基于多时相遥感曹妃甸建成区时空扩展分析

2023-10-27王卉杨久东张凌云

华北理工大学学报(自然科学版) 2023年4期

王卉,杨久东,张凌云

(华北理工大学矿业工程学院,河北唐山 063210)

随着社会经济的发展,城市扩展早已经普遍存在并较快发展起来[1]。城市空间形态的研究是科学研究城市空间扩展进程的重要组成部分。城镇空间扩展是城市化过程空间布局与结构化的综合反映[2],而城镇建成区规模的扩大是城市扩展过程中最显著的标志。建成区的扩展直接或者间接地影响着区域的生态环境,导致了环境的污染和气候的破坏。因此,城市空间扩展时空变化一直是专家学者研究的重点,专家学者从城市建成区的识别监测[3]、城市扩展的特征形态[4,5]、城市的扩展模式与驱动力[6,7]、对城市建成区时空的模拟预测研究[8]等方面开展了众多研究分析。我国现有城市扩展研究对中小城市的关注并不充分,类似于有着“渤海明珠”之称的曹妃甸区,这样一个经过填海造地政策实施后的城区扩展的相关文献比较少。因此,选择以曹妃甸区为案例区,基于遥感和GIS平台,定量分析建成区空间形态变化。

随着社会经济的发展,城市扩展早已经普遍存在并较快发展起来[1]。城市空间形态的研究是科学研究城市空间扩展进程的重要组成部分。城镇空间扩展是城市化过程空间布局与结构化的综合反映[2],而城镇建成区规模的扩大是城市扩展过程中最显著的标志。建成区的扩展直接或者间接地影响着区域的生态环境,导致了环境的污染和气候的破坏。因此,城市空间扩展时空变化一直是专家学者研究的重点,专家学者从城市建成区的识别监测[3]、城市扩展的特征形态[4,5]、城市的扩展模式与驱动力[6,7]、对城市建成区时空的模拟预测研究[8]等方面开展了众多研究分析。我国现有城市扩展研究对中小城市的关注并不充分,曹妃甸区有着“渤海明珠”之称的,并经过填海造地政策的实施,现对此类城区扩展研究的相关文献比较少。因此,选择以曹妃甸区为案例区,基于遥感和GIS平台,定量分析建成区空间形态变化。

1 研究方法

1.1 建成区的遥感解译

在Envi软件支持下,根据曹妃甸区特殊的地理环境和自然资源将其7期遥感影像的土地利用类型分为建成区、耕地、水体、裸地和湿地等类,城市扩展研究主要利用提取的建成区数据。遥感解译主要采用最佳指数法确定最佳波段组合、监督分类法等方法,最佳指数法见式(1)。

(1)

式中:Si—i波段的标准差;Rij—i、j波段间的相关系数。

1.3 建成区时空扩展分析方法

城市建成区的时空扩展是指在一定的时间间隔内,城市建成区发生变化的面积、位置、形态、扩展方向等信息[9]。基于7期曹妃甸区遥感影像,利用监督分类方法提取出各时期的建成区后,进行城市空间扩展分析,得到城市建成区扩张态势。此次研究从扩展数量扩展形态和扩展方向差异性方面进行建成区的时空扩展分析。

扩展速率和扩展强度。城市建成区空间扩展的数量分析重要指标为扩展速率和扩展强度[10],见式(2)、式(3)。

扩展速度指数的计算公式为:

V=Aij/Tij

(2)

扩展强度指数的计算公式为:

M=ΔAij/Ai/Tij)×100%

(3)

式中:Ai为i时刻的建成区面积,km2;Aj为j时刻的建成区面积,km2;Tij为i时刻到j时刻的时间间隔。

扩展形态。主要利用质心指数、紧凑度指数、分形维数、放射状指数等方面进行扩展形态分析。

质心指数见式(4)。

(4)

紧凑度指数见式(5)。

(5)

分形维数见式(6)。

D=2ln(C/4)/ln(A)

(6)

放射状指数见式(7)。

(7)

式中:Xi、Yi为第i个研究区地块的重心坐标;Cti为第i个地块面积,A为建成区面积;C为建成区周长。ri为建成区中心到建成区边界的半径长度;n为等角差放射线的数量。

质心指数指的是空间分布上的一个重要因素,质心迁移的过程体现城市建成区的时空演变态势。紧凑度、分形维数、放射状指数是反映城市空间布局和结构形态的重要指标。紧凑度的值域范围为[0,1],其值越大,表明这个建成区的紧凑度越好,但值过高或过低都是不利于建成区的健康发展[11]。分形维数是展现建成区边界形状变化多样性的函数,当D>1.5,边界形状相对曲折复杂;当D=1.5,边界形状最不稳定,处于随机运动状态;当D<1.5,边界形状相对简单[12]。当建成区面积逐渐增加时,若分形维数也增大,说明城市建成区面积增大,呈现出向外部扩展的态势;若减小,则说明城市建成区面积减小,呈现出内部填充的态势[11]。放射状指数法考虑了曹妃甸区与区域内各部分客观位置特征和两者之间的联系,其反映区域内部联系的真实性更强。

2 研究区概况与数据源

2.1 研究区概况

曹妃甸区位于河北省唐山市的最南端,地处环渤海中心地带,与天津、北京接壤,南临渤海。曹妃甸是因滦河北移而形成的一条东北、西南走向的带状沙岛海滩距大陆岸线约20 km。

曹妃甸区介于北纬39°07′43″～39°27′23″,东经118°12′12″～118°43′16″之间,辐射东北、华北、西北,面向东北亚,通往世界各地。曹妃甸区常住人口数为35.21万人,总面积2 114 km2,其中陆地1 408.14 km2,管辖海域705.86 km2。近些年填海造地政策的实施以及工业经济的发展进一步影响了建成区的空间布局。

2.2 数据源

选取曹妃甸区7期遥感影像,时序单元为3年的单一尺度,即2003年、2006年、2009年、2012年、2015年、2018年和2021年,具体情况见表1。辅助资料有曹妃甸区矢量底图等。

表1 研究所用遥感数据时相

3 结果与分析

3.1 建成区的遥感解译分析

监督分类法是基于先验知识对影像中的地物进行分类,所以首先应确定地物类别,根据研究区域的实际情况,将地类分为:建成区、耕地、水体、湿地、裸地。其次通过 Regions of Interest 选取一定数量的训练样本。训练样本的分离度值域范围为:0～2,当值超过1.9 时,样本的可分离性较好,可执行监督分类;当值大于 1 时,需调整或重新选择训练样本;当值小于 1 时,可将地类合为一类或剔除不做类别要求。根据该原则,选取了分离度均超过 1.9 的训练样本,训练样本可分离度结果见表2。

表2 训练样本的可分离度

通过分类后处理中的Majority和Minority分析、Sieve分析和Clump分析消除微小图斑。根据Google Earth和2021年高分一号影像选取较为纯净的地物像元作为检验样本,在ENVI5.1的支持下,对监督分类的结果进行混淆矩阵精度评价。统计结果如表3所示。

表3 监督分类法精度评价

利用GIS技术结合监督分类结果作为2003～2021年建成区的遥感解译结果,结果如图1所示。

图1 2003～2021年曹妃甸区建成区遥感解译结果

3.2 扩展速率和强度分析

城市建成区面积的增长就是城市扩张变化最直观的表现方式[13]。利用公式(2)和公式(3)计算得出曹妃甸区建成区扩展速率和扩展强度(见表4)。分析发现,2003～2021年曹妃甸区建成区面积在数量上呈现逐年上升的趋势。19年间,面积增长了124.94 km2,面积增长率达到了92.46%,平均每年扩展达到41.65 km2,扩展强度指数为30.82,曹妃甸区的扩展速率基本呈现上升趋势,同时在不同的研究时期内,扩展强度指数均大于 1.92,说明高速扩展是近年来曹妃甸区建成区扩展的主要特征。

表4 各时期曹妃甸区扩展变化量

3.3 扩展形态分析

质心指数。基于GIS技术,并根据质心指数公式计算出各时期节点的质心坐标(见图2)。图3显示了2003～2021年曹妃甸区质心的移动过程,各个时期的移动方向为:东南、东南、西北、西北、东南、东北,整体上呈现先南后北的趋势。2003～2009年间,由于南部沿海区域的填海造地政策的实施,带动了工业区地快速发展,进一步地促进曹妃甸区重心向南移动;而后曹妃甸区重心又向北部迁移。

图2 各时期曹妃甸区重心分布(km)

图3 各时期曹妃甸区重心移动过程

图4为各时期曹妃甸区扩展形态指数,由图4(a)可知,2003～2021年随着曹妃甸建成区的扩展,曹妃甸区紧凑度指数变化不是很大,处在0.01～0.05之间,且值趋近于0,表明在19年间,城市土地利用率不高,城市空间日趋离散,形态变得相对复杂。根据图4(b)可以看出,2003～2021年呈减-增-减-增的趋势。2006～2012年间,分形维数增加,说明在此期间曹妃甸区正在进行外部扩充;2018～2021年间,分形维数骤然增加,使得曹妃甸区的边缘再一次趋于复杂化。由图4(c)可知,曹妃甸区在2003～2021年,放射状指数出现不规则变化但浮动值域并不大,说明此期间曹妃甸区的空间形态越来越不规则。

图4 各时期曹妃甸区扩展形态指数

3.4 扩展各向差异性分析

以研究节点的7个年份中建成区质心坐标的均值为中心,将曹妃甸区建成区等分为16个方向,并计算出各年份在各个方向的面积值、面积均值和标准差,结果见表5,根据扩展强度指数的计算公式计算并绘制各时间段曹妃甸区城区各方位的空间扩展强度,见图5。

图5 各时间段曹妃甸区各方向空间扩展强度图

表5 曹妃甸区2003～2021年不同方向的空间扩展情况/ km2

根据表5,曹妃甸区2003～2021年建成区16个方向上的面积差异逐年增加,2018～2021年间曹妃甸区不同方向上空间范围差异较大,在SSE方向面积扩展值最大为32.28 km2,在NNE方向扩展值最小为0.59 km2。

由图5可知,2003～2006年曹妃甸区扩展强度最大方向为NNW,其扩展强度为16.91;2006～2009年曹妃甸区扩展强度最大方向为 SSE,扩展强度值分别为359.78;2009～2012年曹妃甸区扩展强度最大方向为NWW,其扩展强度为8.32;2012～2015年曹妃甸区沿东南方向扩展强度较大,呈现“燕翅”式扩展;2015～2018年曹妃甸区扩展强度最大方向为E,其扩展强度达到98.29,其扩展方向的骤增是因为东部新城的快速发展;2018～2021年曹妃甸区扩展强度最大方向为NW,其扩展强度达到19年的最大值为5 163.52。