杜珂磊

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院四川成都610059）

基于GIS青神縣城市空間擴(kuò)展生態(tài)性研究

杜珂磊

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院四川成都610059）

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模也相應(yīng)的不斷擴(kuò)大，大片農(nóng)田被開墾，造成城市對(duì)生態(tài)環(huán)境的沖擊愈來(lái)愈嚴(yán)重，使得城市發(fā)展和環(huán)境間的矛盾日益激烈。因此充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境生態(tài)因子對(duì)協(xié)調(diào)城市擴(kuò)展的重要性，近而緩解城市發(fā)展面臨的生態(tài)資源壓力。提出以眉山市青神縣為例，通過(guò)監(jiān)督分類提取遙感圖像的有用訊息，在ArcGIS的支撐下，創(chuàng)立城市生態(tài)控制線發(fā)展模型，獲得生態(tài)約束下城市發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)，為城市的規(guī)劃和促進(jìn)城市的健康均衡發(fā)展供應(yīng)科學(xué)依據(jù)。

生態(tài)控制線模型；監(jiān)督分類；城市發(fā)展；ArcGIS

城市是人類經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)活動(dòng)聚合在一起的地理實(shí)體，伴隨著人口快速增長(zhǎng)聚集，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，進(jìn)而帶動(dòng)了日益明顯的城市外延式擴(kuò)展，必然會(huì)造成大量?jī)?yōu)質(zhì)的耕地、林地、水塘等資源被侵占，會(huì)給都市的環(huán)境生態(tài)帶來(lái)必然的負(fù)面影響。為防止城市毫無(wú)規(guī)律的擴(kuò)張，保護(hù)城市的生態(tài)格局，實(shí)現(xiàn)城市的科學(xué)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)城市擴(kuò)展進(jìn)行生態(tài)性研究，設(shè)置城市發(fā)展生態(tài)性控制線，能有效地把控城市擴(kuò)展對(duì)土地資源的利用情況，了解在生態(tài)控制線約束下違規(guī)用地情況，有利于指導(dǎo)今后的開發(fā)治理規(guī)劃。作者通過(guò)鉆研大量的關(guān)于生態(tài)都市建設(shè)、城市空間擴(kuò)展和生態(tài)控制線劃定等基本理論學(xué)問(wèn)，進(jìn)一步探討了制定都市生態(tài)控制線對(duì)城市擴(kuò)展的重要性和必要性，并以眉山市青神縣為研究區(qū)域，通過(guò)對(duì)該區(qū)域遙感影像進(jìn)行預(yù)處理和分類處理手段，提取有用用地信息，在ArcGIS平臺(tái)下探討了基本生態(tài)控制線的劃定路線和方法，建立起城市生態(tài)控制線模型，為城市創(chuàng)新探索新的健康發(fā)展道路提供強(qiáng)有力的理論支撐。

1　研究區(qū)域概況

1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

研究區(qū)為青神縣，附屬于四川省眉山市。位于成都平原西南部，地處東經(jīng)103°41ˊ～103°59ˊ，北緯29°42ˊ30"～29° 55ˊ33"之間。北鄰東坡區(qū)，南接樂(lè)山，西與峨眉交界，地理位置優(yōu)越。現(xiàn)青神縣總面積386km 2，常住人口197029人，境內(nèi)氣候溫和，雨量充足，四序分明。

所使用的數(shù)據(jù)為2014年8月13日成像的云量為3.74%的LANDSAT 8遙感影像和青神縣行政界線等GIS數(shù)據(jù)。在該時(shí)間段影像云量少，為城市及其他地類的提取提供了有利條件。

1.2生態(tài)控制線的劃定依據(jù)

城市基礎(chǔ)生態(tài)控制線的制定主要依據(jù)相關(guān)法令、律例和規(guī)范中明確規(guī)定被保護(hù)的土地，以及已經(jīng)采納的城市規(guī)劃和海內(nèi)外有關(guān)生態(tài)都市的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

法令律例方面，主要包含土地管理法、環(huán)境保護(hù)法、森林法、水法、基本農(nóng)田保護(hù)條例、規(guī)劃法等環(huán)境保護(hù)準(zhǔn)則。城市規(guī)劃方面，主要是參考深圳市1996-2010年做的城市總體規(guī)劃、1997-2010年土地利用規(guī)劃以及2003-2005年經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)劃和綠地系統(tǒng)規(guī)劃等。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)方面，主要依據(jù)聯(lián)合國(guó)相關(guān)組織和《深圳市城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》等提出的生態(tài)都市的建設(shè)指標(biāo)。

1.3生態(tài)控制線的劃定范圍

生態(tài)控制線內(nèi)土地具體由以下幾類土地疊合而成：一級(jí)水源保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、集中成片的基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、森林及郊野公園；坡度大于25%的山地以及特區(qū)內(nèi)海拔超過(guò)50m、特區(qū)外海拔超過(guò)80m的高地；主干河流、水庫(kù)及濕地；維護(hù)生態(tài)完整性的生態(tài)廊道和綠地；島嶼和具有生態(tài)保護(hù)價(jià)值的海濱陸域；其他需要進(jìn)行生態(tài)控制的區(qū)域［2］。

2　技術(shù)方法

基于GIS平臺(tái)下青神縣生態(tài)控制下城市擴(kuò)展模型的建立技術(shù)方法路線：（1）對(duì)LANDSAT 8遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)的波段融合、幾何校正、圖像增強(qiáng)等處理，然后對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督分類，明確各類別所代表的地類。（2）對(duì)分類后的圖像導(dǎo)入ArcGIS中，運(yùn)用軟件空間分析工具中的屬性提取工具提取歸并各因子。（3）運(yùn)用緩沖區(qū)分析建立生態(tài)控制線模型。（4）總體模型的建立。技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1　技術(shù)流程

3　生態(tài)控制模型的建立

3.1遙感影像處理

本文對(duì)遙感圖像的處理采取的是ENVI5.0軟件，通過(guò)波段融合處理提高影像空間分辨率達(dá)到15m，再通過(guò)543多波段組合，對(duì)影像進(jìn)行幾何校正和圖像增強(qiáng)處理，然后通過(guò)行政界線裁剪得到研究區(qū)圖像。最后進(jìn)行監(jiān)督分類和人工目視解譯調(diào)整的步驟獲得分類后圖像，分類精度達(dá)到93.86%，Kappa系數(shù)為0.916，其分類圖如圖2所示。

圖2　研究區(qū)分類結(jié)果圖

3.2生態(tài)控制線下城市擴(kuò)展模型建立過(guò)程

3.2.1因子提取

城市基本生態(tài)控制線模型約束下的土地類型主要由國(guó)內(nèi)相關(guān)的法令，律例和規(guī)范中明文規(guī)定必須保護(hù)的土地構(gòu)成，其余小部分則是由城市規(guī)劃中確定的為維持城市結(jié)構(gòu)完整性和布局合理性的需求加以控制的土地構(gòu)成。本文以監(jiān)督分類后的青神縣城市用地分布圖為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS軟件中空間數(shù)據(jù)處理與分析工具擴(kuò)展模塊中的數(shù)據(jù)提取工具，進(jìn)行因子的提取。按照實(shí)際需要選擇提取工具中的屬性提取工具，并對(duì)各個(gè)字段進(jìn)行歸并處理以及寫出提取的SQL表達(dá)式，提取出各個(gè)因子。在ArcGIS中構(gòu)建因子提取模型的流程圖如圖3所示。

圖3　因子提取模型

3.2.2生態(tài)控制線劃定模型建立

根據(jù)有關(guān)法律法規(guī)青神縣地區(qū)的生態(tài)因子主要是耕地、水域、林地以及交通建設(shè)用地、灘涂構(gòu)成的其他用地類型。本文中對(duì)這4類生態(tài)因子采用緩沖區(qū)分析，其后將分析后的圖層聚合得到生態(tài)控制線內(nèi)的地域。同時(shí)在對(duì)這4類生態(tài)因子進(jìn)行緩沖區(qū)分析之前，需要對(duì)屬性提取出的生態(tài)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)的邊界進(jìn)行平滑處理，如此可以有效地除去數(shù)據(jù)中的少許椒鹽噪音；然后用轉(zhuǎn)換工具將這些柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量多邊形數(shù)據(jù)。具體的生態(tài)控制線制定模型建立流程圖如圖4所示。

（1）緩沖區(qū)分析。緩沖區(qū)分析是包含對(duì)點(diǎn)、線、面這一類或一組的地圖要素根據(jù)設(shè)置的距離條件，環(huán)繞其要素組成的具有一定緩沖區(qū)的多邊形實(shí)體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在二維空間得以擴(kuò)展的信息分析方法。緩沖區(qū)是能影響范圍或者服務(wù)范圍在尺度上表示的一種地理空間指標(biāo)。以數(shù)學(xué)的眼光來(lái)看，緩沖區(qū)是對(duì)指定的空間目標(biāo)或者集合后來(lái)獲取它們的領(lǐng)域，鄰域的半徑或緩沖區(qū)創(chuàng)立條件決定了鄰域的大小，所以對(duì)待要進(jìn)行研究的對(duì)象A，它的緩沖區(qū)可以定義為：

式中：d通常是指歐式距離，還可以指其他的距離，r代表的是領(lǐng)域的半徑或者緩沖區(qū)創(chuàng)立的條件。

本文通過(guò)大量深入的研究，設(shè)計(jì)確定的各生態(tài)因子的緩沖區(qū)距離分別是：耕地緩沖區(qū)的距離為4m，林地的緩沖區(qū)距離為5m，水體的緩沖區(qū)距離是5m，其他用地的緩沖區(qū)距離為7m。緩沖區(qū)距離確定后，通過(guò)ArcGIS軟件中的空間分析工具下的距離分析工具實(shí)現(xiàn)歐氏距離的計(jì)算。

（2）圖層合并。對(duì)緩沖區(qū)分析后輸出的4類要素進(jìn)行圖層間的合并，來(lái)保持自輸入地圖和疊加地圖的全部地圖要素。在ArcGIS軟件中該操作是通過(guò)分析工具下疊加分析中的Uni on工具，及聯(lián)合工具來(lái)實(shí)現(xiàn)圖層的合并。得到生態(tài)控制線下區(qū)域模型圖，如圖5所示。

圖4　生態(tài)控制線劃定模型建立過(guò)程流程圖

3.2.3總體模型的建立

總體模型是在以上子模型基礎(chǔ)上創(chuàng)立，具體由因子模型提取獲得城市因子和4個(gè)生態(tài)因子，再由生態(tài)因子的生態(tài)控制線劃定模型獲得生態(tài)控制線約束下的地域和城市因子得到的無(wú)生態(tài)約束下的城市擴(kuò)展；然后通過(guò)擦除工具得到總體模型，即是生態(tài)控制線約束內(nèi)的城市擴(kuò)展模型。具體操作過(guò)程是在Arctoolbox工具欄里的Overlay工具下的Erase（擦除）工具來(lái)實(shí)現(xiàn)，將無(wú)生態(tài)控制下的城市擴(kuò)展模型設(shè)置為輸入要素，生態(tài)控制線內(nèi)的地域設(shè)為擦除要素，運(yùn)行Erase分析工具得到生態(tài)控制線內(nèi)的城市擴(kuò)展模型。該總體模型還能得到無(wú)生態(tài)約束下的被占用生態(tài)區(qū)域圖，同時(shí)可以進(jìn)行生態(tài)約束下和無(wú)生態(tài)約束下城市擴(kuò)展情況對(duì)比研究，計(jì)算出2014年青神縣無(wú)生態(tài)約束下城市擴(kuò)展面積為20.51km2，生態(tài)控制下的城市擴(kuò)展面積為16.46km2，破壞的生態(tài)區(qū)域面積為4.05km2。無(wú)生態(tài)控制線下的城市擴(kuò)展圖如圖6所示，總體模型的結(jié)果圖如圖7所示，被占用生態(tài)區(qū)域如圖8所示。

圖5　生態(tài)控制線下區(qū)域劃定模型結(jié)果圖

圖6　無(wú)生態(tài)約束下的城市擴(kuò)展示意圖圖

圖7　生態(tài)控制線下的城市擴(kuò)展圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)的論述了在ArcGIS軟件支持下，對(duì)青神縣生態(tài)控制線約束內(nèi)城市擴(kuò)展模型的建模過(guò)程，通過(guò)該模型的確立獲得了無(wú)生態(tài)控制線下的城市擴(kuò)展圖、生態(tài)控制線下的城市擴(kuò)展圖、生態(tài)控制線內(nèi)地域圖、生態(tài)控制線下占用地域圖以及相關(guān)數(shù)據(jù)，在一定程度上達(dá)到了預(yù)期效果，為青神縣進(jìn)一步的深入研究和城市規(guī)劃建設(shè)提供支撐和服務(wù)。參考文獻(xiàn)

圖8　生態(tài)控制線下的被占用區(qū)域圖

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杜珂磊（1991－），男，四川眉山人，成都理工大學(xué)在讀研究生，研究方向地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。