李鵬元，楊樹文,3，楊玲莉 ，閔 霄，張 珊

（1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗室， 甘肅 蘭州 730000）

蘭州市安寧區(qū)彩鋼棚空間分布特征及分析

李鵬元1,2，楊樹文1,2,3，楊玲莉1，閔 霄1，張 珊1

（1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗室， 甘肅 蘭州 730000）

基于平均最近鄰、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、核密度等分析方法，研究了用于民用臨時住房的小型彩鋼棚和工業(yè)用大型彩鋼棚的空間分布特征。實(shí)驗結(jié)果表明，安寧城區(qū)小型彩鋼棚、大型彩鋼棚在空間中都呈聚集性分布，且兩者分布方向為東南-西北軸向，但彩鋼棚在不同區(qū)域的分布密度卻有明顯差異。總體反映出安寧城區(qū)結(jié)構(gòu)深受地理環(huán)境、交通狀況以及政府決策的影響，城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍相對滯后，城區(qū)內(nèi)部亟待改造升級。

彩鋼棚；空間分布；平均最近鄰；標(biāo)準(zhǔn)差橢圓；核密度

城市空間結(jié)構(gòu)是城市中物質(zhì)環(huán)境、功能活動和文化價值等組成要素之間關(guān)系的表現(xiàn)方式，其理論主要包括城市物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、城市經(jīng)濟(jì)空間結(jié)構(gòu)、城市社會空間結(jié)構(gòu)3個方面[1]，從研究尺度可分為宏觀和微觀兩個層次。宏觀層次的城市物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)研究起步較早，在測度方法、形態(tài)類型評價、空間緊湊度、空間增長特征、演變機(jī)制方面有大量成果出現(xiàn)[2-4]。微觀層次的城市物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)研究是指通過分析某一單一景觀的空間分布特征，并從中反演出與此相關(guān)的城市形態(tài)[5-9]。 彩鋼棚是近年來大量涌現(xiàn)的一種重要城市地物，其空間分布與城市自身的結(jié)構(gòu)形態(tài)關(guān)系密切。本文嘗試通過分析彩鋼棚這一獨(dú)特空間要素的分布格局，以此挖掘城市有價值信息。

1 彩鋼棚信息的獲取

安寧區(qū)位于蘭州市西北部，東與城關(guān)區(qū)相接，西與西固區(qū)毗鄰，南臨黃河，北依群山。其影像如圖1所示，該影像是2015-07-28獲取的GF-1影像。前期已構(gòu)建了基于知識規(guī)則的彩鋼棚決策樹提取模型，根據(jù)該模型和算法提取的蘭州市安寧區(qū)彩鋼棚信息如圖2所示。

圖1 安寧區(qū)GF-1遙感影像

圖2 安寧區(qū)彩鋼棚信息

2 要素空間分布特征分析方法

要素在空間中有聚集或分散、分布重心、分布方向、在不同區(qū)域的分布密度等諸多特征，本文選用平均最近鄰、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、核密度等分析方法分別對要素的這些特征作出研究。為方便分析，研究對象都簡化為點(diǎn)要素（面狀要素用質(zhì)心代替）。

2.1 平均最近鄰分析

平均最近鄰用于評價要素在空間中是否具有聚集性分布特性。分析的過程是：先計算每個點(diǎn)與最鄰近點(diǎn)的距離，再求解所有最近距離的平均值，可用觀測平均最近鄰距離計算：

式中，n表示點(diǎn)要素數(shù)量，di表示第i個要素與最鄰近要素的距離。點(diǎn)集在隨機(jī)分布情形下的預(yù)期平均距離是：

式中，A表示圍成點(diǎn)集的包絡(luò)線面積。當(dāng)觀測平均最近鄰距離小于預(yù)期平均距離時，認(rèn)為要素在空間中具有聚集性分布特征，反之呈離散分布。實(shí)際計算中，常通過平均最近鄰指數(shù)NNI衡量：

顯然，NNI＜1時要素為聚集性分布。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是分析點(diǎn)數(shù)據(jù)分布方向的常用工具，它由以下幾個要素構(gòu)成：轉(zhuǎn)角θ、沿長軸的標(biāo)準(zhǔn)差和沿短軸的標(biāo)準(zhǔn)差[10]。轉(zhuǎn)角θ可以看作是笛卡爾坐標(biāo)系下x軸和y軸按照點(diǎn)集分布的地理方位沿一定角度旋轉(zhuǎn)后，正北方向與順時針旋轉(zhuǎn)的長軸之間的夾角。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的計算公式如下：

式中，(xi, yi)是點(diǎn)i的坐標(biāo)；pi是點(diǎn)的權(quán)值，(xc, yc)是點(diǎn)集的重心。式（6）中，根據(jù)tanθ可以得到點(diǎn)分布格局的轉(zhuǎn)角。式（7）中，δx、δy分別為沿x軸的標(biāo)準(zhǔn)差和沿y軸的標(biāo)準(zhǔn)差[11]。橢圓面積反映要素的分布范圍大??；長軸與短軸之比越大，要素分布的方向性越強(qiáng)。

2.3 核密度分析

核密度估算方法主要借助一個移動窗口，計算并輸出每個柵格單元的點(diǎn)密度。一般定義為[7]：設(shè)x1,…xn是從分布密度函數(shù)為f的總體中抽取的獨(dú)立同分布樣本，估計f在某點(diǎn)x處的密度值f (x)，通常有Rosenblatt-Parzen核估計：

式中,k()為核函數(shù)；h＞0，為帶寬，(x?xi)為估計點(diǎn)到樣本xi處的距離。

3 彩鋼棚空間分布特征分析

3.1 描述性統(tǒng)計

據(jù)統(tǒng)計，安寧區(qū)彩鋼棚共4 817件，總面積2 770 332 m2，占全區(qū)土地面積的4.031%。其中最大彩鋼棚24 700 m2，最小彩鋼棚16 m2，平均面積575 m2，表明彩鋼棚大小差異懸殊，這種差異是由彩鋼棚的用途決定的。實(shí)地調(diào)查結(jié)合影像分析得出，面積大于500 m2的彩鋼棚常用于物流存儲和工業(yè)生產(chǎn)，而小于這一閾值的彩鋼棚多是居民、建筑工人臨時住房或其他用途房屋。在后文中，分別簡稱為大型彩鋼棚和小型彩鋼棚。進(jìn)一步統(tǒng)計，大型彩鋼棚與小型彩鋼棚的數(shù)量之比約為3︰20，面積之比是8︰5，即小型彩鋼棚在數(shù)量方面居于主導(dǎo)地位，而面積上大型彩鋼棚占優(yōu)。

3.2 彩鋼棚聚集性分析

大型彩鋼棚與小型彩鋼棚在城市中表征的意義不同。表1是計算得到的彩鋼棚平均最近鄰結(jié)果，表中小型彩鋼棚與大型彩鋼棚的最近鄰指數(shù)小于1，說明兩者在空間中都呈聚集性分布。但觀測平均距離前者比后者小，表明小型彩鋼棚的分布較大型彩鋼棚密集。

表1 平均最近鄰分析結(jié)果

3.3 彩鋼棚分布方向分析

以彩鋼棚面積作為權(quán)重字段，計算標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)見表2，顯示如圖3（圖中藍(lán)色質(zhì)心點(diǎn)表示小型彩鋼棚，紅色質(zhì)心點(diǎn)表示大型彩鋼棚）。結(jié)合圖表得出，小型彩鋼棚在全區(qū)的分布范圍較大型彩鋼棚廣泛；小型彩鋼棚與大型彩鋼棚的主要擴(kuò)散方向是東南-西北軸向，且大型彩鋼棚的這種擴(kuò)散趨勢更顯著；與小型彩鋼棚比，大型彩鋼棚的分布重心偏西。

表2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果

3.4 彩鋼棚密度分析

平均最近鄰、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓從整體上描述了彩鋼棚的分布狀況。為詳細(xì)了解彩鋼棚在不同區(qū)域的分布特點(diǎn)，對其進(jìn)行核密度分析，圖4、5是以彩鋼棚面積作為計算字段得到的分析結(jié)果。在分析之前，用主要道路網(wǎng)對安寧區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，圖中的粗黑線條表示區(qū)內(nèi)的主要道路，這種劃分方法與傳統(tǒng)的網(wǎng)格劃分、等扇劃分以及象限劃分相比，更具有靈活性、符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。圖中主要道路結(jié)合行政區(qū)邊界將當(dāng)前城市劃分為了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6大塊區(qū)域。Ⅰ區(qū)域是政府所在地且人口密集，因此作為中心地帶；Ⅱ、Ⅲ靠近中心，是次中心區(qū)域；Ⅳ與中心隔開，故作為次邊緣地帶；Ⅴ、Ⅵ離中心最遠(yuǎn)，屬邊緣地帶。圖4中小型彩鋼棚在次中心、次邊緣、邊緣地帶都有高密度分布，而尤以Ⅱ次中心區(qū)域高密度分布范圍最廣。圖5顯示出大型彩鋼棚在城區(qū)次中心地帶有零散的高密度分布，至最邊緣地帶高密度分布范圍加強(qiáng)，但大面積的密集分布出現(xiàn)在Ⅳ次邊緣地帶。圖4、5共同反映出小型彩鋼棚與大型彩鋼棚在Ⅴ、Ⅵ邊緣區(qū)域有沿道路兩側(cè)分布的趨勢。

圖4 小型彩鋼棚核密度分析結(jié)果

圖5 大型彩鋼棚核密度分析結(jié)果

4 彩鋼棚與城市間的聯(lián)系

彩鋼棚在城市的構(gòu)成要素中占據(jù)重要地位。其中,小型彩鋼棚在區(qū)內(nèi)分布廣泛，在次中心地帶更呈現(xiàn)大片密集型分布。實(shí)地走訪了解到,此類連片區(qū)屬“城中村”?！俺侵写濉笔浅鞘谢M(jìn)程中未待開發(fā)的農(nóng)村村落或居民區(qū)域，表明安寧區(qū)由農(nóng)村轉(zhuǎn)化而來的特征明顯，且目前仍處于過渡階段?？紤]到彩鋼易燃的特性，這類區(qū)域需加強(qiáng)火情檢測。

大型彩鋼棚集中于城區(qū)次邊緣地帶，這是市場和政府決策共同作用的結(jié)果。在城市中心，土地價格昂貴，建設(shè)大型彩鋼棚成本較高，同時部分工業(yè)生產(chǎn)過程會對環(huán)境產(chǎn)生危害，使大型彩鋼棚在市區(qū)的建設(shè)不適宜。需要指出的是，大型彩鋼棚的多少并不是衡量一個地區(qū)工業(yè)能力的指標(biāo)，因工業(yè)生產(chǎn)不總是依賴彩鋼棚實(shí)現(xiàn)，但若結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖可知，大型彩鋼棚與一般工業(yè)生產(chǎn)建筑具有親和性，故大型彩鋼棚的空間分布特征能間接反映出地區(qū)的工業(yè)布局。

在城市最邊緣地帶，大型彩鋼棚與小型彩鋼棚往往同時出現(xiàn)，這種小型彩鋼棚區(qū)別于中心地帶的棚戶區(qū)房屋，它常作為工人臨時住所，代表城市的建設(shè)力量。為方便與城區(qū)的聯(lián)系，兩類彩鋼棚都趨向道路兩側(cè)分布。根據(jù)GF-1遙感影像，此地帶的地理構(gòu)成要素主要有綠地和山地，彩鋼棚在這種特殊地帶內(nèi)的擴(kuò)展存在一定的局限性，這也表明安寧區(qū)在未來一段時間的城市擴(kuò)展會放緩。

5 結(jié) 語

針對彩鋼棚空間分布與城市結(jié)構(gòu)和發(fā)展存在聯(lián)系這一現(xiàn)實(shí)，通過平均最近鄰、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、核密度分析等方法分別研究了大型彩鋼棚與小型彩鋼棚在城區(qū)中的空間分布格局。結(jié)果表明,小型彩鋼棚、大型彩鋼棚空間分布特征既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)，這些特征反映出安寧城區(qū)的空間形態(tài)和發(fā)展現(xiàn)狀。

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10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.017

2016-09-29。

甘肅省科技計劃資助項目（1506RJZA070,148RJZA028）；甘肅省高等學(xué)?？蒲匈Y助項目（2015A-049）；甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗室（寒旱所）開放基金;蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目共同資助（2015-RC-28）。

李鵬元，碩士研究生，主要從事遙感圖像信息識別方面研究工作。