賀 婧，李 飛

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

近年來隨著科技的發(fā)展，空間定位技術(shù)和遙感技術(shù)進(jìn)步迅速，通過遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)的可靠性、分辨率和精確度都在不斷提高。建立有效監(jiān)測城市擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，監(jiān)測分析城市擴(kuò)展過程，利用不同的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取城市信息，進(jìn)而闡釋城市的動(dòng)態(tài)變化，已成為監(jiān)測城市擴(kuò)展最有效的方法之一。本文以Landsat TM影像為數(shù)據(jù)源，以ENVI、ArcGIS為操作平臺，研究了4個(gè)時(shí)相跨越15 a的達(dá)州市城市擴(kuò)展情況。本文采用閾值對城市建筑部分進(jìn)行分割，在目視解譯的基礎(chǔ)上采樣大量城市建筑點(diǎn)的灰度值，得到城市建筑提取的閾值，進(jìn)而對城市建筑用地進(jìn)行提?。粡膰艺咭龑?dǎo)、自然環(huán)境特征、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)方面探究了達(dá)州市城市擴(kuò)展的人為驅(qū)動(dòng)力，并對不同時(shí)期影響達(dá)州城市擴(kuò)展的因素進(jìn)行了重要性分析。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取的數(shù)據(jù)源為Landsat TM影像，衛(wèi)星軌道高度為705 km，衛(wèi)星從南向北運(yùn)動(dòng)，每天繞地球14.5圈，每16 d重復(fù)覆蓋一次，覆蓋地球范圍為81°N～81.5°S。本文采用4個(gè)時(shí)段的遙感影像，時(shí)間間隔分別為7 a、4 a和4 a，可反映研究時(shí)段內(nèi)達(dá)州市的城市擴(kuò)展變化和趨勢。

1.2 研究方法

本文以ENVI、ArcGIS為操作平臺，對4個(gè)時(shí)相跨越15 a的達(dá)州市城市擴(kuò)展情況進(jìn)行了研究。本文采用區(qū)域分割技術(shù)進(jìn)行閾值處理，需對圖像進(jìn)行分割，設(shè)置相應(yīng)的閾值，閾值范圍內(nèi)的像素值都是目標(biāo)。本文利用閾值對城市建筑部分進(jìn)行分割，在目視解譯的基礎(chǔ)上采樣大量城市建筑點(diǎn)的灰度值，得到城市建筑提取的閾值，再對城市建筑用地進(jìn)行提取。通過引入重心坐標(biāo)、城市彈性系數(shù)等，可分析數(shù)據(jù)的時(shí)空規(guī)律、形態(tài)特征等。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究路線圖

2 研究結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于本文采用的影像數(shù)據(jù)是WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，可在ArcGIS中完成，再進(jìn)行掩膜處理。由于遙感圖像傳感介質(zhì)不均勻、傳感器成像投影方式、方位元素變化等因素影響，遙感影像會出現(xiàn)幾何變形，因此需要通過幾何校正消除變形。以2013年影像圖為標(biāo)準(zhǔn)，對4個(gè)時(shí)段的TM影像進(jìn)行幾何校正。經(jīng)過Image To Map校正后的遙感圖像如圖2所示。

圖2 經(jīng)過預(yù)處理的4個(gè)時(shí)相遙感圖像

2.2 波段分析

由于不同地物在TM影像上的光譜值不同，因此可在研究區(qū)內(nèi)選取20個(gè)樣點(diǎn)的各種地物，對其6個(gè)波段進(jìn)行對比分析，找到它們不同于其他地類的變化規(guī)律。

1995年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值如圖3所示，可以看出，不同波段不同地物的光譜特征是有差異的，本文通過不同波段的DN值分析城市建筑用地和其他地類的差異，從而提取城市建筑用地。本文將地類分為建筑用地、河流、林地和裸地4類，第三波段建筑用地與林地的DN值差異較大，第四波段建筑用地與林地、裸地的DN值差異較大，第五波段建筑用地與林地、河流的DN值差異較大，第七波段建筑用地與河流的DN值差異較大，因此根據(jù)各地類光譜值的差異可提取城市建筑用地。第一波段建筑用地DN值主要集中在90～105，第二波段主要集中在40～50，第三波段主要集中在42～57，第四波段主要集中在43～56，第五波段主要集中在50～70，第七波段主要集中在25～50；第五波段DN值明顯大于第七波段，第一波段DN值大于其他波段，因此可利用比值法設(shè)置閾值，將建筑用地與其他地類區(qū)分開。具體提取條件為：TM1[90'105]、TM2[40'50]、TM3[42'57]、TM4[43'56]、TM5[50'70]、TM7[25'50]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖3 1995年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值

2002年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值如圖4所示，同樣可利用一定的閾值將建筑用地與其他地類區(qū)分開。具體提取條件為：TM1[95'110]、TM2[40'60]、TM3[41'60]、TM4[40'60]、TM5[45'65]、TM7[25'45]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖4 2002年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值

2010年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值如圖5所示，同樣可利用一定的閾值將建筑用地與其他地類區(qū)分開。具體提取條件為：TM1[83'100]、TM2[36'55]、TM3[35'60]、TM4[50'70]、TM5[54'85]、TM7[34'47]、波段5/波段7＞1、波段1/波段2＞1。

圖5 2010年TM影像各波段建筑用地樣點(diǎn)DN值

2.3 建筑用地提取

對遙感影像進(jìn)行波段分析后，本文利用假設(shè)的閾值進(jìn)行圖像提取，再利用求交運(yùn)算從已提取的地類中精確提取建筑用地各波段DN值在閾值內(nèi)的像素點(diǎn)。提取結(jié)果如圖6所示。首先對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，由柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)；再利用ArcGIS平臺對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，將各時(shí)相達(dá)州市區(qū)的建筑用地置于同一圖層；最后比較分析達(dá)州市區(qū)建筑用地的擴(kuò)展情況，如圖7所示。

圖6 各時(shí)相精確提取的各波段DN值

圖7 1995-2010年達(dá)州市城市建筑用地?cái)U(kuò)展圖

2.4 城市建筑用地?cái)U(kuò)展形態(tài)分析

城市用地的空間擴(kuò)展已成為衡量城市化的一個(gè)重要指標(biāo)，可準(zhǔn)確判斷城市擴(kuò)展的強(qiáng)度和規(guī)律，有助于預(yù)測未來城市演變趨勢。本文對提取的達(dá)州市城市建筑用地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示，可以看出，1995—2002年達(dá)州市城市建筑用地有較大擴(kuò)展，接近翻了一倍；由于城市建筑的飽和以及時(shí)間推移，2002—2006年的擴(kuò)展百分比降為59.6%；2006—2010年的擴(kuò)展百分比降至25.3%；與上年份擴(kuò)展百分比呈逐年下降趨勢。

表1 達(dá)州市城市建筑用地統(tǒng)計(jì)

本文利用四川省DEM數(shù)據(jù)掩膜提取達(dá)州市的DEM信息，并對其進(jìn)行坡度計(jì)算，結(jié)果如圖8所示，坡度值越小表明該區(qū)域坡度越緩。結(jié)合達(dá)州市地形圖可知，達(dá)州市山地丘陵面積占全市總面積的98.8%，城市建設(shè)沿河流延伸展開，并集中在坡度較緩的地區(qū)，即達(dá)州市南部。

圖8 四川省DEM數(shù)據(jù)坡度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

本文以TM影像為主要數(shù)據(jù)源，對達(dá)州市城市擴(kuò)展情況進(jìn)行了研究；通過波段比值法和設(shè)置閾值提取了達(dá)州市4個(gè)時(shí)相跨度15 a的城市建筑用地信息，并引入了城市擴(kuò)展彈性系數(shù)、城市擴(kuò)展強(qiáng)度等指標(biāo)。結(jié)果表明，2002—2006年的城市擴(kuò)展面積最大，約為4.196 6 km2；2002—2006年城市擴(kuò)展強(qiáng)度最大，約為14.9%；城市擴(kuò)展彈性系數(shù)逐年減小，2006—2010年達(dá)到最小，為2.01。達(dá)州市區(qū)城市擴(kuò)展的速度和方向受自然條件、社會經(jīng)濟(jì)條件等因素的影響，其自然地理環(huán)境決定了城市建筑用地沿河流方向發(fā)展，并盡量向平坦區(qū)域擴(kuò)展，避免了山地和丘陵；而社會經(jīng)濟(jì)狀況對達(dá)州市建設(shè)起到了重要的推動(dòng)作用。