基于信息熵原理的北京城市擴展研究＊

王秀蘭 李雪瑞 馮仲科

(北京林業大學測繪與3S技術中心,北京 100083)

基于信息熵原理的北京城市擴展研究＊

王秀蘭 李雪瑞 馮仲科

(北京林業大學測繪與3S技術中心,北京 100083)

準確判別城市擴展規律,剖析演化過程,對于預測城市未來演化趨勢,制定合理的調控政策具有重要的意義。遙感對地觀測技術可以提供豐富的城市擴展變化數據,成為城市擴展監測的主要手段。本文以1988、1996、2004年T M遙感影像為依據,應用遙感、地理信息系統技術與信息熵原理提取了北京市城市實體邊界,分析了北京市1988-2004年間城市擴展的面積、方向、擴展類型以及城市擴展的導向規律。研究結果表明,北京市近20年一直處于城市擴展的快速發展階段,并受地形、環境、衛星城、交通干線及政府等方面導向的影響。

城市實體;城市擴展;遙感;信息熵;北京

城市化,指的是人口向城市集中的過程,這一過程包含了社會、人口、空間和經濟轉換等多方面的內容。城市空間區域的擴展是一個重要的衡量指標[1]。城市土地作為人類活動最頻繁的區域,其不斷演化的動態特征深刻反映了城市化進程及城市空間結構的變化規律及矛盾[2]。目前,城市用地的空間擴展日益成為土地利用變化的主要特征及衡量城市化水平的重要測度指標[3]。

研究城市擴展,城鎮邊界的準確提取是進行擴展研究的前提[4]。迄今為止,國內對城市土地利用格局變換研究中涉及到的“城鄉結合部”尚未形成很完整的理論體系[5-7],依靠原始統計方法也無法準確地表達城市土地利用格局的變化[8-9]。

本文選擇城市擴展規模較大的首都北京作為研究對象,利用遙感技術作為信息獲取的手段,利用地理信息系統技術作為信息處理的手段,同時引入表征景觀混亂度的信息熵模型模型作為理論依據,研究1988-2004年北京市城市擴展規模最快的近20年的土地利用格局的時空變化,確定各個時期北京市城鄉結合部的范圍,進一步研究北京市城市擴展的導向規律。

1 數據源及數據處理

本研究所采用的數據源包括北京市1988年、1996年和2004年的T M影像,1:5萬北京市地形圖,北京市行政區劃圖以及相關統計資料。本研究對遙感圖像的處理包括遙感影像的預處理、遙感影像分類和裁剪等方面。

1.1 T M遙感影像預處理

對遙感數據的預處理包括地形圖的配準、遙感影像糾正、遙感影像增強處理等工作[10]。本研究所使用的T M影像均已經過輻射校正和幾何粗校正,所以只需進行以地面控制點為依據的幾何精校正。因為本研究主要進行土地利用類型的提取,所以采用經典的5、4、3波段進行假彩色合成,以利于目視解譯。

1.2 T M遙感影像分類

遙感圖像解譯分為兩種:一種是目視解譯,另一種是遙感影像的計算機解譯[11]。為保證數據的準確性和有效性,本研究采用目視解譯為主、計算機自動解譯為輔的方法進行遙感影像的解譯工作。

本研究采用的土地利用分類系統,參照國家土地利用分類方法結合本次研究的實際要求,將土地利用類型歸結為6個一級分類,即耕地、林地、草地、建設用地、水域及未利用地[12],并對6類進行編碼。

1.3 T M遙感影像的裁剪

根據分類結果圖和北京地區的實際城鄉分布結構分別初步確定出3個年份的包含城鄉結合部的部分(務必確保城鄉結合部處在該區域范圍內)。應用ERDAS I magine圖像處理軟件的裁剪功能分別對分類結果圖按照坐標進行裁剪。為了研究問題的需要,將裁剪后的區域按坐標進一步進行裁剪,從而得到大小為2km×2km柵格影像,并分別按行列號進行編號存儲。

2 研究方法

土地利用狀況綜合反映了一個地區的城市和鄉村景觀,故可以將其作為界定城鄉結合部范圍的主要依據[13]。由于城鄉結合部最大的特點就是因土地利用類型的多樣性而導致的景觀的紊亂度的不同,因此,本文將從土地利用類型多樣性方面,引入表征景觀混亂度的信息熵模型,界定城市實體邊界。

2.1 表征景觀混亂度的信息熵模型

由于城市邊緣帶最大的特點就是因土地利用類型的多樣性而導致的景觀的紊亂度。景觀紊亂度的計量,可借助C.E.香思提出的信息熵原理來完成[14],其表達式為:

式中:H為信息熵,單位為比特,其大小反映地物類型的多少和各地物類型面積分布的均勻程度,PI為某區域各職能土地類型占總用地面積的百分比,i為城市土地利用類型數量,i=1,2,3,…,n。

信息熵的高低可以反映城市土地利用的均衡程度,熵值越高,表明不同職能的土地利用類型數越多,各職能類型的面積相差越小,土地分布越均衡。當城市各用地類型面積相等,即P1=P2=…=Pn=1/n(n為用地類型數量),熵值達到最大,則表明城市土地利用達到均衡狀態。

2.2 城市實體邊界

城市實體邊界的準確提取是進行城市擴展研究的前提。城市邊界,通常是指城市的行政界限;在這里,為了表達分類結果,引入城市實體邊界這一概念。對城市實體[15],我們做如下界定:具有城市(聚落)景觀特點的空間上連續分布的地域實體。具體地說:城市實體包括城市建成區及與城市建成區相連的城市邊緣帶(即城鄉結合部)。城市內部的水體及城市綠地,也是城市實體的組成部分。因此,城市實體的外邊緣,就是城市實體的邊界。

2.3 城市實體邊界的提取

本研究應用信息熵理論界定北京城市邊緣帶范圍即即城市實體的邊界的具體方法和步驟為:

(1)確定各職能土地類型在每個判別單元(2km×2km)內所占面積比重;

(2)根據信息熵函數,計算每個判別單元的熵值;

(3)參照北京遙感圖像解譯結果,同時結合外業調查數據,確定符合城鄉結合部范圍的信息熵的閾值,本文選取信息熵值大于0.65的判別單元為城鄉結合部的范圍,最終得到城市實體邊界。

本研究利用ARCGIS軟件的屏幕數字化功能建立面狀矢量圖層,將通過信息熵原理提取的城市建城區和城鄉結合部進行數字化,勾畫出城市邊界,最終得到1988年、1996年和2004年的城市專題信息。

2.4 空間疊加分析

空間分析是研究城鎮土地利用變化的重要方面,疊加分析是其中的一個重要手段。疊加分析應用于城市擴展研究中可以定性、定量地分析城市擴展情況。

本研究主要利用GIS軟件將各種數據源融合在一起,通過對遙感數據源矢量化后的矢量數據的疊加處理和統計分析,實現空間數據和屬性數據的互相查詢功能[16],利用定時更新的遙感數據的對比,獲得北京市1988-2004年近20年城市擴展的走勢,以對其進行動態監測(見圖1)。

研究結果顯示:城市擴展區域主要處在海淀區西北部、昌平區中南部、順義區中西部、通州區西北部和中部、大興區北部、房山區東北部、豐臺區西部、石景山區西部及門頭溝區東部一小部分。

3 城市擴展的空間變化分析

3.1 城市實體擴展的面積及速率

利用三個時相的遙感圖像對城市實體的面積進行統計,結果見表1。從中可以看出,城市實體的面積在16年中擴大了2 950.54km2。

表1 各年份城市面積及擴展百分比(km2)

3.2 城市實體擴展的形狀系數分析

城市實體的擴展取決于不斷增長的城市體量與有限實體間的矛盾,但受離心力、向心力、地形阻力等多方面的綜合作用,必然形成各種形狀[13]。對于多邊形邊界的描述,絕大多數指標是基于面積和周長的。通常認為圓形地物既非緊湊型也非膨脹型,則可定義其形狀系數r為:

其中P為地物周長,A為面積。如果r＜1為緊湊型;r=1為標準圓;r＞1為膨脹型。

1988、1996、2004年城市實體的形狀系數如表2所示。

通過對城市實體擴展面積及其形狀指數的分析,可以得出從1988-2004年16年間北京城市實體一直處于快速擴展階段,城市實體均為膨脹型。

圖1 北京市1988、2004年城市擴展圖

表2 各年份城市實體形狀系數

3.3 城市實體空間擴展的方向性

研究城市擴展時,通常是針對城市擴展的面積、速度,而沒有注意城市擴展的方向性。事實上,城市擴展的方向性對于研究城市的發展是十分重要的,對城市管理更有應用價值。

通過圖1的三個時相城市實體邊界圖的疊加分析,可以看出16年間北京城市擴展的方向性是十分明顯的,城市實體擴展的地方都很集中、連片,并且呈軸向擴展的趨勢。

3.4 城市實體擴展的導向規律

(1)地形導向平原地區利于城市地域發展,城市實體的擴展幅度大;山地、丘陵地區限制城市地域發展,城市實體擴展速度放緩。

(2)環境導向城市實體擴展趨向于污染輕、生態環境優美的地方。西北部是污染輕的大學和科技園區,又接近頤和園、香山等風景區,城市實體向西北部發展較快,東南郊有制藥廠、化工廠等污染較重企業的分布,城市實體擴展速度相對較慢。

(3)衛星城導向城市與其衛星城之間存在頻繁的物質能量輸入輸出聯系。因此城市邊緣的擴展除受建成區推力作用以外,還受與它有密切聯系的衛星城的拉力的影響,與它們之間的引力呈正相關。通州、昌平、順義等衛星城逐年增強的競爭力使得北京城市擴展出現向西北-東南方向軸向發展的特征。

(4)交通干線導向城市土地價值一定程度上取決于它的區位通達性。所以景觀城市趨于成熟的邊緣帶類型明顯分布于中心城區至通州、順義、石景山、昌平等交通干線沿線。

(5)政府調控導向政府的調控在城市擴展中起著至關重要的作用。如衛星城的建立、交通干線的修建都是政府調控的重要措施。91年亞運會的舉辦及08年奧運會的成功申辦,使北京市朝陽區得到快速的發展,城市實體向東北方向擴展的趨勢十分明顯。

4 結 論

(1)為了對城市的行政邊界與實體邊界進行分類表達,本文引入城市實體的概念。城市實體包括城市建成區,與城市建成區在空同上緊密連接的、城市景觀突出的郊區,以及與城市建成區相連的城市邊緣帶,城市實體邊界是指城市實體的外邊緣。

(2)土地利用結果的信息熵值可以用來反映一個區域土地利用系統的有序程度。利用信息熵原理提取的城市實體邊界基本符合北京市近年來的發展特點。

(3)本文根據1988、1996及2004年的遙感影像利用信息熵原理提取北京市三個時相的城市實體邊界,得到各年份城市面識及擴展百分比;并利用城市實體的形狀系數模型得到北京市的城市實體類型。通過計算可以看出北京市近20年城市一直處于快速擴展階段。

(4)通過對北京市近20年城市擴展速度及擴展方向的分析,可以看出城市擴展受地形、環境、衛星城、交通干線以及政府調控等方面的影響,城市擴展具有一定的導向規律。

(編輯:田 紅)

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AbstractFor the purpose of predicting the future urban evolution trends and elaborating rational policies for regulation and control,it’s significant to distinguish correctly the rules of urban expansion and to analyze the evolution process.Offering rich variable data of urban expansion,the earth observation technology of remote sensing becomes the main approach to monitor urban expansion.Based on the T M images in 1988,1996 and 2004,the article appliesRS,GIS and Shannon entropy theory to extract the boundaryof urban entity of Beijing,and analyzes the area,direction,type and rules ofBeijing urban expansion between 1988 and 2004.It’s indicated that urban expansion ofBeijing developed rapidly in recent 20 years,and greatly influenced by terrain,environment,satellite cities,traffic circulation and the government.

Key wordsurban entity;urban expansion;RS;Shannon entropy;Beijing

Research on Urban Extension Based on Shannon Entropy

WANG X iu-lan LI Xue-rui FENG Zhong-ke
(Institute of GIS,RS&GPS,Beijing ForestryUniversity,Beijing 100083,China)

F291.1

A

1002-2104(2010)03專-0089-04

2009-09-09

王秀蘭,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為資源環境監測評價,土地利用/土地覆蓋變化。

＊北京地區三維綠量測定及其數字模型與虛擬現實表達(編號:09D0297)