胡張武
(安徽省第四測(cè)繪院,安徽合肥230031)
基于RS和GIS的巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)分析
胡張武
(安徽省第四測(cè)繪院,安徽合肥230031)
在RS和GIS技術(shù)支持下,利用相關(guān)影像,采用監(jiān)督分類和人機(jī)交互相結(jié)合的方法對(duì)研究區(qū)城鎮(zhèn)信息進(jìn)行提取,在此基礎(chǔ)上從城鎮(zhèn)體系的空間分布特點(diǎn)及空間集聚與擴(kuò)散效應(yīng)的角度,對(duì)研究區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。研究表明,該城鎮(zhèn)體系的空間集聚能力強(qiáng)于擴(kuò)散能力。
RS;GIS;巢湖流域;城鎮(zhèn)體系;空間結(jié)構(gòu)
城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)是區(qū)域自然、經(jīng)濟(jì)因素在空間布局上的綜合反映。分析城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu),對(duì)于促進(jìn)城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[1]。巢湖位于皖中,交通便捷,區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,隨著城市化和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,巢湖流域城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展變化,對(duì)巢湖流域的影響不斷增強(qiáng)。因此,加強(qiáng)對(duì)巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)的研究,對(duì)巢湖流域城鎮(zhèn)體系的未來(lái)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。
目前,有關(guān)城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)的研究很多,如文獻(xiàn)[2]從區(qū)域發(fā)展、城鎮(zhèn)體系以及城市用地結(jié)構(gòu)的角度研究其對(duì)城市形態(tài)的影響機(jī)制,進(jìn)而對(duì)武漢市空間結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)[3]通過(guò)運(yùn)用分功能區(qū)的方法分別對(duì)杭州市的宏觀空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析等。近年來(lái),隨著RS和GIS技術(shù)在城市研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,一些學(xué)者利用RS和GIS技術(shù)對(duì)一些區(qū)域的城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)展開(kāi)了研究,如文獻(xiàn)[4]基于雷達(dá)衛(wèi)星Scan-SAR遙感圖像分析,根據(jù)中心地理論,提出了關(guān)于城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)如何劃分空間的地理問(wèn)題,對(duì)黃淮海平原不同地貌、水文等要素影響下的城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[1]在遙感技術(shù)與GIS技術(shù)的支持下,采用分形幾何理論對(duì)紹興市城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征的演化規(guī)律進(jìn)行了分析。
本文研究巢湖流域的城鎮(zhèn)主要位于巢湖及其九條主要環(huán)湖河流附近,具體有巢湖市、合肥市這兩個(gè)中心城市和廬江縣及周邊的主要小城鎮(zhèn),其城鎮(zhèn)體系具有城鎮(zhèn)數(shù)量多、城鎮(zhèn)分布散亂的特點(diǎn)。
采用的遙感圖像數(shù)據(jù)為巢湖流域2001年10月12日Landsat7的ETM+影像,包括可見(jiàn)光和近紅外的六個(gè)波段,空間分辨率為30 m×30 m,如圖1所示。
圖1 研究區(qū)ETM+影像
另外,還收集了巢湖流域1∶50 000地形圖用于輔助圖像的處理以及相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
從圖1可以看出,研究區(qū)有三個(gè)主要的城鎮(zhèn)區(qū)域,分別位于圖的左上方、左下方和右方,在研究區(qū)ETM+的第2波段、第3波段和第5波段合成的影像上為灰色團(tuán)塊狀分布。有關(guān)城鎮(zhèn)信息最直接的自動(dòng)提取方法是基于影像分類的方法,但城鎮(zhèn)是由建筑物、道路、綠地及空地等多種地物相互交錯(cuò)而構(gòu)成的復(fù)雜混合體,由于各類地物的差異以及混合比例的不同,在遙感影像上存在著一定的類間差異,利用計(jì)算機(jī)分類方法提取精度有限。文獻(xiàn)[5]曾用譜間結(jié)構(gòu)閾值法對(duì)TM圖像居民地信息進(jìn)行了半自動(dòng)提取。文獻(xiàn)[6]仿歸一化植被指數(shù)NDVI,提出歸一化建筑指數(shù)(normalized difference built-up index,NDBI),利用TM圖像提取了無(wú)錫市城鎮(zhèn)用地信息,也取得了較好的效果。文獻(xiàn)[7]在借鑒前人的基礎(chǔ)上,以常德和長(zhǎng)沙市區(qū)作為示范,通過(guò)對(duì)城鎮(zhèn)用地的遙感信息機(jī)理分析,首先利用歸一化植被指數(shù)NDVI和歸一化水體指數(shù)NDWI,設(shè)定合適的閾值去除植被和水體信息;然后利用城鎮(zhèn)用地與裸地的譜間結(jié)構(gòu)特征將兩者進(jìn)行區(qū)分,通過(guò)對(duì)二值圖像進(jìn)行二值邏輯運(yùn)算,得到城鎮(zhèn)用地專題信息,取得了令人滿意的結(jié)果。本文采用對(duì)影像直接進(jìn)行監(jiān)督分類的方法,并結(jié)合人機(jī)交互修正,進(jìn)行城鎮(zhèn)信息的提取,具體過(guò)程如下:
1)對(duì)影像進(jìn)行幾何校正,即借助研究區(qū)1∶50 000的地形圖,分別選取遙感影像上與其對(duì)應(yīng)的道路交叉點(diǎn)等地理位置明確的同名地物點(diǎn)10個(gè),采用一元二次多項(xiàng)式和最鄰近像元重采樣的方法,對(duì)ETM+影像進(jìn)行幾何精度校正,校正誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)。
2)根據(jù)影像目視判讀和野外實(shí)地調(diào)查,將研究區(qū)地表覆蓋大致分為水體、林地、城鎮(zhèn)和耕地四大類,分別選取相應(yīng)的訓(xùn)練樣本構(gòu)建分類模板(如圖2所示)進(jìn)行最大似然法監(jiān)督分類,得到監(jiān)督分類后的巢湖流域影像圖,如圖3所示。
圖2 巢湖流域影像圖的分類模板
3)將圖3中的分類結(jié)果進(jìn)行二值化處理,得到巢湖流域的城鎮(zhèn)分布影像圖,如圖4所示。將其和巢湖流域1∶50 000的地形圖及原始影像相疊加發(fā)現(xiàn),在圖的左下方,由于云霧的影響使得城鎮(zhèn)區(qū)域比實(shí)際范圍大,另外還存在一些零星的小城鎮(zhèn)的遺漏和誤判現(xiàn)象,因此,需采用人機(jī)交互的方式對(duì)影像圖進(jìn)行一定的人工修正處理。
圖4 巢湖流域的城鎮(zhèn)分布影像圖
從圖4可知,巢湖流域的城鎮(zhèn)體系主要是分布在九條主要環(huán)湖河流附近,只有為數(shù)不多的城鎮(zhèn)沿湖分布。主要以巢湖市、合肥市和廬江縣三個(gè)規(guī)模較大的城鎮(zhèn)為中心,這三個(gè)城鎮(zhèn)大體呈等腰三角形分布,既依托于巢湖流域,又對(duì)巢湖流域產(chǎn)生一定的影響。由于它們所處的地理位置不同,各自發(fā)展的方向也不同:巢湖市位于巢湖流域的東邊,向西發(fā)展已經(jīng)不可能,東面又有大山將巢湖市與其他城市相隔,因此只能以向北和向南發(fā)展為主;合肥市位于巢湖流域的西北邊,東邊和西邊分別有肥東和肥西兩個(gè)城鎮(zhèn),且這兩個(gè)城鎮(zhèn)的發(fā)展已具有一定的規(guī)模,有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)實(shí)力,北邊與其他城市相隔較遠(yuǎn),聯(lián)系不太密切,因此合肥市主要以向南發(fā)展為主;廬江縣是縣級(jí)城鎮(zhèn),位于巢湖流域的西南邊,自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱,如果僅憑自身發(fā)展壯大困難重重,因此廬江縣依托巢湖市和合肥市的經(jīng)濟(jì)實(shí)力發(fā)展壯大自身,主要以向東和向北發(fā)展為主。此外,巢湖市、合肥市和廬江縣這三個(gè)城鎮(zhèn)之間的相互關(guān)系也很緊密,巢湖市與合肥市的距離約為64 km,廬江縣離合肥市的距離較近,離巢湖市的距離較遠(yuǎn)。
巢湖流域的城鎮(zhèn)體系是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、文化相互組合的空間景觀,是經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)空間集聚與空間擴(kuò)散的過(guò)程與結(jié)果,處于集聚效應(yīng)與擴(kuò)散效應(yīng)的相互影響和相互作用中。所謂集聚效應(yīng),是指因社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的空間集中而形成的聚集經(jīng)濟(jì)與聚集不經(jīng)濟(jì)綜合作用的結(jié)果。其本質(zhì)上是兩種力量的作用:①聚集經(jīng)濟(jì)作為空間聚集的吸引力推動(dòng)著城市區(qū)域的形成和發(fā)展;②聚集不經(jīng)濟(jì)作為排斥力限制著城市的進(jìn)一步聚集和規(guī)模擴(kuò)大。所謂擴(kuò)散效應(yīng),是指所有位于經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張中心的周圍地區(qū),都會(huì)隨著與擴(kuò)張中心地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施的改善等情況,從中心地區(qū)獲得資本、人才等,并被刺激促進(jìn)本地區(qū)的發(fā)展,逐步趕上中心地區(qū)[8]。集聚與擴(kuò)散是相互對(duì)立且相互并存的,是制約區(qū)域空間結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展的重要機(jī)制。
第四,實(shí)行綠色生產(chǎn):推廣生物肥料,施用農(nóng)家肥;使用治標(biāo)又治本的植物農(nóng)藥;秸稈還田,改良土壤,減輕對(duì)化肥的依賴,減少環(huán)境污染。
從圖4可以看出,一方面,巢湖市、合肥市、廬江縣這三個(gè)城鎮(zhèn)的規(guī)模較大,人口較多,交通便利,存在一定的區(qū)位優(yōu)勢(shì),吸引了大量的人力、物力向其轉(zhuǎn)移,從而有大量的中小城鎮(zhèn)向這三個(gè)城鎮(zhèn)聚集,體現(xiàn)了城鎮(zhèn)的集聚效應(yīng)。其中,合肥市、廬江縣的規(guī)模相對(duì)較大,各中小城鎮(zhèn)圍繞其分布發(fā)展比較集中,說(shuō)明合肥市、廬江縣的空間集聚能力相對(duì)較強(qiáng);巢湖市的規(guī)模相對(duì)較小,周邊只零星地分布了一些小城鎮(zhèn),說(shuō)明巢湖市的空間集聚能力相對(duì)較弱。另一方面,由于巢湖市、合肥市、廬江縣為了擴(kuò)大城市規(guī)模、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的更快發(fā)展以及由于人口、土地等壓力,交通、科技、通信等因素的迅速發(fā)展,城鎮(zhèn)需向外擴(kuò)展,體現(xiàn)了城鎮(zhèn)的擴(kuò)散效應(yīng)。
總之,巢湖流域城鎮(zhèn)體系的空間結(jié)構(gòu)深受自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域位置等因素的影響,巢湖市、合肥市、廬江縣以其具有優(yōu)勢(shì)的區(qū)位、相對(duì)良好的基礎(chǔ)設(shè)施和軟硬件設(shè)施、較好的就業(yè)機(jī)會(huì)、方便的服務(wù)設(shè)施等因素,對(duì)經(jīng)濟(jì)、人力、物力的進(jìn)一步集聚發(fā)展具有較強(qiáng)的吸引力。但為了城市各個(gè)方面的進(jìn)一步協(xié)調(diào)發(fā)展,巢湖市、合肥市、廬江區(qū)需積極地向外擴(kuò)散發(fā)展,這體現(xiàn)了城鎮(zhèn)集聚力與擴(kuò)散力的統(tǒng)一,其中城鎮(zhèn)的集聚力強(qiáng)于城鎮(zhèn)的擴(kuò)散力。
通過(guò)對(duì)巢湖流域城鎮(zhèn)分布影像圖及相關(guān)資料的分析研究,得出以下結(jié)論:
1)當(dāng)前巢湖流域的城鎮(zhèn)分布主要是分布在九條主要環(huán)湖河流附近,只有為數(shù)不多的城鎮(zhèn)沿湖分布,且除巢湖市、合肥市、廬江縣規(guī)模較大、人口較多、發(fā)展較快之外,其他的巢湖流域的城鎮(zhèn)規(guī)模較小、發(fā)展不旺、人口不多,一般不超過(guò)10萬(wàn)人。
2)由于三個(gè)中心區(qū)域所處的地理位置不同,各自發(fā)展的方向也不同。合肥市以向南發(fā)展為主,廬江縣以向東和向北發(fā)展為主,巢湖市以向北和向南發(fā)展為主,三個(gè)城鎮(zhèn)之間的相互關(guān)系緊密。
3)巢湖流域的城鎮(zhèn)體系在表現(xiàn)出一定集聚能力的同時(shí),也表現(xiàn)出一定的擴(kuò)散能力。一般來(lái)說(shuō),巢湖流域城鎮(zhèn)的集聚能力強(qiáng)于擴(kuò)散能力,并在一定程度上體現(xiàn)了集聚能力與擴(kuò)散能力的統(tǒng)一。
4)由于受巢湖流域的影像圖分辨率的限制,對(duì)巢湖流域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行宏觀分析,如果采用近期高分辨率巢湖流域的影像圖,如2.5 m分辨率的SPOT 5影像,1 m分辨率的IKONOS影像、0.67 m分辨率的QuickBird影像等,可以進(jìn)一步細(xì)致分析城鎮(zhèn)體系內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu),深入探討城鎮(zhèn)體系的發(fā)展規(guī)律。
5)為了維持巢湖流域的可持續(xù)發(fā)展,各主要城鎮(zhèn)在保持其集聚發(fā)展的基礎(chǔ)上,也要注意其擴(kuò)散效應(yīng),加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的整治,同時(shí)加強(qiáng)相互之間的合作,這樣才能維持城鎮(zhèn)體系集聚力與擴(kuò)散力的統(tǒng)一,保持巢湖流域健康、可持續(xù)地發(fā)展。
[1]趙萍,馮學(xué)智.基于遙感與GIS技術(shù)的城鎮(zhèn)體系空間特征的分形分析:以紹興市為例[J].地理科學(xué),2003,23(6):721-727.
[2]王磊.城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與城市空間結(jié)構(gòu)演化:以武漢市為例[J].城市規(guī)劃匯刊,2001(3):55-58.
[3]倪滬平.杭州市城市空間結(jié)構(gòu)研究報(bào)告[R].杭州:杭州市政府辦公廳信息處理中心,2006:2-16.
[4]王心源,范湘濤,邵蕓,等.基于雷達(dá)衛(wèi)星圖像的黃淮海平原城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)研究[J].地理科學(xué),2001,21(1):57-63.
[5]楊存建,周成虎.TM影像的居民地信息提取方法研究[J].遙感學(xué)報(bào).2000,4(2):146-150.
[6]ZHA Y,GAO J,NI S.Use of Normalized Difference Builtup Index in Automatically Mapping Urban Areas from TM Imagery[J].International Journal of Remote Sensing,2003,24(3):583-594.
[7]彭光雄,徐兵,沈蔚,等.TM圖像的城鎮(zhèn)用地信息提取方法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2006,21(1):31-36.
[8]胡序威.中國(guó)沿海城鎮(zhèn)密集地區(qū)空間集聚與擴(kuò)散研究[M].北京:科學(xué)出版社,2006:89-124.
Analysis of the Spatial Structure of Urban and Town System in the Chaohu Basin Based on RS and GIS Techniques
HU Zhangwu
0494-0911(2011)03-0069-03
P208
B
2010-12-10
胡張武(1976—),男,安徽桐城人,工程師,主要研究方向?yàn)镚IS原理與應(yīng)用.