基于遥感数据的建设用地提取及动态变化研究*

殷学永，李 娜，郭夏楠

（1.许昌学院城市与环境学院，河南 许昌 461000；2.许昌学院电气与机械工程学院，河南 许昌 461000）

随着我国城市化进程的不断加速，城市中建筑用地的扩张受到了许多学者的关注。由于城市化的速度加快，导致了一系列的生态以及粮食问题，因此快速准确地提取建设用地对测绘制图、空间数据更新、城市规划等有重要意义[1-2]。近些年，遥感技术迅猛发展，遥感图像包括的尺度较广、涉及的平台较多，为建设用地变化检测提供了科学的技术手段[3-5]，成为提取建设用地的常用方法。本文基于陆地卫星系列遥感数据，从时间和空间两个方面对许昌市魏都区1994—2017年的建筑用地进行动态分析，以期为许昌市的城市规划和区域可持续发展提供参考数据。

1 研究区概况

许昌市位于河南省中部，位置在北纬34°03′，东经113°48′。许昌市地形以平原丘陵为主，地势西北高东南低且起伏较小，最高海拔达到1150.6 m，境内有清潩河、小洪河、颍河等大的河流。许昌市的水资源总量达到5.1 亿m3，水面的总面积为4.2×107m2。许昌市的人口已经达到了487 万人，其中城市人口197 万人，城镇化率已经达到了45%。

2 数据与方法

2.1 数据来源

选取许昌市魏都区的遥感影像和行政区划图。遥感数据来自美国的Landsat 陆地卫星，各年份的遥感影像数据分别为：1994年和2009年选用的Landsat-5 的数据；2003年选用的Landsat-7 的数据；2017年选用的Landsat-8 的数据。所选遥感影像数据云量较小，质量较好。

2.2 研究方法

本研究的主要研究内容有：一是将遥感图像中的建设用地准确、快速地提取出来；二是提取出建设用地后，主要从时间和空间两个方面分析许昌市1994—2017年建设用地的动态变化情况。

1） 建设用地提取。首先，利用ERDAS 软件将图像进行格式的转换；然后，对遥感图像进行波段的融合。通过选取训练样本，创建样本文件进行监督分类。分类完成后进行监督分类后处理，将后处理的影像利用行政边界进行裁剪，得到研究区的建设用地信息。

2） 建设用地动态变化分析。本文主要利用ArcGIS 软件的空间分析功能，对矢量化后的图像进行方向性分析以及面积的统计，研究许昌市魏都区建设用地的扩张方向以及扩张速度；再利用景观指数的方法，研究建设用地图斑的特点。

3 结果与分析

3.1 建设用地提取结果

对监督分类后的图像选择合适的阈值进行二值化处理，再利用其中自动矢量化的工具将图像矢量化，结果见第63 页图1。

图1 不同年份建设用地提取结果

3.2 景观格局指数

景观格局指的是空间结构的特征，其中空间斑块是景观格局中最常用的形式[6]。选择以下景观指数研究许昌市的建设用地空间变化特征。

1） 斑块总面积A。计算公式为

式中：A 为斑块总面积，ai为第i 块斑块的面积。

2） 斑块总数NA。计算公式为

式中：n 为建设用地斑块个数。

3） 最大斑块指数LPI。计算公式为

式中：max（ai）为最大斑块面积，A 为斑块总面积。

4） 破碎度CI。计算公式为

式中：NA 为斑块总数，A 为斑块总面积。

根据以上公式，分别计算景观指数见表1。

表1 景观指数计算表

由表1 可知，魏都区建设用地的斑块总面积是逐年增加的，其中1994—2003年增加比例最多；斑块总数在1994—2009年减少较多，2009—2017年略有所增加；而最大斑块指数从1994年起便呈上升趋势，其中2009—2017年增加最快，说明魏都区主城区在2009—2017年发展最快；与最大斑块指数相对应的破碎度却越来越小，反映出魏都区内的主城区面积扩张降低了建设用地的破碎度，呈现聚集型发展。

3.3 扩张速度

通过计算得出研究区内不同时间段建设用地的变化量，以及建设用地的扩张速度。计算结果见表2。

表2 1994—2017年建设用地扩张速度

由表2 可知，1994—2003年建设用地扩张速度最快，年均变化率达7.48%，总变化量达99.45 km2。2003年以后，建设用地的扩张速度有所下降，基本维持在年均2%的变化率。

3.4 扩张类型

采用王新生等人提出的凸壳原理来研究许昌市区1994—2017年的建成区的变化情况[7]，其基本原理为：首先构造包含某个时期所有建成区范围的最小凸多边形，然后计算下一时期该区域建成区范围在所构造的凸多边形中位于凸壳内和凸壳外的面积。若位于凸壳外的面积大于凸壳内的面积，则该时间段的扩张类型为外延型，否则为填充型。计算得出1994—2017年凸壳内外建成区面积，见表3。

表3 1994—2017年凸壳内外建成区面积统计表（km2）

由表3 可知，1994—2003年以及2009—2017年位于凸壳内的面积多于凸壳外的面积，因此其建设用地的扩张类型为填充型；与之相对的2003—2009年凸壳内的面积则小于凸壳外的面积，为外延型。

3.5 扩张方向

为了便于详细描述许昌市魏都区的城市扩张方向，采用方位分析法[8]。其坐标原点选取的是魏都区的几何中心，其横轴是东西方向，纵轴是南北方向，此时将魏都区分为了4 个象限，接着又将每个象限进行了二次划分，此时总共为8 个区，图2 为主城区方向扩张图。

图2 主城区方向扩张图

再将研究区4 期的建设用地矢量图与方位图进行叠加，利用ArcGIS 软件计算出每个象限中每一期建设用地的面积，最后进行统计，以此分析不同时期的许昌市区扩张规模，见表4。

由表4 可知，1994—2003年主城区变化平稳，主要集中在东南方向；2003—2009年2 区、8 区的变化较明显，分别为4.39 km2，5.56 km2；2009—2017年呈快速发展趋势，8 个区都有扩张，且扩张面积较大，其中2 区变化最大，为35.13 km2，许昌市区整体发展趋势向东北以及东部方向扩张。

表4 主城区不同方位扩张面积 （km2）

4 结论

文章分别从许昌市魏都区建设用地的扩张速度、扩张类型、扩张方向以及驱动因素4 个方面，研究建设用地的扩张动态变化，得出以下结论。

1） 魏都区建设用地扩张，1994—2003年为中速扩张阶段，2003—2009年为缓慢扩张阶段，2009—2017年为飞速扩张阶段，年平均扩张率23.9%。

2） 利用提取的建设用地与创建的凸壳要素进行叠加，得出许昌市魏都区1994—2003年以及2009—2017年建设用地的扩张类型为填充型；而2003—2009年建设用地的扩张类型为外延型。

3） 通过在ArcGIS 软件中建立坐标系，将坐标系要素与建设用地进行叠加，从而得出许昌市建设用地的扩张方向主要为东北方向。