武汉市建设用地扩张遥感监测及空间分异分析

常变蓉， 李仁东

(1.中国科学院测量与地球物理研究所,武汉 430077； 2.天津农学院,天津 300384)

武汉市建设用地扩张遥感监测及空间分异分析

常变蓉1,2， 李仁东1

(1.中国科学院测量与地球物理研究所,武汉 430077； 2.天津农学院,天津 300384)

为分析武汉市建设用地扩张时空特征，基于1990,2000,2005和2010年获取的Landsat影像数据，利用面向对象分类方法提取建设用地信息； 采用城市扩张速度(expansion speed index,ESI)、扩张强度(expansion intensity index,EII)及综合扩张程度指数(expansion degree index,EDI)和标准差椭圆(standard deviational ellipse,SDE)空间分析方法分析该市1990―2010年建设用地扩张时序及空间分异特征。结果表明： 武汉市建设用地呈扩张趋势，20 a间扩张了749.9 km2，前期10 a、中期5 a和后期5 a间扩张面积分别占扩张总面积的19.06%,33.33%和47.61%； 3个时段的ESI和EII均呈增大趋势，后期扩张程度尤为剧烈。SDE分析表明，20 a来武汉市建设用地空间分布呈离散趋势，前期局部扩张，中期趋于均衡扩张，这2个时段呈“东北→西南”空间分布格局； 后期全局均衡扩张，空间分布不存在方向性。研究结果将有助于武汉市建设用地的理性扩张决策。

武汉市； 建设用地扩张； 遥感； 标准差椭圆(SDE)； 空间分异

0 引言

城市建设用地扩张是人地关系相互作用的结果[1]。20世纪90年代以来，经济驱动和政策调控使中国城市建设用地持续扩张，吸引着我国学者对城市扩张时空特征监测开展了广泛研究[2]。从研究对象上看，多以大城市、东部沿海或南部发达城市为主[3-7]； 但对中部城市武汉市建设用地扩张时空特征研究较少，或只是在研究武汉城市圈土地利用时附带提及，而且现有的少数报导中研究时间跨度较短，难以从总体上把握建设用地扩张过程[8-10]。从研究方法上看，多采用扩张面积、速度和强度等指标定量分析城市扩张的时序特征[3-4,6-8]； 对于空间特征，则倾向以地图形式呈现扩张前、后各种地类转换的空间分布[5]，忽略了建设用地的空间区位等空间结构信息。运用空间统计方法来研究社会经济、自然要素、疾病等现象的地理空间分布已引起诸多学者关注[11-13]； 而由Lefever[14]在1926年提出的标准差椭圆(standard deviational ellipse,SDE)方法能较精确地揭示许多地理现象的空间分布特征，已广泛应用于社会经济学、犯罪学及流行病等领域[15-17]。但到目前为止，应用SDE 方法从中心性、分布范围、方向趋势等多个角度定量刻画城市扩张的空间分异特征的研究尚属少见。

鉴于此，本文以我国中部中心城市武汉市为研究对象，基于1990,2000,2005和2010年获取的4期Landsat 系列影像数据，利用面向对象的分类方法提取武汉市建设用地信息； 运用城市建设用地扩张速度指数(expansion speed index,ESI)、扩张强度指数(expansion intensity index,EII)和综合扩张程度指数(expansion degree index,EDI)3个量化指标和SDE空间分析方法揭示1990―2010年20 a间武汉市建设用地扩张的时序特征和空间分异特征，对武汉市建设用地的理性扩张具有理论和现实意义。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

研究区武汉市位于长江中下游平原，江汉平原东部，地跨E113°41′～115°05′，N29°58′～31°22′。市内水域资源丰富，湖泊众多，长江和汉江横贯市境中央，形成武昌、汉口、汉阳3镇隔江鼎立的格局； 现辖13个城区，总面积8 494.41 km2，占湖北省总面积的4.6%； 常住人口978.54万人(2010年统计)，占湖北省总人口的17.1%。市内地势平坦，属亚热带季风湿润气候，夏季高温、降水集中且较多。在中国经济地理圈内，武汉处于优越的中心位置，是华中地区中心城市和中部“两型社会”武汉城市圈的核心城市。随着城镇化进程的加快，武汉市建设用地呈持续增长趋势，不仅占用了许多耕地，而且大量填湖建房，引发一些社会及生态环境问题，诸如： 影响粮食和农产品的安全供应、削弱蓄洪防洪能力、改变区域小气候，等等。遥感监测显示，1990年该市城市建设用地面积为689.90 km2，而2010年该市建设用地面积达到1 439.821 km2，扩张了749.92 km2。

1.2 数据源及其处理

覆盖武汉市的1990,2000,2005和2010年4期高质量、季相相近的Landsat遥感影像均源于USGS官网(http: //glovis.usgs.gov/)，行列号为122/39，123/39和123/38。首先利用ENVI5.1软件对影像进行辐射定标、大气校正和影像增强等预处理工作； 然后依据中科院战略先导科技碳专项分类系统将建设用地(代码5)分为3类(将工业用地和采矿场合并为工矿用地)，分别为居住地51、工矿用地52和交通用地53。各类建设用地含义及特征如下： ①居住地指城市、乡镇及村等聚居区，一般位于海拔较低的区域，多沿河流、湖泊分布，且有交通道路通达，在影像上呈暗青色； ②工业用地指独立于城镇居住地之外或主体为工业和服务功能的区域，在影像上一般呈矩形特征； 采矿场指人工挖掘表面，位于海拔相对较高的区域，在影像上一般呈不规则形状特征，二者均呈高亮显示； ③交通用地指人工硬表面，在影像上呈线状特征。分类时，影像均以BNir(R)，BRed(G)，BGreen(B)合成的假彩色显示。用于分类精度评价的样点数据取自野外调查数据库。

本文采用面向对象技术和模糊隶属度函数分类方法，在eCognition 8.64软件中自动提取建设用地信息，得到武汉市1990,2000,2005和2010年建设用地分类图。利用野外采样点建立误差混合矩阵，对建设用地分类图进行精度验证，并在ArcMap10.1中对照遥感影像、采用目视解译方法对分类结果反复修改，使最终总体分类精度达到所要求的建设用地使用精度的95%以上，各类建设用地精度的85%以上。最后，对分类结果去除比“最小制图单元”还小的图斑，使得最小制图单元为6个像元。

2 研究方法

2.1 建设用地信息提取

建设用地信息提取是研究城市扩张时空特征的基础，其总体思路是设计二叉树结构，采用隶属度函数进行分类，由易到难，层层递进。利用面向对象的分类方法提取建设用地信息时，可分为分割和分类2大步骤： ①对预处理后的遥感影像进行多尺度分割，得到影像对象； ②利用建设用地与其他地物的光谱差异，选取合适的波段或指数，并确定阈值提取出建设用地对象。接着，利用不同类别建设用地对象的光谱信息、形状、纹理等特征对各类建设用地进行细分。

经反复试验，选择分割尺度为60和20，形成2个影像对象层(分别为Level2层和Level1层)。在Level2层上，可根据NDWI很好地区分湿地和非湿地信息； 利用不同层之间的信息继承关系，将已经提取的非湿地信息继承到Level1层。在非湿地类中，运用NDVI和(BGreen/BNir)区分植被和非植被信息。对于该研究区，非植被类即为建设用地类。在建设用地类中，由于交通用地呈线状特征，易于区分，因此采用密度指数(Density)提取交通用地； 接着，用亮度指数(Brightness)和波段比值(BBlue/BGreen)提取工矿用地； 余下的即为居住地。具体分类层次和特征参数阈值如图1所示。

图1 建设用地提取流程图

2.2 建设用地扩张时空特征分析

2.2.1 建设用地扩张量化指标

基于城市扩张速度指数(ESI)、扩张强度指数(EII)和综合扩张程度指数(EDI)，分析建设用地扩张的时序特征。其中，ESI是指建设用地的年均扩张率，表示扩张速度和趋势[18]，但它未考虑土地利用总量变化的影响。EII是指单位时间内建设用地面积占研究区总面积的比例，可用于比较城市建设用地在不同时期扩张的强弱和快慢[3]，但它未考虑基期建设用地面积的影响。为了全面反映武汉市建设用地扩张情况，本文采用EDI进行分析，它是借鉴内梅罗公式(当前国内外进行综合污染指数计算的最常用方法之一)将上述2个指数标准化后合成的，不仅反映了建设用地扩张速度，也反映了其扩张强度，兼顾了上述2个指数的综合影响，弥补了单一指数的不足[4]。3个指数的计算方法为

(1)

(2)

(3)

式中：At和At+n分别为t年和(t+n)年的建设用地面积；S为研究区土地总面积。

2.2.2 建设用地空间分异分析方法

借助ArcGIS10.1平台，采用空间点格局和SDE方法分析建设用地扩张的空间分布特征。空间点格局分析源于植物生态学，其优势在于充分利用点与点之间的距离信息，提供比较全面的空间尺度信息[19]。SDE方法则通过椭圆中心、长轴、短轴及旋转角参数定量描述城市扩张的空间特征。椭圆面积大小表示城市扩张的范围。椭圆中心表示建设用地分布的相对位置。长轴指示建设用地空间分布的主体方向，短轴表示建设用地分布范围，二者越长，指示建设用地分布越离散； 二者值相差越大(即扁率越大)，表示建设用地分布的方向性越明显。旋转角变化则反映建设用地空间分布的主趋势方向。

3 结果与分析

3.1 建设用地扩张时序特征

武汉市1990―2010年间不同时段的城市建设用地扩张指数如表1所示。

表1 武汉市1990―2010年间不同时段城市建设用地扩张情况

整个武汉市20 a间建设用地面积扩张了749.92 km2，与1990年建设用地面积相比，增加了一倍多。其中，居住地扩张面积最多(占建设用地总扩张面积的62.28%)，其次为工矿用地(比重为27.01%)。但工矿用地的扩张速度最快，其综合扩张程度指数最大(为0.451)； 居住地扩张速度略高于建设用地。1990―2000年(前期10 a)、2001―2005年(中期5 a)和2005―2010(后期5 a)3个时段城市建设用地扩张面积分别为142.96 km2,249.95 km2和357.01 km2，分别占20 a扩张总面积的19.06%,33.33%和47.61%；ESI分别为2.07%,6%和6.59%；EII分别为0.17%,0.59%和0.84%，三者均呈增大趋势。中期5 a的综合EDI与前期10 a接近，而后期综合EDI是前2个时段的3倍多，表明自1990年以来，武汉市建设用地呈加速扩张态势，且后期扩张程度尤为剧烈。对比各时期各类建设用地扩张速度，前期10 a扩张速度为工矿用地>交通用地>居住地，中期和后期5 a扩张速度均为居住地>工矿用地>交通用地。可见，3个时段工矿用地的ESI值都高于同期居住地和交通用地。

究其原因，在20世纪90年代初，武汉市被批准为对外开放城市，但因当时产业结构布局不太合理、对外经济贸易尚不发达、政府财政能力相对较低等原因，1990―2000年这10 a间的建设用地扩张面积、ESI和EII在3个时段均最低。进入21世纪后，武汉市加大了改革力度，不断实施扩大投资规模及加快城市基础设施建设等措施，促进了城市扩张进程。2000―2005年这5 a间的建设用地的ESI和EII都远远高于前期10 a，其中居住地扩张面积最多，占5 a建设用地总扩张面积的78.26%。“十一五”期间，重点发展主城区周边区域的开发建设，包括新型工业园区、居住新区以及配套服务设施的建设。加之2007年12月国务院批准武汉城市圈进行“两型社会”试验区建设，2009年9月国务院通过了促进中部地区崛起规划，2010年3月国务院明确武汉为中部地区中心城市，在城市规划和国家宏观政策调控的双重作用下，2005年以后武汉市城市建设用地的ESI,EII和EDI明显高于前2个时段。由于前期的城市快速发展对生态环境造成了一定的影响，在后期的城市规划建设中更加注重了绿色生产和循环经济增长，合理布局产业结构，完善基础设施建设，协调城乡与市场发展规模等，建设用地趋于均衡扩张，因此后期5 a间的居住地扩张速度要低于中期5 a间的。

3.2 建设用地扩张空间分异特征

基于ArcGIS10.1平台构建了城市建设用地的空间点格局，在武汉市范围内随机生成15 000个样点，样点数由研究区面积和分类后处理最小图斑面积(6个像元)决定。将样点图层分别与4期建设用地做叠置分析，得到各期城市建设用地随机样点数，依次为563个(1990年)、689个(2000年)、906个(2005年)和1 190个(2010年)。然后，计算得到武汉市1990―2010年4 a间建设用地空间分布椭圆(图2)。

从图2可以看出，1990―2005年间武汉市建设用地总体呈“东北→西南”空间分布格局，建设用地空间分布主体在武汉市中心城区及其外缘部分郊区。由于长江和汉江横穿武汉市，限制了建设用地的扩张方向，因此前期10 a和中期5 a建设用地分布椭圆中心紧靠长江岸边并略向西移； 长轴方向基本一致，均指向长江与汉江夹角区，这表明武汉市在1990―2005年期间建设用地总体呈向长江与汉江的夹角区域扩张。到2010年，武汉市建设用地分布椭圆近似于1个圆，而且建设用地分布中心位置远离长江、明显东移。

图21990―2010年武汉市建设用地空间分布的标准差椭圆

Fig.2SDEforspatialdistributionofconstructionlandinWuhanCityfrom1990to2010

表2 示出1990―2010年武汉市建设用地空间分布的SDE参数。

表2 1990―2010年武汉市建设用地空间分布SDE参数

从表2可以看出，1990―2010年间武汉市建设用地空间分布椭圆面积持续增加，表明1990年以来武汉市建设用地呈持续扩张状态； 短半轴持续增加且随时间推移增幅变大，说明武汉市建设用地空间分布呈离散趋势。1990―2000年为局部扩张时期，长半轴和扁率均有所增加，建设用地空间分布向西南方向东、西湖区东南部、汉阳区和蔡甸区东北部扩张，方向性趋于明显； 旋转角增加了13.09°，表明建设用地扩张空间分布明显呈现偏东→偏南格局。这是因为武汉经济技术、沌口、东湖开发区和吴家山台商投资开发区等地区的建设都促进了工业发展，使得这一时段工业建设用地扩展速度急剧加快。2000―2005期间，长半轴减幅较小，扁率减幅较大，表明建设用地趋于均衡扩张，空间分布的方向性已不明显； 旋转角减小了1.08°，表明建设用地扩张空间分布呈偏北→偏南格局，但变幅较小。2005―2010为全局扩张时期，长半轴仅仅增加了0.56 km，短半轴却增加了6.74 km，长短半轴几乎相等，表明建设用地以主城区为中心向四周均衡扩张，空间分布不存在方向性； 旋转角增加了62.68°，增幅最大，表明建设用地空间分布呈偏南→偏北格局。

4 结论

综合运用遥感技术、城市扩张量化指数和标准差椭圆(SDE)空间分析方法对武汉市1990―2010年间建设用地扩张时空特征进行分析,得出如下结论：

1)1990―2010年20 a期间武汉市建设用地在不同时期均呈扩张趋势，扩张总面积为749.9 km2； 前期10 a、中期5 a和后期5 a的扩张面积分别占扩张总面积的19.06%,33.33%和47.61%； 3个时段扩张速度指数和扩张强度指数均呈增大趋势，后期综合扩张程度尤为剧烈。

2)SDE分析表明，20 a期间武汉市建设用地空间分布呈离散趋势，前期为局部扩张，中期趋于均衡扩张，这2个时段的建设用地总体呈“东北→西南”空间分布格局，即向长江与汉江的夹角区域扩张。后期为全局均衡扩张，空间分布不存在方向性。

可见，武汉市建设用地扩张时空分布呈明显阶段性特征，这与各时段社会经济发展背景、国家城市发展政策宏观调控、地方政府规划指导和自然客观因素限制等因素密切相关，研究结果有助于武汉市建设用地的理性扩张决策。

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第一作者： 薛武(1988-),男,博士研究生,主要从事无人机摄影测量方面的研究。Email: xuewu_81@126.com。

AstudyofremotesensingmonitoringandspatialvariationofconstructionlandexpansioninWuhanCity

CHANG Bianrong1,2， LI Rendong1

(1.InstituteofGeodesyandGeophysics，ChineseAcademyofScience，Wuhan430077，China；2.TianjinAgriculturalUniversity,Tianjin300384，China)

In order to analyze the spatial-temporal variations of construction land expansion in Wuhan City, the authors obtained construction land data by using object-oriented classification method based on Landsat data acquired in 1990, 2000, 2005 and 2010. Urban expansion indices, which included expansion speed index (ESI), expansion intensity index(EII) and integrated expansion degree index (EDI), were used to quantitatively analyze temporal variations of construction expansion. And standard deviational ellipse(SDE)method was employed to investigate the spatial dynamics. The results show that the area of construction land in Wuhan City increased continuously, with a total increase of 749.9 km2in two decades. The proportion of construction land expansion in earlier ten years, middle five years and later five years was 19.06%, 33.33% and 47.61%, respectively. The values of ESI and EII tended to increase, and the expansion degree was especially strong during 2005―2010 period. The spatial distribution of the construction land was discrete. Construction land partially extended in the earlier decade and tended to expand evenly in the middle five years. And the distribution of the construction land in the two periods exhibited a spatial pattern “spanning northeast to southwest”. In the later five years, construction land expansion was balanced in every direction with no directivity. This study may provide decision support for the rational expansion of construction land in Wuhan City.

Wuhan City； construction land expansion； remote sensing； standard deviational ellipse(SDE)； spatial variation

10.6046/gtzyyg.2017.03.17

常变蓉,李仁东.武汉市建设用地扩张遥感监测及空间分异分析[J].国土资源遥感,2017,29(3)：118-123.(Chang B R,Li R D.A study of remote sensing monitoring and spatial variation of construction land expansion in Wuhan City[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：118-123.)

2015-12-21；

2016-02-01

国家自然科学基金项目“江汉平原钉螺扩散时空分布及其预警研究”(编号： 41571487)、中国科学院战略性先导科技专项项目“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”之子课题“华南地区陆地生态系统固碳参量遥感监测及估算技术研究”(编号： XDA0505107)和环保部项目“全国生态环境十年(2000―2010年)变化遥感调查与评估”之子课题“华南地区生态环境十年变化遥感调查与评估”(编号： XDA050501)共同资助。

常变蓉(1987-),女,博士,讲师，主要研究方向为遥感与GIS在资源环境中的应用。Email： changbianrong1220@163.com。

李仁东(1962-),男,研究员,博士生导师,主要从事遥感应用研究。Email： lrd@asch.whigg.ac.cn。

TP 79； P 237

： A

： 1001-070X(2017)03-0118-06

(责任编辑：刘心季)

2015-11-20