殷學(xué)永，李 娜，郭夏楠

（1.許昌學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，河南 許昌 461000；2.許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加速，城市中建筑用地的擴(kuò)張受到了許多學(xué)者的關(guān)注。由于城市化的速度加快，導(dǎo)致了一系列的生態(tài)以及糧食問題，因此快速準(zhǔn)確地提取建設(shè)用地對測繪制圖、空間數(shù)據(jù)更新、城市規(guī)劃等有重要意義[1-2]。近些年，遙感技術(shù)迅猛發(fā)展，遙感圖像包括的尺度較廣、涉及的平臺較多，為建設(shè)用地變化檢測提供了科學(xué)的技術(shù)手段[3-5]，成為提取建設(shè)用地的常用方法。本文基于陸地衛(wèi)星系列遙感數(shù)據(jù)，從時(shí)間和空間兩個(gè)方面對許昌市魏都區(qū)1994—2017年的建筑用地進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以期為許昌市的城市規(guī)劃和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

許昌市位于河南省中部，位置在北緯34°03′，東經(jīng)113°48′。許昌市地形以平原丘陵為主，地勢西北高東南低且起伏較小，最高海拔達(dá)到1150.6 m，境內(nèi)有清潩河、小洪河、潁河等大的河流。許昌市的水資源總量達(dá)到5.1 億m3，水面的總面積為4.2×107m2。許昌市的人口已經(jīng)達(dá)到了487 萬人，其中城市人口197 萬人，城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到了45%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取許昌市魏都區(qū)的遙感影像和行政區(qū)劃圖。遙感數(shù)據(jù)來自美國的Landsat 陸地衛(wèi)星，各年份的遙感影像數(shù)據(jù)分別為：1994年和2009年選用的Landsat-5 的數(shù)據(jù)；2003年選用的Landsat-7 的數(shù)據(jù)；2017年選用的Landsat-8 的數(shù)據(jù)。所選遙感影像數(shù)據(jù)云量較小，質(zhì)量較好。

2.2 研究方法

本研究的主要研究內(nèi)容有：一是將遙感圖像中的建設(shè)用地準(zhǔn)確、快速地提取出來；二是提取出建設(shè)用地后，主要從時(shí)間和空間兩個(gè)方面分析許昌市1994—2017年建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)變化情況。

1） 建設(shè)用地提取。首先，利用ERDAS 軟件將圖像進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換；然后，對遙感圖像進(jìn)行波段的融合。通過選取訓(xùn)練樣本，創(chuàng)建樣本文件進(jìn)行監(jiān)督分類。分類完成后進(jìn)行監(jiān)督分類后處理，將后處理的影像利用行政邊界進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)的建設(shè)用地信息。

2） 建設(shè)用地動(dòng)態(tài)變化分析。本文主要利用ArcGIS 軟件的空間分析功能，對矢量化后的圖像進(jìn)行方向性分析以及面積的統(tǒng)計(jì)，研究許昌市魏都區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)張方向以及擴(kuò)張速度；再利用景觀指數(shù)的方法，研究建設(shè)用地圖斑的特點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 建設(shè)用地提取結(jié)果

對監(jiān)督分類后的圖像選擇合適的閾值進(jìn)行二值化處理，再利用其中自動(dòng)矢量化的工具將圖像矢量化，結(jié)果見第63 頁圖1。

圖1 不同年份建設(shè)用地提取結(jié)果

3.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局指的是空間結(jié)構(gòu)的特征，其中空間斑塊是景觀格局中最常用的形式[6]。選擇以下景觀指數(shù)研究許昌市的建設(shè)用地空間變化特征。

1） 斑塊總面積A。計(jì)算公式為

式中：A 為斑塊總面積，ai為第i 塊斑塊的面積。

2） 斑塊總數(shù)NA。計(jì)算公式為

式中：n 為建設(shè)用地斑塊個(gè)數(shù)。

3） 最大斑塊指數(shù)LPI。計(jì)算公式為

式中：max（ai）為最大斑塊面積，A 為斑塊總面積。

4） 破碎度CI。計(jì)算公式為

式中：NA 為斑塊總數(shù)，A 為斑塊總面積。

根據(jù)以上公式，分別計(jì)算景觀指數(shù)見表1。

表1 景觀指數(shù)計(jì)算表

由表1 可知，魏都區(qū)建設(shè)用地的斑塊總面積是逐年增加的，其中1994—2003年增加比例最多；斑塊總數(shù)在1994—2009年減少較多，2009—2017年略有所增加；而最大斑塊指數(shù)從1994年起便呈上升趨勢，其中2009—2017年增加最快，說明魏都區(qū)主城區(qū)在2009—2017年發(fā)展最快；與最大斑塊指數(shù)相對應(yīng)的破碎度卻越來越小，反映出魏都區(qū)內(nèi)的主城區(qū)面積擴(kuò)張降低了建設(shè)用地的破碎度，呈現(xiàn)聚集型發(fā)展。

3.3 擴(kuò)張速度

通過計(jì)算得出研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)間段建設(shè)用地的變化量，以及建設(shè)用地的擴(kuò)張速度。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 1994—2017年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度

由表2 可知，1994—2003年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度最快，年均變化率達(dá)7.48%，總變化量達(dá)99.45 km2。2003年以后，建設(shè)用地的擴(kuò)張速度有所下降，基本維持在年均2%的變化率。

3.4 擴(kuò)張類型

采用王新生等人提出的凸殼原理來研究許昌市區(qū)1994—2017年的建成區(qū)的變化情況[7]，其基本原理為：首先構(gòu)造包含某個(gè)時(shí)期所有建成區(qū)范圍的最小凸多邊形，然后計(jì)算下一時(shí)期該區(qū)域建成區(qū)范圍在所構(gòu)造的凸多邊形中位于凸殼內(nèi)和凸殼外的面積。若位于凸殼外的面積大于凸殼內(nèi)的面積，則該時(shí)間段的擴(kuò)張類型為外延型，否則為填充型。計(jì)算得出1994—2017年凸殼內(nèi)外建成區(qū)面積，見表3。

表3 1994—2017年凸殼內(nèi)外建成區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表（km2）

由表3 可知，1994—2003年以及2009—2017年位于凸殼內(nèi)的面積多于凸殼外的面積，因此其建設(shè)用地的擴(kuò)張類型為填充型；與之相對的2003—2009年凸殼內(nèi)的面積則小于凸殼外的面積，為外延型。

3.5 擴(kuò)張方向

為了便于詳細(xì)描述許昌市魏都區(qū)的城市擴(kuò)張方向，采用方位分析法[8]。其坐標(biāo)原點(diǎn)選取的是魏都區(qū)的幾何中心，其橫軸是東西方向，縱軸是南北方向，此時(shí)將魏都區(qū)分為了4 個(gè)象限，接著又將每個(gè)象限進(jìn)行了二次劃分，此時(shí)總共為8 個(gè)區(qū)，圖2 為主城區(qū)方向擴(kuò)張圖。

圖2 主城區(qū)方向擴(kuò)張圖

再將研究區(qū)4 期的建設(shè)用地矢量圖與方位圖進(jìn)行疊加，利用ArcGIS 軟件計(jì)算出每個(gè)象限中每一期建設(shè)用地的面積，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此分析不同時(shí)期的許昌市區(qū)擴(kuò)張規(guī)模，見表4。

由表4 可知，1994—2003年主城區(qū)變化平穩(wěn)，主要集中在東南方向；2003—2009年2 區(qū)、8 區(qū)的變化較明顯，分別為4.39 km2，5.56 km2；2009—2017年呈快速發(fā)展趨勢，8 個(gè)區(qū)都有擴(kuò)張，且擴(kuò)張面積較大，其中2 區(qū)變化最大，為35.13 km2，許昌市區(qū)整體發(fā)展趨勢向東北以及東部方向擴(kuò)張。

表4 主城區(qū)不同方位擴(kuò)張面積 （km2）

4 結(jié)論

文章分別從許昌市魏都區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)張速度、擴(kuò)張類型、擴(kuò)張方向以及驅(qū)動(dòng)因素4 個(gè)方面，研究建設(shè)用地的擴(kuò)張動(dòng)態(tài)變化，得出以下結(jié)論。

1） 魏都區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，1994—2003年為中速擴(kuò)張階段，2003—2009年為緩慢擴(kuò)張階段，2009—2017年為飛速擴(kuò)張階段，年平均擴(kuò)張率23.9%。

2） 利用提取的建設(shè)用地與創(chuàng)建的凸殼要素進(jìn)行疊加，得出許昌市魏都區(qū)1994—2003年以及2009—2017年建設(shè)用地的擴(kuò)張類型為填充型；而2003—2009年建設(shè)用地的擴(kuò)張類型為外延型。

3） 通過在ArcGIS 軟件中建立坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系要素與建設(shè)用地進(jìn)行疊加，從而得出許昌市建設(shè)用地的擴(kuò)張方向主要為東北方向。