胡鳳偉

(1. 北京中色測(cè)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(duì),河北 三河 065201)

高分一號(hào)數(shù)據(jù)在城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

胡鳳偉1，2

(1. 北京中色測(cè)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(duì),河北 三河 065201)

文章介紹了高分一號(hào)(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(guó)地級(jí)以上城市規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，建立了高分一號(hào)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(jī)交互式方法提取了全國(guó)地級(jí)以上城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展信息，通過(guò)GIS的統(tǒng)計(jì)分析功能，從城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)展率、城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)展強(qiáng)度等方面進(jìn)行了分析。通過(guò)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(kuò)展變化的規(guī)律；通過(guò)多城市同一時(shí)期的對(duì)比，可快速發(fā)現(xiàn)不同城市的擴(kuò)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(shí)還可以作為檢驗(yàn)發(fā)展戰(zhàn)略成果的一種方法，得出真實(shí)、客觀的判斷和結(jié)論。

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

0 引言

城市化是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程明顯加快。伴隨著城市化快速發(fā)展，我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)張[1]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀性、動(dòng)態(tài)性與實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，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(kuò)展的時(shí)空變化狀況及其規(guī)律，對(duì)于科學(xué)制定城市發(fā)展規(guī)劃和研究城市化進(jìn)程，促進(jìn)城市建設(shè)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

近幾十年來(lái)，國(guó)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(cè)方法應(yīng)用于城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展監(jiān)測(cè)之中[3]。陳本清等人利用30 m分辨率的TM影像監(jiān)測(cè)廈門的擴(kuò)展方向，同時(shí)簡(jiǎn)要分析了城市擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力[4]。李加林等人采用Landsat MSS、TM、ETM等不同時(shí)間的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，分析了長(zhǎng)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(hào)16 m多光譜數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)地級(jí)以上城市進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了“十二五”期間各城市的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展類型、擴(kuò)展率及擴(kuò)展強(qiáng)度等指標(biāo)[6]，探索總結(jié)建立全國(guó)城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)測(cè)技術(shù)模式，并對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理綜合統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)全國(guó)地級(jí)市城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展的時(shí)空發(fā)展規(guī)律[2]。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源與研究?jī)?nèi)容

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

高分一號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，它配置有兩臺(tái)2 m分辨率全色8 m分辨率多光譜相機(jī)和4臺(tái)16 m分辨率多光譜寬幅相機(jī)，具有高、中空間分辨率對(duì)地觀測(cè)和大幅寬成像結(jié)合的特點(diǎn)。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(hào)16 m多光譜數(shù)據(jù)，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

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

1.2 研究?jī)?nèi)容

采用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星高分一號(hào)(GF-1)為主的中分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)，開(kāi)展全國(guó)341個(gè)城市“十二五”期間城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)測(cè)。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，掌握“十二五”期間全國(guó)城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展?fàn)顩r，探索總結(jié)建立全國(guó)土地利用宏觀監(jiān)測(cè)技術(shù)模式，并對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理綜合統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)全國(guó)地級(jí)市城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展的時(shí)空發(fā)展規(guī)律，為國(guó)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(jí)以上城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)測(cè)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(jìn)行城市規(guī)模擴(kuò)展信息提取前，需對(duì)兩期遙感影像進(jìn)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(gè)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(gè)波段，所以僅需要對(duì)其進(jìn)行波段組合。為了充分顯示真實(shí)環(huán)境信息，一般會(huì)采用模擬真彩色合成，我們?cè)诓ǘ魏铣傻耐瑫r(shí)通過(guò)某些波段間的運(yùn)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(jué)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(dòng)糾正方法，目前很多國(guó)內(nèi)外軟件都具備此功能。對(duì)于部分自動(dòng)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(diǎn)的布設(shè)上，堅(jiān)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(diǎn)，以保證糾正精度。

(3) 鑲嵌、裁切

糾正完成后，對(duì)單景影像進(jìn)行鑲嵌，制作地市級(jí)范圍遙感影像。鑲嵌前首先進(jìn)行重疊檢查，重疊誤差超過(guò)1個(gè)像元時(shí)應(yīng)立即查明原因，并進(jìn)行必要的返工，使其符合規(guī)定的接邊要求。鑲嵌時(shí)盡可能保留了分辨率高、時(shí)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(jìn)行影像裁切，行政界線外擴(kuò)1公里，最終制作完成地市級(jí)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(guó)334個(gè)地級(jí)市遙感影像為基礎(chǔ)，在GIS系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類及人機(jī)交互相結(jié)合的方式進(jìn)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?jī)?nèi)面狀圖斑不重疊，層與層之間面狀圖斑重疊。

(2) 前后時(shí)相影像未能嚴(yán)格套合的情況，對(duì)前時(shí)相影像進(jìn)行局部手動(dòng)移動(dòng)，使前后時(shí)相套合后，以后時(shí)相為準(zhǔn)進(jìn)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(kuò)展建設(shè)用地按面狀矢量進(jìn)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(jī)場(chǎng)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(cè)結(jié)果分析

4.1 城市規(guī)模擴(kuò)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(guó)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展面積達(dá)3.4萬(wàn)平方公里，其中，區(qū)縣城鎮(zhèn)擴(kuò)展建設(shè)用地面積為1.9萬(wàn)平方公里，占擴(kuò)展總面積的54%；其次為主城區(qū)擴(kuò)展建設(shè)用地，面積為1.0萬(wàn)平方公里，占總擴(kuò)展面積的27%；擴(kuò)展或新增的新城新區(qū)和各級(jí)道路面積相差不大，分別為0.31、0.27平方公里，占總擴(kuò)展面積的9%和7%；城市間大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地?cái)U(kuò)展面積最小，僅為0.09萬(wàn)平方公里，占總面積的3%。各類型建設(shè)用地?cái)U(kuò)展面積占比情況見(jiàn)下圖。

出現(xiàn)此種情況的原因，與“十二五”期間國(guó)家推行的城鎮(zhèn)化政策密切相關(guān)?！?015年，我國(guó)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(guó)新辦新聞發(fā)布會(huì)上如是表示。這一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與我們監(jiān)測(cè)到的全國(guó)區(qū)縣城鎮(zhèn)擴(kuò)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(kuò)展率分析

城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)展率指研究期內(nèi)某類建設(shè)用地?cái)U(kuò)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(kuò)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(jì)出，各省城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展率對(duì)比圖如下：

在城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)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(jì)表的前五名，且增長(zhǎng)率大都超過(guò)100%。5年的時(shí)間，擴(kuò)展建設(shè)用地面積超過(guò)既有面積，這是一個(gè)非?？斓陌l(fā)展速度，這和“十二五”期間國(guó)家制訂的持續(xù)進(jìn)行西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略密切相關(guān)的，可以說(shuō)是西部大開(kāi)發(fā)策略得到深入實(shí)施的體現(xiàn)。

4.3 城市規(guī)模擴(kuò)展強(qiáng)度分析

城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)展強(qiáng)度指研究期內(nèi)建設(shè)用地年均擴(kuò)展面積和轄區(qū)土地總面積的比值，是反映城市擴(kuò)張空間變化的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)分析城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可定量地比較城市擴(kuò)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(kuò)展強(qiáng)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(jì)出，各省城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展強(qiáng)度對(duì)比圖如下：

在城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展強(qiáng)度方面，天津、上海、江蘇、浙江、寧夏等5省(市)排在統(tǒng)計(jì)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(kuò)展強(qiáng)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(kuò)展強(qiáng)度也在一定程度上反映出了一個(gè)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(hào)16 m多光譜數(shù)據(jù)，可快速觀測(cè)和分析城市擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)變化，很好地彌補(bǔ)在城市擴(kuò)展過(guò)程中部分資料的缺失，為實(shí)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(kuò)展變化的規(guī)律。

通過(guò)多城市同一時(shí)期的對(duì)比，可快速發(fā)現(xiàn)不同城市的擴(kuò)展現(xiàn)狀及差異性，進(jìn)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(kuò)展監(jiān)測(cè)還可以作為檢驗(yàn)發(fā)展戰(zhàn)略成果的一種方法，通過(guò)不同城市間的橫向?qū)Ρ龋蛲怀鞘胁煌瑫r(shí)間段的縱向?qū)Ρ?，得出真?shí)、客觀的判斷和結(jié)論。

[1] 呂志強(qiáng)，鄧睿，卿珊珊.大型山地城市建設(shè)用地空間擴(kuò)展及地形分異[J].水土保持研究，2017，24(1)：232-238.

[2] 王涼，徐浙峰，蘇爾斌.RS技術(shù)在城市化進(jìn)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力分析 [J].理工科研，2009(5)：260-261.

[3] 李波. 基于多源遙感數(shù)據(jù)的城市建設(shè)用地空間擴(kuò)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其動(dòng)力學(xué)模擬研究 [D]. 浙江大學(xué)，2012:1-9.

[4] 陳本清，徐涵秋.城市擴(kuò)展及其驅(qū)動(dòng)力遙感分析—以廈門市為例 [J]. 經(jīng)濟(jì)地理，2005(1)：79-83.

[5] 李加林，許繼琴，李維芳，等.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市用地增長(zhǎng)的時(shí)空特征分析 [J].地理學(xué)報(bào)，2007(4)：437-447.

[6] 丁洪富. 基于時(shí)序遙感影像的城市規(guī)模擴(kuò)張研究 [J]. 價(jià)值工程，2013(12)：326-328.

[7] 王婷，廖秀英，程輝. 高分一號(hào)衛(wèi)星PSM傳感器湖南攸縣幅數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià) [J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2015,30(5)：2082-2088.

[8] 胡龍華，徐豁.城市衛(wèi)星遙感圖像融合處理質(zhì)量評(píng)價(jià)研究 [J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2012，9(1)：82-86.

[9] 王厚軍，李小玉，張祖陸，等. 1979_2006年沈陽(yáng)市城市空間擴(kuò)展過(guò)程分析 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2008，19(12)：2673-2679.

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(cè)繪院有限公司高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)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