基于規(guī)則集的城市空間擴展監(jiān)測研究

劉玲玲，白 穆，李祥武，蘭 明，馬紅利

（1.國家測繪地理信息局 陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054）

基于規(guī)則集的城市空間擴展監(jiān)測研究

劉玲玲1，白 穆1，李祥武1，蘭 明1，馬紅利1

（1.國家測繪地理信息局 陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054）

以陜西省咸陽市秦都區(qū)與渭城區(qū)為研究區(qū)域，利用1997年、2004年、2012年高分辨率影像數(shù)據(jù)和1999年、2001年、2006年、2008年、2010年的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，建立了監(jiān)測城市空間擴展的多重規(guī)則集；并按照規(guī)則集獲得了監(jiān)測年份的城市空間擴展信息。

中高分辨率衛(wèi)星影像；城市空間擴展；規(guī)則集；監(jiān)測

城鎮(zhèn)化或稱城市化，是人口向城市集中的過程，包含社會、人口、空間和經(jīng)濟轉(zhuǎn)換等多方面內(nèi)容。2001年公布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要》中首次提出“要不失時機地實施城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略[1]”。無論在全球、區(qū)域或地方尺度，城市化都是對環(huán)境造成巨大影響的人類活動之一[2]。城市空間擴展是城市化現(xiàn)象在空間上的表現(xiàn)，因此它是衡量城市化水平的主要測度指標之一。城鎮(zhèn)化進程監(jiān)測是典型地理國情監(jiān)測試點內(nèi)容之一[3]。我國正處于城市化進程快速發(fā)展時期，及時掌握城市空間擴展信息，以及其與人口、經(jīng)濟的關(guān)系，對于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理及決策具有重要的現(xiàn)實意義。

周一星[4]提出以人均國民生產(chǎn)總值衡量經(jīng)濟發(fā)展水平與城市化關(guān)系的觀點。顧朝林[5]認為中國并不存在國外學(xué)者所說的“反城市化”結(jié)論。趙燕菁[6]認為國際戰(zhàn)略格局、市場、資源和專業(yè)分工對中國城市化過程的形成有極大的影響。瑞典學(xué)者哈格斯特朗在熊彼德“創(chuàng)新”學(xué)說的基礎(chǔ)上提出了現(xiàn)代空間擴散理論，指出創(chuàng)新由源地向四周擴散的方式有波狀擴散、輻射擴散、等級擴散及跳躍擴散等，并建立了其與城鎮(zhèn)體系形成階段的對應(yīng)關(guān)系。在英國，與城市建成區(qū)相似的概念是“城市地區(qū)”，是以建成區(qū)為基礎(chǔ)的城市市鎮(zhèn)實體地域劃分[7]。美國將城鎮(zhèn)化稱為城市化地區(qū)，美國學(xué)者在發(fā)展前人觀點的基礎(chǔ)上提出“全球區(qū)域城市”的觀點[8]。

1 數(shù)據(jù)源及研究區(qū)域

本文研究數(shù)據(jù)源的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是CGCS2000坐標系，高斯-克呂格投影方式，中央經(jīng)線111°。數(shù)據(jù)源類型見表1所示。

表1 數(shù)據(jù)源類型

研究區(qū)選擇陜西省咸陽市的市轄區(qū)秦都區(qū)和渭城區(qū)，位于咸陽市東南部，橫跨渭河，面積約為531km2，地勢北高南低，地形分為平原和臺塬兩部分。市轄區(qū)集中多家大型電子紡織醫(yī)藥企業(yè)，如彩虹集團、西北國棉二廠等。

2 規(guī)則集與城市空間擴展監(jiān)測

2.1 規(guī)則集的建立思路

城市具有獨特的形態(tài)特征，“城市形態(tài)”是空間在時間中的結(jié)晶，形態(tài)是城市聚落演變中最為持續(xù)的遺存[9]。城市空間擴展反映了城市形態(tài)在地域上的動態(tài)演變過程。城市道路的開辟和建設(shè)往往是城市空間擴展的伸展軸，對城市空間擴展有指向作用。道路在城市建成區(qū)中有著極其重要的作用[10]。

基于規(guī)則集的城市空間擴展監(jiān)測技術(shù)路線采用多源遙感影像數(shù)據(jù)，在時間序列監(jiān)測過程中，低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)位于兩期高分辨率影像數(shù)據(jù)之間的監(jiān)測時點。首先，利用高分辨率影像數(shù)據(jù)，采用城市空間擴展規(guī)則a集獲得監(jiān)測時點的城市空間擴展監(jiān)測成果；再利用城市空間擴展規(guī)則b集獲得監(jiān)測時點的城市空間擴展監(jiān)測成果；然后綜合使用兩期監(jiān)測成果和低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲得低分辨率影像數(shù)據(jù)的監(jiān)測成果；最終構(gòu)成時間序列城市空間擴展監(jiān)測成果（圖1）。

城市空間擴展規(guī)則a集從遙感影像的建筑物面積和紋理特征出發(fā)，結(jié)合道路寬度和等級，判斷出主城區(qū)和主城區(qū)的干道；然后由面積和區(qū)域內(nèi)的道路，以及和主城區(qū)、或與主城區(qū)干道聯(lián)系情況，判斷主城區(qū)周邊地區(qū)；再根據(jù)廠礦、企業(yè)和高校標志設(shè)施的紋理特征判斷出分散的廠礦、企業(yè)和學(xué)校為主的城市空間擴展區(qū)域。

圖1 基于規(guī)則集的城鎮(zhèn)化進程監(jiān)測技術(shù)路線圖

城市空間擴展規(guī)則b集獲得首次和末次監(jiān)測成果。若兩期監(jiān)測成果的影像紋理和城市空間結(jié)構(gòu)無顯著變化，中間監(jiān)測時點的城鎮(zhèn)化監(jiān)測成果應(yīng)位于二者之間；若兩期監(jiān)測成果在紋理和城市空間結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化，應(yīng)以低分辨率影像數(shù)據(jù)紋理和光譜信息為基礎(chǔ)，對比兩期影像數(shù)據(jù)，選擇其中影像信息較為一致的數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，確定低分辨率影像上的城鎮(zhèn)化監(jiān)測成果。

2.2 城市擴展監(jiān)測規(guī)則集

城市空間擴展規(guī)則a集主要基于高分辨率影像數(shù)據(jù)，主要內(nèi)容見表2。城市空間擴展規(guī)則b集是在獲得兩期基于高分辨率影像數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用低分辨率影像數(shù)據(jù)提取城市空間擴展監(jiān)測信息，主要內(nèi)容見表3。

3 城市空間擴展分析

通過應(yīng)用以上規(guī)則，對咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)影像進行分析，范圍如圖2所示。

最終得到1997年、1999年、2001年、2004年、2006年、2008年、2010年和2012年的城鎮(zhèn)化建成區(qū)面積，如表4所示。

3.1 面積增長速度

由表4分析得到研究區(qū)遙感解譯面積增長速度圖（圖3）。咸陽市市轄區(qū)建成區(qū)面積變化有3個階段：1997～1999年，增長面積0.87 km2，年變化率為1.43%；1999～2006年，增長面積10.64 km2，年變化率為4.29%；2006～2010年，增長面積22.74 km2，年變化率為11.49%。由此可見隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增多，城市建成區(qū)面積也在增長，且速度越來越快。

3.2 城市重心變化

城市重心轉(zhuǎn)移指數(shù)反映了城市空間分布的總體變化趨勢。

表2 城市空間擴展規(guī)則a集主要內(nèi)容

表3 城市空間擴展規(guī)則b集主要內(nèi)容

1997～2004年，咸陽市委、市政府堅持以西部大開發(fā)統(tǒng)攬各項工作，精心實施結(jié)構(gòu)調(diào)整、開放帶動、科技興市三大戰(zhàn)略。其中，2004年秦都區(qū)榮獲全國科技進步先進區(qū)、科普示范城區(qū)、電子政務(wù)建設(shè)綜合獎等國家和省市各類獎勵18項[11]。2008～2010年秦都區(qū)生產(chǎn)總值、規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入和農(nóng)民人均純收入4項指標增幅再創(chuàng)新高，綜合實力繼續(xù)位居全市前茅[12]。2014-01-06，國務(wù)院發(fā)布國函[2014]2號文件，正式批復(fù)陜西設(shè)立西咸新區(qū)。至此，西咸新區(qū)正式成為國家級新區(qū)，是中國的第7個國家級新區(qū)。

圖2 咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)建成區(qū)范圍

表4 秦都區(qū)、渭城區(qū)建成區(qū)遙感解譯面積統(tǒng)計表

圖3 秦都區(qū)、渭城區(qū)建成區(qū)遙感解譯面積增長速度圖

圖4 監(jiān)測期秦都區(qū)、渭城區(qū)城市重心轉(zhuǎn)移趨勢圖

以上文檔資料可以由圖4直觀佐證秦都區(qū)、渭城區(qū)的相對發(fā)展軌跡，1997～2004年監(jiān)測期間，城市重心轉(zhuǎn)移軌跡向西南方向發(fā)展，秦都區(qū)發(fā)展較為迅速；2004～2008年監(jiān)測期間，城市重心轉(zhuǎn)移軌跡向東發(fā)展，至2010年向南發(fā)展，2010～2012年向北發(fā)展。渭城區(qū)的城鎮(zhèn)化進程加速。

3.3 擴展模式

城市建成區(qū)用地空間擴展主要有3種類型：圈層式、輻射式和跳躍式[13]，1997～2012年，咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)主要是輻射式發(fā)展。城鄉(xiāng)結(jié)合部繼續(xù)進行城鎮(zhèn)化發(fā)展，逐漸將結(jié)合部區(qū)域納入城市范圍，高層建筑物，居民小區(qū)的建造逐年增多；獨立分布的廠礦、企業(yè)、高校等，建成區(qū)面積呈增長態(tài)勢，且與原城市建成區(qū)的連接道路增加，逐漸形成城市周邊的衛(wèi)星小城。城市建成區(qū)發(fā)展呈現(xiàn)高速度、多層次態(tài)勢，逐漸發(fā)展為多中心城市，城市布局更為合理，功能更加完善。

4 結(jié) 語

本文基于中高分辨率衛(wèi)星影像城鎮(zhèn)化范圍界定的規(guī)則集，在對咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)影像判讀研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合《城市規(guī)范法》《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》以及國內(nèi)外對于城鎮(zhèn)化界定的方法，最終確定了建成區(qū)目視解譯的判定規(guī)則集。

[1] 中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要 [EB/OL].http∶//www.moc.gov.cn/zhuzhan/jiaotongguihua/ guojiaguihua/guojiaxiangguan_ZHGH/200709/t20070927_ 420874.html,2014-12/2015-02-16

[2] 陳盛銀.廈門市城市景觀變化分析[J].地理空間信息,2012, 10(3)∶34-36

[3] 謝艾伶,楊海明,朱熙.面向地理國情監(jiān)測的多源地理信息整合[J].地理空間信息,2014,12(1)∶17-20

[4] 周一星,陳彥光.城市地理研究的幾個基本問題[J].經(jīng)濟地理,2004,24(3)∶289-293

[5] 顧朝林,龐海峰.中國城市集聚區(qū)的演化過程[J].城市問題,2007(9)∶2-6

[6] 趙燕菁.國際戰(zhàn)略格局中的中國城市化[J].城市規(guī)劃匯刊,2000(1)∶6-12

[7] 林先楊,陳忠暖,蔡國田.國內(nèi)外城市群研究的回顧與展望[J].熱帶地理,2003,23(1)∶44-49

[8] Richard Le Gates. Visualizing Urbanization with GIS and Data Graphics[R]. Association of American Geographers Annual Meeting, 2006

[9] 王慧芳,周愷.2003～2013年中國城市形態(tài)研究評述[J].地理科學(xué)進展,2014,33(5)∶689-701

[10] GB50220-95.城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范[S].

[11] 陜西省統(tǒng)計局.陜西統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，1997,1999,2001,2004,2006,2008,2010,2012

[12] 咸陽市統(tǒng)計局.咸陽統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，1997,1999,2001,2004,2006,2008,2010,2012

[13] 姚士謀,帥江平.城鎮(zhèn)建設(shè)用地與城市生長[M].合肥∶中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1995

P237

B

1672-4623（2016）05-0035-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.011

劉玲玲，雙碩士，高級工程師，主要研究方向為遙感技術(shù)和地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用。

2015-02-28。

項目來源：國家測繪地理信息局科技發(fā)展計劃資助項目（2011-03）。