《仪器仪表与分析监测》２０１４年第２期 基于ＧＩＳ与ＲＳ技术的城市空问增长分析 Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｉｔｙ Ｓｐａｃｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＩＳ ａｎｄ ＲＳ 张光华 （贵州省地矿局一。四地质大队，贵州都匀５５８０００） ｆ摘 要］ 城市空间是衡量一个城市发展与增长的重要标准。近年来我国城镇化步入高速发 展时期．盲目的城市扩张带来了越来越多的城市问题。综合ＧＩＳ与Ｒｓ技术，通过提取城市边 缘确定城市空间形态．继而在不规则的城市形态中寻找规则的几何规律．在城市增长的方向 性与空间形态等方面为城市发展提供指导思想 ［关键词】ＧＩＳ；ＲＳ；城市空间 ［中图分类号】Ｐ２ ［文献标识码］ Ｂ 监测，为城市现状提供最为精准与直观的数据资 引言 随着经济社会发展．城市逐渐成为物质、能 料：ＧＩＳ技术具有强大的空间分析功能．可以综 合ＧＰＳ与遥感技术，在不规则的城市空间形态中 寻找规则的数学规律ｌ ２】．为定量研究城市扩张提 供科学的评判与指导意见。 量与信息流动的主要载体…，城市在人类发展过 程中所起到的作用越来越大，随之引起了全球城 市空间规模的日益膨胀与扩张。在我国改革开放 １研究区概况 都匀是贵州省黔南布依族苗族自治州首府， 贵州省南部政治、经济、文化的中心。 都匀市总面积２ ２７４平方公里，总人口为５０ 以后．国民经济发展速度逐年提高，在财富积累 的同时，城镇化水平也成为影响国家综合实力的 一项重要因素。在一般计算城镇化水平的量化标 准中，主要以城镇人口比重作为衡量依据，人口 的大量涌入带动了城市空间发展的需求，从而导 致丁城市扩张现象。 万，有布依、苗、水、瑶等３３个少数民族，占总 人口的６７．０８％。城市建成区总面积为２３．８平方 城市空间形态的变化是研究城市扩张现象的 一公里，市区人口２７万（含流动人口）。都匀属亚 热带湿润季风气候，四季分明，冬无严寒，夏无 酷暑，降雨充沛，雨热同季，立体气候明显， 个重要部分。城市扩张作为一个空间变化形 式，李间形态可以最直观地体现城市扩张的规 律。３Ｓ技术是遥感技术（Ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ，ＲＳ）、 地理信息系统ｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ． ＧＩＳ）和全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ， ＧＰＳ）的统称，是研究空间问题的重要手段，在 城市扩张研究中的应用范围日益广泛。利用ＧＰＳ 技术提供城市空间数据，尤其是重要控制点的空 属国内少见的冬日温煦、夏季清凉的旅游度假 型气候。 ２城市空间形态提取 ２．１城市实体概念 城市实体，是指具有城市（聚落）景观特点 的空间上连续分布的地域实体ｌ ３ｌ，包括城市建成 问位置坐标：ＲＳ技术对城市变化进行实时的动态 一２２一 区及与城市建成区相连的城市边缘带，以及城市 内部的水域、绿地等非建设用地。城市空间形态 可以看做城市实体的边界形态。对城市空间形态 的研究基础便是对城市实体的提取。 ２．２城市实体提取方法 对城市实体的提取可以采用多种方法，比如： １）根据规划部门的城市现状进行城乡用地人 工手动提取。这种方式是最为直接与简单的方法， 但无法综合体现城乡用地边界，尤其是城乡结合 部的用地性质。 ２）依据国土部门的土地利用现状数据进行城 市实体提取。这种方法同样存在不足，在国土部 门的数据分类中，城市用地与农村用地、建制镇 划分为三个地类，因此与规划部门数据同样无法 综合体现城市功能性。 ３）基于遥感技术与ＧＩＳ技术的城市实体提 取。这种方式结合了３Ｓ技术，首先对遥感影像进 行土地利用数据解译，综合ＧＩＳ空间分析能力判 断城市实体与城市边界。 本次研究采用第三种城市实体提取方法， 即综合了遥感技术与ＧＩＳ技术，从定性的描述 发展到定量的测量．使研究结果更趋近客观。 ２．３ ＮＤＢＩ提取城市实体 ＮＤＢＩ为归一化建筑指数，是基于归一化植被 指数ＮＤＶＩ．其运算公式为： ＮＤＢＩ＝ 式中。ＴＭ４、ＴＭ５表示Ｌａｎｄｓａｔ影像的第４与 第５波段．因此ＮＤＢＩ指数取值范围在一１与１ 之间。一般认为计算结果中ＮＤＢＩ＞０的范围便是 城镇。 本次研究采用的遥感影像数据为Ｌａｎｄｓａｔ ８， 具有中等的空间分辨率与较为丰富的波段信息， 为遥感影像在生态环境、地表覆被研究等方面提 供了广泛的应用基础。Ｌａｎｄｓａｔ ８采用ＯＬＩ技术， 包括９个波段，空间分辨率为３０米，其中包括一 个１５米的全色波段，成像宽幅为１８５ ｘ１８５ｋｍ。 Ｌａｎｄｓａｔ ８全波段信息见表１。 基于ＧＩＳ与ＲＳ技术的城市空间增长分析 张光华 表１ Ｌａｎｄｓａｔ ８全波段信息 序号 波段 波 长（ ｍ） 分辨率空间 ｆｉｎ） 辐射分辨率 １ 深蓝 ０． ３３～０．４５３ ３０ １２ ２ 蓝 ０． ５０－０．５１５ ３０ ｌ２ ３ 绿 ０．１ ２５～０．６００ ３０ ｌ２ ４ 红 ０．（ ３０￣０．６８０ ３０ ｌ２ ５ 近红外 ０．Ｅ ４５～０．８８５ ３０ １２ ６ 短波红外 １． ６０－１．６６０ ３０ １２ ７ 短波红外 ２．】 ００－２．３００ ３０ ｌ２ ８ 全色 ０． ００￣０．６８０ １５ ｌ２ ９ 卷云 １．： ６０－１．３９０ ３０ １２ ３城市空间形 分析 ３．１城市空间形态提取 利用ＮＤＢＩ可以对城市用地，尤其是建筑用地 指数进行测算，从而得到研究区的内建设程度。 由于城市空问形态是一个不规则的几何图形。因 此需要利用ＧＩＳ技术，通过分析建设用地强度来确 定城市实体，即建设强度越高的地区，人类活动的 影响越大，则说明城市化显著，城市特征也越 明显。 本次研究中，主要采用人工经验判断的方法， 根据建设用地强度借数来确定城市空间形态。 ３．２城市空间形状分析 城市空间形态作为一种几何特性，在定量化 分析其特征时，一般选取几种规则的几何图形， 如正方形、圆形等，作为城市形态的标准对比图 形，进行几何学中的点线面等方面的比较，得到 城市实体的不规则程度。 根据城市发展在用地强度、交通成本以及发 展规律等方面，通常采用圆形率与紧凑度两个指 标作为基础判断指标。 ３．２．１圆形率 圆形率计算公式为： 一 严 式中，５为圆ｊ 率， 为图形面积，Ｐ为图形 周长。 一２３— 《仪器仪表与分析监测》２０１４年第２期 当一个区域图形呈现圆形时，圆形率为ｌ／＇ｔｒ： 当区域呈现正方形时，其数值为１／４。因此，具 有带状特征的区域，其数值小于１／４，离散程度 越大的区域，其数值越小。 ３．２．２紧凑度 城市外围轮廓形态的紧凑度计算公式为： Ｃ＝２、 ，Ｐ 式中，Ｃ为城市紧凑度，Ａ为城市实体面积， Ｐ为周长。 紧凑度公式把圆形作为标准形状，圆形实体 紧凑度的值为１，任何其他形状图形的紧凑度均 小于１，区域离散程度越大即越不紧凑，其紧凑 度数值越小。 由都匀市面积、周长等数据可得出其圆形率 及紧凑度，见表２。 表２都匀市城市形态圆形率与紧凑度 面积（ｋｍ ） 周长（ｋｍ） 圆形率 紧凑度 ２３．８ １５６．２４ ０．００３ ９ ０．０５５ 根据圆形率１／４以及紧凑度１的标准，都匀 市城市空间形态的圆形率与紧凑度分别为０．００３ ９ 与０．０５５，均远远小于标准数值，因此，都匀市城 市实体呈现出较为严重的离散程度．城市发展无 规律，缺乏统一协调的城市用地长期规划与科学 的空间布局。 ３．３分形理论模型 城市空间形态作为一种不规则的几何图形， 单纯地进行标准图形对比很难对城市空间形态做 客观科学的判读。在此背景下，基于分形理论的 地理学模型『４］应运而生。人们开始从表面上看 似毫无规律的事物与现象中去挖掘深刻的自然规 律，为城市空间形态研究提供了科学有效的判断 依据。对于城市空间形态的分形研究开始走向地 理科学的学术前沿。 ３．３．１理论基础 城市空间形态的分形研究基于一个理论假设， 即用某种尺度ｒ对城市土地利用进行空间度量。 相应有一个测度Ｍ（ｒ），改变尺度ｒ，Ｍ（ｒ）也会随 一２４一 之改变『４、 ，即： Ｍ（Ａｒ）ＯＣ．Ａ Ｍ（ｒ） 如果符合这个规律，则可认为城市空间形态 具有分形性质，其空间结构特征不随尺度的改变 而变化。 本文在研究城市分形中所采用的模型为网格 计数法，从城市空间结构的角度来考虑城市土 地的总体格局，可以更为宏观地考量城市形态 的规律。 网格计数法是假设盒子边长为ｒ，用连续的 盒子覆盖分形图形非空盒子计数为Ⅳ（ｒ），当ｒ趋 向于０时，则有计盒维数定义： Ｄｏ＝－ｌｉｍ ｏ ｌｇ ｒ取有限值时．用行、列均为ｒ的正方形格网 覆盖图斑，求出覆盖图斑的非空格子数Ⅳ（ｒ），运 算公式： Ｎ（ｒ）＝Ｃｒ—ｏｏ 对公式取对数后可表示为： ｌｇ Ｎ（ｒ）＝ｌｇ Ｃ－Ｄｏ ｌｇ（ｒ） 式中，Ｃ为待定系数，Ｄ。表现城市土地利用 的多寡程度与平面填充能力，Ｄ。越小，说明城市 图斑边界整齐，用地紧凑。 ３．３．２都匀市城市分形研究 网格计数法是在地图上用一个正方形区域覆 盖城市实体。首先设定一个边长ｒ＝Ｌ，此时只有 一个网格，即非空网格数目Ⅳ（，Ｊ）＝１。将网格四 等分，此时ｒ＝Ｌ／２，计算出包含城市实体的网格数 目。随后依次对网格进行平分，到 步时的网格 尺度为ｒ＝Ｌ／２ 一１）。计算公式可表达为： Ⅳ ２ｎ＝２州ｆ＼ ２）』 根据公式可以得出负幂函数： Ⅳ（ｒ）ｏＣ Ｆ－Ｄ 式中，Ｄ为分形维数，且０≤Ｄ≤２。一般情 况下１≤Ｄ≤２，Ｄ越大则城市用地分布越均匀， 当Ｄ为２时，城市实体空间形态便已退化为欧式 几何形态；反之Ｄ越小，城市用地越集中。 都匀市城市实体非空格子数目与格子边长数 据提取结果及分维图式分别见表３与图１。 表３都匀市城市实体非空格子数目Ｎ（ｒ）与格子边长的数 据提取结果 数据点编号 ｒ １９９５ ＮＩ（ｒＪ １ １，２ ６３ ９４０ ２ １／４ １７ ３９７ ３ １／８ ４ ９０３ ４ １，１６ １ ４１７ ５ １／３２ ４３１ ６ １／６４ １３６ ７ １／１２８ ４７ ８ １／２５６ １４ ９ １／５１２ ４ 图１都匀市城市实体分维图式 根据非空格子数目与格子边长数据，利用线 性代数的趋势分析法进行线性回归，从而得出一 次线性回归方程： ＝１．７２４ ８ｘ＋０．１８２ ２。 方差Ｒ２＝０．９９９ ４＞０．９９９ ５，说明方程精确程度 达到分形理论要求的分布规律，可以用分形原理 来解决空间实体边缘形态的问题。 ３．３．３分形计算结果 应用ｌｇ（ｒ）与Ｄ建立趋势图，并最终获得趋势 方程，求出ｒ ０时的分形维数。从表４可以看 出．在ｒ＝０时．Ｄ的取值１．７５１，距离理想的数 值１．７０较为接近［４１，说明都匀市城市扩张虽然在规 则几何图形方面具有一定的劣势，但从其分形理 论模型中可以看出都匀市整体城市形态的离散程 度仍属于可控范围之内。 基于ＧＩＳ与ＲＳ技术的城市空间增长分析 张光华 表４分形计算结果 网格数 Ｄ ０ １．７５０ ７ １００ １．７７３ ８ １．７６０ ８ １．７５１ ４ １．７４４ ８ １ ６０ＨＤ １．７５０ ３ ３ ２００ １．７７１ ９ ６ ４００ １．８５１ ５ １２ ８００ １．９０３ ７ ２５ ６００ ２ ４ 总结 最近几十年来．城市规划已经超出了纯粹的 按需分配的时代。定性的专家经验为城市规划提 供了发展方向。基于３Ｓ技术的定量化的城市规划 决策判定则为城市规划的科学性进行把关。尤其 是在城市化高速发展的今天，如何控制城市边界 的增长。如何促进城市更加高效地运转。成为未 来城市规划中的重中之重。 在未来的城市观划中，３Ｓ技术与基于几何学 的地理数学模型将为城市扩展与空间形态分析提 供最重要的技术支撑，是城市规划中必不可少的 一门研究学科。 参考文献： 【１］王晋良．大连城市叱进程与土地利用的关系【Ｊｌ＿中国人 Ｖｌ・资源与环境，２９０８，１９（１）：１３８￣１４３ ［２】王静．土地资源遥感监测与评价方法［Ｍ】，北京：科学出 版社．２００６：１７～２４ 【３］庄大方，刘纪远等．中国土地利用程度的区域分异模型 研究［ＪＪ．自然资源学报，１９９７，１２（２）：１０５－１１１ ［４】ＢＡＴｒＹ Ｍ，ＬＯＮＧＩ ＥＹ Ｐ Ａ．Ｆｒａｃｔａｌ—ｂａｓｅｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｆｏｒｍ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｂ： Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉ ｇｎ，１９８７，１４：１２３￣１３４ ［５】喻定权．城市空间：髟态与动态预测系统研究［Ｍ】，长沙： 湖南大学出版社，２００８． 一２５—