基于RS和GIS的郑州市建成区扩张特征及驱动力分析.docx
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基于RS和GIS的郑州市建成区扩张特征及驱动力分析
目录
0引言1
1研究区概况2
2数据的准备与方法路线2
2.1数据资料与软硬件准备2
2.2研究方法及技术路线2
3遥感图像信息提取3
3.1遥感数据的获取3
3.2遥感图像的裁剪4
3.3建设用地的提取4
3.4建成区边界提取6
3.5建成区叠加分析7
3.6建成区扩张特征分析8
4建成区扩张驱动力分析12
4.1交通因子12
4.2人口因子12
4.3政策导向因子12
4.4社会经济因子13
4.5规划因子13
5结语14
基于RS和GIS的郑州市建成区扩张特征及驱动力分析
0引言
城市化是人类社会进步的表现,是社会发展的必然趋势,是世界上任何国家和地区实现社会现代化的必经之路。
随着全球经济一体化的加快,以及世界的政治经济格局的变化,城市的发展形势也在迅速改变。
而城市化过程中一系列问题的出现,促使人们对城市的扩张与一系列扩张因子的关系进行思考。
但是关于扩张中这些问题出现的原因,以及城市的扩张与各因素之间的关系问题还需要进行多方面、综合性的研究[1]。
在城市建成区扩张的研究中,查阅国内外关于这方面的重要文献及著作发现,大部分文献都只是讨论了城市扩张的内容、分析扩张的方法以及内在机理,并且只作简要的说明和评价,但缺乏定量的分析。
通过分析国内外研究资料发现:
国内关于这方面的研究多为定性的描述性分析,缺乏一些定量的和微观的探讨;反观国外,在这方面的研究虽然丰富,但具有一定的分散性,有必要将其研究方法进行整合成一个系统的框架,然后再进行分析,这样才能够更深刻的理解。
由于国内外城市的建成区在扩张过程中都有各自的特点,城市发展背景差异性也比较明显,因此需要密切联合实际情况,中西相互借鉴。
由于我国在此方面的研究还有很大的缺陷,有必要引进国外关于扩张研究的一些相关的和先进的方法与机理,为中国的建成区扩张研究注入新的活力[2]。
通过现有的参考文献和研究资料发现:
国外在城市扩张这方面的研究方法主要是采用指标测度法,国内在此方面却没有特定的方法。
我国虽然已步入城市化的高速发展期,建成区扩张及一系列问题也日益突出,但学术界也没有对此有足够重视,再加上在这方面起步较晚,国情又与西方有所不同,使得国内对于建成区扩张及其控制的研究还处在理论探索和初步实践阶段[2]。
建成区扩张特征及其驱动机制的研究就是在城市化过程中迫切需要加强的一个方面。
运用GIS技术和RS技术相结合是研究城市建成区扩张的有效手段。
由于遥感影像是数据的主要来源,同时还能够提供及时、准确、有效的城镇用地的位置、数量等信息,而GIS技术拥有强大的空间数据的分析功能,能够快速、直观地分析城市用地的使用情况,因而运用RS与GIS相结合的方法已经成为研究建成区扩张的主要手段。
研究城市建成区的发展对城市的未来建设有着重要的意义[3]。
郑州市作为河南的省会,伴随经济的发展,城市化进程也在不断加快,研究其建成区的扩张特征以及其驱动因素,对郑州市的城市发展有重要的指导意义,能为郑州市的城市建成区的建设提供一定的参考价值。
1研究区概况
郑州市北临黄河,西依嵩山,东接开封,南达许昌,地处河南省的中部、豫东黄淮平原向豫西山地丘陵地区过渡的地带,有着优越的地理位置。
郑州市位于北纬34°16′~34°58′和东经112°42′~114°14′之间,是黄河文明的发祥地,现为河南省的省会以及中原城市群的核心城市。
郑州市拥有着优越的地理位置,京广线和陇海线在此交汇,使得郑州成为全国重要交通通讯枢纽。
同时郑州市也是国家级历史文化名城,是河南政治、经济、文化的中心,总面积为7446平方千米,是河南省最大的城市。
2数据的准备与方法路线
2.1数据资料与软硬件准备
数据资料主要有:
1989年、2000年和2008年3年的郑州市的LandsatTM/ETM+遥感影像数据源,郑州市地形图及其他相关统计资料。
应用软件主要包括有地理信息系统软件ARCGIS以及遥感图像处理软件ERDAS。
2.2研究方法及技术路线
该论文的研究方法是运用不同时相的Landsat遥感影像,结合遥感影像处理软件ERDAS和地理信息系统软件ARCGIS对这些图像进行剪切、分类、合并等一系列处理以获取不同年份关于建成区变化及扩张图,然后运用ARCGIS计算其面积变化的准确信息。
利用这些信息分析建成区的扩张特征,然后根据一系列的扩张因子进行驱动力分析[5]。
论文主要运用ERDAS和ARCGIS等软件的功能,对获得的遥感影像进行处理。
首先运用ARCGIS软件提取出郑州市的遥感影像范围,减少数据的处理量,然后在运用ERDAS软件进行监督分类,然后进行分类后处理,二值化提取出建成区的影像,运用ARCGIS计算各个时期建成区的面积,对比分析,得出建成区扩张速度,扩张方向及其扩张趋势,然后根据其扩张特点,进行驱动力的分析。
图2-1技术流程图
3遥感图像信息提取
3.1遥感数据的获取
由于在选择数据时应考虑建成区的变化,所以选取三个年份相差较大的遥感影像图,同时也要结合郑州市的具体情况,因此选择的1989年、2000年和2008年的遥感图像。
选取1989年遥感图像的第一至第五波段进行合并,选取2000年的第一至第七波段(除第六波段)进行组合,选取2008年的第一至第八波段(除第六波段)进行组合。
由于它们的空间分辨率不同,组合时将空间分辨率改为30M,使组合后的三个年份的遥感图像拥有相同的分辨率,以便后来进行对比分析。
3.2遥感图像的裁剪
由于组合后的三个年份的LANDSAT遥感图像的数据量很大,每幅图像覆盖的面积也太广,郑州市建成区不好分辨,同时数据量太大会影响后面的数据处理,因此需要对其进行剪切。
利用郑州市行政区域图结合ARCGIS软件对组合后的图像进行剪切,这样得到1989年、2000年和2008年的郑州市的遥感影像图。
得到的遥感图像的数据量极大减少,为以后的数据处理减少不必要的工作量[6]。
3.3建设用地的提取
监督分类又称训练场地法,他可以根据不同的研究区域的特点和研究目的,有选择地决定分类的类别和选择训练样本。
由于监督分类能够充分利用研究区的先验知识和一些辅助数据,因此选择监督分类的方法提取遥感影像信息[7]。
利用遥感图像处理软件ERDAS中的监督分类的功能对其进行分类,得到三个不同时期的郑州市遥感图像分类图。
再运用ARCGIS软件进行重分类,并将非建筑区合并成一类地物,建筑物合并成一类,即二值化得到建设用地和非建设用地两类地物的遥感图像,即1989年、2000年和2008年郑州市遥感影像二值图(图3-1至图3-3)。
图3-11989年郑州市遥感影像二值图
图3-22000年郑州市遥感影像二值图
图3-32008年郑州市遥感影像二值图
3.4建成区边界提取
城市建成区(built-uparea)是指市区集中连片城区部分及分散在城市近郊的与城市有密切联系、具有基本完善的市政公用设施的城市用地。
运用ARCGIS对前面处理得到的二值化图像的边界进行提取,提取时要删去较大的其他用地及城乡结合处的小面积城镇用地以及其他用地以提取建成区边界。
边界提取主要是采用屏幕数字化技术即人机交互技术。
可以利用ARCGIS软件在上一步中得到的郑州市二值化的栅格图像上直接勾勒出城市建成区的大致边界,提取出郑州市1989年、2000年和2008年这3个年份的建成区的范围图(图3-4至图3-6)。
然后利用ARCGIS软件对提取的遥感图像的面积进行计算即进行图斑面积计算,这样可以对不同年份建成区的面积进行比较[7]。
图3-41989年郑州市建成区范围图
图3-52000年郑州市建成区范围图
图3-62008年郑州市建成区范围图
3.5建成区叠加分析
首先将上一步中提取出的三个年份的郑州市建成区的图像进行叠加分析(如图3-7),将三个图层分别赋予不同的明度和色调,这样通过亮度的反差对比可以非常清楚的看出郑州市建成区三个年份面积扩张的变化方向以及变化量大小。
结合上一步的面积计算结果可以很容易的得出面积的对比及郑州市建成区面积扩张的变化。
同时,可以通过图层的叠加判断出不同时段郑州市建成区的变化方向。
从图中可以看出不同方向的郑州市建成区的大概范围的扩张的不同,西北和东南扩张较多,东部及东北部的扩张也比较大,但西南部扩张较少[7]。
图3-71989年,2000年和2008年郑州市建成区叠加图
3.6建成区扩张特征分析
3.6.1扩张速度
城市建成区的的扩张速度可以用年扩张率来表示,计算公式为:
Es=(Lb-La)/N其中Es为建成区的年平均扩张面积,La为研究初期的土地面积,Lb为研究末期的土地面积,N为研究时段,以年为单位[7]。
通过计算:
1989年,郑州市建成区面积为92.14平方千米,2000年郑州市建成区面积为150.68平方千米,而2008年郑州市建成区面积则为265.16平方千米,根据公式1989年到2000年郑州市建成区年扩张速度为5.32平方千米每年,2000年到2008年郑州市建成区年扩张速度为13.31平方千米每年,可以明显看出2000年到2008年的年扩张速度比1989年到2000年的年扩张速度快了近3倍,这都是由于经济的快速发展以和房地产产业的崛起以及交通业的日益发达等一系列的因素促使城市化进程的加快,使得建成区的扩张速度也得到进一步加快。
3.6.2扩张方向
建成区扩张方向的研究可以通过将建成区分割成东南、东北、西南和西北四个方向来进行研究。
首先运用ARCGIS找出1989年郑州市建成区的中心坐标,以此坐标为原点将1989年郑州市建成区分割成东南、东北、西南和西北四个部分(图3-8和表3-1)。
同理将2000年和2008年这两个年份的建成区图像分割成四个部分,分割后计算其各个部分的面积,然后叠加分析,判断建成区向各个方向扩张的速度和方向[8]。
表(3-10):
各年份郑州市建成区东北、西北、西南和东南四个方向建成区面积
东北地区
西北地区
西南地区
东南地区
1989年
23.85
18.61
23.32
26.36
2000年
42.93
36.71
25.79
45.22
2008年
82.18
64.05
32.93
86.01
图3-8各年份郑州市建成区东北、西北、西南和东南四个方向建成区面积
3.6.2.1西北方向
由郑州市建成区在西北方向扩张的对比图(3-9)以及根据建成区的分割图和计算结果可以看出1989年郑州市西北方向的建成区面积不是很大,为18.61平方千米,而到了2000年,建成区面积扩张至36.71平方千米,在这11年,扩张了18.10平方千米。
到了2008年更增加到64.05平方千米,增加了27.34平方千米,扩张速度十分迅速。
这主要是因为郑州市在规划和投资过程中的作用,1988年在西北方向规划的高新技术开发区的建设大大促进了郑州市建成区向西北方向的扩张。
图3-91989年2000年和2008年郑州市建成区西北方向对比图
3.6.2.2西南方向
郑州市建成区在西南方向的扩张不是很大,甚至有些地方的建成区面积减少了。
这可能是由于随着经济的发展,人们对于生活质量的追求,城市环境越来越受到人们的重视,一些建成区改造成绿化带或者公园等,从而导致建成区面积减少。
但总体上来说,建成区还是有着扩张的趋势。
从图(3-9)中可以看出,建成区的面积扩张不大。
面积计算结果表明1989年西南方向郑州市建成区面积为23.32平方千米,2000年的面积为25.79平方千米,在这11年期间仅增长2.47平方千米。
2008年面积有所增加,为32.93平方千米,伴随经济的发展,城市化进程的加快,其建成区也是有所扩张。
图3-101989年,2000年和2008年郑州市建成区西南方向对比图
3.6.2.3东北方向
随着经济的发展,郑州市建成区在东北方向(3-11)取得迅速的发展。
从1989年的23.85平方千米增加至2000年的42.96平方千米,年平均增长1.74平方千米。
到了2008年,其建成区面积增加到了82.18平方千米,年平均增长了4.9平方千米,扩张的速率得到很大的提升。
经济的不断发展促进城市化水平的不断提高,城市化进程的加快有进一步促进了建成区的扩张,因此伴随经济的发展建成区的面积也有很大的增加。
图3-111989年,2000年和2008年郑州市建成区东北方向对比图
3.6.2.4东南方向
1993年郑州市在东南方向(图3-12)划定经济开发区,加大资金投入,注意引进外资,使得郑州市的城市化进程在东南方向发展迅速,1989年,西北方向的建成区面积为26.36平方千米,到了2000年,面积增加到45.22平方千米,伴随经济开发区的发展,在2008年时,其面积已经达到了86.01平方千米,是四个区域中建成区面积最大的一部份,而随着郑汴一体化,郑东新区的规划,其建成区的面积将会进一步扩大。
图3-121989年,2000年和2008年郑州市建成区东南方向对比图
3.6.3扩张趋势
从前面研究的数据中可以看出,郑州市建成区的扩张和大多数城市的城市化进程相似,都是以老城区为基础沿着交通线和经济产区向四周扩张,随着经济的发展以及城市化进程的加快,其扩张的速度也越来越快,郑州市作为全国乃至整个亚洲最大的贸易集散地,以及全国的铁路枢纽,其城市化的进程有着自己的特点。
总体来看,郑州市前些年的发展是向西北扩张,这主要是由于1988年建立的高新技术开发区的缘故,促使其建成区扩张向西北方向快速发展,随后由于在郑州市东南方向建立了产业基地,其建成区又向着东南方向扩张。
近几年伴随着郑汴一体化的加快,郑东新区的开发,郑州市建成区的扩张的重心又向东发展。
而随着中原经济区上升至国家战略,其经济的发展也将得到进一步的加快,城市化进程也会得到显著提升,建成区的面积将会进一步扩大[11]。
4建成区扩张驱动力分析
城市建成区的扩张主要受自然、社会、经济、规划等多方面因素的影响,是多种因素相互作用综合表现的结果,因此不同的时期、不同的城市地域内各种扩张因子所起的作用也是各不相同。
在郑州市的城市建成区扩张过程中的驱动力主要表现在以下几个方面[9]。
4.1交通因子
交通在城市扩张的过程中起着非常重要的作用[9],是建成区扩张的直接动力。
交通的快速发展促进了城市在空间上的扩张并不断改变着城市的空间形态,对城市扩张具有指向性作用。
郑州市作为全国重要的铁路枢纽,亚洲最大的贸易集散地,交通在郑州市城市化发展中起着非常重要的作用。
公路设施的完善也大大促进着城市建成区的发展。
1989年郑州市的公路里程数还不到4000公里,而到了2000年其公路里程数增加至6108公里,增加了2000多公里。
2008年的公路里程数更增加至12134公里,几乎是2000年的二倍,因此道路的修建,交通的发展、交通工具等基础设施的改善为郊区房地产业的发展提供了保障,进一步的促进了建成区的扩张[10]。
4.2人口因子
郑州市是人口超过百万的大城市,是中部最大的人口集散地,人口的剧增促使着城市建成区的扩张。
特别是1984年以后,我国放松对农村户籍管理,使得农村人口可以自由移动,农村人口可以大量涌入城市。
从三个年份的年鉴资料可以了解到:
1989年郑州市人口数目为547万人,2000年增加到了625万人。
到了2008年,人口数达到了663万人,大大促进了城市建成区的扩张。
随着城市人口的不断加剧,促进城市建成区的发展,城市建成区的扩张反过来又促进大规模人口向城市集聚,使得城市建成区的扩张和结构的变化。
自20世纪80年代后期以来,随着人口的急剧加快,为了满足城市人口的需求,在郑州市建成区的周围形成许多房地产开发区,加快了城市建成区建成区的向外延伸[9]。
4.3政策导向因子
郑州市作为河南省省会,在政治经济等各个方面都有着非常重要的作用。
由于行政中心的地位的作用也是城市扩张的重要因素,而政府政策的作用在城市扩张中也表现在很多方面。
例如1985年郑州市推行住房商品化改革,很好的促进了郑州市建成区的扩张。
伴随着房改力度的加大和城市人口的急剧增加,越来越多的人涌入城市的同时使得城市居民对住房的需求也越来越大,这带动了房地产业的迅猛发展和用地规模快速增加,使得城市建成区向外扩张。
还有一项政策就是土地的有偿使用和土地使用权可以进入市场参与流通,这也使得城市建成区得到一定的发展。
郑州市在城市建设过程中的这些政策因素为建成区边缘房地产的发展创造了机遇,大大促使城市建成区的向外扩张。
4.4社会经济因子
改革开放促进社会经济的发展,使我国进入以经济建设为中心的新的发展时期。
伴随经济发展,一些工业设施的完善以及国内外资金和先进技术的引进,郑州市成为河南省重要的工业基地。
1989年郑州市国民生产总值将近100亿元,为97.76亿元。
到了2000年,这一数值达到了728.38亿,几乎是1989年的8倍,并且在此期间,交通枢纽的优势作用日益显现,经济的发展促使市区内形成二七广场、紫荆山广场等集中商业区,这也进一步的促进了城市经济的发展。
在2000年到2008年这几年中,郑州市的经济得到很大的提升,到了2008年,国民生产总值更是突破了3000亿,达到了3003.99亿元,人均国民生产总值也由1989年的1894元增加到2000年的11227元,到了2008年增加至40616元,极大提高了人民的生活质量。
经济的发展促进城市的扩张,使得郑州跨入了特大城市行列。
4.5规划因子
规划在城市扩张过程中起着牵引的作用。
在1987年郑州市市政府做出一项规划,决定撤消郊区,把原来郊区所管辖的范围并入郑州市的各个区,并且把郊区经济整合并入到城市经济的范畴里。
到1988年经过省委、省政府批准在郑州市的西北建设高新技术开发区,极大的带动当地的经济快速发展,这也使得郑州市建成区向西北地区扩张。
而1993年郑州市市政府在市区的东南规划的经济开发区,也促进了东南方向的建成区的发展[9]。
随着住房制度改革和旧城的改造,在郊区出现许多房地产开发区。
城市建成区的不断向外扩张、工业企业的不断外迁以及乡镇企业在郊区的集聚,一方面促进了当地的经济发展,另一方面也使得建成区在一定的范围上得到扩张[12]。
所以建成区的扩张也受到城市规划的影响。
5结语
综上所述,在1989-2008年期间,郑州市建成区的面积变化很大,特别表现在2000年到2008年之间,表现为建成区面积向各个方向快速扩张,重点在西北和东南方向的扩张。
随着经济发展、城市化和工业化的推进,公共设施的增加和完善使得建设用地外延扩张。
城市化进程的加快,以老城区为中心,建成区向四周扩张的趋势也进一步加强[9]。
郑州市建成区扩张的驱动力逐渐增强,人口增长、交通、经济的发展和政府政策以及规划是其建成区扩张的主要驱动因子。
针对当前郑州市城市化进程较快,城市规划中的问题较多,因此在以后的规划和发展过程中要合理布局。
结合经济、社会、自然等一系列因素,合理利用土地,规划好城区建设,让郑州市建成区的扩张在一个合理的规划之中[13]。
中原经济区的确立,必将促进郑州市经济的发展,随着经济的发展,城市化进程的进一步加快,各种基础设施的完善,交通、人口等一系列影响因子的作用,其建成区的面积将会进一步扩大。
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