宿州市城市扩展的遥感动态变化监测与评价

方 刚

(宿州学院 a. 安徽省煤矿勘探工程技术研究中心, b. 地球科学与工程学院, 安徽 宿州 234000)

城市化是当今社会发展的必然产物,也是社会进步的一个重要标志.在当今世界,城市化已成为一种普遍现象,是对环境造成重要影响的人类活动之一[1-4].城市化最明显的特征就是以建成区为主,不断扩展城市空间领域, 城市扩展以及由此引发的土地利用/覆被变化已成为国土资源监测的主要任务之一[5-7].随着社会经济的快速发展、城市人口的不断增多、城市功能的不断扩展和完善、人们生活水平的不断提高,都要求城市用地面积和规模不断扩大,特别是城市建设用地.近年来,国内外许多学者对城市建设用地扩展的空间动态变化监测开展了大量研究工作,研究成果不仅可以加深人们对城市扩展本质的理解,而且还能为城市可持续发展提供科学有效的空间决策依据[8-10].

遥感技术手段具有快速、准确、实时、高效和周期短等优点,在城市扩展动态变化监测方面具有特殊的优势,已经成为研究城市扩展动态变化监测的主要手段之一,也是当前城市遥感研究的一个热点.Hakan[11]利用IKONOS和QuickBird影像对卡赫拉曼马拉什及其周边地区的城市扩张与土地适宜性进行评价;Masek和Lindsay等[12]利用Landsat数据对华盛顿特区城市扩展动态变化进行了研究.刘慧平等以长沙市、株洲市和湘潭市为研究区,利用遥感技术手段对城市扩展过程的土地利用动态变化监测开展研究;戴昌达、范作江和何春阳等[ 13-15]在不同时空尺度上对北京市城市扩展进行了遥感监测和模拟预测;汪小钦[16-20]等利用遥感技术对福清市、上海市、泰安市、长春市和厦门市城市扩展做了大量研究.

本文在他人研究成果的基础上, 利用多时相遥感影像, 对宿州市1987—2013年城市建设用地扩展的时空特征进行了分析, 运用分形理论对城市建设用地分形维数进行分析, 探讨城市建设用地复杂性、稳定性与分形维数之间的关系, 实现了基于多目标遥感信息处理的城市扩展与生态环境响应的定量监测与分析, 对宿州市城市规划、城市建设和城市管理等都具有一定的借鉴作用, 也可为宿州市城市建设与可持续发展提供科学依据.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宿州市位于安徽省东北部,地处皖苏鲁豫四省交汇地带,是安徽的北大门.1999年撤地建市,辖4县1区、6个省级开发区、宿马现代产业园区和高新技术产业开发区,面积为9 787 km2.本文研究区为宿州市区,辖8个街道办事处、城东、汴河、三八、北杨寨等局部区域,是宿州市政治、经济、文化中心,地形西北高、东南低,有汴河、沱河、三八河、运粮河和环城河等主要河流,地表水和地下水流向均是自西北向东南.到2013年4月截止,宿州市建成区面积约88.26 km2,非农业人口约41.82万人.

近年来,随着城市化进程的加快,宿州市城市扩展迅速,给市民生活环境带来一定的影响.

1.2 数据来源

以宿州市1987年8月11日(Landsat TM)、2000年7月21日(Landsat ETM+)、2005年8月12日(Landsat TM)和2013年4月28日(Landsat 8)4个时相遥感影像为数据源,辅助数据包括宿州市1∶500地籍图、土地利用总体规划图和第二次土地调查1∶10 000土地利用现状图.本文研究区具体范围包括宿州市现有建成区及周边规划区,总面积为119.23 km2,具体见图1.

图1 研究区遥感影像Fig.1 Remote sensing image of the study area

2 城市建设用地的提取

以宿州市2010年土地级别图为基础,将其与地形图进行几何校正,对宿州市2010年土地级别图矢量化并提取研究区边界,再利用地形图对1987年、2000年、2005年和2013年四个时相的Landsat TM/ETM+和Landsat 8遥感影像进行几何配准,总体误差控制在0.3个像元内,用研究区边界对四个时相的宿州市遥感影像进行剪裁,分别提取不同时相的研究区影像图.

结合宿州市总体规划图和土地利用现状图,根据研究需求和遥感影像成像特点,利用人机交互方式对四个时相的研究区遥感影像进行解译,并将每个时相的研究区遥感影像解译为建设用地、耕地、林地和水域四类,最后将每个时相的建设用地单独提取出来,结果见图2.

图2 1987—2013年宿州市建设用地图Fig.2 The construction land in Suzhou from 1987 to 2013

在1987年、2000年、2005年和2013年四个时相影像分类结果的基础上,利用ENVI5.0软件分类后的统计功能分别对四个时相宿州市建设用地面积进行统计,结果见图3.

图3 宿州市建设用地面积图Fig.3 The construction land area in Suzhou City

从图3可知,宿州市建设用地面积自1987年到2013年一直处于增加状态,城市一直处于向外扩展中.

3 宿州市城市扩展的遥感动态监测分析

在总结和参考他人研究成果的基础上,结合宿州市城市扩展的实际情况,从扩展速度、扩展强度、分形维数、稳定性指数、城市扩展弹性系数等方面对研究区城市扩展的动态变化监测进行了详细分析.

3.1 扩展速度(K)

扩展速度(K)是反映城市空间扩展动态变化监测的一个重要测度指标,也可反映单位时间内城市建设用地面积变化的幅度[21],其表达式为:

式中,ua、ub分别表示在时间a和时间b时城市建设用地的面积(km2);T表示从时间a到时间b的研究时长,若T以年为单位计算时,则K表示建设用地的年变化率.根据扩展速度公式和不同时期宿州市建设用地面积计算可得出:1987—2000年,城市扩展净增加的面积为5.15 km2,扩展速度为1.05%;2000—2005年,城市扩展净增加的面积为9.63 km2,扩展速度为4.55%;2005—2013年,城市扩展净增加的面积为35.89 km2,扩展速度为8.57%.

3.2 扩展强度(M)

研究不同时期的城市扩展规模,可用扩展强度来表示.扩展强度就是描述城市化过程中建设用地扩展的强度[22-23],其表达式为

式中,ΔA为研究期内建设用地扩展面积(km2);T为研究时长(a);A为研究区的总面积(km2).刘盛和等根据M的数值把扩展强度划分为五个等级[24]:高速扩展阶段,M>1.92;快速扩展阶段,M为1.05～1.92;中速扩展阶段,M为0.59～1.05;低速扩展阶段,0.28～0.59;缓慢扩展阶段,M为0～0.28.根据扩展强度公式计算可得出:1987—2000年,宿州市城市M为0.33,属于低速扩展阶段;2000—2005年,M为1.62,属于快速扩展阶段;2005—2013年,M为3.76,属于高速扩展阶段.

3.3 分形维数(D)

分形维数一般是用来反映在城市扩展过程中建设用地边界形状的曲折性和复杂性,也可以用来反映城市扩展过程中土地利用形状的变化及土地利用类型受干扰的程度[25],其表达式为:

式中,P为建设用地斑块周长(km);D表示分形维数;B为城市建设用地斑块面积(km2).D的值在1～2之间,其值越大表示建设用地图形形状越复杂,反之,值越小则表示建设用地图形形状越简单.基于景观格局软件Fragstats3.4和分形模型公式计算出宿州市1987年、2000年、2005年和2013年四个时期建设用地周长和面积的自然对数lnP和lnB,并且运用最小二乘法拟合出lnP-lnB图像,拟合图像见图4.

图4 1987—2013年宿州市建设用地周长和面积的自然对数lnP-lnB拟合图像Fig.4 The fitting chart of the construction land perimeter (lnP) and area (lnB) in Suzhou from 1987 to 2013(a)—1987; (b)—2000; (c)—2005; (d)—2013.

从图4中可以看出,宿州市四个时期建设用地周长和面积的自然对数lnP和lnB之间存在较强的相关性,复相关性系数均在0.9以上.在实验过程中,利用一元线性回归方程进行检验,发现宿州市城市建设用地周长和面积的线性回归非常显著,表明宿州市在城市扩展过程中空间形态的分形特征也很明显.通过计算得出宿州市1987年、2000年、2005年和2013年建设用地的分形维数分别为:1.36、1.48、1.35和1.40.结果表明,1987—2000年,宿州市城市形态不规则程度在增加,城市扩展主要向外扩展为主;2000—2005年,城市形态不规则程度在减少,城市扩展主要以建成区边缘间的填充为主;2005—2013年,城市形态不规则程度在增加,城市扩展又主要以向外扩展为主.

3.4 稳定性指数(SI)

稳定性指数是衡量城市空间结构稳定性的一个重要指标,其表达式为:

SI=|1.5-D|

式中,D表示分形维数,稳定性指数(SI)值越大,表示城市空间结构越稳定;反之,稳定性指数(SI)值越小,表示城市空间结构越不稳定.通过计算可得出宿州市1987年、2000年、2005年和2013年建设用地的稳定性指数(SI)值分别为:0.14、0.02、0.15和0.10.

3.5 扩展弹性系数(R)

城市扩展弹性系数主要是用来反映城市的扩张速度与城市人口增长速度之间的关系,也可用来反映城市建设用地扩展的合理程度[26],其计算公式如下:

式中,R为城市扩展弹性系数;A为城市面积的年均增长率(%);POP为城市非农业人口的年均增长率(%).根据中国城市规划设计院对历年城市化过程的分析,认为城市扩展弹性系数为1.12时较合适[25];当R>1.12时,表明城市扩展过快;当R<1.12时,表明城市扩展不足.经过统计和计算得出:1987—2000年,宿州市城市建设用地面积的年均增长率为1.05%,非农业人口的年均增长率为12.73%,城市扩展弹性系数为0.08,城市扩展速度很慢;2000—2005年,城市建设用地面积的年均增长率为4.55%,非农业人口的年均增长率为1.92%,城市扩展弹性系数为2.37,城市扩展速度过快;2005—2013年,城市建设用地面积的年均增长率为8.57%,非农业人口的年均增长率为1.18%,城市扩展弹性系数为7.26,城市扩展速度过快.

4 结 论

(1) 宿州市城市建设用地面积、扩展速度、扩展强度、扩展弹性系数一直处于增加状态,符合城市发展规律和要求.

(2) 在宿州市城市扩展过程中:1987—2000年属于低速扩展阶段,主要由老城区填充式发展为主,逐渐向外扩展;2000—2005年属于快速扩展阶段,主要是市政府向西北新区搬迁,城市往西北方向发展;2005—2013年属于高速扩展阶段,这一阶段随着宿州市城市产业集群的不断发展与升级,城市功能分区的不断完善,城市主要向西北、东南、南部扩展,城市化水平不断提高.说明用遥感技术手段来监测与评价宿州市城市扩展的动态变化是切实可行的.

(3) 由于城市人口的逐渐增加、城市土地承载能力的有限,城市建设用地的边缘慢慢向郊区扩展,再加上交通的牵引作用,宿州市的城市建设用地边界形状不规则程度也在逐渐增加,城市形态也变得越来越复杂.建议宿州市减缓城市扩展速度,适度发展,借着“三城同创”(国家园林城市、省级卫生城市、省级文明城市)和“四化同步”(工业化、城镇化、信息化、农业现代化)的机会,注重城市内涵建设和品质建设.

(4) 宿州市城市空间格局由填充式逐渐向外延式转变(即由老城区向外延伸扩展),主要向南、北、东南和西北方向发展.建议加快宿州东城、大学园区、职教园区、宿马工业园区和高新技术开发区高品质建设,提升宿州市城市品位.

参考文献:

[ 1 ]Sudhira H S, Ramachandra T V, Jagadish K S. Urban Sprawl: Metrics, Dynamics and Modeling Using GIS[J]. International Journal of Applied Observation and Geoinformation, 2004,5(1):29-39.

[ 2 ]阿里木江·卡斯木,安瓦尔·买买提明. 近40年来基于低分辨率遥感数据和GIS的全球城市时空变化研究[J]. 冰川冻土, 2012,34(1):214-220.

(Alimujiang Kasimu, Anwaer Maimaitiming. A Global Comparative Analysis of Urban Spatio-Temporal Variation during Last Four Decades by Using Coarse Resolution Remote Sensing Data and GIS[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2012,34(1):214-220.)

[ 3 ]温江,熊黑钢,常春华. 新疆主要城市城市化水平及其发展对策[J]. 干旱区资源与环境, 2006(4):102-107.

(Wen Jiang, Xiong Heigang, Chang Chunhua. The Urbanization Levels of Some Main Cities in Xinjiang and Their Development Countermeasures[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2006(4):102-107.)

[ 4 ]阿里木江·卡斯木,阿斯耶姆·图尔迪. 基于遥感数据的塔什干市城市扩展时空特征分析[J]. 新疆师范大学学报:自然科学版, 2012,31(2):1-6.

(Alimujiang Kasimu, Asiyemu Tuerdi. Spatio-temporal Characteristics of Urban Expansion in Tashkent City Uzbekistan Based on Remote Sensing Data[J]. Journal of Xinjiang Normal University:Natural Sciences Edition, 2012,31(2):1-6.)

[ 5 ]陈本清,徐涵秋. 城市扩展及其驱动力遥感分析:以厦门市为例[J]. 经济地理, 2005,25(1):79-83.

(Chen Benqing, Xu Hanqiu. Urban Expansion and its Driving Force Analysis Using Remote Sensed Data:A Case of Xiamen City[J]. Economic Geography, 2005,25(1):79-83.)

[ 6 ]刘慧平,陈志军,温良,等. 城市扩展的土地动态监测[J]. 北京师范大学学报:自然科学版, 1999,35(2):278-282.

(Liu Huiping, Chen Zhijun, Wen Liang, et al. Landuse Monitoring in the Urban Expansion[J]. Journal of Beijing Normal University:Natural Science, 1999,35(2):278-282.)

[ 7 ]陈绍杰,赵丽花,逄云峰,等. 基于多目标遥感信息处理的城市扩展监测与分析[J]. 测绘通报, 2010(8):24-27.

(Chen Shaojie, Zhao Lihua, Pang Yunfeng, et al. Monitoring Urban Expansion Based on Multi-Objective Processing of Remote Sensing Images[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2010(8):24-27.)

[ 8 ]王新生,刘纪远,庄大方,等. 中国特大城市空间形态变化的时空特征[J]. 地理学报, 2005,60(3):392-400.

(Wang Xinsheng, Liu Jiyuan, Zhuang Dafang, et al. Spatial-temporal Changes of Urban Spatial Morphology in China[J]. Acta Geographica Sinica, 2005,60(3):392-400.)

[ 9 ]Xian G, Crane M. Assessments of Urban Growth in the Tampa Bay Watershed Using Remote Sensing Data[J]. Remote Sensing of Enviroment, 2005,97(2):203-215.

[10]阿斯耶姆·图尔迪,阿里木江·卡斯木. 基于多源遥感数据的奎屯市城市扩展分析[J]. 水土保持研究, 2013,20(2):233-237.

(Asiyemu Tuerdi, Alimujiang Kasimu. Analysis of Urban Expansion in Kuitun City Based on Multi-source Remote Sensing Data[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013,20(2):233-237.)

[11]Doygun H, Alphan H. Analysing Urban Expansion and Land Use Suitability for the City of Kahramanmaras, Turkey, and Its Surrounding Region[J]. Environ.Monit.Assess, 2008,145(1/2/3):387-395.

[12]Masek J G, Lindsay F E, Goward S N. Dynamics of Urban Growth in the Washington D.C. Metropolitan Area,1973—1996, from Landsat Obserbations[J]. International Journal of Remote Sensing, 2000,21(18):3473-3486.

[13]戴昌达,唐伶俐,陈刚,等. 卫星遥感监测城市扩展与环境变化的研究[J]. 遥感学报, 1995,10(1):1-8.

(Dai Changda, Tang Lingli, Chen Gang, et al. Monitoring of Urban Expansion and Environment Change Using Satellite Remote Sensing Data[J]. Remote Sensing of Environment, 1995,10(1):1-8.)

[14]范作江,承继成,李琦. 遥感与地理信息系统相结合的城市扩展研究[J]. 遥感信息, 1997(3):12-16.

(Fan Zuojiang, Cheng Jicheng, Li Qi. Research of Urban Expansion Based on the Integrative Techniques of GIS and RS[J]. Remote Sensing Information, 1997(3):12-16.)

[15]何春阳,陈晋,史培军,等. 大都市区城市扩展模型:以北京城市扩展模拟为例[J]. 地理学报, 2003,58(2):294-304.

(He Chunyang, Chen Jin, Shi Peijun, et al. City Expansion Model of Metropolitan Area in China: A Case Study of Beijing[J]. Acta Geographica Sinica , 2003,58(2):294-304.)

[16]汪小钦,徐涵秋,陈崇成. 福清市城市时空扩展的遥感监测及其动力机制[J]. 福州大学学报:自然科学版, 2000,28(2):111-115.

(Wang Xiaoqin, Xu Hanqiu,Chen Chongcheng. Remote Sensing Monitor and Driving Forces Analyses of Urban Expansion for Fuqing City, SE China[J]. Journal of Fuzhou University: Natural Science Edition, 2000,28(2):111-115.)

[17]高瑞莲,邹凤,周海波. 多源遥感数据融合在城市发展研究中的应用[J]. 信阳师范学院学报:自然科学版, 2001,14(1):114-117.

(Gao Ruilian, Zou Feng, Zhou Haibo. An Application of Multi-Source Remote Sensing Data Fusion in Urban Development Research[J]. Journal of Xinyang Normal University: Natural Science Edition, 2001,14(1):114-117.)

[18]祝善友,江涛,韩作振,等. 基于遥感技术的泰安城市扩展变化的动态研究[J]. 山东科技大学学报:自然科学版, 2002,21(3):51-54.

(Zhu Shanyou, Jiang Tao, Han Zuozhen, et al. Dynamic Research of Taian City’s Expand Changs Based on Remote Sensing Technology[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology: Natural Science, 2002,21(3):51-54.)

[19]徐枫,刘兆礼,陈建军. 长春市近50年城市扩展的遥感监测及时空过程分析[J]. 干旱区资源与环境, 2005(S1):80-84.

(Xu Feng, Liu Zhaoli, Chen Jianjun. Remote Sensing Monitor and Spatial-temporal Process’ Analyses on Urban Expansion of Changchun City during Past 50 Years[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2005(S1):80-84.)

[20]施益强,朱晓玲,张辰臣. 厦门市城市扩展遥感动态监测及其驱动力分析[J]. 集美大学学报:自然科学版, 2010,15(2):150-155.

(Shi Yiqiang, Zhu Xiaoling, Zhang Chenchen. Dynamic Monitoring of the Urban Expansion in Xiamen City and Analysis of Its Driving Forces Based on Remote Sensing Image [J]. Journal of Jimei University: Natural Science, 2010,15(2):150-155.)

[21]赵昕,胡召玲. 遥感技术在城市扩展中的应用研究:以江苏省徐州市为例[J]. 徐州师范大学学报:自然科学版, 2006,24(2):67-70.

(Zhao Xin, Hu Zhaoling. Application of Remote Sensing to Studying Urban Expansion: A Case of Xuzhou City[J].Journal of Xuzhou Normal University: Natural Science Edition, 2006,24(2):67-70.)

[22]贾铁飞,倪少春,郑辛酉. 快速城市化地区土地利用动态变化及城市化空间进程分析[J]. 国土资源遥感, 2006,64(1):36-39.

(Jia Tiefei, Ni Shaochun, Zheng Xinyou. Dynamic Change of Land Use and Spatial Process Analysis of the Rapid Urbanization Areas[J]. Remote Sensing For Land & Resources, 2006,64(1):36-39.)

[23]章剑龙,苏玉燕,汪洪波,等. 芜湖市城市扩展的遥感监测及驱动力研究[J]. 地域研究与开发, 2008,27(2):123-127.

(Zhang Jianlong, Su Yuyan, Wang Hongbo, et al. Urban Spatial Expansion of Wuhu City Based on Remote Sensing Technology and Its Driving Forces[J]. Areal Research and Development, 2008,27(2):123-127.)

[24]刘盛和,吴传钧,沈洪泉. 基于GIS的北京城市土地利用扩展模式[J]. 地理学报, 2000,55(4):407-416.

(Liu Shenghe, Wu Chuanjun, Shen Hongquan. A GIS based Model of Urban Land Use Growth in Beijing[J]. Acta Geographica Sinica, 2000,55(4):407-416.)

[25]王厚军,李小玉,张祖陆,等. 1979—2006年沈阳市城市空间扩展过程分析[J]. 应用生态学报, 2008,19(12):2673-2679.

(Wang Houjun, Li Xiaoyu, Zhang Zulu, et al. Analysis on Urban Spatial Expansion Process in Shenyang City in 1979—2006[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,19(12):2673-2679.)

[26]王茜,张增祥,易玲,等. 南京城市扩展的遥感研究[J]. 长江流域资源与环境, 2007,16(5):554-559.

(Wang Qian, Zhang Zengxiang, Yi Ling,et al. Research on Urban Expansion in Nanjing, China Using RS and GIS[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2007,16(5):554-559.)