基于不透水面的城市扩展研究——以张店区为例

于照堃，谢千骞，陈梦雅，李忠涛，逯跃锋

(山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049)

随着中国经济发展水平的不断提高，城镇化进程逐渐加快。传统衡量城镇化水平的方法主要是对城市人口数量、人均GDP等各方面数据进行分析，得到相应的指标，进而对研究区域的城镇化水平做出评价，分析城市扩展趋势。研究者的数据通常是来自各个研究区域的政府统计年鉴，但这些数据可能存在断层现象，导致难以对城市的扩展趋势进行长时间段的研究[1]。以不透水面的变化来反映城市扩展趋势恰好解决了上述问题。不透水面包含道路、建筑物等人工地表，随着人工地表的建设，原有地表的透水能力大大减弱[2-3]，分析不透水面的变化能够掌握城市扩展趋势，反映城镇化建设水平。

近年来，有许多关于不透水面提取及应用方面的研究，如：程吉等[4]针对GF-5卫星提出了不透水面提取方法，程熙等[5]提出了利用多源数据进行提取的方法，毕森等[6]利用不透水面对港口城市的发展趋势进行分析。本文以山东省淄博市张店区为研究区域，基于2000—2020年遥感影像数据，采用人工目视解译的方式获取不透水面数据，对张店区的城区扩展趋势进行分析，掌握其城镇化发展的规律和趋势。

1 研究区域与数据源

1.1 研究区概况

张店区(36°4′30”N-36°54′00”N，117°55′40”E-118°12′20”E)地处山东省中部，属丘陵向平原过渡地带，地形以平原为主，总面积约为359 km2，是淄博市的政治、经济等中心，同时也是鲁中地区的交通枢纽，在淄博市城乡建设过程中起到至关重要的带头作用。

1.2 数据源

本文获取张店区2000、2005、2010、2015、2020年五期遥感影像，基于遥感影像进行人工目视解译，获取不同年份的不透水面数据。根据土地利用类型分类体系将土地类型划分为六个一级类。为明确张店区城镇化进程及城市扩展趋势，将一级类中的城乡、工矿、居民用地进而细分为城镇用地、农村居民点和其他建设用地三个二级类，即为本文获取的不透水面。

2 研究方法

2.1 不透水面扩展速度

不透水面的扩展速度V[7-8]指研究时间内区域不透水面的年均增长面积(式(1))，反映不透水面的增长速度。

V=(Arear-Afront)/T，

(1)

式中：Afront和Arear分别表示研究区域前期年份和后期年份的不透水面面积；T表示时间间隔，由于本文研究不透水面面积变化以五年为一期，故时间间隔T=5。

2.2 土地利用变化分析

基于五期遥感影像进行人工目视解译，获取张店区土地利用类型，统计各土地类型面积变化情况，分析不透水面扩展对土地利用造成的影响。制作土地利用类型专题图，直观展示土地利用变化和主城区增长方向性变化。

2.3 主城区增长方向性分析

除不透水面的总面积及扩展速度外，主城区的增长方向性也是研究城市扩展的一个重要问题，有助于从整体上掌握研究区域的扩展方向[9]，及时对扩展区域及其周边区域作出相应的规划，避免基础设施配套不完善等问题，提高城镇化质量。张店区主城区增长方向性的研究采用标准差椭圆法进行分析，该方法生成椭圆的倾角能够有效反映出研究区域内不透水面的扩展方向，基于2000、2005、2010、2015、2020年五期数据对张店区主城区不透水面进行增长方向性分析[9-10]。

3 结果分析

3.1 不透水面变化分析

本文研究的不透水面主要包括城镇用地、农村居民点和其他建设用地，由表1可知，2000—2020年张店区不透水面总面积增长69.74 km2，其中城镇用地面积增长72.08 km2，农村居民点面积减少11.71 km2，呈负增长趋势，其他建筑用地面积增长9.37 km2。城镇用地面积呈逐渐增长趋势，农村居民点和其他建筑用地面积呈先增后减的趋势，各自的峰值时间分别出现在2005年和2015年。

表1 张店区不透水面成分扩展表

从图1来看，在研究时段内，张店区不透水面扩展速度呈波动趋势。2005—2010年不透水面扩展速度最慢(1.94 km2/a)，2010—2015年是张店区不透水面高速扩展的时期，不透水面总面积增加27.35 km2，扩展速度达到顶峰(5.47 km2/a)，这意味着此时间段内张店区城镇化进程加快。从内部构成来看，2010—2015年间城镇用地面积增长24.76 km2，占不透水面增长总面积的90.53%。

图1 2000—2020年张店区各类不透水面扩展速度

3.2 土地利用变化

基于遥感影像数据，在提取不透水面的同时提取土地利用类型，分析不透水面扩展对土地利用的影响。由表2和图2—图7可知，耕地和林地面积总体呈减少趋势，2000—2020年耕地面积减少69.70 km2，不透水面面积增加69.74 km2，林地面积减少2.57 km2，水域面积总体呈增长趋势，面积增加1.58 km2，未利用土地面积呈现波动变化，净变化值为0.94 km2，其中2015—2020年的面积存在突变现象，这可能是由其他土地类型向不透水面演变所导致的。

表2 土地利用面积变化表

图2 2000年张店区土地利用类型图

图3 2005年张店区土地利用类型图

图4 2010年张店区土地利用类型图

图5 2015年张店区土地利用类型图

图6 2020年张店区土地利用类型图

图7 土地利用面积变化图

对各类土地进行叠置分析与计算分析得：共有75.60 km2的土地转为不透水面，5.85 km2的不透水面转为其他类型土地;在其他类型向不透水面转化过程中，占用耕地73.6 km2，占用林地0.56 km2，占用未利用土地1.44 km2，主要以占用耕地为主。

3.3 主城区增长方向性分析

张店区主城区增长方向性研究以城镇用地为主要研究对象，使用2000年城镇用地作为标准，对2000年城镇用地进行标准离差椭圆运算，观察城镇分布趋势。随后分别对2005、2010、2015、2020年四期城镇用地进行标准离差椭圆运算，将运算结果与2000年运算结果叠加，分析主城区增长方向。结合图8、图9分析可知，张店区主城区发展方向以南北向为主，根据椭圆长、短半轴变化情况，以2000年主城区(城镇用地)总体空间分布位置为基础，从2005—2015年，主城区主要向北偏西方向发展，2020年主城区发展方向发生变动，以东北方向为主，西部向外扩展。

图8 五期主城区方向标准离差椭圆运算结果

图9 主城区二十年扩展变化图

总体来看，张店区主城区主要向西、向北进行扩展，东部区域进行适当扩展，西南部区域已经达到饱和。从图8中可看出，张店区西部、北部地势平缓，利于城镇扩展；东北方向地势较高，不利于城镇扩展，其可扩展方向与主城区增长方向性分析结果相符。

4 结果与讨论

1)本文基于张店区2000、2005、2010、2015、2020年五期遥感影像进行人工目视解译获取不透水面以及土地利用类型，采用标准离差椭圆法对主城区扩展方向性进行分析，研究城市扩展趋势。研究表明：在以张店区2000年城镇主体空间分布为基础的前提下，2005—2015年城镇用地扩展主要以北偏西方向为主，2020年城镇发展方向产生变动，以北为主，稍向东部倾斜。

2)在本文研究的二十年时间内，张店区不透水面总面积增长69.74 km2，其中城镇用地面积增长72.08 km2，农村居民点面积减少11.71 km2，呈负增长趋势，其他建筑用地面积增长9.37 km2。张店区不透水面扩展速度呈波动趋势，2005—2010年不透水面扩展速度最慢(1.94 km2/a)，2010—2015年不透水面总面积增加27.35 km2，扩展速度达到顶峰(5.47 km2/a)。

3)在2000—2020年不透水面扩展过程中，耕地受到的影响最大，总面积减少69.70 km2，林地、水域和未利用土地受影响较小，其中水域和其他未利用土地呈小幅度增长的趋势，同时存在林地向耕地转变的现象。

4)与传统地使用各个研究区域的政府统计年鉴数据来研究城市扩展相比，本文基于遥感影像获取不透水面数据，并对数据进行分析，从而得出城市扩展速率及发展方向的研究方法能够避免研究数据断层、难以对城市扩展趋势进行长时间跨度研究等问题。

通过对遥感影像的解译，将解译结果制成专题图并结合数据结果进行展示，使数据可视化，相比于传统的研究方式能够更加直观地展示城市拓展趋势。

对各土地利用类型数据进行叠置分析和计算，明确各土地利用类型之间的转化面积，而不仅仅是得出各类土地总面积增加或减少，这也是传统研究方法所不具备的能力。不透水面的扩展结果可为城市规划部门提供一定的参考，合理规划城市发展方向。

5)由于本文研究采用人工目视解译，对不透水面及土地利用类型的获取在一定程度上存在主观因素的干扰，所得数据与实际数据存在一定偏差，因此需要进一步的改进与完善。