基于TM影像的北京城市边缘带范围界定方法研究

基于TM影像的北京城市边缘带范围界定方法研究基于TM影像的北京城市边缘带范围界定方法研究王秀兰①,②,李雪瑞①,②,冯仲科①,②(①北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;②北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083)收稿日期:2021-08-03修订日期:2021-09-05基金项目:北京地区三维绿量测定及其数字模型与虚拟现实表达(09D0297),国家“十一五”科技支持计划项目(2021BAD03A0201),北京市教育委员会共建项目。作者简介:王秀兰,女,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:资源环境监测评价,土地利用/土地覆盖变化研究。.摘要:城市边缘带是城市和乡村之间的过渡地带,是城市扩展的产物。及时了解和掌握城市边缘带的范围,对合理进行城市规划,调整用地结构,具有积极的意义。遥感技术动态、快速、适时获取数据的特点,为城市边缘带范围的界定提供了技术保障。本文以TM影像作为信息源,引入信息熵和土地利用程度综合指数,研究探讨北京城市边缘带范围界定的方法,尝试提取北京城市边缘带范围,分析北京城市边缘带的蔓延趋势及原因。研究结果表明,北京城市边缘带范围包括北京市区及郊区的一小部分,呈环形分布,外缘部分向四周不规则延伸,尤其在西北和东南方向上延伸较多。结合北京市统计资料得出,根据信息熵理论和土地利用程度综合指数模型确定的北京城市边缘带范围基本符合北京市近年来的发展特点,能够反映北京市的城市发展轨迹,正确预测城市发展方向。关键词:城市边缘带;信息熵;土地利用程度;北京doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2021.04.019中图分类号:TP79文献标识码:A文章编号:1000-3177(2021)110-100-05MethodsofUrbanFringeDefinitioninBeijingBasedonTMImageWANGXiu2lan①,②,LIXue2rui①,②,FENGZhong2ke①,②(①TheKeyLaboratoryforSilvicultureandConservation,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083;②InstituteofGIS,RS&GPS,BeijingForestryUniversity,Beijing100083)Abstract:Urbanfringeliesinthetransitionalregionbetweentheurbanandruraldistricts.Definingtheurbanfringeanditschangingwillbebeneficialtourbanplanningandreadjustmentoflandusestructure.Forobtainingthedatadynamicallyandrap2idly,RSprovidesthetechnologyguarantee.TakingLandsatTMasbasicinformation,usingthetheoriesofShannonentropyandlandusedegreecomprehensiveindex,themethodsonhowtodefinetheurbanfringeinBeijingarediscussed.Further,therangeofurbanfringeareainBeijingisfoundoutbyusingthesetwomethods.ItshowsthattheareaofurbanfringeinBeijingincludesapartoftheurbandistrictandalsoasmallpartofruraldistrict.Itdistributedasaring,butirregularly,stretchedespeciallynorthwestandsoutheast.BasedonthestatisticaldatainBeijing,theareaofurbanfringeextractedbythetheoriesofShannonentropyandlandusedegreecomprehensiveindexfixesthedevelopmentcharacteristicsinBeijing,reflectsthedevelopmenttrackbasically,andpredictsthedirectioncorrectly.Keywords:urbanfringearea;Shannonentropy;landusedegreecomprehensiveindex;Beijing—001—1城市边缘带国内外研究现状分析“城市边缘带”是一种土地利用、.和人口特征的过渡地带,它位于城市连续建成区与外围几乎没有城市居民住宅和非农土地利用的纯农业腹地之间,兼有城市与乡村两方面的特征,人口密度低于中心城市,但高于周围的农村地区[1～2]。对于城市边缘带领域的研究,国外学者涉及较早,德国学者HezberLouis首先明确提出城市边缘区的概念[3～4]。国外发达的大城市边缘区范围大体包括近郊和远郊,由内缘区与外缘区组成,目前研究多采用“五流”分析法、“断裂点”分析法、引力模型法、潜能模型法和威尔逊相互作用模型法等来界定城市边缘区范围[3,5]。在我国,“城市边缘带”、“城乡结合部”、“城乡边缘带、“城乡连续区域”、“城市蔓延区”、“城市阴影区”的概念几乎是等同的,是指大中城市市区和郊区交错分布的接壤地带[2～3]。但是,关于城市边缘带的涵义和划分方法,不同的学科领域有不同的看法。规划学者从城市规划的角度,将城市边缘带认同为城市近郊区,是城市规划区范围内城市建成区的拓展区域,在地域上表现为不连片、不完整的空间;地理学者认为,城市边缘带是典型城市与传统乡村之间出现的城乡相互作用、相互渗透的结果,是兼有城乡双重特征的独立地域实体;从行政区划的角度看,城市边缘带是指城区和郊区分管的接壤地带。但迄今为止,国内对城市边缘带尚未形成很完整的理论体系,因而对城市边缘带范围进行量化难度较大。理论研究上,确立“城市边缘带”的地域范围,了解城镇用地扩展的过程和机制,对土地利用和城市化研究具有重要意义。在实践中,确定“城市边缘带”具体地域范围,研究“城市边缘带”土地利用时空变化及影响机制,对我国土地资源管理与规划具有指导作用。由于城市边缘带反映出城市与乡村的双重特点,随着城乡交互作用日益激烈,城乡结合部的地域范围也处于不断变动中,依靠原始统计方法已经难以收集到适时、准确的城乡结合部信息和数据,因而也无法准确地表达城市化的进程。遥感技术动态、快速、适时获取数据的特点,弥补了这一不足,从而使得遥感技术在城市扩展研究中发挥了积极的作用。北京是全国政治和文化中心,也是全国城市地域扩展最迅速的城市之一。选定北京市作为研究区域,应用遥感技术界定城市边缘带范围,使得本研究更具有代表性。2城市边缘带范围界定方法技术流程应用TM影像提取城市边缘带范围的技术流程主要包括:(1)影像数据处理:包括影像预处理和影像解译;(2)应用网格技术将影像划分为2km×2km的判别单元;(3)分别利用信息熵理论和土地利用程度综合指数模型理论计算各判别单元的指数值,结合外业调查确定界定城市边缘带范围的阀值,最终确定城市边缘带范围。其具体技术流程图如图1所示图1城市边缘带范围界定技术流程图—11—3信息源及数据处理本研究所采用的数据源包括北京市2021年的TM影像,北京市1∶5万地形图,北京市行政区划图以及相关统计资料。本研究对遥感图像的处理包括遥感影像的预处理、遥感影像分类和裁剪等方面。3.1遥感影像预处理本文利用遥感影像作为信息源,所用遥感影像数据为北京市2021年TM影像。对遥感数据的预处理包括影像配准、纠正、增强处理等工作。研究所使用的TM影像已经经过了辐射校正和几何粗校正,所以只需进行以地面控制点为依据的几何精校正。本文以北京市1∶5万地形图为参考底图,利用ERDASI2MAGINE9.0软件对图像进行校正。校正时采用二次多项式变换模型、键盘输入控制点坐标模式,均匀选取50个控制点(GCP),控制点配准误差小于0.4个像元,利用最小邻近值算法对影像进行重采样。因为本研究主要进行土地利用类型的提取,所以采用经典的5、4、3波段进行假彩色合成,以利于目视解译。利于ERDASIMAGINE9.0系统模块,经试验比较,选取线性拉伸的方法对遥感影像进行增强处理。3.2影像解译为保证数据的准确性,本研究采用人机交互判读的方法进行遥感影像的解译工作。本研究采用的土地利用分类系统,按照《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》中的分类体系,将土地利用类型归结为6个一级分类,即耕地,林地,草地,水域,城乡、工矿、居民用地,以及未利用土地,并对6类进行编码。其中,林地包括园地和各种林业用地[6]。分类结果如图2所示。经过外业验证,影像解译精度在90%以上,满足本研究的精度要求。图22021年北京市土地利用分类结果3.3影像裁剪及判别单元的确定根据遥感影像分类结果图以及北京地区的实际城乡分布结构,初步裁剪包含城市边缘带的部分(务必确保城市边缘带处在该区域范围内)作为本研究的工作范围。本文应用ERDASIMAGINE图像处理软件的裁剪功能对分类结果图按照坐标进行裁剪,其左上角坐标为(20415000M,4470000M),右下角坐标为(20495000M,4350000M),全部工作范围面积约80km×80km。本文的研究思路是:将研究区域划分为一定大小的判别单元,利用所选择的计算模型,计算各判别单元的指标值,然后根据指标值的大小,判定城市边缘带的范围。考虑到数据量的大小和时间等因素,本研究将裁剪后80km×80km的区域,按坐标进一步进行裁剪,并按行列号进行编号存储,从而得到40行40列共1600块判别单元,其中每个判别单元的大小为2km×2km。4北京城市边缘带范围界定方法土地利用状况综合反映了一个地区的城市和乡村景观,故可以将其作为界定城市边缘带范围的主要依据[7]。由于城市边缘带最大的特点就是因土地利用类型的多样性而导致景观的紊乱度以及土地利用程度的不同,因此,本文将从景观紊乱度和土地利用程度两个方面,探讨北京城市边缘带范围的界定的方法。4.1表征景观混乱度的信息熵模型由于城市边缘带最大的特点就是因土地利用类型的多样性而导致的景观的紊乱度。景观紊乱度的计量,可借助C.E.香思提出的信息熵原理来完成[8],其表达式为:H=-∑ni=1pilnpi(1)式中:H为信息熵,单位为比特,其大小反映地物类型的多少和各地物类型面积分布的均匀程度,Pi为某区域各职能土地类型占总用地面积的百分比,i为城市土地利用类型数量,i=1,2,3,…,n。信息熵的高低可以反映城市土地利用的均衡程度,熵值越高,表明不同职能的土地利用类型数越多,各职能类型的面积相差越小,土地分布越均衡。当城市各用地类型的面积相等,即P1=P2=…=Pn=1/n(n为用地类型数量),熵值达到最大,则表明城市土地利用达到了均衡状态。本研究应用信息熵理论界定北京城市边缘带范—21—围的具体方法和步骤为:(1)确定各职能土地类型在每个判别单元(2km×2km)内所占面积比重;(2)根据信息熵函数,计算每个判别单元的熵值;(3)参照北京遥感图像解译结果,同时结合外业调查数据,确定符合城市边缘带范围的熵值的阀值,本文选取信息熵值大于0.65的判别单元为城市边缘带,最终确定城市边缘带范围。4.2土地利用程度综合指数模型土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度,它不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性,同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应[9]。本文采用刘纪远先生等提出的土地利用程度综合指数模型[6],作为界定北京城市边缘带范围的定量指标。该方法根据土地的不同利用方式,将土地利用类型