基于RS技术的河谷型小城市建设用地时空演变分析——以武山县为例

于志远

（天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001）

自20世纪90年代以来，我国城市化进程加快，城市建设用地也在逐步扩大。城市建设用地的扩展是由社会生产力发展而引起的，是一个城市规模不断扩大的过程。在城市化不断演变推进的过程中，城市建设用地逐渐向周围城乡结合地带扩展。

我国西北地区东南部多处于黄土高原与南部山地之间，分布着广泛的河谷型城市，城市被迫沿地形及河流走向发展。天水是西北地区典型的河谷型城市，位于甘肃省东南部，有“两山夹一川”的自然地理环境。武山县位于天水市西北部的渭河上游，地处秦岭山地北坡西段与陇中黄土高原西南边缘复合地带，城区为渭河河谷平原，南山为中低丘陵。

河谷地形阻碍了城市空间的发展，是城市发展的制约条件。武山县享有丝绸之路经济带甘肃段和关中—天水经济区的位置优势，有关其建设用地方面的研究比较少见，本文选取武山县作为个案进行研究。

本文通过中科院对地观测数据共享计划网站获取了武山县2013年和2020年Landsat8的数据，同时在遥感影像和ENVI软件等技术的支撑下，对武山县城市建设用地进行动态化研究分析。

一、研究现状

对于城市建设用地的研究，国内外存在很大差别。国外研究开始较早，集中在19世纪，研究方向最初聚集于聚落的地理特征，随着研究成果的丰富和研究技术的成熟，逐渐转向了聚落的保护与发展。[1]

受西方研究影响，我国城市聚落研究主要集中在对城市外部空间形态、城市内部空间结构、城市空间评价、城镇群体空间结构演化规律与机制和区域城镇体系等方面的研究。在城市建设用地发展研究领域中，对于河谷型城市目前还没有独立的研究系统，没有深入的理论和应用。因此，本文选取了武山县作为研究对象，并尝试利用遥感影像从多角度、多层次进行研究，试图找到独特的研究成果，对武山县的城市空间发展进行梳理，得出相应结论。

二、研究区概况与数据

（一）研究区概况

本研究的区域为甘肃省武山县，位于甘肃省东南部，地处秦岭北坡西段与陇中黄土高原西南边缘的复合地带，东连甘谷，南靠岷县、礼县，西接漳县，北邻陇西、通渭二县。地势西高东低，南高北低，均向中部河谷川区倾斜，城区为渭河河谷平原，南山为中低丘陵。武山县境内非金属矿储藏量大，是天水市面积较大的县城，人口数量也居于前列。近年来随着国土空间的规划，武山县被确定为关中—天水经济区“两轴”经济带东西轴线的重要三级城市，成为天水地区典型且发展迅速的城市，未来将承担陇东南地区特色农业产业示范基地和区域物流集散中心的功能，因此选择该地作为研究区域。

（二）研究区数据

本研究采用国内中科院对地观测数据共享计划网站Landsat8的遥感影像数据。Landsat8是美国在2013年发射升空的第八颗陆地卫星，它与之前的系列卫星相比，有着更高的分辨率，且图像地物信息也更为精确，所以被广泛应用于农业和资源管理的各个方面。在实际应用过程中，Landsat8搭载的两个传感器在成像方面有独特的优势，因此，利用Landsat8的数据来探测地球表面的物质有很强的优势。[2-4]本研究通过GIS，结合光谱分析及数字图像处理，获取武山县建设用地信息。为了提高遥感影像获取质量，本研究选择在正常天气状态下，云量控制在10%以内的遥感影像数据。

三、研究方法

（一）建设用地的提取

目前，利用遥感影像观测城市建设用地的研究比较普遍，提取的方法主要包括图像差值法、图像比值法、光谱阈值法等。这些方法可以满足对信息提取的不同条件需求。因此，本次研究综合利用NDBI和NDVI指数，获取了武山县7年内建设用地的扩展情况。[5-7]NDBI归一化建筑指数和NDVI归一化植被指数对于观察城市建设过程中的景观变化十分便利，当地表没有建筑或建筑较少时，NDVI指数偏高；相反，若地表建筑较多时，NDBI指数偏高。因此，本研究通过判断哪类指数较高，来断定城市建设用地的扩展趋势。

本研究依据武山县建设用地统一空间布局，提取建筑用地的影像数据，利用叠加分析来处理。首先，对不同区域内的图像进行大气校正并分类，得到该年份的建设用地特征图，然后再进行叠加处理，处理后的图像呈现多年建设用地的变化趋势，这样可以避免因图像中出现一些小斑块而影响图像信息。[19]然后，将得到的两幅二值化图，分别运用栅格运算进行叠加计算分析，具体步骤为：第一步，把矢量数据转成栅格数据；第二步，对转化后的栅格数据对应的图层进行叠加操作；第三步，将栅格数据矢量化得出结果图层。当两幅图的像元值均为0时，用白色表示。在经过叠加处理后获得的图像中，若像元值等于1，则表示为建设用地，即黑色显示的部分都是建设用地。经过以上操作就能快速获得武山县建设用地信息，并以专题图的形式呈现。最后，在此基础上进行武山县建设用地的时空变化特征分析。[8]

（二）NDBI指数法与NDVI指数法

1.NDBI指数法

杨山在研究过程中最早提出仿归一化植被指数，经过查勇等研究人员的不断努力调整为归一化建筑指数，后来学者在此基础上提出了NDBI指数的概念。[9-10]本文利用NDBI归一化建筑指数，精确提取武山县的地物以及建筑密度。NDBI指数计算公式为：

TM4代表近红外波段的反射率；

TM5代表短红外波段的反射率。

地物反射率在不同的波段会呈现一定的规律，这增加了遥感影像的判读与信息提取的便利。NDBI的取值范围在[-1,1]之间，若NDBI的像元值大于0，则表示该部分为建筑用地；若小于0，则表示该地为非建筑用地。

2.NDVI指数法

Rouse在1973年提出归一化植被指数，经过多年的研究和发展，该指数被广泛应用于植被遥感影像研究。NDVI指数法的计算公式如下：

TM3代表红光波段的反射率；

TM4代表近红外波段的反射率。

在获取的武山县NDVI影像图中，NDVI的取值范围为[-1,1]，大于0的区域被默认为植被，小于0的部分被默认为其他地物。

本研究将NDBI指数与NDVI指数综合利用的步骤为：首先，对研究区域内的图像利用NDBI和NDVI指数进行处理，并且做二值化分析处理；然后，对处理后的2013年和2020年的图像进行叠加处理；最后，对获得的信息进行对比和判断，进而获得武山县城市建设用地的变化范围和变化趋势。

（三）精度验证

遥感影像的精度验证一般通过更高分辨率的影像数据进行验证。本研究利用2020年武山县分辨率为0.1米的正射影像完成精度验证。随机抽取200份样本，计算其总精度与Kappa系数，最终得出武山县遥感影像地物提取精度达到89.6%（见表1）。[11-12]

表1 遥感影像精度验证

四、结果分析

（一）空间布局变化对比

根据提取和处理得到的武山县2013年城市建设用地影像可以看出武山县建筑用地主要集中在城关镇和洛门镇，西部存在断裂区域，总体上分布比较零散，呈现出不连续分布。由此说明武山县各乡镇依托的资源和基础设施条件不同，从而在发展方面存在差距。

武山县2020年城市建设用地主要向东西方向延伸，尤其向洛门镇方向延伸最为明显，增长类型以居住和行政办公居多，但向西存在中断区域。根据分析可知，其原因在于该县紧紧围绕国土空间规划，结合当地实际情况，有计划地完善基础设施建设，吸引了很多企业招工建厂，扩大了城市外围区域面积，建设用地增加，加速了城市建设向更大范围推进。综上所述，武山县近7年城市建设用地总体上向东扩展面积最大，西部存在中断区域，发展存在不均衡现象。

（二）城市建设用地动态变化

对2013年和2020年武山县建设用地遥感影像图进行叠加处理后得到结论：新增建设用地，东部区域分布最多；减少的建设用地，西部地区较多；原有的建设用地，东西均有分布，分布较广。

据统计，武山县2013～2020年新增的建设用地面积为22.5km2，究其原因是武山县总体规划的不断完善和基础设施建设的不断扩张。由于山区退耕还林，部分区域逐渐转化为林地，截至2020年“消失”建设用地为7.3km2。但未变化的建设用地整体面积占比仍然较大，其中一个原因是这些区域大多在山区以及河谷堤坝地区，建设成本较高；另一个原因是河谷堤坝区域存在河水溢出危及人民财产安全的风险。而2013～2020年“消失”建设用地多转变为公园绿地、防护绿地和广场，例如人民广场的建设。整体来说，2013～2020年城市建设用地迅速增长，向东扩展幅度巨大，向西存在建设中断区域，发展存在不均衡现象。

（三）建设用地扩展的影响因素

根据2013年和2020年武山县遥感影像显示的城市建设用地变化和《武山县“多规合一”城乡统筹总体规划（2016-2030）》，影响武山县建设用地变化的因素主要有以下几个方面：

1.政府招商引资的发展

天水市“1135”发展战略是影响武山县发展规划的重要推动力，地方政府通过不断完善基础设施建设来招商引资，这样就需要更多的生产场地，随之建设用地也会增加，并使得武山县建设用地向东偏移。除此之外，基础设施的建设也提高了武山县的经济发展水平，为武山县打造城市空间广阔、布局合理、生态宜居的现代化城市提供了基础保障。

2.基础设施的完善

2013年武山县道路发展存在地形上的限制，但随着发展重点的偏移，截至2020年，武山县已建成了连接城关镇到洛门镇全长15.3公里的武山大道，并且建成了以宁远大道、南北滨河路、福源路、新兴路等为主干道的城市路网。城区市政道路总长度达到41.5公里，形成了东西延伸、交通便利的体系，到2030年中心城区规划范围总面积将达到115平方公里。

3.地理位置优越

武山县位于甘肃省东南部，由于当地独特的小气候，适合蔬菜水果的种植，蔬菜种植规模巨大，荣获国家级蔬菜标准化示范县和全国首批基础设施蔬菜标准园创建县的称号。未来十年，依靠便利的交通和优越的气候条件，武山县中心城区将重点建设成为甘肃丝绸之路经济带旅游服务基地、陇东南特色农业产业示范基地、区域性物流集散中心和关中—天水经济区特色工业基地。

五、结论

（一）主要结论

本研究基于2013年和2020年武山县遥感影像，通过NDBI指数和NDVI指数对图像进行处理和分析，获取了武山县7年内建设用地的扩展情况，分析了武山县建设用地动态变化趋势和影响因素，最终得出如下结论：

第一，武山县2013～2020年新增建设用地面积为22.5km2，并且呈现出向周边乡镇扩张的趋势，尤其是城关镇—洛门镇一带建设用地增加明显，主要类型有居住用地、工业用地、服务业用地，以及行政办公用地等。

第二，2020年武山县建设用地整体发展水平不均衡，东部扩展的区域狭长，西部扩展存在中断部分。

第三，武山县建设用地变化的主要影响因素有招商引资的发展、基础设施的完善和地理位置的优越。

（二）不足与反思

本研究运用遥感技术与ENVI软件对武山县建设用地动态变化进行了分析。NDBI指数和NDVI指数相结合的方法虽然独特，但仍然存在很多不足，例如获取遥感影像时，影响影像清晰度的因素有很多，包括天气、云量、灰尘等，可能会影响图像的质量，希望会在未来的研究中逐步完善。