蘭州市安寧區彩鋼棚空間分布特征及分析

李鵬元，楊樹文,3，楊玲莉 ，閔 霄，張 珊

（1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅省遙感重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000）

蘭州市安寧區彩鋼棚空間分布特征及分析

李鵬元1,2，楊樹文1,2,3，楊玲莉1，閔 霄1，張 珊1

（1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅省遙感重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000）

基于平均最近鄰、標準差橢圓、核密度等分析方法，研究了用于民用臨時住房的小型彩鋼棚和工業用大型彩鋼棚的空間分布特征。實驗結果表明，安寧城區小型彩鋼棚、大型彩鋼棚在空間中都呈聚集性分布，且兩者分布方向為東南-西北軸向，但彩鋼棚在不同區域的分布密度卻有明顯差異。總體反映出安寧城區結構深受地理環境、交通狀況以及政府決策的影響，城市的經濟發展仍相對滯后，城區內部亟待改造升級。

彩鋼棚；空間分布；平均最近鄰；標準差橢圓；核密度

城市空間結構是城市中物質環境、功能活動和文化價值等組成要素之間關系的表現方式，其理論主要包括城市物質空間結構、城市經濟空間結構、城市社會空間結構3個方面[1]，從研究尺度可分為宏觀和微觀兩個層次。宏觀層次的城市物質空間結構研究起步較早，在測度方法、形態類型評價、空間緊湊度、空間增長特征、演變機制方面有大量成果出現[2-4]。微觀層次的城市物質空間結構研究是指通過分析某一單一景觀的空間分布特征，并從中反演出與此相關的城市形態[5-9]。 彩鋼棚是近年來大量涌現的一種重要城市地物，其空間分布與城市自身的結構形態關系密切。本文嘗試通過分析彩鋼棚這一獨特空間要素的分布格局，以此挖掘城市有價值信息。

1 彩鋼棚信息的獲取

安寧區位于蘭州市西北部，東與城關區相接，西與西固區毗鄰，南臨黃河，北依群山。其影像如圖1所示，該影像是2015-07-28獲取的GF-1影像。前期已構建了基于知識規則的彩鋼棚決策樹提取模型，根據該模型和算法提取的蘭州市安寧區彩鋼棚信息如圖2所示。

圖1 安寧區GF-1遙感影像

圖2 安寧區彩鋼棚信息

2 要素空間分布特征分析方法

要素在空間中有聚集或分散、分布重心、分布方向、在不同區域的分布密度等諸多特征，本文選用平均最近鄰、標準差橢圓、核密度等分析方法分別對要素的這些特征作出研究。為方便分析，研究對象都簡化為點要素（面狀要素用質心代替）。

2.1 平均最近鄰分析

平均最近鄰用于評價要素在空間中是否具有聚集性分布特性。分析的過程是：先計算每個點與最鄰近點的距離，再求解所有最近距離的平均值，可用觀測平均最近鄰距離計算：

式中，n表示點要素數量，di表示第i個要素與最鄰近要素的距離。點集在隨機分布情形下的預期平均距離是：

式中，A表示圍成點集的包絡線面積。當觀測平均最近鄰距離小于預期平均距離時，認為要素在空間中具有聚集性分布特征，反之呈離散分布。實際計算中，常通過平均最近鄰指數NNI衡量：

顯然，NNI＜1時要素為聚集性分布。

2.2 標準差橢圓分析

標準差橢圓是分析點數據分布方向的常用工具，它由以下幾個要素構成：轉角θ、沿長軸的標準差和沿短軸的標準差[10]。轉角θ可以看作是笛卡爾坐標系下x軸和y軸按照點集分布的地理方位沿一定角度旋轉后，正北方向與順時針旋轉的長軸之間的夾角。標準差橢圓的計算公式如下：

式中，(xi, yi)是點i的坐標；pi是點的權值，(xc, yc)是點集的重心。式（6）中，根據tanθ可以得到點分布格局的轉角。式（7）中，δx、δy分別為沿x軸的標準差和沿y軸的標準差[11]。橢圓面積反映要素的分布范圍大小；長軸與短軸之比越大，要素分布的方向性越強。

2.3 核密度分析

核密度估算方法主要借助一個移動窗口，計算并輸出每個柵格單元的點密度。一般定義為[7]：設x1,…xn是從分布密度函數為f的總體中抽取的獨立同分布樣本，估計f在某點x處的密度值f (x)，通常有Rosenblatt-Parzen核估計：

式中,k()為核函數；h＞0，為帶寬，(x?xi)為估計點到樣本xi處的距離。

3 彩鋼棚空間分布特征分析

3.1 描述性統計

據統計，安寧區彩鋼棚共4 817件，總面積2 770 332 m2，占全區土地面積的4.031%。其中最大彩鋼棚24 700 m2，最小彩鋼棚16 m2，平均面積575 m2，表明彩鋼棚大小差異懸殊，這種差異是由彩鋼棚的用途決定的。實地調查結合影像分析得出，面積大于500 m2的彩鋼棚常用于物流存儲和工業生產，而小于這一閾值的彩鋼棚多是居民、建筑工人臨時住房或其他用途房屋。在后文中，分別簡稱為大型彩鋼棚和小型彩鋼棚。進一步統計，大型彩鋼棚與小型彩鋼棚的數量之比約為3︰20，面積之比是8︰5，即小型彩鋼棚在數量方面居于主導地位，而面積上大型彩鋼棚占優。

3.2 彩鋼棚聚集性分析

大型彩鋼棚與小型彩鋼棚在城市中表征的意義不同。表1是計算得到的彩鋼棚平均最近鄰結果，表中小型彩鋼棚與大型彩鋼棚的最近鄰指數小于1，說明兩者在空間中都呈聚集性分布。但觀測平均距離前者比后者小，表明小型彩鋼棚的分布較大型彩鋼棚密集。

表1 平均最近鄰分析結果

3.3 彩鋼棚分布方向分析

以彩鋼棚面積作為權重字段，計算標準差橢圓參數見表2，顯示如圖3（圖中藍色質心點表示小型彩鋼棚，紅色質心點表示大型彩鋼棚）。結合圖表得出，小型彩鋼棚在全區的分布范圍較大型彩鋼棚廣泛；小型彩鋼棚與大型彩鋼棚的主要擴散方向是東南-西北軸向，且大型彩鋼棚的這種擴散趨勢更顯著；與小型彩鋼棚比，大型彩鋼棚的分布重心偏西。

表2 標準差橢圓參數

圖3 標準差橢圓分析結果

3.4 彩鋼棚密度分析

平均最近鄰、標準差橢圓從整體上描述了彩鋼棚的分布狀況。為詳細了解彩鋼棚在不同區域的分布特點，對其進行核密度分析，圖4、5是以彩鋼棚面積作為計算字段得到的分析結果。在分析之前，用主要道路網對安寧區進行區域劃分，圖中的粗黑線條表示區內的主要道路，這種劃分方法與傳統的網格劃分、等扇劃分以及象限劃分相比，更具有靈活性、符合當地實際情況。圖中主要道路結合行政區邊界將當前城市劃分為了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6大塊區域。Ⅰ區域是政府所在地且人口密集，因此作為中心地帶；Ⅱ、Ⅲ靠近中心，是次中心區域；Ⅳ與中心隔開，故作為次邊緣地帶；Ⅴ、Ⅵ離中心最遠，屬邊緣地帶。圖4中小型彩鋼棚在次中心、次邊緣、邊緣地帶都有高密度分布，而尤以Ⅱ次中心區域高密度分布范圍最廣。圖5顯示出大型彩鋼棚在城區次中心地帶有零散的高密度分布，至最邊緣地帶高密度分布范圍加強，但大面積的密集分布出現在Ⅳ次邊緣地帶。圖4、5共同反映出小型彩鋼棚與大型彩鋼棚在Ⅴ、Ⅵ邊緣區域有沿道路兩側分布的趨勢。

圖4 小型彩鋼棚核密度分析結果

圖5 大型彩鋼棚核密度分析結果

4 彩鋼棚與城市間的聯系

彩鋼棚在城市的構成要素中占據重要地位。其中,小型彩鋼棚在區內分布廣泛，在次中心地帶更呈現大片密集型分布。實地走訪了解到,此類連片區屬“城中村”。“城中村”是城市化進程中未待開發的農村村落或居民區域，表明安寧區由農村轉化而來的特征明顯，且目前仍處于過渡階段。考慮到彩鋼易燃的特性，這類區域需加強火情檢測。

大型彩鋼棚集中于城區次邊緣地帶，這是市場和政府決策共同作用的結果。在城市中心，土地價格昂貴，建設大型彩鋼棚成本較高，同時部分工業生產過程會對環境產生危害，使大型彩鋼棚在市區的建設不適宜。需要指出的是，大型彩鋼棚的多少并不是衡量一個地區工業能力的指標，因工業生產不總是依賴彩鋼棚實現，但若結合土地利用現狀圖可知，大型彩鋼棚與一般工業生產建筑具有親和性，故大型彩鋼棚的空間分布特征能間接反映出地區的工業布局。

在城市最邊緣地帶，大型彩鋼棚與小型彩鋼棚往往同時出現，這種小型彩鋼棚區別于中心地帶的棚戶區房屋，它常作為工人臨時住所，代表城市的建設力量。為方便與城區的聯系，兩類彩鋼棚都趨向道路兩側分布。根據GF-1遙感影像，此地帶的地理構成要素主要有綠地和山地，彩鋼棚在這種特殊地帶內的擴展存在一定的局限性，這也表明安寧區在未來一段時間的城市擴展會放緩。

5 結 語

針對彩鋼棚空間分布與城市結構和發展存在聯系這一現實，通過平均最近鄰、標準差橢圓、核密度分析等方法分別研究了大型彩鋼棚與小型彩鋼棚在城區中的空間分布格局。結果表明,小型彩鋼棚、大型彩鋼棚空間分布特征既有相同點，也有不同點，這些特征反映出安寧城區的空間形態和發展現狀。

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1672-4623（2017）12-053-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.017

2016-09-29。

甘肅省科技計劃資助項目（1506RJZA070,148RJZA028）；甘肅省高等學校科研資助項目（2015A-049）；甘肅省遙感重點實驗室（寒旱所）開放基金;蘭州市人才創新創業項目共同資助（2015-RC-28）。

李鵬元，碩士研究生，主要從事遙感圖像信息識別方面研究工作。