基于GIS的城市空間擴展特征分析

摘 要：以RS和GIS技術為支撐，基于多時相Landsat遙感數據，采用人工解譯方法提取錦葫沿海四個城市空間特征信息，結合地學統計方法，定量研究了城市擴張速度、強度、緊湊度及城市用地分維數四個指標。結果表明：1990-2010年城市擴張面積為8166 hm2，擴張速度為7.37%，擴張強度為0.11；城市用地擴展速度最快的是葫蘆島市；擴展強度最大的是錦州；錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散；葫蘆島市的城市用地邊界最為復雜。該結論可以作為城市規劃的前期研究，并為城市空間擴展的驅動機制研究及空間擴展模擬打下基礎。

關鍵詞：GIS 城市空間擴展 錦葫沿海地區

中圖分類號：F291 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-03

長期以來，由于缺乏堅實的數據基礎設施和定量研究方法，我國城市空間擴展研究仍然囿于描述性研究，缺乏系統的空間與微觀研究。計算機技術的發展、地理信息系統的普及和城市基礎數據庫的建立為解決以上問題奠定了技術基礎。利用GIS進行城市空間擴展研究是GIS應用于城市規劃的新興領域[1]，該文基于GIS和RS技術，對錦葫沿海四個城市進行城市空間擴展特征的定量分析，可以作為城市規劃的前期研究，并為城市空間擴展的驅動機制研究及空間擴展模擬打下基礎。

1 區域概況及數據處理

研究區域包括錦州、葫蘆島、興城、凌海4市的行政范圍（以下簡稱“錦葫沿海地區”），面積7847.6 km2，沿海岸帶呈帶狀分布，地理坐標在北緯39 °59′～41 °26′，東經119 °12′47″～121 °45′之間，是傳統的遼西走廊區位，也是溝通關內外、聯結東北華北的黃金通道。錦葫沿海地區區位優勢明顯，屬于“城市熱點區域”及“生態敏感區域”，有填海造地的現象存在，不同于內陸城市的空間擴展，因此選擇錦葫沿海地區作為研究區域具有典

型性[2]。

本研究采用1990年9月2日、2000年6月19日和2010年9月28日3個時相的Landsat TM和ETM遙感影像為主要數據源（軌道號為：120-31、120-32、121-31和121-32），輔助數據源包括地形圖、遼寧省地圖、四個城市的相關規劃圖等圖件。

用地分類標準依據2011年發布的《城市用地分類與規劃建設用地標準》。在Erdas 2011中完成對影像的校正配準、拼接、切割、假彩色合成等步驟。利用ArcGIS 9.3軟件，通過人工解譯遙感影像進行地物分類，進行遙感影像的目視解譯和數字化景觀

信息[3]。

2 研究方法

2.1 擴張速度

建設用地的擴張速度表示單位時間內建設用地的變化幅度，計算公式為[4]：

式中：K為研究時段內區域建設用地的年變化率；Ua、Ub分別為研究時段開始于結束時建設用地的面積；T為研究時段，此處設為年。

2.2 擴張強度

建設用地的擴張強度指數計算公式為：

式中：Iue為建設用地的擴張強度指數；ΔUi為某一時段建設用地的擴張數量；Ai為研究單元的土地總面積；Δt為某一時段的時間跨度。

2.3 緊湊度

城市空間緊湊度變化是度量空間形態變化的最主要特征指標之一，倍受關注[5]，緊湊度的變化可表征城市用地擴展的空間

特征。

式中：c為緊湊度；At、Pt分別為第t年城市斑塊的面積和周長。c值在0～1，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好，反之越差。圓是形態最緊湊的圖形，其緊湊度為1。

2.4 城市用地分形維數

城市用地分形維數可描述城市邊界形狀的曲折性和復雜性，它反映了土地利用形狀的變化及土地利用受干擾的程度[6]，計算公式如下：

式中：St為第t年城市斑塊的分形數；At、Pt分別為第t年城市斑塊的面積（km2）和周長（km）。分形維數值的理論范圍在1～2，維數越大表示圖形形狀越復雜。當維數<1.5時，說明圖形趨向于簡單；當維數=1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態，越接近于該值，穩定性越差；當維數>1.5時，則圖形趨于復雜。

3 城市建設用地擴展特征分析

為了更直觀地反映1990-2010年各城市空間結構的變化過程，在ArcGIS中只提取主城區建設用地屬性，分別生成錦、葫、凌、興四個城市主城區的城市擴展圖，見圖1。

統計各時期、各城市的城市建設用地面積，計算城市擴展速度和強度，見表1。

從錦、葫、凌、興1990-2010年間城市用地擴展情況表中可以看出：

（1）1990-2000年，城市用地增長量最高的是葫蘆島市，高達2117 hm2，最低的是凌海市，增量為239 hm2；城市用地擴展速度最快的是葫蘆島市，其次是凌海市、錦州市，最低的是興城市；擴展強度是錦州市最高，次之是葫蘆島市、興城市，最低是凌海市。

（2）2000-2010年，城市用地增長量最高的是葫蘆島市，高達2040公頃，最低的是凌海市，增量只有234 hm2；擴展速度最快的是葫蘆島市，其次是錦州市、凌海市，擴展速度最慢的是興城市；擴展強度最高的為錦州市，其次是葫蘆島市，凌海市和興城市的城市用地擴展強度相當。

（3）1990-2010年這20年里，城市用地擴展速度最快的是葫蘆島市，其次是凌海市、錦州市和興城市；擴展強度排序是錦州市、葫蘆島市、興城市、凌海市。

按照公式分別計算錦、葫、凌、興四市城市緊湊度和分形維數，將結果用柱狀圖直觀地表示出來，見圖2和圖3。

從圖2和圖3中可以看出：

（1）城市緊湊度由高到低依次是：凌海市、興城市、錦州市、葫蘆島市。錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散。由于緊湊度變化與城市效率變化呈現一定的對應關系[7]，因此葫蘆島市在下一步城市規劃中應加強城市的空間布局，提高緊湊度，使城市投入要素資源的配置和利用水平得到了改善。

（2）葫蘆島市的城市用地邊界最為復雜，其次是錦州市。凌海市1990-2000年形狀不斷復雜，2000-2010年趨于簡單；興城市正好與凌海市相反。由于在信息熵無法測得的時候，可用分維代替信息熵進行地理信息分析[8]，因此錦葫沿海四個城市中，葫蘆島市的城市用地空間形態分布是相對最為均衡的。

4 結語

本研究利用遙感數字圖像處理技術和GIS的空間分析技術監測錦葫沿海四個城市1990—2010年城市擴張面積為8166 km2，擴張速度為7.37%，擴張強度為0.11；城市用地擴展速度最快的是葫蘆島市；擴展強度最大的是錦州；錦州市、葫蘆島市城市空間越來越分散；葫蘆島市的城市用地邊界最為復雜。利用多時相遙感影像作為數據源，并利用遙感的數字圖像處理技術和GIS的空間分析技術相結合，可快速有效地監測城市用地擴展的面積、速度、強度等，從而可在宏觀上把握城市開發的方向、速率及占用耕地情況，進而為政府建設、規劃部門提供宏觀管理信息和科學的決策依據。

參考文獻

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[2] 任韶紅，蘇雷，朱京海.錦葫沿海地區景觀格局變化研究[J].中國建設信息，2012（21）：77-79.

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208.

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[8] 陳彥光，劉繼生.城市土地利用結構和形態的定量描述.從信息熵到分數維[J].地理研究，2001，20（2）：146-152.