基于遥感影像的钦州地区建成区时空扩展特征分析*

2014-12-14阮红燕黄智刚裴文文张宇鹏

中国农业资源与区划 2014年4期

阮红燕，黄智刚，裴文文，张宇鹏

(广西大学农学院，南宁 530004)

1 引言

城市建成区是指已经城市化的区域，并不是地理学上城市化区域，而是指一个城市行政区域单位，管辖以集中连片或分成若干分散片区的区域中心，大多为一个城市的中心区域，一般不包括大面积农田和成片不适宜建设区域［1］。城市扩张是驱动其及其周围土地利用类型明显变化的关键性因素，针对城市扩张引起的土地利用类型变化这一问题国内外学者已做了广泛的研究［2-3］。然而城市扩张不仅仅涉及土地利用类型的变化，还涉及城市建成区形态等的变化。如李爱民利用遥感影像分析了郑州市1999年至2007年建成区扩张特征，并做了城市用地规模预测与人口变化关系［4］，张心怡等利用GIS技术分析了上海市城镇化中建设用地的扩张过程、特征以及规律等［5］。

钦州地处我国西南沿海，北纬21°35'～22°41'，东经107°72'～109°56'之间，是华南经济圈、西南经济圈与东盟经济圈的结合部，是西南地区最近的出海通道，具有亚热带向热带过度的海洋性季风气候特点。钦州市历史悠久，距今已有九千年的人类发展史，1949年后历经多次规划，20世纪80年代建成区主要集中于主城区，1992年批准建立钦州港形成“一城两港 (钦州港、沙井港)”的空间结构格局，2008年最新规划形成新的空间格局“一城三区”即主城区、滨海新区、钦州港区和三娘湾旅游度假区。钦州市是全国少有的由乡镇发展为城市的区域之一，目前因国家北部湾发展政策，经济发展快速，城市化也随之快速发展，对其建成区扩张及形态变化研究具有实践的指导意义。

该文以钦州最新城区规划格局即“一城三区”(图1)为研究对象，基于多时相的LandsatTM/ETM+影像数据，结合GIS技术和城市形态定量分析指标，分析钦州地区1987～2010年建成区扩张过程及特征规律。

2 研究方法

2.1 技术路线

研究利用ENVI、ARCGIS等辅助软件，通过提取建成区斑块及其面积、周长和质心坐标等信息，计算各时期建成区扩展速率、分形维数和紧凑度指数等综合定量化分析钦州市建成区时空扩展特征。技术路线如图2所示。

2.2 数据获取和预处理

研究收集了覆盖研究区域1987年、1990年、1996年、2000年、2005年、2008年和2010年共7个时期的LandsatTM/ETM+影像数据，由于LandsatETM+卫星2003年后出现故障无法获取正确影像信息，因此研究中的1987年、1990年、1996年、2005年、2008年和2010年为LandsatTM影像数据，辅助数据为钦州市1:10万地形图、钦州市历年总体规划图件等。对研究区影像做辐射校正、几何精度校正后进行镶嵌，以研究区域矢量化后边界裁剪影像得到研究区影像数据。

图1 研究区示意

图2 研究技术路线

2.3 建成区提取

研究采用传统的最大似然监督分类法提取建成区斑块 (以2000年从LandsatETM+影像中提取建成区斑块为例)。

2.3.1 最佳组合波段选择

LandsatETM+影像有八个波段，其中第六波段为热红外波段，分辨率60m，主要用于与温度有关的研究中;第8波段为全色波段分辨率为15m;第1～第5和第7波段为可见光波段，分辨率30m。因此研究基于ENVI软件对6个可见光波段做主成分分析并统计其相关性系数，结果显示 (表1):波段2和波段4相关性系数为0.826最小，次之为波段4和波段7相关性系数为0.836，因此选择相关性系较小的三个波段如波段2、波段4和波段7组合为假彩色图像RGB742，其中建成区基本呈紫红色，植被呈绿色，水系呈蓝色，裸地呈浅粉色。

2.3.2 最大似然法监督分类

基于RGB741假彩色图像，利用ENVI软件采集建成区、植被、裸地及水域等四种地物的样本，并进行样本可分离性分析，可分离性值介于0～2之间，大于1.9则可分离性好，值为2.0则分离性最佳，试验重复采集样本至相互可分离性达1.99以上，利用采集的样本在ENVI中对影像执行监督分类，输出分类结果。

表1 各波段相关性系数

2.3.3 分类结果评价

研究采用混淆矩阵法对分类结果进行精度验证，精度验证结果 (表2)知，最大似然法分类总体精度为89.76%，kappa 系数为 0.87。

表2 精度验证系数表

2.3.4 屏幕矢量化

基于建成区具有连续的、成片区域特点，利用ENVI软件的屏幕数字化功能将分类后各个建成区图斑矢量化，并转换成GIS可识别的矢量文件格式后导入GIS软件，提取分析各个建成斑块区。在矢量文件下，基于GIS软件下，增加分析斑块的面积 (area)、周长 (length)等字段，利用ArcGIS自带字段计算器计算提取建成区面积、周长等，建立建成区的面积和周长属性数据库。

2.3.5 建成区扩展指标分析方法

城市建成区时空扩展分析主要基于GIS空间分析技术，结合相关学科定量分析方法，引入扩展速度指数、扩展强度指数、分形维数和紧凑度指数等对城市建成区的扩张模式和方向性进行分析。

基于已提取的各个时期建成区边界，在GIS软件平台利用信息提取技术提取各时期建成区斑块的面积和周长信息，从而研究分析各个时期建成区在相应时间段内的面积变化。

上述公式中，Aa为研究某一时间段的初期城市建成区面积，Ab为该时间段的研究末期城市建成区面积，T为该研究时间段的跨度年份。

扩展速度指数是研究城市空间扩展强度的重要性指标，主要用于描述在不同时段范围内各个建成区研究单元的面积扩展强弱、快慢及其扩展趋势，计算表达式为:

式 (3)中Ua、Ub分别为a时刻和b时刻某一种利用类型土地的面积，T为a时刻与b时刻之间的研究时长，设T以年为单位，则Mue为该利用类型土地面积的年变化率［6-7］。

城市的空间形态具有分形的特征，体现了城市内部自组织、自相似和边界分形扩展的能力，因此利用分维数来分析描述其复杂的边界形状是十分有意义的，同时也反映了城市内部土地利用的形状变化［10-12］。分形维数是一个面积与周长之间的关系函数，结合景观生态学的形状指数，其定义如下［13］:

式 (4)中，St为t时期城市斑块的分形维数，At、Pt分别为t时期城市斑块的面积与周长。一般的，St的理论值介于1～2之间，值越大则其边界越复杂，值越小则边界趋于简单整齐，用地紧凑节约较好，说明该城市斑块向一种更好的趋势发展。

城市空间外部形态的一个十分重要表征指数是外围轮廓紧凑度指数。利用Boyce提出的紧凑度指数公式计算不同时期的紧凑度指数［14］:

上式 (5)中，k为城市形态紧凑度指数，A、P分别为城市面积和城市轮廓周长。紧凑度指数k以圆形区域作为标准度量单位，即圆形地物的紧凑度指数为k=1，则其他任何形状地物紧凑度指数均为0＜k＜1。一般的，紧凑度指数越大则其空间形态越紧凑;反之则紧凑性能越差，地物离散程度则越大。城市空间形态紧凑度越大则其受外界干扰越小，较容易保持其内部形态稳定性［15］。

3 结果与分析

钦州市建成区扩展受其规划影响，1992年钦州港区开始筹划并于1994年正式获得批准后开始建设，钦州港区的建设是全国少有的由填海区开始建设区域之一。从获取的影发现，港区填海区域于1995年可明显提取，而其港区建成区域则从1996年开始可明显提取到填海区域面积，但是截止2010年的影像仍未能明显提取滨海新区和三娘湾度假区的建成区边界信息。因此，对钦州市中心城区建成区研究主要对象为主城区、钦州港区，且钦州港区建设的特殊性对其研究从其填海建设开始研究。

3.1 建成区面积增长分析

城市空间的扩展最主要最直观的表现即建成区面积的增长。研究提取从1987～2010年的各个时期钦州市中心建成区边界，结合GIS信息提取技术和叠加分析功能，提取各年份建成区面积周长信息，表3显示从1987～2010年期间建成区面积和周长均连续增加。

表3 1987～2010钦州市中心城区建成区面积增长统计

由表3中建成区扩展面积情况明显可以看出，从1987～2005年期间的年平均扩张面积均为增加趋势，而2005～2008年的年平均扩张面积则为下降趋势，2008年后年平均扩张面积继续增加，并且增加量较大，尤其是钦州港区的2008～2010年期间年平均扩张面积约为前几年的4倍之多。主城区的年平均扩张面积在2000年之前相差较小，而2000～2005年期间的年平均扩张面积急剧增加，约为1996～2000年间的3倍;随后2005～2008年间的年平均扩张面积减小，仅约为0.65km2;2008～2010年间的年平均扩张面积恢复增加，建成区扩张面积增加表明城市的发展水平不断提高。钦州港区的年平均扩张面积规律与主城区相似，均是2005年之前持续增加，而2005～2008年突然下降，2008年后继续增加，并且2008～2010年的年平均扩张面积为2.83km2，其扩张面积量约为前几年最大扩张面积的3倍，处于快速增长阶段，说明2008～2010年钦州港区发展快速。

3.2 扩展强度分析

研究采用扩张速度指数和扩张强度指数分析建成区扩展强度，不同时段建成区扩张速率扩张强度经过可视化显示 (如图4)显示:主城区在1996年之前处于扩张缓慢下降阶段，1996年后至2005年扩张速率逐渐上升，2005年扩张速率最大，而1987年到2005年的扩张强度一直处于逐渐缓慢上升趋势;2005～2008年主城区的扩张速率和扩张强度均下降，说明2005年至2008年间主城区发展缓慢，之后扩张强度增加。钦州港区在1990～2008年间一直处于扩张速率不断下降趋势，之后上升。可见，主城区和钦州港区在2005～2008年间面积扩张均处于减少区域，该阶段城市发展缓慢。

图4 各时段建成区扩展速度指数 (a)及扩展强度指数 (b)

3.3 扩张形态分析

扩展形态分析主要通过计算斑块的面积-周长线性相关性、分形维数和紧凑度指数反映其边界扩展形态和扩展过程中斑块内部土地利用形态。基于提取的建成区面积和周长信息，按照相关模型和公式计算分形维数和聚集度指数 (如表4)。

根据分形原理，采用边界维数的计算模式分别计算1987～2010年期间7个年份的建成区面积和周长的自然对数，以周长对数为横坐标，面积对数为纵坐标做线性拟合。结果显示钦州市建成区的面积对数与周长对数呈现较强的相关性 (图6)，其中主建成区的线性拟合函数为Ln(At)=1.135 Ln(Pt)+3.924，相关性系数R2为0.841;钦州港建成区的线性拟合函数为Ln(At)=1.330 Ln(Pt)+1.565 相关性系数R2较主城区高，为0.877，说明钦州港建成区较主建成区有较显著的线性回归关系。

图6 建成区面积-周长对数相关性 (a为主城区，b为钦州港区)

表4 建成区扩张形态指数

根据面积-周长线性拟合方程和分维数计算模型，计算不同时期钦州市各城区分维数 (图7a)，可以看出:1987～2010年间，主城区和钦州港区的分形维数值均介于1.0到1.5之间，说明其建成区形态较简单，且呈现不规则的变化趋势，在建成区面积不断扩张的前提下，该时期内建成区以外部扩张为主内部填充为辅。由图表可知1990年和2008年主城区分形维数下降较大，且1990年和2008年均处于面积增加，说明该两个时期扩张主要以内部填充为主要;此外主城区各年份的分形维数均处于1.1上下波动，说明主城区主要以较简单的外部面积延伸为主要扩张趋势。钦州港区的分形维数从1990年到2010年均处于1.15左右波动，说明面积扩张以外部范围延伸为主要。

采用紧凑度计算公式计算得到钦州市建成区扩张过程中紧凑度指数 (图7b)，结果表明，钦州市建成区的紧凑度指数相对较低，1987年和1990年因建成区用地规模相对较小，紧凑度相对较高，且1990年较1987年高。结合1990年分形维数较1987年低及面积扩张趋势表明，1990年建成区用地以内部填充为主，用地规模紧凑;1990～1996年紧凑度指数急剧下降，1996年后紧凑度指数波动较小，紧凑度较低，总体保持相对稳定的外部扩张状态。钦州港区的紧凑度指数从1996～2010年均维持在0.2左右，2000～2005年期间紧凑度有上升趋势，2005年后逐渐下降。钦州港区的紧凑度变化与其自身发展有密切关系，2000～2005年钦州港区面积扩张剧增，外部扩张和内部填充同时进行，故紧凑度有上升趋势;2005～2008年面积扩张急剧减少，而分形维数增加说明以外部小范围扩张为主。

图7 各时期建成区形态指数 (a为分维数，b为紧凑度指数)

4 结论

通过钦州市中心城区扩展分析，得出以下主要结论:

(1)1987～2005年期间的年平均扩张面积均为增加趋势，而2005—2008年的年平均扩张面积则为下降趋势，2008年后年平均扩张面积继续增加，并且增加量较大且扩展以主城区围绕钦江向北方向为扩展为主，表明主城区在该时段处于前期缓慢扩张向快速扩张发展阶段。

(2)钦州港区的年平均扩张面积规律与主城区相似，均是2005年之前持续增加，而2005～2008年突然下降，2008年后继续增加。

(3)扩张速度指数和扩张强度指数均表明:主城区在1996年之前处于扩张缓慢下降阶段，1996年后至2005年扩张速率逐渐上升，2005年扩张速率最大，而1987年到2005年的扩张强度一直处于逐渐缓慢上升趋势;而2005年至2008年间主城区发展缓慢，之后扩张强度增加;主城区和钦州港区在2005～2008年间面积扩张均处于减少区域，该阶段城市发展缓慢。

(4)1987～2010年间，主城区和钦州港区的建成区形态较简单，且呈现不规则的变化趋势，在建成区面积不断扩张的前提下，该时期内建成区以外部扩张为主内部填充为辅;钦州港区从1990～2010年面积扩张以外部范围延伸为主要。城市发展理论认为，每个城市扩张都会经历缓慢扩展期、中速扩展期、快速扩张期［16-17］;分析可知目前钦州市中心城区发展处于中速发展向快速发展阶段，城市发展仍将趋于剧烈演化阶段，因此继续探索钦州市建成区扩展的时空规律性对今后钦州市城市发展方向的定位和规划的指导意义重大，其发展规律性有待进一步探索发现。

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