基于遙感的達州市城市擴展研究與機制分析

賀 婧，李 飛

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

近年來隨著科技的發展，空間定位技術和遙感技術進步迅速，通過遙感技術獲取的數據的可靠性、分辨率和精確度都在不斷提高。建立有效監測城市擴展的驅動力機制，監測分析城市擴展過程，利用不同的衛星遙感影像數據獲取城市信息，進而闡釋城市的動態變化，已成為監測城市擴展最有效的方法之一。本文以Landsat TM影像為數據源，以ENVI、ArcGIS為操作平臺，研究了4個時相跨越15 a的達州市城市擴展情況。本文采用閾值對城市建筑部分進行分割，在目視解譯的基礎上采樣大量城市建筑點的灰度值，得到城市建筑提取的閾值，進而對城市建筑用地進行提取；從國家政策引導、自然環境特征、社會經濟發展水平3個方面探究了達州市城市擴展的人為驅動力，并對不同時期影響達州城市擴展的因素進行了重要性分析。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文選取的數據源為Landsat TM影像，衛星軌道高度為705 km，衛星從南向北運動，每天繞地球14.5圈，每16 d重復覆蓋一次，覆蓋地球范圍為81°N～81.5°S。本文采用4個時段的遙感影像，時間間隔分別為7 a、4 a和4 a，可反映研究時段內達州市的城市擴展變化和趨勢。

1.2 研究方法

本文以ENVI、ArcGIS為操作平臺，對4個時相跨越15 a的達州市城市擴展情況進行了研究。本文采用區域分割技術進行閾值處理，需對圖像進行分割，設置相應的閾值，閾值范圍內的像素值都是目標。本文利用閾值對城市建筑部分進行分割，在目視解譯的基礎上采樣大量城市建筑點的灰度值，得到城市建筑提取的閾值，再對城市建筑用地進行提取。通過引入重心坐標、城市彈性系數等，可分析數據的時空規律、形態特征等。具體技術路線如圖1所示。

圖1 研究路線圖

2 研究結果與分析

2.1 數據預處理

由于本文采用的影像數據是WGS84坐標系統，因此需要進行坐標系轉換，可在ArcGIS中完成，再進行掩膜處理。由于遙感圖像傳感介質不均勻、傳感器成像投影方式、方位元素變化等因素影響，遙感影像會出現幾何變形，因此需要通過幾何校正消除變形。以2013年影像圖為標準，對4個時段的TM影像進行幾何校正。經過Image To Map校正后的遙感圖像如圖2所示。

圖2 經過預處理的4個時相遙感圖像

2.2 波段分析

由于不同地物在TM影像上的光譜值不同，因此可在研究區內選取20個樣點的各種地物，對其6個波段進行對比分析，找到它們不同于其他地類的變化規律。

1995年TM影像各波段建筑用地樣點DN值如圖3所示，可以看出，不同波段不同地物的光譜特征是有差異的，本文通過不同波段的DN值分析城市建筑用地和其他地類的差異，從而提取城市建筑用地。本文將地類分為建筑用地、河流、林地和裸地4類，第三波段建筑用地與林地的DN值差異較大，第四波段建筑用地與林地、裸地的DN值差異較大，第五波段建筑用地與林地、河流的DN值差異較大，第七波段建筑用地與河流的DN值差異較大，因此根據各地類光譜值的差異可提取城市建筑用地。第一波段建筑用地DN值主要集中在90～105，第二波段主要集中在40～50，第三波段主要集中在42～57，第四波段主要集中在43～56，第五波段主要集中在50～70，第七波段主要集中在25～50；第五波段DN值明顯大于第七波段，第一波段DN值大于其他波段，因此可利用比值法設置閾值，將建筑用地與其他地類區分開。具體提取條件為：TM1[90'105]、TM2[40'50]、TM3[42'57]、TM4[43'56]、TM5[50'70]、TM7[25'50]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖3 1995年TM影像各波段建筑用地樣點DN值

2002年TM影像各波段建筑用地樣點DN值如圖4所示，同樣可利用一定的閾值將建筑用地與其他地類區分開。具體提取條件為：TM1[95'110]、TM2[40'60]、TM3[41'60]、TM4[40'60]、TM5[45'65]、TM7[25'45]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖4 2002年TM影像各波段建筑用地樣點DN值

2010年TM影像各波段建筑用地樣點DN值如圖5所示，同樣可利用一定的閾值將建筑用地與其他地類區分開。具體提取條件為：TM1[83'100]、TM2[36'55]、TM3[35'60]、TM4[50'70]、TM5[54'85]、TM7[34'47]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖5 2010年TM影像各波段建筑用地樣點DN值

2.3 建筑用地提取

對遙感影像進行波段分析后，本文利用假設的閾值進行圖像提取，再利用求交運算從已提取的地類中精確提取建筑用地各波段DN值在閾值內的像素點。提取結果如圖6所示。首先對提取的數據進行格式轉換，由柵格數據轉換為矢量數據；再利用ArcGIS平臺對矢量數據進行設置，將各時相達州市區的建筑用地置于同一圖層；最后比較分析達州市區建筑用地的擴展情況，如圖7所示。

圖6 各時相精確提取的各波段DN值

圖7 1995-2010年達州市城市建筑用地擴展圖

2.4 城市建筑用地擴展形態分析

城市用地的空間擴展已成為衡量城市化的一個重要指標，可準確判斷城市擴展的強度和規律，有助于預測未來城市演變趨勢。本文對提取的達州市城市建筑用地進行統計，結果如表1所示，可以看出，1995—2002年達州市城市建筑用地有較大擴展，接近翻了一倍；由于城市建筑的飽和以及時間推移，2002—2006年的擴展百分比降為59.6%；2006—2010年的擴展百分比降至25.3%；與上年份擴展百分比呈逐年下降趨勢。

表1 達州市城市建筑用地統計

本文利用四川省DEM數據掩膜提取達州市的DEM信息，并對其進行坡度計算，結果如圖8所示，坡度值越小表明該區域坡度越緩。結合達州市地形圖可知，達州市山地丘陵面積占全市總面積的98.8%，城市建設沿河流延伸展開，并集中在坡度較緩的地區，即達州市南部。

圖8 四川省DEM數據坡度統計

3 結語

本文以TM影像為主要數據源，對達州市城市擴展情況進行了研究；通過波段比值法和設置閾值提取了達州市4個時相跨度15 a的城市建筑用地信息，并引入了城市擴展彈性系數、城市擴展強度等指標。結果表明，2002—2006年的城市擴展面積最大，約為4.196 6 km2；2002—2006年城市擴展強度最大，約為14.9%；城市擴展彈性系數逐年減小，2006—2010年達到最小，為2.01。達州市區城市擴展的速度和方向受自然條件、社會經濟條件等因素的影響，其自然地理環境決定了城市建筑用地沿河流方向發展，并盡量向平坦區域擴展，避免了山地和丘陵；而社會經濟狀況對達州市建設起到了重要的推動作用。