基于TM影像的焦作市城市擴張與驅動力分析

鄧 超，程 鋼，孫震輝

（1.河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作454000；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454000）

城市是人口與經濟活動高度聚集的空間載體，是人類活動的中心。城市的空間擴展是城市形成與發展的必經階段［1］。為確保城市建設中合理利用土地，實現城市健康可持續發展，必須加強城市建成區的動態監測［2］。遙感技術可以獲得城市及時準確的動態擴張數據，已經成為城市擴張分析、城市資源環境監測的重要技術手段［3-6］。遙感技術在城市擴展監測方面具有優勢，但影像監督分類的效率和精度影響著結果的可靠性，如何提高分類精度和效率是主要的研究方向。

本文基于多時相遙感影像利用最佳指數因子法選取最佳波段組合對焦作市城市擴張特征進行研究，并結合社會經濟統計數據對城市擴張驅動因素進行定量分析。

1 研究區概況

焦作市位于河南西北部，北依太行山，南臨黃河，地處黃河中下游北畔，是焦太線-焦柳線上重要的城市，是中原城市群重要組成部分。北與山西省晉城接壤，南與鄭州、洛陽隔河相望，地理坐標位于北緯35°10′～35°21′，東經113°4′～113°26′之間，東西長約35.2km，南北寬約 19.7km，總面積4 071km2［7］。北部山勢陡峻，南部為豫北平原，地勢高度由西北向東南遞減，東西兩側為煤礦開采區。

2 研究方法

本研究采用多時相遙感影像為主的多源數據，對焦作市建筑用地、耕地、林地、水域、未利用土地等空間分異情況進行監測，并利用地形圖、規劃圖、區劃圖及經濟社會統計資料對城區擴張特征進行量化分析。

2.1 數據來源

本文采用遙感數據選取Landsat 5TM，軌道號124／36，采集時間為6～9月，均選擇無云影像，質量較好，滿足應用需求；其他數據包括河南省行政區劃圖、焦作市土地利用規劃圖、部分地形圖、2000～2011年焦作市社會經濟統計資料等［8］。

2.2 數據處理

2.2.1 數據預處理

由于受到遙感傳感器本身特性、地物光照條件、大氣作用的影響，影像在成像過程中會產生輻射失真和幾何畸變，在使用前需要首先對影像進行輻射校正和幾何校正；其次通過影像配準將多時相的影像數據統一到一個坐標系統下；最后對各時相遙感影像進行裁剪，去除多余信息，提高解譯效率。

2.2.2 TM遙感圖像彩色合成最佳波段選取

Landsat TM遙感圖像有7個波段，具有豐富的地物光譜特征，但大量的波段參與地物信息的提取不僅增加計算機的負擔，冗余的數據會影響對信息提取的效率。選取最佳波段組合是Landsat TM遙感圖像增強處理的關鍵步驟，直接影響到解譯和地物信息的提取。本文在進行波段選擇時遵循以下幾點原則：①參與合成RGB假彩色圖像的3個波段組合總的信息量要大；②各波段之間的相關性要小；③組合而成的假彩色圖像中不同地物類型之間的光譜特征差異要大。本文通過最佳指數因子選取Landsat TM遙感圖像中3個波段疊加在一起，組合成一幅RGB彩色圖像，便于各類要素的解譯。

最佳指數因子法（Optimum Index Factor，OIF），算法簡單，且考慮了波段組合信息總量和3個波段之間的相關性對最優波段組合選取的影響，計算方法見式（1）。

式中：Si表示第i個波段的標準差；Rij是i，j兩波段的相關系數。OIF指數越大說明波段組合越優［9］。

在TM的1～7波段中，TM6是熱紅外波段，分辨率較低，主要反映熱輻射信息，在土地利用監測中不予考慮，本文僅對其他6個波段進行統計和計算，用ENVI4.7軟件對焦作市2000年、2008年和2011年3期TM遙感圖像中的各個波段進行分析，得到每期的TM圖像光譜統計特征表、TM圖像相關系數表，根據式（1）計算分別得到每期TM圖像不同波段組合的OIF指數計算表。

通過綜合分析，得到2000年8月30號TM遙感圖像中最佳波段組合為3，4，5，2008年7月22號TM遙感圖像中最佳波段組合為1，4，5，2011年6月30號TM遙感圖像中最佳波段組合為1，4，5。

2.3 基于圖像分類和疊加分析的土地利用變化監測

本文利用研究區的先驗知識和其它輔助數據采用監督分類提取各地地物信息。由于TM遙感圖像的精度較低，本文按照土地利用一級分類對研究區域進行分類，并將圖像分為建筑與道路、耕地、林地、水域和未利用土地5類，利用監督分類的最大似然法進行處理，得到3個時相的分類結果，如圖1所示。

圖1 3個時相的監測結果

其中三幅圖像中的紅色為建筑用地（含道路用地），淺綠色為耕地，深綠色為林地，藍色為水域，黃色為未利用土地。三期數據的分類總體精度和Kappa系數見表1，分類總精度均達到90%以上，可以滿足研究的要求。

將2000年和2008年，以及2008年和2011年的分類結果進行疊加分析，分析結果如圖2所示。

圖2 土地利用變化圖

表1 分類總精度表

其中灰色的為未改變的土地利用類別，紅色的為增加的建筑和道路用地，綠色為增加的植被用地，藍色為增加的水域。

2.4 焦作市城區空間變化特征分析

根據焦作市歷年統計年鑒和焦作市城市總體規劃（1995～2010）［10］可知2008年焦作市是發展轉折年，城市用地迅速擴張。本文分2000～2008年、2008～2011年兩個時間段進行分析，利用空間分析方法對兩個階段的建成區空間擴展情況進行量化分析。

2.4.1 緊湊度、城市擴展速度與強度分析

城市緊湊度、擴展速度、擴張強度是研究城市擴張過程的主要分析指標。城市緊湊度可以反映城市形態，算式如式（2）［11］所示。

式中：c為城市緊湊度；A為城區面積；P為城市輪廓周長。緊湊度值越大，形狀越緊湊。

城市擴展速度用年均擴展率表示，算式如式（3）所示。

式中：ES為城市年均擴展率；La為研究初期城市建成區面積；Lb為研究末期城市建成區面積；n為研究時段，以年為單位。

城市擴展強度指在研究時期內某單位空間城市土地利用擴張面積與土地總面積的比值，算式如式（4）所示。

式中：UILt-t＋n為城市擴展強度指數；ULAt＋n和ULAt表示t＋n及t年時的城市土地面積；TLA為土地總面積，n同式（3）。

結合2000～2011年的統計年鑒有關數據，根據式（2）～式（4）得到各項指標數據如表2、表3所示。

表2 建成區緊湊度指數

表3 建成區擴展速度、強度統計

根據表2可知，從2000～2011年焦作市的城市緊湊度從2000年的0.346到2008年的0.411再到2011年的0.435，緊湊度明顯增加。從表3可知，城市擴張的速度從2000～2008年的時間段的5.86到2008～2011年的6.12，城市擴張步伐加快；擴張強度也從2000～2008年時間段的0.88到2008～2011年的1.26，有顯著的增強，從中等擴張強度進入了快速擴張強度的階段，略有超前。結合遙感影像輔助判讀，焦作市綠化面積大量增加，與焦作市建設旅游城市，加快城市發展轉型的總體規劃相一致。

2.4.2 城市用地擴展系數

本文采用城市用地擴展系數來測定城市用地擴展速度。該系數是指一定時期內城市用地增長率與城市人口增長率之間的比值［12］，算法如式（5）所示。

式中：S1為城市建成區面積年均增長速度；S2為城市非農業人口年均增長速度。

根據統計年鑒的有關數據可知［6］，建成區2000～2008年增長速度為0.721，非農人口年增長速度為0.157，城市用地擴展系數高達457%；2008～2011年建成區的年均增長速度為0.065，非農人口年增長速度為0.002 6，城市用地擴展系數為96%。根據K在國內的劃分標準，2000～2008年，城市用地規模擴展過快，主要原因在于政策因素，將郊區的大量農村人口轉為非農戶口，相應的村莊轉化成了城鎮；2008～2011年，城市用地規模擴展低于112%，擴展系數明顯下降，逐漸趨向于低速發展。

通過以上對焦作市城市空間的定量分析，可知焦作市城市擴張的以下特征：

1）建設速度快。面積從2000～2011年增加了1.85倍，超出河南省平均水平的1.15倍。

2）擴展的方向性強。建成區2000～2011年的城市空間擴展主要向南面，其次在西邊和東邊。這主要是受到焦作地區特殊地形地貌的影響。

3）城市綠地面積迅速增加。焦作市轉型為旅游城市后，更加注重城市綠地的建設，城市綠地面積不斷增加。

4）城市發展趨向合理。從上述各項指標來看，市區越來越緊湊，城市用地擴展系數趨于穩定，雖然擴張強度略有提高，但從整體上看，焦作市市區的發展正趨向于合理化。

5）耕地面積迅速減少。從2000年39.6%的比例降到了2008年的22.7%，進一步下降到了2011年的19.6%，城市建設用地的擴張導致大量耕地被占用。

3 焦作市城市擴張驅動力分析

建設用地擴張演化主要受自然因素和人文因素影響。自然因素對城市擴張的影響比較穩定，一定時間內難以對城市擴張造成巨大影響，而人文因素發揮主導驅動作用，本文主要分析人文因素對焦作市城市擴張的影響，以期揭示其主要原因和內部機制。

在胡德勇等人研究的基礎上［13］兼顧到焦作市的實際情況，以焦作市2000～2011年的系列資料作為基礎數據，選取10個驅動力因子對建設用地變化進行分析，包括：X1—人口（人）；X2—GDP（萬元）；X3—第一產業占總產值比重（萬元）；X4—第二產業占總產值比重（萬元）；X5—第三產業占總產值比重（萬元）；X6—社會固定資產投資（萬元）；X7—非農人口（人）；X8—人均 GDP；X9—鋪裝道路面積；X10—公交車擁有量；Y—建設用地面積（km2）。由2000～2011焦作市統計年鑒得到數據如表4所示。

表4 原始數據表

通過相關性分析可知，城市擴展和各要素之間有很高的相關性，各個要素間也有很高相關性。本文采用主成分分析法，降低要素之間相關性的復雜度，獲取焦作市城市擴展的主導因素。本文利用SPSS20.0軟件對相關數據分析，得到特征值及主成分貢獻率，如表5所示。

表5 特征值及主成分貢獻率

由表5可知，前兩個因子的特征值均大于1，累計方差為89.302%，超過了85%，可以包含數據的主要信息，因此本文選用前兩個因子為主因子代替所選的10個因子。

由主成分載荷矩陣如表6可知，第一主成分與GDP、第三產業、市區固投、人均GDP、總人口有很大相關性。其中GDP、人均GDP、固定資產投資和基礎建設占財政支出的比例反映了經濟發展程度，總人口和非農人口的比重反映了城鎮化水平；第三產業占的比重反映了第三產業對焦作市城市擴張的影響。第二主成分與第二產業占的比重相關性較強，說明工業也是促進城市擴張的主要驅動力之一。下面從幾個方面分析各類驅動因素：

表6 主成分轉置載荷矩陣

1）經濟增長。焦作市國民經濟發展迅速，2000～2011年，焦作市GDP從651 866萬元增長到2 855 836萬元，增長幅度達2 203 970萬元，增長率高達338.10%，年均增長30.73%。焦作市經濟的的快速增長為城市建設提供強有力的資金保障，大力推動了焦作市城市擴張建設。

2）經濟結構的變化。近年來，隨著焦作市經濟轉型之路的發展，產業結構不斷調整，旅游業、服務業快速發展。在新的經濟發展方式下，第三產業體系逐步完善，正朝著功能完善、布局合理、服務一流的方向發展。2000～2011年之間，第一產業占GDP比重從3.89%下降到1.15%，第二產業占GDP比重從67.35%下降到55.83%，而第三產業比重卻從32.06%上升到43.01%。第三產業的發展也成為城市建設用地擴張的主要驅動因素之一。

3）固定投資。近年來，焦作市政府鼓勵外來投資，為外來投資創造良好的政策環境，在政府導向下社會投資逐年增加，從2000～2011年，固定投資從258 547萬元增長到2 490 372萬元，增長率高達963.22%。不斷增加的固定資產投資大力推動城市建設的舊城改造、改建、擴建、新建等活動，促使焦作市建設用地面積在不斷增長。

4）城鎮化建設。人口和產業活動在空間上集聚，農村人口轉化為非農村人口，農村地區轉化為城鎮地區，是城市化的主要過程。城鎮化建設促進了產業和人口在空間布局上合理集中。焦作市城鎮化在河南省處于領先地位，其新型城鎮化建設是焦作市發展的驅動力之一。

4 結 論

本文通過遙感監測城市擴張表明，2000～2011年，焦作市城市空間擴展特征主要表現為建成區范圍的外延式水平空間擴展，建設速度快、擴展的方向性強。結合焦作市各項經濟社會統計數據，可知經濟增長、經濟結構變化、固定投資、城鎮化建設促進焦作市擴張的主要因素。結合焦作市規劃情況，焦作市應繼續堅持可持續發展戰略，加強城市建設用地集約程度；通過建立完善的耕地保護制度，確保城鄉城市建設用地擴張與保護耕地相協調，最終達到統籌發展的目的；加大舊城改造力度，避免建設用地過度擴張；大力發展公共交通，減輕交通對城市建設用地的壓力。

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