譚永濱，陳永昱，張志軍，危小建，4，傅堯聲，余 蕓

(1.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.天津市測繪地理信息研究中心，天津 300191；4.東華理工大學(xué) 資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究中心，江西 南昌 330013)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市建成區(qū)迅速擴(kuò)展、用地面積大幅增加，大量農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)聚集，使得城鎮(zhèn)人口比例逐年提高。城市建成區(qū)是指城市內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)的，且市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)。因此，對已有大量人類活動的城市建成區(qū)的歷史狀況進(jìn)行研究，并以連續(xù)的方式反映其在空間上的演變過程，對于了解城市變化進(jìn)程具有重要意義(Weber et al.， 2003)，可為下一步的城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

遙感影像因其監(jiān)測范圍廣、客觀表達(dá)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市建成區(qū)的提取、時空分析等方面研究(李愛民，2009; 程朋根等，2015)。其中，Landsat系列衛(wèi)星影像因其具有較高的空間分辨率、較豐富的光譜信息及數(shù)據(jù)易得等特性成為主要的影像數(shù)據(jù)源(萬建鵬等，2015)。牟鳳云等(2007)利用Landsat衛(wèi)星影像、災(zāi)害監(jiān)測星座衛(wèi)星和“北京一號”小衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了1973—2005年北京市建成區(qū)的擴(kuò)展過程、面積變化和土地利用影響；鄧劉洋等(2018)基于面向?qū)ο蠓诸惙椒ê屯恋仡愋托畔?biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計變量，利用遙感影像提取城市建成區(qū)邊界，分析了河南省虞城縣的城區(qū)空間擴(kuò)張?zhí)卣鳌?/p>

然而，僅以Landsat衛(wèi)星影像作為單一數(shù)據(jù)源只能客觀地反映城市建成區(qū)的現(xiàn)狀及變化(姚士謀 2006)，無法體現(xiàn)建成區(qū)中城鎮(zhèn)人口聚集、移動等時空特征，如無法剔除城市中人類活動較少的“空城”區(qū)(Chen， 2017)。因此還需要結(jié)合其他數(shù)據(jù)源來提取能夠體現(xiàn)城市人口活動的區(qū)域。夜間燈光數(shù)據(jù)具有良好的夜間低光探測能力，能探測到城市內(nèi)居民地、車流等發(fā)出的燈光，能夠有效地反映城市人口聚集的空間特征，近年來被用于城鎮(zhèn)化進(jìn)程(劉璐，2018; 舒松等，2011; 陳晉等，2003)、城市空間關(guān)聯(lián)度(陳昕等，2018)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)反演(王毓乾等，2017)等方面的研究。劉沁萍等(2014)基于DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)提取了中國城市建成區(qū)，選取形態(tài)緊湊度和擴(kuò)張速度指標(biāo)從城市規(guī)模、大區(qū)域及省級行政區(qū)劃的空間尺度分析了城市的空間擴(kuò)張情況；胡云鋒等(2018)以夜間燈光數(shù)據(jù)、常住人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在縣級尺度上建立逐步回歸模型，構(gòu)建川渝地區(qū)人口空間分布數(shù)據(jù)。

以江西省南昌市為研究區(qū)，結(jié)合Landsat衛(wèi)星影像與夜間燈光數(shù)據(jù)提取南昌市具有人類活動特征的建成區(qū)，以5年為時間周期，分析1995—2016年間南昌市建成區(qū)的面積變化、城市形態(tài)及空間差異性等時空變化特征。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)概況

南昌市，江西省省會城市，地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游，瀕臨我國第一大淡水湖——鄱陽湖。全境以平原為主，東南平坦，西北丘陵起伏，南北長約112.1 km，東西寬約107.6 km。南昌市轄三縣、六區(qū)，行政區(qū)劃如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)是以5年為時間間隔的Landsat影像數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)。其中Landsat影像數(shù)據(jù)的獲取時間分別為1995年10月、2001年10月、2006年9月、2011年9月和2016年9月；夜間燈光數(shù)據(jù)包括1995年、2001年、2006年和2011年的DMSP/OLS全國年平均穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)，以及2016年9月的NPP-VIIRS月均數(shù)據(jù)。Landsat與DMSP/OLS數(shù)據(jù)下載自地理國情監(jiān)測云平臺(1)http://www.dsac.cn/，NPP-VIIRS數(shù)據(jù)下載自NOAA官方網(wǎng)站(2)https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html。為了消除衛(wèi)星傳感器在獲得地物反射過程中受到大氣的影響，所有的Landsat影像數(shù)據(jù)均已做過輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理。

2 研究方法

2.1 夜光數(shù)據(jù)預(yù)處理

DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)包含6顆衛(wèi)星，由于傳感器未做星載定標(biāo)，傳感器存在衰減以及不同衛(wèi)星傳感器之間存在差異，使得多顆衛(wèi)星獲取的長時間序列數(shù)據(jù)缺乏可比性。因此首先要進(jìn)行不同衛(wèi)星之間的相互校正定標(biāo)，基于最小二乘法進(jìn)行一元二次回歸建模，并利用擬合確定的參數(shù)(表1)構(gòu)建校正公式，對各年份的夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正(Li et al.， 2017)。

DN′=a×DN02+b×DN0+c

(1)

式中，DN0和DN′分別為校正前、后的DN值。

表1 一元二次回歸模型擬合確定的參數(shù)Table 1 Fitting parameters of the quadratic regression model

2.2 城市建成區(qū)提取方法

由于燈光具有溢出特性，夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率較低且在城市中心，像元存在過飽和的現(xiàn)象(Small et al.， 2005; Welch， 1980)，導(dǎo)致提取的城區(qū)范圍不夠準(zhǔn)確。因此結(jié)合Landsat影像的高空間分辨率及夜間燈光數(shù)據(jù)反映人類活動的優(yōu)勢，提取出多時期的具有內(nèi)部細(xì)節(jié)的城市建成區(qū)，用于后續(xù)的時空分析。

(1)建成區(qū)邊界提取。利用突變檢測法(Imhoff et al.， 1997)解譯夜間燈光數(shù)據(jù)，提取城市建成區(qū)邊界。該方法認(rèn)為靠近建成區(qū)的像元亮度值通常高于非城市區(qū)域的像元亮度值，即存在某個閾值；而隨著閾值增大，建成區(qū)周長逐漸減小，當(dāng)閾值達(dá)到某個臨界值時，建成區(qū)的周長會突然增大，表明建成區(qū)內(nèi)部的完整斑塊開始破碎，可將該臨界閾值視為區(qū)別城市與非城市區(qū)的最佳閾值，提取出城市建成區(qū)邊界。然而由于夜間燈光數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，只能較準(zhǔn)確地提取出大致的建成區(qū)輪廓，還需要結(jié)合Landsat影像進(jìn)行分類解譯提取建成內(nèi)部的用地情況。

(2)建成區(qū)范圍提取。通過分析地表的實(shí)際情況，將南昌市地表類型劃分為耕地、水體、裸地、植被、建設(shè)用地、其他用地等6大類，利用最大似然監(jiān)督分類方法進(jìn)行影像解譯。為了更直接地反映南昌市建設(shè)用地情況，還對解譯結(jié)果進(jìn)行了聚類處理，將耕地、裸地、植被及其他用地合并為其他類型，與建設(shè)用地、水體共同構(gòu)成南昌市地表組成。最后利用空間疊置方法分析初步建成區(qū)邊界與建設(shè)用地區(qū)，提取兩個區(qū)域的共同部分作為南昌市城市建成區(qū)的最終范圍。

3 南昌市城市建成區(qū)時空變化分析

將從面積變化、城市形態(tài)、城市重心遷移及空間差異性等方面，分析南昌市20年來建成區(qū)的時空分布及變化特征。1995—2016年南昌市各時期建成區(qū)空間分布如圖2所示。

3.1 城市建成區(qū)面積變化分析

利用面積年增長率分析20年來南昌市城市建成區(qū)的面積變化情況，并結(jié)合擴(kuò)展速率進(jìn)一步分析城市建成區(qū)面積的變化速率情況。面積年增長率(AGR，Seto et al.， 2011)與擴(kuò)展速率(ER，王秀蘭等，1999)的計算公式分別為：

AGR=[(Sb/Sa)(1/T)-1]×100%

(2)

ER=[(Sb-Sa)/Sa]/T×100%

(3)

式中，Sa、Sb分別為初期和末期的建成區(qū)面積，T為以年為單位的時間間隔。

通過計算各個時期的城區(qū)面積年增長率，分析20年來南昌市建成區(qū)的面積變化情況(圖3)。從圖3可以看出，1995—2001年間南昌市城市建設(shè)速度相對緩慢，建成區(qū)的面積變化率與擴(kuò)展速率均處在相對較低水平(分別為2.34%與2.22%)；而在2001—2006年間，南昌市城市建設(shè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，建成區(qū)面積較前一階段有著顯著增長，擴(kuò)展速率也大幅度提高；隨著前期的大力發(fā)展，最近十年間(2006—2016)，南昌市建成區(qū)的面積增長率與擴(kuò)展速率較2001—2006年均呈現(xiàn)大幅降低的現(xiàn)象。

3.2 建成區(qū)形態(tài)特征及變化分析

形態(tài)變化反映了城市在發(fā)展過程中其空間格局與結(jié)構(gòu)的變化，主要指標(biāo)包括南昌市建成區(qū)的分形維數(shù)與緊湊度情況。分形維數(shù)(徐建華等， 2003)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(王勁峰，2006)，反映了城市地域邊界的復(fù)雜曲折程度。緊湊度指數(shù)(Batty， 2001， 劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2003)是反映城市外圍輪廓形狀空間形態(tài)的重要指標(biāo)(Marquez et al.， 1999)。分形維數(shù)(D)與緊湊度指數(shù)(C)的計算公式為：

D=2×ln(P/4)/ln(S)

(4)

(5)

式中，P為研究區(qū)邊緣周長，S為研究區(qū)面積。分形維數(shù)值值域介于1～2之間，值越大表示形狀越復(fù)雜，通常D≤1.5的形狀可認(rèn)為趨向于簡單，而當(dāng)D>1.5時，則認(rèn)為形狀趨向于復(fù)雜。而緊湊度值越大，則形狀越具有緊湊性；反之形狀的緊湊性越差。

從圖4中可以看出，1995—2016年間南昌市建成區(qū)的分形維數(shù)呈現(xiàn)先上升，后下降的變化趨勢；而緊湊度呈現(xiàn)先下降，后上升的變化趨勢。其中，分形維數(shù)的下降趨勢說明南昌市城市邊界趨于整齊規(guī)則，而緊湊度上升的趨勢表明南昌市城市用地趨于緊湊。

1995年南昌市建成區(qū)范圍較小，主要集中在贛江南側(cè)的老城區(qū)發(fā)展，由于多年城市發(fā)展，城市邊界較為規(guī)整且緊湊節(jié)約。1995—2001年間南昌市大力開展城市建設(shè)，整體上未呈現(xiàn)明顯的規(guī)劃特征，且城市用地松散。2001年后城市用地趨于緊湊節(jié)約，一方面原因是南昌市土地開發(fā)率持續(xù)提高，內(nèi)部各區(qū)域間的距離不斷縮減；另一方面隨著開發(fā)力度的加大，可利用的土地資源越來越少，促使土地開發(fā)往緊湊節(jié)約型發(fā)展。特別是2006年后南昌市建成區(qū)邊界趨于規(guī)整，用地情況趨于緊湊節(jié)約。

3.3 建成區(qū)重心遷移及空間差異分析

提取了各時期南昌市建成區(qū)的重心位置，并分析重心的分布及轉(zhuǎn)移情況(圖2)。另外，為了進(jìn)一步分析各時期南昌市在不同方向上的發(fā)展情況，還以五個時期重心位置的平均坐標(biāo)為中心，沿著八條方向線將建成區(qū)劃分為八個部分，并統(tǒng)計各時期南昌市建成區(qū)在八個方向內(nèi)面積變化量(圖5)。圖中箭頭方向代表劃分的八個方向，箭頭長度表示面積變化大小，箭頭越長面積變化越大，反之越小。圖5中的同心圓表示面積變化量的標(biāo)準(zhǔn)線，即若箭頭長度到達(dá)圓環(huán)，則表示面積變化量大小為環(huán)標(biāo)示的值。

結(jié)合圖2與圖5發(fā)現(xiàn)，1995—2006年間，南昌市建成區(qū)的擴(kuò)展方向集中在西北、東北偏東兩個方向，其中西北方向的擴(kuò)展力度最大，重心位置也向西北方向產(chǎn)生遷移，特別是2001—2006年間遷移幅度明顯。分析后發(fā)現(xiàn)主要原因在于2000年前后南昌市正式啟動了位于贛江北側(cè)的紅谷灘中心區(qū)的開發(fā)建設(shè)，且?guī)缀跬瑫r批復(fù)了位于南昌北部的國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的開發(fā)。

2006年之后建成區(qū)的重心位置發(fā)生較大的轉(zhuǎn)向，由原來向西北方向發(fā)展轉(zhuǎn)為向南部移動。其中在2006—2011年間、2011—2016年間，南昌市的主要開發(fā)方向分別以東南方向與西南方向?yàn)橹?。這一變化是由于南昌市在不突破用地擴(kuò)展邊界的情況下，對空間布局形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，于2008年前后大力開發(fā)建設(shè)鄰近南昌舊城區(qū)南部的朝陽新城；2012年前后規(guī)劃建設(shè)位于南昌市南部的九龍湖新區(qū)。這些大型項目的開發(fā)建設(shè)均帶動著相應(yīng)建成區(qū)的擴(kuò)展。總的來說，2006—2016年間南昌市在整體擴(kuò)展速度有所下降的情況下，各擴(kuò)展方向呈現(xiàn)多翼狀加速擴(kuò)展，建成區(qū)也表現(xiàn)為相對均衡式的蔓延。

4 結(jié)論

本項目綜合利用Landsat影像數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)提取南昌市建成區(qū)的空間范圍，有效避免出現(xiàn)“空城”的現(xiàn)象，從面積變化及速率、空間形態(tài)變化以及空間差異化等角度分析了20年來(1995—2016年)南昌市建成區(qū)的時空特征。

(1)20年間南昌市建成區(qū)的面積變化及擴(kuò)展速率呈現(xiàn)“低速-高速”的態(tài)勢，其中在2006年之后表現(xiàn)為相對平穩(wěn)的快速發(fā)展。

(2)2006年之前，南昌市城市建設(shè)規(guī)劃較混亂，建成區(qū)邊界較復(fù)雜且城市用地緊湊度較低，土地利用率較差；從2006年開始南昌市建成區(qū)邊界逐步從早期的混亂趨于規(guī)整，土地利用效率不斷提高。

(3)自2006年起，南昌市建成區(qū)的重心開始向南昌北部方向遷移，于2011年前后轉(zhuǎn)向南部發(fā)展，到2016年逐漸顯現(xiàn)相對均衡的多翼狀發(fā)展態(tài)勢。在未來的研究中，可結(jié)合高分影像數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究改革開放以來南昌市城市化進(jìn)程的狀況。