胡鳳偉

(1. 北京中色測繪院有限公司,北京 順義 101304；2. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊,河北 三河 065201)

高分一號數(shù)據(jù)在城市建設(shè)規(guī)模擴展監(jiān)測中的應(yīng)用研究

胡鳳偉1，2

(1. 北京中色測繪院有限公司,北京 順義 101304；2. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊,河北 三河 065201)

文章介紹了高分一號(GF-1)衛(wèi)星的基本情況，結(jié)合該遙感數(shù)據(jù)在“十二五”期間全國地級以上城市規(guī)模擴展監(jiān)測中的實際應(yīng)用，建立了高分一號16米多光譜數(shù)據(jù)處理方法及城市建設(shè)用地信息提取技術(shù)流程，并基于不同年度遙感影像資料，利用人機交互式方法提取了全國地級以上城市建設(shè)規(guī)模擴展信息，通過GIS的統(tǒng)計分析功能，從城鎮(zhèn)規(guī)模擴展率、城鎮(zhèn)規(guī)模擴展強度等方面進行了分析。通過該遙感數(shù)據(jù)研究為確定城市建成區(qū)范圍提供技術(shù)保證，從而更準(zhǔn)確、快捷地掌握城市擴展變化的規(guī)律；通過多城市同一時期的對比，可快速發(fā)現(xiàn)不同城市的擴展現(xiàn)狀及差異性，為下一步的土地管理政策制訂提供數(shù)據(jù)支撐；同時還可以作為檢驗發(fā)展戰(zhàn)略成果的一種方法，得出真實、客觀的判斷和結(jié)論。

高分一號；遙感技術(shù)；城市規(guī)模擴展；地理信息技術(shù)

0 引言

城市化是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢，中國是世界上最大的發(fā)展中國家，改革開放以來，我國城市化進程明顯加快。伴隨著城市化快速發(fā)展，我國城市建設(shè)規(guī)模迅速擴張[1]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀性、動態(tài)性與實時性的優(yōu)勢，利用衛(wèi)星遙感能夠快速、準(zhǔn)確地獲取城市建設(shè)規(guī)模擴展的時空變化狀況及其規(guī)律，對于科學(xué)制定城市發(fā)展規(guī)劃和研究城市化進程，促進城市建設(shè)規(guī)模和經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

近幾十年來，國內(nèi)外已經(jīng)有許多基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的遙感監(jiān)測方法應(yīng)用于城市建設(shè)用地擴展監(jiān)測之中[3]。陳本清等人利用30 m分辨率的TM影像監(jiān)測廈門的擴展方向，同時簡要分析了城市擴展的驅(qū)動力[4]。李加林等人采用Landsat MSS、TM、ETM等不同時間的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，分析了長江三角洲地區(qū)的城市空間結(jié)構(gòu)的變化特征[5]。本文在前面研究的基礎(chǔ)上利用高分一號16 m多光譜數(shù)據(jù)對全國地級以上城市進行了監(jiān)測，分析了“十二五”期間各城市的建設(shè)用地擴展類型、擴展率及擴展強度等指標(biāo)[6]，探索總結(jié)建立全國城市建設(shè)規(guī)模擴展監(jiān)測技術(shù)模式，并對成果數(shù)據(jù)進行整理綜合統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)全國地級市城市建設(shè)規(guī)模擴展的時空發(fā)展規(guī)律[2]。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)源與研究內(nèi)容

1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)源

高分一號衛(wèi)星是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，它配置有兩臺2 m分辨率全色8 m分辨率多光譜相機和4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機，具有高、中空間分辨率對地觀測和大幅寬成像結(jié)合的特點。2 m分辨率全色和多光譜組合幅寬優(yōu)于60公里，16 m分辨率多光譜影像幅寬優(yōu)于800公里[7]。本文選用的是高分一號16 m多光譜數(shù)據(jù)，具體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高分一號16 m數(shù)據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 研究內(nèi)容

采用國產(chǎn)衛(wèi)星高分一號(GF-1)為主的中分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)，開展全國341個城市“十二五”期間城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模擴展監(jiān)測。通過項目實施，掌握“十二五”期間全國城市建設(shè)規(guī)模擴展?fàn)顩r，探索總結(jié)建立全國土地利用宏觀監(jiān)測技術(shù)模式，并對成果數(shù)據(jù)進行整理綜合統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)全國地級市城市建設(shè)規(guī)模擴展的時空發(fā)展規(guī)律，為國土資源宏觀調(diào)控、土地政策研究和土地科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1.3 技術(shù)流程

“十二五”期間地級以上城市建設(shè)規(guī)模擴展監(jiān)測主要包括遙感影像處理、建設(shè)信息提取、成果分析等關(guān)鍵流程，具體流程如下：

2 遙感影像處理

在進行城市規(guī)模擴展信息提取前，需對兩期遙感影像進行預(yù)處理，主要包括正射糾正、波段組合、鑲嵌和裁切等。其中糾正誤差小于1個像元，投影方式為地理經(jīng)緯度投影。

(1) 波段組合

GF-1 PMS為多光譜數(shù)據(jù)，包含4個波段，所以僅需要對其進行波段組合。為了充分顯示真實環(huán)境信息，一般會采用模擬真彩色合成，我們在波段合成的同時通過某些波段間的運算，獲得更佳的色彩效果，使后續(xù)工作更加方便。本文采用2，4，3的波段合成算法，以獲得更符合人類視覺感知的色彩[8]。

(2) 影像糾正

正射糾正是制作高質(zhì)量數(shù)字正射影像圖的基礎(chǔ)和前提。GF-1數(shù)據(jù)優(yōu)先采用軟件自動糾正方法，目前很多國內(nèi)外軟件都具備此功能。對于部分自動糾正精度不符合要求的，采用人工糾正方法，糾正模型選用有理函數(shù)模型。在糾正控制點的布設(shè)上，堅持均勻布設(shè)的原則，在山地、高山地等特殊困難地區(qū)適當(dāng)增加控制點，以保證糾正精度。

(3) 鑲嵌、裁切

糾正完成后，對單景影像進行鑲嵌，制作地市級范圍遙感影像。鑲嵌前首先進行重疊檢查，重疊誤差超過1個像元時應(yīng)立即查明原因，并進行必要的返工，使其符合規(guī)定的接邊要求。鑲嵌時盡可能保留了分辨率高、時相新、云霧量少、質(zhì)量好的影像。鑲嵌好的影像以地市為單位進行影像裁切，行政界線外擴1公里，最終制作完成地市級遙感影像。

3 城市建設(shè)用地信息提取

3.1 提取方法

以制作完成的全國334個地級市遙感影像為基礎(chǔ)，在GIS系統(tǒng)中，采用計算機自動分類及人機交互相結(jié)合的方式進行基期建設(shè)用地和“十二五”期間新增建設(shè)用地信息提取。最小上圖面積為0.5平方公里。

3.2 提取原則

(1) 單層矢量內(nèi)面狀圖斑不重疊，層與層之間面狀圖斑重疊。

(2) 前后時相影像未能嚴(yán)格套合的情況，對前時相影像進行局部手動移動，使前后時相套合后，以后時相為準(zhǔn)進行了圖斑勾繪。

(3) 圖斑變化后地類不單一，按不同類型拆分處理。

(4) 新增擴展建設(shè)用地按面狀矢量進行勾繪。

3.3 提取內(nèi)容

提取內(nèi)容包括：

(1) 城市建設(shè)用地

主要包括城市主建成區(qū)、距主建成區(qū)邊緣小于等于5公里且面積大于0.5平方公里的集中連片建設(shè)用地，包括距主建成區(qū)邊緣較近、路網(wǎng)基本成型的工業(yè)園區(qū)。

(2) 新城新區(qū)建設(shè)用地

主要包括距城市主建成區(qū)邊緣大于5公里，且面積大于1平方公里的集中連片建設(shè)用地。

(3) 城市間大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地

主要包括港口碼頭、機場與光伏用地。

(4) 區(qū)縣城鎮(zhèn)建設(shè)用地

區(qū)、縣政府所在地建設(shè)用地以及面積大于0.5平方公里的集中連片鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地和工業(yè)園區(qū)。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 城市規(guī)模擴展類型分析

由建設(shè)用地信息提取結(jié)果可知，“十二五”期間全國城市建設(shè)用地擴展面積達(dá)3.4萬平方公里，其中，區(qū)縣城鎮(zhèn)擴展建設(shè)用地面積為1.9萬平方公里，占擴展總面積的54%；其次為主城區(qū)擴展建設(shè)用地，面積為1.0萬平方公里，占總擴展面積的27%；擴展或新增的新城新區(qū)和各級道路面積相差不大，分別為0.31、0.27平方公里，占總擴展面積的9%和7%；城市間大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地擴展面積最小，僅為0.09萬平方公里，占總面積的3%。各類型建設(shè)用地擴展面積占比情況見下圖。

出現(xiàn)此種情況的原因，與“十二五”期間國家推行的城鎮(zhèn)化政策密切相關(guān)?！?015年，我國城鎮(zhèn)化率達(dá)到56.1%，城鎮(zhèn)常住人口達(dá)到7.7億”

發(fā)改委副主任在國新辦新聞發(fā)布會上如是表示。這一統(tǒng)計數(shù)據(jù)與我們監(jiān)測到的全國區(qū)縣城鎮(zhèn)擴展面積最大這一結(jié)果是吻合的。

圖2 各類型新增建設(shè)用地面積百分比

4.2 城市規(guī)模擴展率分析

城鎮(zhèn)規(guī)模擴展率指研究期內(nèi)某類建設(shè)用地擴展面積占基期城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積的百分比，公式如下：

(1)

其中，K指研究期內(nèi)城鎮(zhèn)規(guī)模擴展率，Ub指某類新增建設(shè)用地面積，Ua指基期城鎮(zhèn)建設(shè)面積[6]。

根據(jù)前面提取的矢量信息可以統(tǒng)計出，各省城市建設(shè)規(guī)模擴展率對比圖如下：

在城市建設(shè)規(guī)模擴展率方面，寧夏、新疆、甘肅、貴州、內(nèi)蒙等西部5省排在統(tǒng)計表的前五名，且增長率大都超過100%。5年的時間，擴展建設(shè)用地面積超過既有面積，這是一個非?？斓陌l(fā)展速度，這和“十二五”期間國家制訂的持續(xù)進行西部大開發(fā)戰(zhàn)略密切相關(guān)的，可以說是西部大開發(fā)策略得到深入實施的體現(xiàn)。

4.3 城市規(guī)模擴展強度分析

城鎮(zhèn)規(guī)模擴展強度指研究期內(nèi)建設(shè)用地年均擴展面積和轄區(qū)土地總面積的比值，是反映城市擴張空間變化的一個重要指標(biāo)。通過分析城市擴展強度指數(shù)可定量地比較城市擴張的程度及速度，表達(dá)式如下：

(2)

其中，E指研究期內(nèi)城鎮(zhèn)規(guī)模擴展強度，Ub指某類新增建設(shè)用地面積，U0指轄區(qū)土地總面積，T指研究期年限[9]。

根據(jù)前面提取的矢量信息可以統(tǒng)計出，各省城市建設(shè)規(guī)模擴展強度對比圖如下：

在城市建設(shè)規(guī)模擴展強度方面，天津、上海、江蘇、浙江、寧夏等5省(市)排在統(tǒng)計表的前五名，且遠(yuǎn)超其它省份。同為直轄市，天津和上海在2010～2015年期間建設(shè)規(guī)模擴展強度方面遠(yuǎn)超北京和重慶，這和城市定位、發(fā)展規(guī)劃關(guān)系密切。擴展強度也在一定程度上反映出了一個地區(qū)的建設(shè)用地飽合程度，在后續(xù)發(fā)展政策制訂方面提供支持。

5 結(jié)論

利用高分一號16 m多光譜數(shù)據(jù)，可快速觀測和分析城市擴展的動態(tài)變化，很好地彌補在城市擴展過程中部分資料的缺失，為實際工作中確定城市建成區(qū)范圍提供了可靠的技術(shù)保證，從而更準(zhǔn)確、快捷地掌握城市擴展變化的規(guī)律。

通過多城市同一時期的對比，可快速發(fā)現(xiàn)不同城市的擴展現(xiàn)狀及差異性，進而分析原因并從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為下一步的土地管理政策制訂提供數(shù)據(jù)支撐。

此外，城市規(guī)模擴展監(jiān)測還可以作為檢驗發(fā)展戰(zhàn)略成果的一種方法，通過不同城市間的橫向?qū)Ρ?，或同一城市不同時間段的縱向?qū)Ρ?，得出真實、客觀的判斷和結(jié)論。

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Research on the application of GF-1 satellite data in the scale expansion monitoring of urban construction

HU Feng-wei1,2

(1.BeijingCNNCInstituteofSurveyingandMappingCo.Ltd.,Beijing, 101304,China; 2.ExporationTeamofNorth-chinaGeologicalProspectingBureau,Shanhe, 065201,China)

The article introduces the basic information of Gaofen-1 (GF-1), combining with the practical application of remote sensing data in the scale monitoring of urban construction of country′s prefecture-level cities in “12thfive-year plan” period, it establishes process method and technology of urban construction land by using multi-spectral data of GF-1 which the spatial resolution is 16m. Based on remote sensing images in different years, it extracts the scale information of urban construction of country′s prefecture-level cities by using human computer interaction method. With the statistical analysis function of GIS, the rate and intensity of urban construction scale is analyzed. By the means of providing technical assurance for determining the scope of urban area by the remote sensing data research, thus the law of urban expansion and changes can be grasped more accurately and quickly. With the comparison of many cities in the same period, we can find out the expansion status and differences of different cities, providing data support for land management policy formulation in the future. It also can be used as a way to test the outcome of the development strategy, to draw out judgments and conclusions really and objectively.

GF-1; remote sensing technology; urban scale expansion; GIS technology

2017-03-09

胡鳳偉(1979-)，女，河北秦皇島人，碩士，北京中色測繪院有限公司高級工程師，注冊測繪師，主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面的工作。E-mail：10541752@qq.com

P237

A

1672-7169(2017)02-0061-05