高分一号数据在城市建设规模扩展监测中的应用研究

胡凤伟

(1. 北京中色测绘院有限公司,北京 顺义 101304；2. 华北地质勘查局综合普查大队,河北 三河 065201)

高分一号数据在城市建设规模扩展监测中的应用研究

胡凤伟1，2

(1. 北京中色测绘院有限公司,北京 顺义 101304；2. 华北地质勘查局综合普查大队,河北 三河 065201)

文章介绍了高分一号(GF-1)卫星的基本情况，结合该遥感数据在“十二五”期间全国地级以上城市规模扩展监测中的实际应用，建立了高分一号16米多光谱数据处理方法及城市建设用地信息提取技术流程，并基于不同年度遥感影像资料，利用人机交互式方法提取了全国地级以上城市建设规模扩展信息，通过GIS的统计分析功能，从城镇规模扩展率、城镇规模扩展强度等方面进行了分析。通过该遥感数据研究为确定城市建成区范围提供技术保证，从而更准确、快捷地掌握城市扩展变化的规律；通过多城市同一时期的对比，可快速发现不同城市的扩展现状及差异性，为下一步的土地管理政策制订提供数据支撑；同时还可以作为检验发展战略成果的一种方法，得出真实、客观的判断和结论。

高分一号；遥感技术；城市规模扩展；地理信息技术

0 引言

城市化是社会经济发展的必然趋势，中国是世界上最大的发展中国家，改革开放以来，我国城市化进程明显加快。伴随着城市化快速发展，我国城市建设规模迅速扩张[1]。卫星遥感技术具有宏观性、动态性与实时性的优势，利用卫星遥感能够快速、准确地获取城市建设规模扩展的时空变化状况及其规律，对于科学制定城市发展规划和研究城市化进程，促进城市建设规模和经济的协调发展具有重要意义。

近几十年来，国内外已经有许多基于卫星影像数据的遥感监测方法应用于城市建设用地扩展监测之中[3]。陈本清等人利用30 m分辨率的TM影像监测厦门的扩展方向，同时简要分析了城市扩展的驱动力[4]。李加林等人采用Landsat MSS、TM、ETM等不同时间的卫星影像数据，分析了长江三角洲地区的城市空间结构的变化特征[5]。本文在前面研究的基础上利用高分一号16 m多光谱数据对全国地级以上城市进行了监测，分析了“十二五”期间各城市的建设用地扩展类型、扩展率及扩展强度等指标[6]，探索总结建立全国城市建设规模扩展监测技术模式，并对成果数据进行整理综合统计分析，发现全国地级市城市建设规模扩展的时空发展规律[2]。

1 监测数据源与研究内容

1.1 监测数据源

高分一号卫星是中国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，它配置有两台2 m分辨率全色8 m分辨率多光谱相机和4台16 m分辨率多光谱宽幅相机，具有高、中空间分辨率对地观测和大幅宽成像结合的特点。2 m分辨率全色和多光谱组合幅宽优于60公里，16 m分辨率多光谱影像幅宽优于800公里[7]。本文选用的是高分一号16 m多光谱数据，具体技术指标见表1。

表1 高分一号16 m数据主要技术指标

1.2 研究内容

采用国产卫星高分一号(GF-1)为主的中分辨率多光谱遥感数据，开展全国341个城市“十二五”期间城镇建设规模扩展监测。通过项目实施，掌握“十二五”期间全国城市建设规模扩展状况，探索总结建立全国土地利用宏观监测技术模式，并对成果数据进行整理综合统计分析，发现全国地级市城市建设规模扩展的时空发展规律，为国土资源宏观调控、土地政策研究和土地科学研究提供基础数据支撑。

1.3 技术流程

“十二五”期间地级以上城市建设规模扩展监测主要包括遥感影像处理、建设信息提取、成果分析等关键流程，具体流程如下：

2 遥感影像处理

在进行城市规模扩展信息提取前，需对两期遥感影像进行预处理，主要包括正射纠正、波段组合、镶嵌和裁切等。其中纠正误差小于1个像元，投影方式为地理经纬度投影。

(1) 波段组合

GF-1 PMS为多光谱数据，包含4个波段，所以仅需要对其进行波段组合。为了充分显示真实环境信息，一般会采用模拟真彩色合成，我们在波段合成的同时通过某些波段间的运算，获得更佳的色彩效果，使后续工作更加方便。本文采用2，4，3的波段合成算法，以获得更符合人类视觉感知的色彩[8]。

(2) 影像纠正

正射纠正是制作高质量数字正射影像图的基础和前提。GF-1数据优先采用软件自动纠正方法，目前很多国内外软件都具备此功能。对于部分自动纠正精度不符合要求的，采用人工纠正方法，纠正模型选用有理函数模型。在纠正控制点的布设上，坚持均匀布设的原则，在山地、高山地等特殊困难地区适当增加控制点，以保证纠正精度。

(3) 镶嵌、裁切

纠正完成后，对单景影像进行镶嵌，制作地市级范围遥感影像。镶嵌前首先进行重叠检查，重叠误差超过1个像元时应立即查明原因，并进行必要的返工，使其符合规定的接边要求。镶嵌时尽可能保留了分辨率高、时相新、云雾量少、质量好的影像。镶嵌好的影像以地市为单位进行影像裁切，行政界线外扩1公里，最终制作完成地市级遥感影像。

3 城市建设用地信息提取

3.1 提取方法

以制作完成的全国334个地级市遥感影像为基础，在GIS系统中，采用计算机自动分类及人机交互相结合的方式进行基期建设用地和“十二五”期间新增建设用地信息提取。最小上图面积为0.5平方公里。

3.2 提取原则

(1) 单层矢量内面状图斑不重叠，层与层之间面状图斑重叠。

(2) 前后时相影像未能严格套合的情况，对前时相影像进行局部手动移动，使前后时相套合后，以后时相为准进行了图斑勾绘。

(3) 图斑变化后地类不单一，按不同类型拆分处理。

(4) 新增扩展建设用地按面状矢量进行勾绘。

3.3 提取内容

提取内容包括：

(1) 城市建设用地

主要包括城市主建成区、距主建成区边缘小于等于5公里且面积大于0.5平方公里的集中连片建设用地，包括距主建成区边缘较近、路网基本成型的工业园区。

(2) 新城新区建设用地

主要包括距城市主建成区边缘大于5公里，且面积大于1平方公里的集中连片建设用地。

(3) 城市间大型基础设施建设用地

主要包括港口码头、机场与光伏用地。

(4) 区县城镇建设用地

区、县政府所在地建设用地以及面积大于0.5平方公里的集中连片乡镇建设用地和工业园区。

4 监测结果分析

4.1 城市规模扩展类型分析

由建设用地信息提取结果可知，“十二五”期间全国城市建设用地扩展面积达3.4万平方公里，其中，区县城镇扩展建设用地面积为1.9万平方公里，占扩展总面积的54%；其次为主城区扩展建设用地，面积为1.0万平方公里，占总扩展面积的27%；扩展或新增的新城新区和各级道路面积相差不大，分别为0.31、0.27平方公里，占总扩展面积的9%和7%；城市间大型基础设施建设用地扩展面积最小，仅为0.09万平方公里，占总面积的3%。各类型建设用地扩展面积占比情况见下图。

出现此种情况的原因，与“十二五”期间国家推行的城镇化政策密切相关。“2015年，我国城镇化率达到56.1%，城镇常住人口达到7.7亿”

发改委副主任在国新办新闻发布会上如是表示。这一统计数据与我们监测到的全国区县城镇扩展面积最大这一结果是吻合的。

图2 各类型新增建设用地面积百分比

4.2 城市规模扩展率分析

城镇规模扩展率指研究期内某类建设用地扩展面积占基期城镇建设用地面积的百分比，公式如下：

(1)

其中，K指研究期内城镇规模扩展率，Ub指某类新增建设用地面积，Ua指基期城镇建设面积[6]。

根据前面提取的矢量信息可以统计出，各省城市建设规模扩展率对比图如下：

在城市建设规模扩展率方面，宁夏、新疆、甘肃、贵州、内蒙等西部5省排在统计表的前五名，且增长率大都超过100%。5年的时间，扩展建设用地面积超过既有面积，这是一个非常快的发展速度，这和“十二五”期间国家制订的持续进行西部大开发战略密切相关的，可以说是西部大开发策略得到深入实施的体现。

4.3 城市规模扩展强度分析

城镇规模扩展强度指研究期内建设用地年均扩展面积和辖区土地总面积的比值，是反映城市扩张空间变化的一个重要指标。通过分析城市扩展强度指数可定量地比较城市扩张的程度及速度，表达式如下：

(2)

其中，E指研究期内城镇规模扩展强度，Ub指某类新增建设用地面积，U0指辖区土地总面积，T指研究期年限[9]。

根据前面提取的矢量信息可以统计出，各省城市建设规模扩展强度对比图如下：

在城市建设规模扩展强度方面，天津、上海、江苏、浙江、宁夏等5省(市)排在统计表的前五名，且远超其它省份。同为直辖市，天津和上海在2010～2015年期间建设规模扩展强度方面远超北京和重庆，这和城市定位、发展规划关系密切。扩展强度也在一定程度上反映出了一个地区的建设用地饱合程度，在后续发展政策制订方面提供支持。

5 结论

利用高分一号16 m多光谱数据，可快速观测和分析城市扩展的动态变化，很好地弥补在城市扩展过程中部分资料的缺失，为实际工作中确定城市建成区范围提供了可靠的技术保证，从而更准确、快捷地掌握城市扩展变化的规律。

通过多城市同一时期的对比，可快速发现不同城市的扩展现状及差异性，进而分析原因并从中发现规律，为下一步的土地管理政策制订提供数据支撑。

此外，城市规模扩展监测还可以作为检验发展战略成果的一种方法，通过不同城市间的横向对比，或同一城市不同时间段的纵向对比，得出真实、客观的判断和结论。

[1] 吕志强，邓睿，卿珊珊.大型山地城市建设用地空间扩展及地形分异[J].水土保持研究，2017，24(1)：232-238.

[2] 王凉，徐浙峰，苏尔斌.RS技术在城市化进程中的动态监测及驱动力分析 [J].理工科研，2009(5)：260-261.

[3] 李波. 基于多源遥感数据的城市建设用地空间扩展动态监测及其动力学模拟研究 [D]. 浙江大学，2012:1-9.

[4] 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(1)：79-83.

[5] 李加林，许继琴，李维芳，等.长江三角洲地区城市用地增长的时空特征分析 [J].地理学报，2007(4)：437-447.

[6] 丁洪富. 基于时序遥感影像的城市规模扩张研究 [J]. 价值工程，2013(12)：326-328.

[7] 王婷，廖秀英，程辉. 高分一号卫星PSM传感器湖南攸县幅数据质量评价 [J].地球物理学进展,2015,30(5)：2082-2088.

[8] 胡龙华，徐豁.城市卫星遥感图像融合处理质量评价研究 [J].华北科技学院学报,2012，9(1)：82-86.

[9] 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.

Research on the application of GF-1 satellite data in the scale expansion monitoring of urban construction

HU Feng-wei1,2

(1.BeijingCNNCInstituteofSurveyingandMappingCo.Ltd.,Beijing, 101304,China; 2.ExporationTeamofNorth-chinaGeologicalProspectingBureau,Shanhe, 065201,China)

The article introduces the basic information of Gaofen-1 (GF-1), combining with the practical application of remote sensing data in the scale monitoring of urban construction of country′s prefecture-level cities in “12thfive-year plan” period, it establishes process method and technology of urban construction land by using multi-spectral data of GF-1 which the spatial resolution is 16m. Based on remote sensing images in different years, it extracts the scale information of urban construction of country′s prefecture-level cities by using human computer interaction method. With the statistical analysis function of GIS, the rate and intensity of urban construction scale is analyzed. By the means of providing technical assurance for determining the scope of urban area by the remote sensing data research, thus the law of urban expansion and changes can be grasped more accurately and quickly. With the comparison of many cities in the same period, we can find out the expansion status and differences of different cities, providing data support for land management policy formulation in the future. It also can be used as a way to test the outcome of the development strategy, to draw out judgments and conclusions really and objectively.

GF-1; remote sensing technology; urban scale expansion; GIS technology

2017-03-09

胡凤伟(1979-)，女，河北秦皇岛人，硕士，北京中色测绘院有限公司高级工程师，注册测绘师，主要从事遥感和地理信息系统方面的工作。E-mail：10541752@qq.com

P237

A

1672-7169(2017)02-0061-05