摘 要

城市建成區(qū)面積的變化可以用來體現(xiàn)城市的發(fā)展水平，我們利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)的結(jié)合提取了鄭州市建成區(qū)面積，并進(jìn)行20年時空特征變化分析，研究有利于輔助城市建設(shè)規(guī)劃，有利于加強(qiáng)建設(shè)城市的基礎(chǔ)設(shè)施和提高已被開發(fā)土地的利用率，通過合理分配和利用進(jìn)一步提高資源利用率，從而大大減少了城市的管理成本。首先對Landsat TM影像的預(yù)處理運用envi軟件里的大氣校正，輻射定標(biāo)，幾何校正三個步驟，DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的預(yù)處理的原理是運用相互校正；然后，采用監(jiān)督分類法提取城市建成區(qū)面積，利用經(jīng)驗法來確定夜間照明數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值，提取建筑面積的近似范圍。然后，根據(jù)兩個建成區(qū)的重疊和交叉分析數(shù)據(jù)，確定建成區(qū)的最終范圍；最后對提取的建成區(qū)進(jìn)行變化特征分析，從形態(tài)分析，重心坐標(biāo)，重力分布情況，重力移動過程模型對五個年份的建成區(qū)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。分析結(jié)果表明鄭州市建成區(qū)面積20年來面積增加了近308.94%。

關(guān)鍵詞：鄭州市，建成區(qū)；城市擴(kuò)張；夜間燈光數(shù)據(jù)；Landsat；DMSP/OLS

1 引言

城市建成區(qū)的空間擴(kuò)張程度是衡量城市化水平的主要因素，準(zhǔn)確獲取城市建成區(qū)時序變化信息有助于認(rèn)識城市化進(jìn)程、分析城市發(fā)展驅(qū)動因素，更好地協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)發(fā)展[1]。

城市建成區(qū)不僅是表示人類活動最頻繁的地區(qū)， 而且也是認(rèn)識和研究城市的重要基礎(chǔ)信息。 我國自改革開放以來，特別是近十幾年來，城市地區(qū)擴(kuò)張迅速，建成區(qū)信息的提取是準(zhǔn)確把握城市發(fā)展動態(tài)、 研究城市發(fā)展規(guī)律的重要基礎(chǔ)。城市化水平的變化可以通過建成區(qū)的空間擴(kuò)張來得以反映,城市建成區(qū)時間序列變化信息有利于是我們了解城市化進(jìn)程，分析促進(jìn)城市發(fā)展的因素，更好地平衡城鄉(xiāng)發(fā)展。遙感技術(shù)具有快速、非接觸和大面積獲取地表信息的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于城市建成區(qū)的提取研究中，本文利用國家地理條件監(jiān)測平臺，獲得了夜光遙感數(shù)據(jù)。

本文以河南省鄭州市為例，利用陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與DMSP夜光數(shù)據(jù)相結(jié)合的優(yōu)點，提出了利用夜間遙感信息提取建成區(qū)輔助陸地衛(wèi)星監(jiān)測分類的方法。在一定程度上消除了耕地、裸地、小村莊等噪聲對建成區(qū)開采過程的影響，取得了1998年至2018年河南省鄭州市城市建設(shè)的成果。在此基礎(chǔ)上，探討了河南省鄭州市近20年來城市建成區(qū)的擴(kuò)大與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。

本設(shè)計試圖通過分析結(jié)果，輔助研究區(qū)的城市建設(shè)規(guī)劃，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施和已開發(fā)土地的利用效率。同時考慮到現(xiàn)如今國家要求和新型城鎮(zhèn)化的持續(xù)發(fā)展，對加強(qiáng)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和實現(xiàn)共同富裕目標(biāo)具有一定的積極作用

2 技術(shù)路線設(shè)計

本文結(jié)合Landsat數(shù)據(jù)和DMSP數(shù)據(jù)進(jìn)行鄭州市建成區(qū)的提取，主要步驟如下：

(1)基于Landsat數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)

通過輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正對TM影像進(jìn)行預(yù)處理。通過監(jiān)督分類提取建成區(qū)，再進(jìn)行平滑、聚類、圖像分割與合并，最終確定建成區(qū)。

(2)基于燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)

采用照明數(shù)據(jù)校正和經(jīng)驗法確定最佳閾值，劃分建筑面積和非建筑面積，確定建筑面積的一般范圍。

(3)結(jié)合兩種方法確定建成區(qū)

對兩種數(shù)據(jù)的建成區(qū)進(jìn)行結(jié)合，提取最終的城市建成區(qū)。

(4)建成區(qū)動態(tài)變化特征分析

得到鄭州市各時間序列的建成區(qū)面積分布情況，完成了城市擴(kuò)張的動態(tài)監(jiān)測與分析。整個技術(shù)流程如圖1所示。?

圖1 主要技術(shù)流程

3 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

3.1 研究區(qū)概況

鄭州市處于我國黃河的中下游；氣候?qū)傩允潜睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。截至2018年末，鄭州市包含6個市轄區(qū)、1個縣級市，總陸地面積為7446平方公里，城市建成區(qū)的面積為830.97平方公里，總?cè)丝?/span>500萬人，全年完成生產(chǎn)總值10143.3億元。

鄭州是中國重要的交通樞紐城市。我國僅有的一個國家級航空港經(jīng)濟(jì)試驗區(qū)位于鄭州，而且我國的第一家期貨交易所也位于鄭州，同時鄭州也是中國自由貿(mào)易試驗區(qū)核心組成部分。以鄭州市作為研究對象，研究其城市擴(kuò)張時空變化特征，確保城市形態(tài)均衡發(fā)展，輔助城市建設(shè)規(guī)劃，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施和已開發(fā)土地的利用效率，合理分配和利用資源，進(jìn)一步提高資源的利用效率，減低城市管理成本。同時，考慮到當(dāng)前國家要求，新城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，實現(xiàn)共同繁榮。如下圖市鄭州市研究區(qū)區(qū)位圖。

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圖4?分類后處理前后對比圖

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圖5 分割與合并選取建成區(qū)

4.2 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的建成區(qū)提取

城市建成區(qū)是指城市的行政區(qū)域內(nèi)實際上已經(jīng)連片開發(fā)建設(shè)、市政基礎(chǔ)設(shè)施與公共設(shè)施基本具備的地區(qū)，一般而言也是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心區(qū)域。通常而言，燈光強(qiáng)度越高的地方，城鎮(zhèn)建成區(qū)的可能性就越高。DMSP/OLS夜間燈光影像對人口聚集區(qū)夜晚經(jīng)濟(jì)活動敏感，具備準(zhǔn)確識別城市建成區(qū)的能力．假設(shè)夜間燈光影像上DN值較高的區(qū)域是城市建成區(qū)，對于某個特定區(qū)域或城市存在一個最佳閾值 來描述城市建成區(qū)的輪廓．由于夜間燈光影像中高DN值的像元聚集并且DN值有從城市中心向邊緣降低的趨勢，采用重采樣的方法尋找最接近城市建成區(qū)輪廓的閾值[8,14]。分析城市空間形態(tài)的變化是研究區(qū)域城市化進(jìn)程的有效方法。以1998-2018年《鄭州統(tǒng)計年鑒》中的建成區(qū)面積作為輔助，確定每一年的最佳閾值，以獲取燈光數(shù)據(jù)所對應(yīng)的建成區(qū)數(shù)據(jù)。

4.2.1 燈光數(shù)據(jù)預(yù)處理

旨在減少城市中心過飽度對建成區(qū)提取的負(fù)面影響。

投影轉(zhuǎn)換

為了避免投影畸變對像素面積的影響，在Arcmap中將投影轉(zhuǎn)換為albers等面積投影。

（2）燈光數(shù)據(jù)校正

由于DMSP-OLS夜光數(shù)據(jù)中同一傳感器采集的不同年份數(shù)據(jù)的異常波動，以及衛(wèi)星衰退和不同傳感器的檢測性能不同，不同傳感器在不同年份采集的圖像數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，同一年是不一致的等等，需要在傳感器之間前進(jìn)行相互更正。參考Elvidge等[9]校正全球夜間燈光數(shù)據(jù)時采用的方法，建立一元二次回歸模型及回歸擬合確定的參數(shù)a、b、c以及DN值轉(zhuǎn)換方程對數(shù)據(jù)源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

DN'=a*DN2。+b*DN。+c

關(guān)系式中，DN'表示的是校正前燈光的灰度值，DN表示的是校正后燈光的灰度值；a、b、c為回歸系數(shù)。

換方程如下： 參數(shù)a、b、c及其轉(zhuǎn)換關(guān)系表：

表1 ?多傳感器影像DN值校正的回歸模型參數(shù)

數(shù)據(jù)集 ???????????a ?????????????????b ??????????????????c

F15-F16 ??????-0.001447 ????????????1.091 ???????????????0.913 F15-F14 ??????-0.003 202 ????????????1.093 ??????????????1.766 F14-F12 ???????0.003 413 ????????????0.628 ??????????????2.717 F12-F10 ???????0.001 906 ????????????0.832 ??????????????0.886 F16-F18 ???????0.004 262 ????????????0.673 ??????????????0.766

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圖6?校正前后圖

4.2.2最佳閾值確定(經(jīng)驗閾值法)

研究者根據(jù)?DM SP/O LS 夜間燈光數(shù)據(jù)的特點和前人所做的研究 ,結(jié)合實際經(jīng)驗,人為給定一個分割閾值。Milesi在對美國阿拉巴馬 、弗羅里達(dá) 、佐治亞和密西西比等地區(qū)的城市區(qū)域進(jìn)行研究之后,認(rèn)為?50 的灰度值作為分割閾值具有更高的精度。本文據(jù)此以灰度值?50?作為經(jīng)驗閾值法的分割閾值[1,13]。利用Arcmap中的重分類工具對燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，在Arcmap中加載TM提取的建成區(qū)矢量圖，打開重分類屬性表人工提取出最佳閾值θ，然后利用柵格計算器的CON計算大于θ的像元值，再利用重分類工具確定唯一值，再利用柵格轉(zhuǎn)面并重采樣到30m。

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圖8?2008年相交建成區(qū)提取結(jié)果???????????????????????????????????????

4.3綜合兩種方法的時間序列建成區(qū)提取?

圖9?各年份相交建成區(qū)提取結(jié)果

5 城市建成區(qū)時空變化特征提取與分析

5.1 建成區(qū)面積增長與擴(kuò)張測度

（1）城市面積年增長率

城市面積年增長率( annual growth rate，AGR)?表達(dá)出城市在某一時間內(nèi)的面積變動情況，計算公式為：

AGR=100*((UEend /UEstart)(1/d)-1)

式中：UEstart為初始年份的建筑面積，UEend為末尾年份的建筑面積，d為以年為單位的研究時間跨度。

1998- 2003年之間，鄭州市發(fā)展緩慢，2003-2008卻迎來了轉(zhuǎn)折點，出現(xiàn)了爆發(fā)式增長，鄭州東進(jìn)北擴(kuò)，面積增加顯著。2006年之后的階段,城區(qū)面積雖然增長但是速率卻有所下降。

圖10 ?城市面積年增長率（AGR）

（2）城區(qū)擴(kuò)展速率
城市擴(kuò)張率是研究城市在一定時期內(nèi)土地擴(kuò)張率的一種方法，它反映了城市建成區(qū)土地在一定時期內(nèi)的數(shù)量變化。計算公式如下：

Ks=[(Ub-Ua)/Ua]*T*100%

Ub表示的是研究末期城市建設(shè)用地面積，Ua表示研究初期城市建設(shè)用地面積，T為研究期。

從圖中可以看到，2008-2018這十年雖然城區(qū)擴(kuò)展速率相比于上一階段下降很多，但是整個中心城區(qū)又在原來的基礎(chǔ)上有所增加，在后來的十年中擴(kuò)展速率并沒有那么明顯。鄭州在二十一世紀(jì)才迎來了迅猛發(fā)展，城市有了較大變化，這與政府的政策傾斜，資源和地理位置有著較大的關(guān)系。

圖11城區(qū)擴(kuò)展速率（KS）

（3）疊加陸地衛(wèi)星圖像和光照數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)，得到鄭州市1998-2018年城市建成區(qū)分布序列（如下）。不同時期的建成區(qū)以不同的顏色顯示，可以清楚地看到城市建成區(qū)對外擴(kuò)張的時間點和方向。

圖12 城市建成區(qū)擴(kuò)張監(jiān)測

5.2 建成區(qū)形態(tài)特征變化分析

（1）城市形態(tài)的分形維數(shù)

建設(shè)用地特征的變動是城市發(fā)展過程中空間布局和結(jié)構(gòu)變化的綜合體現(xiàn)。分形維數(shù)用于刻畫自然界不規(guī)則的、不穩(wěn)定的并具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象[10-14]。城市擴(kuò)展的形態(tài)特征和變化過程可以通過城市擴(kuò)展分形維數(shù)來揭示，其公式為：

D(n)=2*In(P(n)/4)/In(A(n))

公式中，分形位數(shù)用D（n）來表示，研究區(qū)周長用P（n）表示，A（n）是研究區(qū)面積，n為研究期；

當(dāng)D低于1的時，D的范圍是1~2之間時，形態(tài)越復(fù)雜數(shù)值越大。當(dāng)D大于1的時侯，圖像趨于簡單，當(dāng)D>1.5時，則圖像更為繁雜。分形維數(shù)約簡是城市整潔有序、土地利用緊湊、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢。而造成鄭州市建成區(qū)的分形維數(shù)的原因是，鄭州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局于2009年成立，所以2009年以前，鄭州市建成區(qū)自然發(fā)展，城區(qū)邊界復(fù)雜，2009年以后建成區(qū)規(guī)劃后發(fā)展，故趨于規(guī)則整齊。

圖13 城市形態(tài)的分形維數(shù)

（2）緊湊度指數(shù)

城市外部輪廓形狀的緊湊度普遍被認(rèn)為是反映空間特征的一個非常重要的概念，其計算公式為：

公式中，C指城市緊湊度，城市占地用A表示，P為城市輪廓邊長。圓通常被認(rèn)為是最緊湊的形狀，而圓的緊密度被作為一種度量。緊湊度值越高，則外形越帶有緊湊性；反之形狀的緊湊性越差。壓實度指數(shù)的不斷提升指出，鄭州市建成區(qū)的壓實度獲得了提升，有助于大大縮短市區(qū)內(nèi)不同地區(qū)之間的距離，從而進(jìn)一步提高城市基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)達(dá)土地的利用效率，進(jìn)一步提高城市綠地的利用效率，降低城市管理成本。

圖14 緊湊度指數(shù)

5.3 建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移分析

重心的概念源自物理學(xué)，也稱平均中心。通過計算重心及其遷移軌跡，可以明確經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間差異以及動態(tài)變化特征。計算如下所示。

式中：`Xt和`Yt分別為第t年經(jīng)濟(jì)重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；`Iti表示第t年第i個格網(wǎng)單元的燈光值；`Xti`和`Yti ?分別為第t年第i個格網(wǎng)單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

結(jié)果顯示1998年到2003年，鄭州市主城區(qū)重心整體上向東南方向移動，重心的轉(zhuǎn)移伴隨著新密市和新鄭市的擴(kuò)張，二七區(qū)和南三環(huán)的發(fā)展；2003年到2008年間，建成區(qū)重心持續(xù)向北偏西方向移動，重心伴隨著金水區(qū)的擴(kuò)張和龍子湖的發(fā)展方向移動；2008年到2018年城市重心持續(xù)向南偏東移動，重心伴隨著惠濟(jì)區(qū)的擴(kuò)張向南偏東方向移動。

表2 ?建成區(qū)各年份重心坐標(biāo)表

圖15 ?建成區(qū)重心分布圖

圖16 1998年至2018年重心轉(zhuǎn)移過程

6 結(jié)論

本設(shè)計借助Landsat影像數(shù)據(jù)易于獲取的優(yōu)勢，結(jié)合DMSP夜間燈光數(shù)據(jù)對城市夜晚經(jīng)濟(jì)活動敏感的特征，對鄭州市1998年-2018年的建成區(qū)空間分布動態(tài)進(jìn)行了長時序的監(jiān)測與分析，得到如下結(jié)論：

（1）從研究的方法上來看，本文綜合Landsat遙感影像和燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)方法可靠，設(shè)計的技術(shù)思路和路線可以很好的為城市擴(kuò)張研究給予參考與借鑒。

（2）從研究結(jié)果來看，在1998年到2018年的20年間鄭州市建成區(qū)的擴(kuò)張從高速發(fā)展變?yōu)槠椒€(wěn)發(fā)展，嚴(yán)格按照鄭州市城市總體規(guī)劃進(jìn)行著城市的更新與發(fā)展，減緩趨勢亦符合大中城市的發(fā)展趨勢。鄭州近二十年一直在拉大版圖與向外擴(kuò)充。隨著中原經(jīng)濟(jì)區(qū)獲國家批準(zhǔn)后，鄭州更加突飛猛進(jìn)，新東站通車后大大加大鄭州的區(qū)位地理優(yōu)勢，也對主城區(qū)的擴(kuò)展起了推動作用。

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總結(jié)

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