基于地理國情數據的不透水面的變化分析

摘? 要：該研究基于2018—2020年武漢市的地理國情監測數據，并以武漢市為研究區域，采用數量統計及空間格局分析的方法對武漢市2018—2020年的不透水面變化特點進行分析，達到對武漢市城市發展的動態了解。研究結果表明：2018—2020年武漢市的不透水面面積整體呈現逐年增加的變化規律;不透水面的空間分布均表現為由中心向外圍逐漸遞減，且在距中心3千米～6千米處達到最大;從空間和數量上，武漢市城市及經濟發展規律相一致，即均以長江為軸心發展。

關鍵詞：不透水面;距離譜;標準差橢圓;地理國情監測

中圖分類號：TP391;P20 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2022）02-0146-04

Abstract： Based on Wuhans geographical national conditions monitoring data from 2018 to 2020， and taking Wuhan as the research area， this study uses the methods of quantitative statistics and spatial pattern analysis to analyze the change characteristics of impervious surface in Wuhan from 2018 to 2020， so as to understand the dynamics of urban development in Wuhan. The study results show that： from 2018 to 2020， the impervious surface area of Wuhan shows a change law of increasing year by year; the spatial distribution of impervious surface decreases gradually from the center to the periphery， and reaches the maximum at 3～6 kilometers away from the center; in terms of space and quantity， the law of urban and economic development in Wuhan is consistent， that is， their development both take the Yangtze River as the axis.

Keywords： impervious surface; distance spectrum; standard deviation ellipse; geographical national conditions monitoring

0? 引? 言

隨著城市的發展，不透水面作為衡量城市化水平及城市生態環境水平的重要指標因素也在被越來越對多的研究人員所重視。而當前國內外對不透水面的研究主要分為三個方面：一是對不同數據源的不透水面提取方法的研究，如TM影像、Sentine影像、Landsat OLI等數據的提取;二是研究不透水面提取模型與算法，如SVM和線性光譜混合模型;三是對不透水面的時空演變、驅動力因素及生態環境相關的研究分析。

本文的主要內容是基于2018—2020年武漢市地理國情數據，研究武漢市不透水面的數量變化，同時運用距離譜分析、標準差橢圓分析的方法研究武漢市不透水面的空間分布規律，在分析武漢市不透水面數量和空間分布變化的基礎上，分析武漢市城市擴張發張的規律。

1? 研究區域概況與數據來源

1.1? 研究區域概況

武漢市位于湖北省東部、長江與漢江交匯處，是國家區域中心城市（華中）、副省級市和湖北省省會。武漢市現有13個轄區，其中江岸區、江漢區、硚口區、漢陽區、武昌區、青山區、洪山區7個為中心城區，而漢南區、東西湖區、蔡甸區、江夏區、黃陵區、新洲區6個區為新城區。截止2020年末，武漢市總面8 569.15 km2;常住人口為1 244.77萬人，戶籍人口為916.191 3萬人。此外武漢還是中國重要的工業基地，擁有鋼鐵、汽車、光電子、化工、冶金、紡織、造船、制造、醫藥等完整的工業體系;2020年，武漢市GOP達到15 616.06億元，位居全國第九。

1.2? 研究數據

本文研究使用到的數據主要為2018—2020年地理國情普查與監測數據，2018—2020年三期高分辨率影像數據，基礎測繪數據等。具體使用的數據資料如表1所示。

2? 研究方法

2.1? 不透水面距離譜分析

采用歐式距離的空間圈層分析方法，以研究區域幾何中心為圓心，由中心向外圍每隔一定距離如3 km作同心圓，有效覆蓋研究區域內的主要不透水面。用以分析從城市中心到新城區不透水面的平均密度的變化趨勢，可輔助分析不透水面的擴展模式。

式中，Mi為不透水面的平均密度，Si為第i個同心圓環內不透水面面積，Di為第i個同心圓環內土地面積。

2.2? 標準差橢圓分析

采用方向分布（標準差橢圓）分析研究區域不透水面擴張部分的空間格局，通過研究不同時期區域不透水面圖層得到不透水面的擴張區域，計算擴張區域的標準差橢圓，測量擴張區域的趨勢，查看擴張區域的分布是否是狹長型的，并因此具有特定方向。通過標準差橢圓使擴張的不透水面的分布趨向變得更為明確。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762

3? 結果與分析

3.1? 不透水面總體概況

武漢市2018—2020年不透水面積分別為1 390.22 km2、1 430.13 km2和1 446.06 km2，2018年至2020年每年占比增長幅度分別為0.46和0.19個百分點，總體呈現逐年上升的趨勢，但2020年增長幅度相較2019年有較大的下降。

從空間分布格局來看，武漢市2018—2020年間不透水面的空間分布規律相似，即自城市中心向周邊逐漸遞減。總體表現為中心城區不透水面密度較大，新城區較小。原因是中心城區起步較早，發展較為成熟，房屋建筑和道路等不透水面占比高;新城區尚處于發展階段，相較之下不透水面占比小于中心城區。全市2018—2020年的不透水面分布圖如圖1所示。

如圖2、圖3所示，2018—2020年三年期間中心城區如江岸區、江漢區、漢陽區、武昌區等的不透水面積變化幅度較小，基本保持不變。硚口區與青山區的不透水面積減少較多，這與區域內舊城改造及綠化建設密切相關，也表明隨著城市的發展完善，特別是中心城區的各項建設已經趨于完善，所以中心城區的變化更多的在于環境方面的改善。洪山區不透水面逐年增加，說明該區在2018—2020年期間發展較快。此外，新城區整體呈快速發展狀態，其中如漢南區、黃陂區、新洲區的不透水面面積增加較多，說明新城區的建設速度在不斷加快，且與不透水面積整體增加的大趨勢一致，反映了新城區與中心城區的城市化發展進程。

3.2? 不透水面圈層特征分析

采用基于歐氏距離的空間圈層分析法，以武漢市的幾何中心為圓心構建半徑依次增加3km的同心圓，最大圓的半徑為84 km，以此為基礎來分析從中心城區到新城區不透水面平均密度的變化情況。

如圖4所示不透水面密度在距離幾何中心3千米～6千米的范圍顯著增加，主要原因是幾何中心位于二七長江大橋附近靠近江中心的位置，3千米圈層內江水占了一定比例;在距離幾何中心6千米的圈層內，城區高度開發，建筑十分密集，不透水面密度達到了峰值，該范圍是沿江開發強度最高的區域。距離幾何中心6千米以外的各圈層不透水面密度由內向外總體減少，但不同圈層的變化規律不同：6千米～9千米圈層內不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈層內不透水面密度有所上升，并在12千米圈層形成次高峰，房屋建筑（區）、鐵路與道路和構筑物為此范圍內不透水面積增加的主要地表類型;12千米以外不透水面密度持續下降，57千米圈層以外下降速度放緩，三期不透水面密度下降速率較為統一，沒有太大區別。

3.3? 不透水面的標準差橢圓分析

標準差橢圓反映了空間要素組織的總體輪廓和主導分布方向，其中橢圓長軸半徑與扁率可聯合反映空間格局總體要素的集中密度，偏角反映格局的主導方向。不透水面的標準差橢圓反映出武漢市城市發展緊緊倚靠長江，其不透水面發展大體上隨著長江的流向的特點。2018—2020年三期不透水面標準差橢圓具體參數如表2所示。

分析可得2018—2020年武漢市不透水面的標準差橢圓主軸方向變化微小，大致與長江的方向相一致，這與武漢市主要以長江為發展軸展開的經濟增長模式相符。距離長江越近，不透水面積越大且不透水面圖斑分布越密集;反之，不透水面圖斑的面積越小且分布越稀疏。2020年，主軸方向順長江方向逆時針略微偏轉，這是因為黃陂區的不透水面積快速增長。黃陂區長江新城的建設較好，發展速度快。

4? 結? 論

本研究，分析了武漢市2018—2020年不透水面時空變化特征。結果表明：（1）總體而言，2018—2020年武漢市的不透水面是逐年遞增。（2）從空間分布上來看，城市中心向周邊逐漸遞減。總體表現為中心城區不透水面密度較大，新城區較小;在空間距離表現為不透水面密度在距離幾何中心3-6千米的范圍顯著增加，在距離幾何中心6千米的圈層內，城區高度開發，建筑十分密集，不透水面密度達到了峰值，距離幾何中心6千米以外的各圈層不透水面密度由內向外總體減少，但不同圈層的變化規律不同：6千米～9千米圈層內不透水面密度快速下降;9千米～12千米圈層內不透水面密度有所上升，并在12千米圈層形成次高峰，12千米以外不透水面密度持續下降，57千米圈層以外下降速度放緩，三期不透水面密度下降速率較為統一，沒有太大區別。（3）在發展方向上，2018—2020年武漢市不透水面的標準差橢圓主軸方向變化微小，大致與長江的方向相一致，這與武漢市主要以長江為發展軸展開的經濟增長模式相符。距離長江越近，不透水面積越大且不透水面圖斑分布越密集;反之，不透水面圖斑的面積越小且分布越稀疏。

本文以武漢市為例，基于地理國情數據及遙感影像數據對不透水面進行變化監測，定量分析不透水面變化情況、特點及分布，可為海綿城市建設、城市規劃管理、城市內澇治理等提供參考。

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作者簡介：丁安（1992—），男，漢族，安徽安慶人，研究生在讀，研究方向：測繪工程。0A89EF9B-8040-4B70-9ABF-D81680E74762