時,需調整或重新選擇訓練樣本;當值小于 1 時,可將地類合為一類或剔除不做類別要求。根據該原則,選取了分離度均超過 1.9 的訓練樣本,訓練樣本可分離度結果見表2。

表2 訓練樣本的可分離度

通過分類后處理中的Majority和Minority分析、Sieve分析和Clump分析消除微小圖斑。根據Google Earth和2021年高分一號影像選取較為純凈的地物像元作為檢驗樣本,在ENVI5.1的支持下,對監督分類的結果進行混淆矩陣精度評價。統計結果如表3所示。

表3 監督分類法精度評價

利用GIS技術結合監督分類結果作為2003～2021年建成區的遙感解譯結果,結果如圖1所示。

圖1 2003～2021年曹妃甸區建成區遙感解譯結果

3.2 擴展速率和強度分析

城市建成區面積的增長就是城市擴張變化最直觀的表現方式[13]。利用公式(2)和公式(3)計算得出曹妃甸區建成區擴展速率和擴展強度(見表4)。分析發現,2003～2021年曹妃甸區建成區面積在數量上呈現逐年上升的趨勢。19年間,面積增長了124.94 km2,面積增長率達到了92.46%,平均每年擴展達到41.65 km2,擴展強度指數為30.82,曹妃甸區的擴展速率基本呈現上升趨勢,同時在不同的研究時期內,擴展強度指數均大于 1.92,說明高速擴展是近年來曹妃甸區建成區擴展的主要特征。

表4 各時期曹妃甸區擴展變化量

3.3 擴展形態分析

質心指數?；贕IS技術,并根據質心指數公式計算出各時期節點的質心坐標(見圖2)。圖3顯示了2003～2021年曹妃甸區質心的移動過程,各個時期的移動方向為:東南、東南、西北、西北、東南、東北,整體上呈現先南后北的趨勢。2003～2009年間,由于南部沿海區域的填海造地政策的實施,帶動了工業區地快速發展,進一步地促進曹妃甸區重心向南移動;而后曹妃甸區重心又向北部遷移。

圖2 各時期曹妃甸區重心分布(km)

圖3 各時期曹妃甸區重心移動過程

圖4為各時期曹妃甸區擴展形態指數,由圖4(a)可知,2003～2021年隨著曹妃甸建成區的擴展,曹妃甸區緊湊度指數變化不是很大,處在0.01～0.05之間,且值趨近于0,表明在19年間,城市土地利用率不高,城市空間日趨離散,形態變得相對復雜。根據圖4(b)可以看出,2003～2021年呈減-增-減-增的趨勢。2006～2012年間,分形維數增加,說明在此期間曹妃甸區正在進行外部擴充;2018～2021年間,分形維數驟然增加,使得曹妃甸區的邊緣再一次趨于復雜化。由圖4(c)可知,曹妃甸區在2003～2021年,放射狀指數出現不規則變化但浮動值域并不大,說明此期間曹妃甸區的空間形態越來越不規則。

圖4 各時期曹妃甸區擴展形態指數

3.4 擴展各向差異性分析

以研究節點的7個年份中建成區質心坐標的均值為中心,將曹妃甸區建成區等分為16個方向,并計算出各年份在各個方向的面積值、面積均值和標準差,結果見表5,根據擴展強度指數的計算公式計算并繪制各時間段曹妃甸區城區各方位的空間擴展強度,見圖5。

圖5 各時間段曹妃甸區各方向空間擴展強度圖

表5 曹妃甸區2003～2021年不同方向的空間擴展情況/ km2

根據表5,曹妃甸區2003～2021年建成區16個方向上的面積差異逐年增加,2018～2021年間曹妃甸區不同方向上空間范圍差異較大,在SSE方向面積擴展值最大為32.28 km2,在NNE方向擴展值最小為0.59 km2。

由圖5可知,2003～2006年曹妃甸區擴展強度最大方向為NNW,其擴展強度為16.91;2006～2009年曹妃甸區擴展強度最大方向為 SSE,擴展強度值分別為359.78;2009～2012年曹妃甸區擴展強度最大方向為NWW,其擴展強度為8.32;2012～2015年曹妃甸區沿東南方向擴展強度較大,呈現“燕翅”式擴展;2015～2018年曹妃甸區擴展強度最大方向為E,其擴展強度達到98.29,其擴展方向的驟增是因為東部新城的快速發展;2018～2021年曹妃甸區擴展強度最大方向為NW,其擴展強度達到19年的最大值為5 163.52。

4 結論

(1)在總結現有概念的基礎上,結合中國各類城市的發展,借助遙感、GIS等技術手段,擴充了現有對曹妃甸區的城市擴展研究,對此類城區的發展規劃提供一定的理論價值,并為曹妃甸區域發展規劃與戰略提供了現實依據。

(2)2003～2021年城市建成區緊湊度維持在0.01～0.05,且值趨近于0,土地利用率不高,城市空間越來越離散,形態變得越來越復雜化;分形維數呈減-增-減-增的趨勢;放射狀指數出現不規則變化但值浮動值域并不大。說明此期間曹妃甸區的空間形態越來越不規則,區域內部理論上聯系相對疏遠。

(3)由于監督分類是由人機交互的,解譯的建成區面積可能存在一定的誤差,但總體上對城市空間擴展態勢的研究影響不大。建成區的擴展直接或者間接地影響著區域的生態環境,導致了環境的污染和氣候的破壞,為后續生態承載力評價提供數據支撐。