基于RS和GIS的巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)分析

胡張武

(安徽省第四測繪院，安徽合肥230031)

基于RS和GIS的巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)分析

胡張武

(安徽省第四測繪院，安徽合肥230031)

在RS和GIS技術(shù)支持下，利用相關(guān)影像，采用監(jiān)督分類和人機(jī)交互相結(jié)合的方法對研究區(qū)城鎮(zhèn)信息進(jìn)行提取，在此基礎(chǔ)上從城鎮(zhèn)體系的空間分布特點及空間集聚與擴(kuò)散效應(yīng)的角度，對研究區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。研究表明，該城鎮(zhèn)體系的空間集聚能力強(qiáng)于擴(kuò)散能力。

RS;GIS;巢湖流域;城鎮(zhèn)體系;空間結(jié)構(gòu)

一、引 言

城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)是區(qū)域自然、經(jīng)濟(jì)因素在空間布局上的綜合反映。分析城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)，對于促進(jìn)城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化，實現(xiàn)城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義［1］。巢湖位于皖中，交通便捷，區(qū)位優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著城市化和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，巢湖流域城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展變化，對巢湖流域的影響不斷增強(qiáng)。因此，加強(qiáng)對巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)的研究，對巢湖流域城鎮(zhèn)體系的未來發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

目前，有關(guān)城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)的研究很多，如文獻(xiàn)［2］從區(qū)域發(fā)展、城鎮(zhèn)體系以及城市用地結(jié)構(gòu)的角度研究其對城市形態(tài)的影響機(jī)制，進(jìn)而對武漢市空間結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［3］通過運用分功能區(qū)的方法分別對杭州市的宏觀空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析等。近年來，隨著RS和GIS技術(shù)在城市研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，一些學(xué)者利用RS和GIS技術(shù)對一些區(qū)域的城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)展開了研究，如文獻(xiàn)［4］基于雷達(dá)衛(wèi)星Scan-SAR遙感圖像分析，根據(jù)中心地理論，提出了關(guān)于城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)如何劃分空間的地理問題，對黃淮海平原不同地貌、水文等要素影響下的城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［1］在遙感技術(shù)與GIS技術(shù)的支持下，采用分形幾何理論對紹興市城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征的演化規(guī)律進(jìn)行了分析。

二、研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.研究區(qū)域

本文研究巢湖流域的城鎮(zhèn)主要位于巢湖及其九條主要環(huán)湖河流附近，具體有巢湖市、合肥市這兩個中心城市和廬江縣及周邊的主要小城鎮(zhèn)，其城鎮(zhèn)體系具有城鎮(zhèn)數(shù)量多、城鎮(zhèn)分布散亂的特點。

2.研究數(shù)據(jù)

采用的遙感圖像數(shù)據(jù)為巢湖流域2001年10月12日Landsat7的ETM+影像，包括可見光和近紅外的六個波段，空間分辨率為30 m×30 m，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)ETM+影像

另外，還收集了巢湖流域1∶50 000地形圖用于輔助圖像的處理以及相關(guān)的社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

三、城鎮(zhèn)信息的提取

從圖1可以看出，研究區(qū)有三個主要的城鎮(zhèn)區(qū)域，分別位于圖的左上方、左下方和右方，在研究區(qū)ETM+的第2波段、第3波段和第5波段合成的影像上為灰色團(tuán)塊狀分布。有關(guān)城鎮(zhèn)信息最直接的自動提取方法是基于影像分類的方法，但城鎮(zhèn)是由建筑物、道路、綠地及空地等多種地物相互交錯而構(gòu)成的復(fù)雜混合體，由于各類地物的差異以及混合比例的不同，在遙感影像上存在著一定的類間差異，利用計算機(jī)分類方法提取精度有限。文獻(xiàn)［5］曾用譜間結(jié)構(gòu)閾值法對TM圖像居民地信息進(jìn)行了半自動提取。文獻(xiàn)［6］仿歸一化植被指數(shù)NDVI，提出歸一化建筑指數(shù)(normalized difference built-up index，NDBI)，利用TM圖像提取了無錫市城鎮(zhèn)用地信息，也取得了較好的效果。文獻(xiàn)［7］在借鑒前人的基礎(chǔ)上，以常德和長沙市區(qū)作為示范，通過對城鎮(zhèn)用地的遙感信息機(jī)理分析，首先利用歸一化植被指數(shù)NDVI和歸一化水體指數(shù)NDWI，設(shè)定合適的閾值去除植被和水體信息;然后利用城鎮(zhèn)用地與裸地的譜間結(jié)構(gòu)特征將兩者進(jìn)行區(qū)分，通過對二值圖像進(jìn)行二值邏輯運算，得到城鎮(zhèn)用地專題信息，取得了令人滿意的結(jié)果。本文采用對影像直接進(jìn)行監(jiān)督分類的方法，并結(jié)合人機(jī)交互修正，進(jìn)行城鎮(zhèn)信息的提取，具體過程如下:

1)對影像進(jìn)行幾何校正，即借助研究區(qū)1∶50 000的地形圖，分別選取遙感影像上與其對應(yīng)的道路交叉點等地理位置明確的同名地物點10個，采用一元二次多項式和最鄰近像元重采樣的方法，對ETM+影像進(jìn)行幾何精度校正，校正誤差控制在0.5個像元以內(nèi)。

2)根據(jù)影像目視判讀和野外實地調(diào)查，將研究區(qū)地表覆蓋大致分為水體、林地、城鎮(zhèn)和耕地四大類，分別選取相應(yīng)的訓(xùn)練樣本構(gòu)建分類模板(如圖2所示)進(jìn)行最大似然法監(jiān)督分類，得到監(jiān)督分類后的巢湖流域影像圖，如圖3所示。

圖2 巢湖流域影像圖的分類模板

3)將圖3中的分類結(jié)果進(jìn)行二值化處理，得到巢湖流域的城鎮(zhèn)分布影像圖，如圖4所示。將其和巢湖流域1∶50 000的地形圖及原始影像相疊加發(fā)現(xiàn)，在圖的左下方，由于云霧的影響使得城鎮(zhèn)區(qū)域比實際范圍大，另外還存在一些零星的小城鎮(zhèn)的遺漏和誤判現(xiàn)象，因此，需采用人機(jī)交互的方式對影像圖進(jìn)行一定的人工修正處理。

圖4 巢湖流域的城鎮(zhèn)分布影像圖

四、城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)分析

1.城鎮(zhèn)體系的空間分布

從圖4可知，巢湖流域的城鎮(zhèn)體系主要是分布在九條主要環(huán)湖河流附近，只有為數(shù)不多的城鎮(zhèn)沿湖分布。主要以巢湖市、合肥市和廬江縣三個規(guī)模較大的城鎮(zhèn)為中心，這三個城鎮(zhèn)大體呈等腰三角形分布，既依托于巢湖流域，又對巢湖流域產(chǎn)生一定的影響。由于它們所處的地理位置不同，各自發(fā)展的方向也不同:巢湖市位于巢湖流域的東邊，向西發(fā)展已經(jīng)不可能，東面又有大山將巢湖市與其他城市相隔，因此只能以向北和向南發(fā)展為主;合肥市位于巢湖流域的西北邊，東邊和西邊分別有肥東和肥西兩個城鎮(zhèn)，且這兩個城鎮(zhèn)的發(fā)展已具有一定的規(guī)模，有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)實力，北邊與其他城市相隔較遠(yuǎn)，聯(lián)系不太密切，因此合肥市主要以向南發(fā)展為主;廬江縣是縣級城鎮(zhèn)，位于巢湖流域的西南邊，自身的經(jīng)濟(jì)實力較弱，如果僅憑自身發(fā)展壯大困難重重，因此廬江縣依托巢湖市和合肥市的經(jīng)濟(jì)實力發(fā)展壯大自身，主要以向東和向北發(fā)展為主。此外，巢湖市、合肥市和廬江縣這三個城鎮(zhèn)之間的相互關(guān)系也很緊密，巢湖市與合肥市的距離約為64 km，廬江縣離合肥市的距離較近，離巢湖市的距離較遠(yuǎn)。

2.空間集聚與擴(kuò)散效應(yīng)分析

巢湖流域的城鎮(zhèn)體系是經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、文化相互組合的空間景觀，是經(jīng)濟(jì)社會活動空間集聚與空間擴(kuò)散的過程與結(jié)果，處于集聚效應(yīng)與擴(kuò)散效應(yīng)的相互影響和相互作用中。所謂集聚效應(yīng)，是指因社會經(jīng)濟(jì)活動的空間集中而形成的聚集經(jīng)濟(jì)與聚集不經(jīng)濟(jì)綜合作用的結(jié)果。其本質(zhì)上是兩種力量的作用:①聚集經(jīng)濟(jì)作為空間聚集的吸引力推動著城市區(qū)域的形成和發(fā)展;②聚集不經(jīng)濟(jì)作為排斥力限制著城市的進(jìn)一步聚集和規(guī)模擴(kuò)大。所謂擴(kuò)散效應(yīng)，是指所有位于經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張中心的周圍地區(qū)，都會隨著與擴(kuò)張中心地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施的改善等情況，從中心地區(qū)獲得資本、人才等，并被刺激促進(jìn)本地區(qū)的發(fā)展，逐步趕上中心地區(qū)［8］。集聚與擴(kuò)散是相互對立且相互并存的，是制約區(qū)域空間結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展的重要機(jī)制。

第四，實行綠色生產(chǎn)：推廣生物肥料，施用農(nóng)家肥；使用治標(biāo)又治本的植物農(nóng)藥；秸稈還田，改良土壤，減輕對化肥的依賴，減少環(huán)境污染。

從圖4可以看出，一方面，巢湖市、合肥市、廬江縣這三個城鎮(zhèn)的規(guī)模較大，人口較多，交通便利，存在一定的區(qū)位優(yōu)勢，吸引了大量的人力、物力向其轉(zhuǎn)移，從而有大量的中小城鎮(zhèn)向這三個城鎮(zhèn)聚集，體現(xiàn)了城鎮(zhèn)的集聚效應(yīng)。其中，合肥市、廬江縣的規(guī)模相對較大，各中小城鎮(zhèn)圍繞其分布發(fā)展比較集中，說明合肥市、廬江縣的空間集聚能力相對較強(qiáng);巢湖市的規(guī)模相對較小，周邊只零星地分布了一些小城鎮(zhèn)，說明巢湖市的空間集聚能力相對較弱。另一方面，由于巢湖市、合肥市、廬江縣為了擴(kuò)大城市規(guī)模、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的更快發(fā)展以及由于人口、土地等壓力，交通、科技、通信等因素的迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)需向外擴(kuò)展，體現(xiàn)了城鎮(zhèn)的擴(kuò)散效應(yīng)。

總之，巢湖流域城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)深受自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域位置等因素的影響，巢湖市、合肥市、廬江縣以其具有優(yōu)勢的區(qū)位、相對良好的基礎(chǔ)設(shè)施和軟硬件設(shè)施、較好的就業(yè)機(jī)會、方便的服務(wù)設(shè)施等因素，對經(jīng)濟(jì)、人力、物力的進(jìn)一步集聚發(fā)展具有較強(qiáng)的吸引力。但為了城市各個方面的進(jìn)一步協(xié)調(diào)發(fā)展，巢湖市、合肥市、廬江區(qū)需積極地向外擴(kuò)散發(fā)展，這體現(xiàn)了城鎮(zhèn)集聚力與擴(kuò)散力的統(tǒng)一，其中城鎮(zhèn)的集聚力強(qiáng)于城鎮(zhèn)的擴(kuò)散力。

五、結(jié) 論

通過對巢湖流域城鎮(zhèn)分布影像圖及相關(guān)資料的分析研究，得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)前巢湖流域的城鎮(zhèn)分布主要是分布在九條主要環(huán)湖河流附近，只有為數(shù)不多的城鎮(zhèn)沿湖分布，且除巢湖市、合肥市、廬江縣規(guī)模較大、人口較多、發(fā)展較快之外，其他的巢湖流域的城鎮(zhèn)規(guī)模較小、發(fā)展不旺、人口不多，一般不超過10萬人。

2)由于三個中心區(qū)域所處的地理位置不同，各自發(fā)展的方向也不同。合肥市以向南發(fā)展為主，廬江縣以向東和向北發(fā)展為主，巢湖市以向北和向南發(fā)展為主，三個城鎮(zhèn)之間的相互關(guān)系緊密。

3)巢湖流域的城鎮(zhèn)體系在表現(xiàn)出一定集聚能力的同時，也表現(xiàn)出一定的擴(kuò)散能力。一般來說，巢湖流域城鎮(zhèn)的集聚能力強(qiáng)于擴(kuò)散能力，并在一定程度上體現(xiàn)了集聚能力與擴(kuò)散能力的統(tǒng)一。

4)由于受巢湖流域的影像圖分辨率的限制，對巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行宏觀分析，如果采用近期高分辨率巢湖流域的影像圖，如2.5 m分辨率的SPOT 5影像，1 m分辨率的IKONOS影像、0.67 m分辨率的QuickBird影像等，可以進(jìn)一步細(xì)致分析城鎮(zhèn)體系內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，深入探討城鎮(zhèn)體系的發(fā)展規(guī)律。

5)為了維持巢湖流域的可持續(xù)發(fā)展，各主要城鎮(zhèn)在保持其集聚發(fā)展的基礎(chǔ)上，也要注意其擴(kuò)散效應(yīng)，加強(qiáng)對環(huán)境的整治，同時加強(qiáng)相互之間的合作，這樣才能維持城鎮(zhèn)體系集聚力與擴(kuò)散力的統(tǒng)一，保持巢湖流域健康、可持續(xù)地發(fā)展。

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Analysis of the Spatial Structure of Urban and Town System in the Chaohu Basin Based on RS and GIS Techniques

HU Zhangwu

0494-0911(2011)03-0069-03

P208

B

2010-12-10

胡張武(1976—)，男，安徽桐城人，工程師，主要研究方向為GIS原理與應(yīng)用.