基于TM影像的焦作市城市扩张与驱动力分析

邓 超，程 钢，孙震辉

（1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南 焦作454000；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000）

城市是人口与经济活动高度聚集的空间载体，是人类活动的中心。城市的空间扩展是城市形成与发展的必经阶段［1］。为确保城市建设中合理利用土地，实现城市健康可持续发展，必须加强城市建成区的动态监测［2］。遥感技术可以获得城市及时准确的动态扩张数据，已经成为城市扩张分析、城市资源环境监测的重要技术手段［3-6］。遥感技术在城市扩展监测方面具有优势，但影像监督分类的效率和精度影响着结果的可靠性，如何提高分类精度和效率是主要的研究方向。

本文基于多时相遥感影像利用最佳指数因子法选取最佳波段组合对焦作市城市扩张特征进行研究，并结合社会经济统计数据对城市扩张驱动因素进行定量分析。

1 研究区概况

焦作市位于河南西北部，北依太行山，南临黄河，地处黄河中下游北畔，是焦太线-焦柳线上重要的城市，是中原城市群重要组成部分。北与山西省晋城接壤，南与郑州、洛阳隔河相望，地理坐标位于北纬35°10′～35°21′，东经113°4′～113°26′之间，东西长约35.2km，南北宽约 19.7km，总面积4 071km2［7］。北部山势陡峻，南部为豫北平原，地势高度由西北向东南递减，东西两侧为煤矿开采区。

2 研究方法

本研究采用多时相遥感影像为主的多源数据，对焦作市建筑用地、耕地、林地、水域、未利用土地等空间分异情况进行监测，并利用地形图、规划图、区划图及经济社会统计资料对城区扩张特征进行量化分析。

2.1 数据来源

本文采用遥感数据选取Landsat 5TM，轨道号124／36，采集时间为6～9月，均选择无云影像，质量较好，满足应用需求；其他数据包括河南省行政区划图、焦作市土地利用规划图、部分地形图、2000～2011年焦作市社会经济统计资料等［8］。

2.2 数据处理

2.2.1 数据预处理

由于受到遥感传感器本身特性、地物光照条件、大气作用的影响，影像在成像过程中会产生辐射失真和几何畸变，在使用前需要首先对影像进行辐射校正和几何校正；其次通过影像配准将多时相的影像数据统一到一个坐标系统下；最后对各时相遥感影像进行裁剪，去除多余信息，提高解译效率。

2.2.2 TM遥感图像彩色合成最佳波段选取

Landsat TM遥感图像有7个波段，具有丰富的地物光谱特征，但大量的波段参与地物信息的提取不仅增加计算机的负担，冗余的数据会影响对信息提取的效率。选取最佳波段组合是Landsat TM遥感图像增强处理的关键步骤，直接影响到解译和地物信息的提取。本文在进行波段选择时遵循以下几点原则：①参与合成RGB假彩色图像的3个波段组合总的信息量要大；②各波段之间的相关性要小；③组合而成的假彩色图像中不同地物类型之间的光谱特征差异要大。本文通过最佳指数因子选取Landsat TM遥感图像中3个波段叠加在一起，组合成一幅RGB彩色图像，便于各类要素的解译。

最佳指数因子法（Optimum Index Factor，OIF），算法简单，且考虑了波段组合信息总量和3个波段之间的相关性对最优波段组合选取的影响，计算方法见式（1）。

式中：Si表示第i个波段的标准差；Rij是i，j两波段的相关系数。OIF指数越大说明波段组合越优［9］。

在TM的1～7波段中，TM6是热红外波段，分辨率较低，主要反映热辐射信息，在土地利用监测中不予考虑，本文仅对其他6个波段进行统计和计算，用ENVI4.7软件对焦作市2000年、2008年和2011年3期TM遥感图像中的各个波段进行分析，得到每期的TM图像光谱统计特征表、TM图像相关系数表，根据式（1）计算分别得到每期TM图像不同波段组合的OIF指数计算表。

通过综合分析，得到2000年8月30号TM遥感图像中最佳波段组合为3，4，5，2008年7月22号TM遥感图像中最佳波段组合为1，4，5，2011年6月30号TM遥感图像中最佳波段组合为1，4，5。

2.3 基于图像分类和叠加分析的土地利用变化监测

本文利用研究区的先验知识和其它辅助数据采用监督分类提取各地地物信息。由于TM遥感图像的精度较低，本文按照土地利用一级分类对研究区域进行分类，并将图像分为建筑与道路、耕地、林地、水域和未利用土地5类，利用监督分类的最大似然法进行处理，得到3个时相的分类结果，如图1所示。

图1 3个时相的监测结果

其中三幅图像中的红色为建筑用地（含道路用地），浅绿色为耕地，深绿色为林地，蓝色为水域，黄色为未利用土地。三期数据的分类总体精度和Kappa系数见表1，分类总精度均达到90%以上，可以满足研究的要求。

将2000年和2008年，以及2008年和2011年的分类结果进行叠加分析，分析结果如图2所示。

图2 土地利用变化图

表1 分类总精度表

其中灰色的为未改变的土地利用类别，红色的为增加的建筑和道路用地，绿色为增加的植被用地，蓝色为增加的水域。

2.4 焦作市城区空间变化特征分析

根据焦作市历年统计年鉴和焦作市城市总体规划（1995～2010）［10］可知2008年焦作市是发展转折年，城市用地迅速扩张。本文分2000～2008年、2008～2011年两个时间段进行分析，利用空间分析方法对两个阶段的建成区空间扩展情况进行量化分析。

2.4.1 紧凑度、城市扩展速度与强度分析

城市紧凑度、扩展速度、扩张强度是研究城市扩张过程的主要分析指标。城市紧凑度可以反映城市形态，算式如式（2）［11］所示。

式中：c为城市紧凑度；A为城区面积；P为城市轮廓周长。紧凑度值越大，形状越紧凑。

城市扩展速度用年均扩展率表示，算式如式（3）所示。

式中：ES为城市年均扩展率；La为研究初期城市建成区面积；Lb为研究末期城市建成区面积；n为研究时段，以年为单位。

城市扩展强度指在研究时期内某单位空间城市土地利用扩张面积与土地总面积的比值，算式如式（4）所示。

式中：UILt-t＋n为城市扩展强度指数；ULAt＋n和ULAt表示t＋n及t年时的城市土地面积；TLA为土地总面积，n同式（3）。

结合2000～2011年的统计年鉴有关数据，根据式（2）～式（4）得到各项指标数据如表2、表3所示。

表2 建成区紧凑度指数

表3 建成区扩展速度、强度统计

根据表2可知，从2000～2011年焦作市的城市紧凑度从2000年的0.346到2008年的0.411再到2011年的0.435，紧凑度明显增加。从表3可知，城市扩张的速度从2000～2008年的时间段的5.86到2008～2011年的6.12，城市扩张步伐加快；扩张强度也从2000～2008年时间段的0.88到2008～2011年的1.26，有显著的增强，从中等扩张强度进入了快速扩张强度的阶段，略有超前。结合遥感影像辅助判读，焦作市绿化面积大量增加，与焦作市建设旅游城市，加快城市发展转型的总体规划相一致。

2.4.2 城市用地扩展系数

本文采用城市用地扩展系数来测定城市用地扩展速度。该系数是指一定时期内城市用地增长率与城市人口增长率之间的比值［12］，算法如式（5）所示。

式中：S1为城市建成区面积年均增长速度；S2为城市非农业人口年均增长速度。

根据统计年鉴的有关数据可知［6］，建成区2000～2008年增长速度为0.721，非农人口年增长速度为0.157，城市用地扩展系数高达457%；2008～2011年建成区的年均增长速度为0.065，非农人口年增长速度为0.002 6，城市用地扩展系数为96%。根据K在国内的划分标准，2000～2008年，城市用地规模扩展过快，主要原因在于政策因素，将郊区的大量农村人口转为非农户口，相应的村庄转化成了城镇；2008～2011年，城市用地规模扩展低于112%，扩展系数明显下降，逐渐趋向于低速发展。

通过以上对焦作市城市空间的定量分析，可知焦作市城市扩张的以下特征：

1）建设速度快。面积从2000～2011年增加了1.85倍，超出河南省平均水平的1.15倍。

2）扩展的方向性强。建成区2000～2011年的城市空间扩展主要向南面，其次在西边和东边。这主要是受到焦作地区特殊地形地貌的影响。

3）城市绿地面积迅速增加。焦作市转型为旅游城市后，更加注重城市绿地的建设，城市绿地面积不断增加。

4）城市发展趋向合理。从上述各项指标来看，市区越来越紧凑，城市用地扩展系数趋于稳定，虽然扩张强度略有提高，但从整体上看，焦作市市区的发展正趋向于合理化。

5）耕地面积迅速减少。从2000年39.6%的比例降到了2008年的22.7%，进一步下降到了2011年的19.6%，城市建设用地的扩张导致大量耕地被占用。

3 焦作市城市扩张驱动力分析

建设用地扩张演化主要受自然因素和人文因素影响。自然因素对城市扩张的影响比较稳定，一定时间内难以对城市扩张造成巨大影响，而人文因素发挥主导驱动作用，本文主要分析人文因素对焦作市城市扩张的影响，以期揭示其主要原因和内部机制。

在胡德勇等人研究的基础上［13］兼顾到焦作市的实际情况，以焦作市2000～2011年的系列资料作为基础数据，选取10个驱动力因子对建设用地变化进行分析，包括：X1—人口（人）；X2—GDP（万元）；X3—第一产业占总产值比重（万元）；X4—第二产业占总产值比重（万元）；X5—第三产业占总产值比重（万元）；X6—社会固定资产投资（万元）；X7—非农人口（人）；X8—人均 GDP；X9—铺装道路面积；X10—公交车拥有量；Y—建设用地面积（km2）。由2000～2011焦作市统计年鉴得到数据如表4所示。

表4 原始数据表

通过相关性分析可知，城市扩展和各要素之间有很高的相关性，各个要素间也有很高相关性。本文采用主成分分析法，降低要素之间相关性的复杂度，获取焦作市城市扩展的主导因素。本文利用SPSS20.0软件对相关数据分析，得到特征值及主成分贡献率，如表5所示。

表5 特征值及主成分贡献率

由表5可知，前两个因子的特征值均大于1，累计方差为89.302%，超过了85%，可以包含数据的主要信息，因此本文选用前两个因子为主因子代替所选的10个因子。

由主成分载荷矩阵如表6可知，第一主成分与GDP、第三产业、市区固投、人均GDP、总人口有很大相关性。其中GDP、人均GDP、固定资产投资和基础建设占财政支出的比例反映了经济发展程度，总人口和非农人口的比重反映了城镇化水平；第三产业占的比重反映了第三产业对焦作市城市扩张的影响。第二主成分与第二产业占的比重相关性较强，说明工业也是促进城市扩张的主要驱动力之一。下面从几个方面分析各类驱动因素：

表6 主成分转置载荷矩阵

1）经济增长。焦作市国民经济发展迅速，2000～2011年，焦作市GDP从651 866万元增长到2 855 836万元，增长幅度达2 203 970万元，增长率高达338.10%，年均增长30.73%。焦作市经济的的快速增长为城市建设提供强有力的资金保障，大力推动了焦作市城市扩张建设。

2）经济结构的变化。近年来，随着焦作市经济转型之路的发展，产业结构不断调整，旅游业、服务业快速发展。在新的经济发展方式下，第三产业体系逐步完善，正朝着功能完善、布局合理、服务一流的方向发展。2000～2011年之间，第一产业占GDP比重从3.89%下降到1.15%，第二产业占GDP比重从67.35%下降到55.83%，而第三产业比重却从32.06%上升到43.01%。第三产业的发展也成为城市建设用地扩张的主要驱动因素之一。

3）固定投资。近年来，焦作市政府鼓励外来投资，为外来投资创造良好的政策环境，在政府导向下社会投资逐年增加，从2000～2011年，固定投资从258 547万元增长到2 490 372万元，增长率高达963.22%。不断增加的固定资产投资大力推动城市建设的旧城改造、改建、扩建、新建等活动，促使焦作市建设用地面积在不断增长。

4）城镇化建设。人口和产业活动在空间上集聚，农村人口转化为非农村人口，农村地区转化为城镇地区，是城市化的主要过程。城镇化建设促进了产业和人口在空间布局上合理集中。焦作市城镇化在河南省处于领先地位，其新型城镇化建设是焦作市发展的驱动力之一。

4 结 论

本文通过遥感监测城市扩张表明，2000～2011年，焦作市城市空间扩展特征主要表现为建成区范围的外延式水平空间扩展，建设速度快、扩展的方向性强。结合焦作市各项经济社会统计数据，可知经济增长、经济结构变化、固定投资、城镇化建设促进焦作市扩张的主要因素。结合焦作市规划情况，焦作市应继续坚持可持续发展战略，加强城市建设用地集约程度；通过建立完善的耕地保护制度，确保城乡城市建设用地扩张与保护耕地相协调，最终达到统筹发展的目的；加大旧城改造力度，避免建设用地过度扩张；大力发展公共交通，减轻交通对城市建设用地的压力。

［1］赵淑玲.郑州城市空间扩展及其对城郊经济的影响［J］.地域研究与开发，2004（3）：49-52.

［2］姜波，陈庆华，于宁.遥感技术在哈尔滨市数字城市规划中的应用［J］.交通科技与经济，2007（2）：76-79.

［3］JENSEN J R，COWEN D C.Remote sensing of urban／suburban infrastructure and socio-economic attributes［J］.Photogrammetric engineering and remote sensing，1999，65：611-622.

［4］WOLTER P T，JOHNSTON C A，NIEMI G J.Land use land cover change in the US Great Lakes basin 1992to 2001［J］.Journal of Great Lakes Research，2006，32（3）：607-628.

［5］韦春竹，郑文锋，孟庆岩，等.基于元胞自动机的遗传神经网络在土地利用变化模拟分析中的应用［J］.测绘工程，2014，23（1）：45-49.

［6］李海峰.德阳市城市扩展及地表植被覆盖变化的遥感动态监测与分析［J］.测绘与空间地理信息，2013（11）：9-12.

［7］焦作市人民政府.市情简介［DB／OL］.http：／／www.jiaozuo.gov.cn

［8］焦作市统计信息网.统计年鉴［DB／OL］.http：／／218.28.60.51

［9］路遥.1976～2001年辽宁省东港城市扩展遥感监测分析［J］.沈阳农业大学学报：社会科学版，2013（4）：490-494.

［10］焦作市国土资源局.焦作市土地利用总体规划（1995-2010）［DB／OL］.［2008-03-18］.http：／／www.jzgtzy.gov.cn／zwgk／ghjifags／20061206／024231.shtm.l

［11］方刚.宿州市城市扩展的遥感动态变化监测与评价［J］.沈阳大学学报：自然科学版，2014（4）：284-289.

［12］穆晓东，刘慧平，薛晓娟.基于遥感监测的北京1984—2007年城市扩展研究［J］.北京师范大学学报：自然科学版，2012（1）：81-85.

［13］胡德勇，李京，陈云浩等.基于多时相Landsat数据的城市扩张及其驱动力分析［J］.国土资源遥感，2006（4）：46-49.