长春百年城市土地利用空间结构演变特征研究

󰀁

哈󰀁尔󰀁滨󰀁工󰀁业󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报

JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY

󰀁

Vol󰀁41No󰀁7July2009

长春百年城市土地利用空间结构演变特征研究

匡文慧,张树文,张养贞,李󰀁颖

1

2

2

2

(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101,kuangwh1978@sina.com;

2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春130012)

摘󰀁要:综合集成SPOT5、TM遥感影像,大比例尺地形图、城市现状图、城市规划图、历史地图等空间数据建立了一种󰀂面向对象分割 的信息提取方法重建长春1905年、1932年、19年、1976年、1990年和2004年共6期城市土地利用空间分类信息.利用分形模型、空间集聚模型、空间圈层结构模型分析长春百年来城市土地利用空间结构演变特征.结果表明:󰀂面向对象分割 的多源源空间信息集成下的系列城市土地利用分类信息提取方法在提高信息提取效率、分类精度以及进一步的空间分析定位精度方面具有较好的效果.关键词:城市土地;空间结构;空间分析;百年;长春市中图分类号:TP274

文献标识码:A

文章编号:0367-6234(2009)07-0176-04

Spatialstructuredevelopingprocessofurbanlanduseof

ChangchuncityinChinainahistoryof100years

KUANGWen󰀂hui,ZHANGShu󰀂wen,ZHANGYang󰀂zhen,LIYing

1

2

2

2

(1.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China,

kuangwh1978@sina.com;2.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,

Changchun130012,China)

Abstract:ThisstudyextractsclassifiedspatialinformationofurbanlanduseinChangchuncityin1905,1932,19,1976,1990and2004byusingspatial󰀂temporalmodeloforiented󰀂objectdivisionintegratingSPOT5andTMimage,big󰀂scaletopographicmap,urbanplanningmap,historymapandotherspatialdata.

Spatialdevelopingprocessofurbanlanduseinahistoryof100yearsisanalyzedusingfractalmode,lurbanlandspatialconvergencemodelandspatialconcentriczonemode.lTheresultsindicatethatthespatial󰀂tempo󰀂ralmodeloforiented󰀂objectdivisionissignificanttoextractspatialinformationofmultiphasesurbanlanduseindigitizingefficiencyandenhancingtheclassifiedprecisionespeciallyinthespatiallocationprecision.Keywords:urbanland;spatialstructure;spatialanalysis;100years;Changchuncity󰀁󰀁全球城市化正在加速,城市化引起土地利用/土地覆盖变化,从而导致社会、经济和环境的进一

[1]

步变化.城市扩张成为影响自然生态系统的一个重要因素

[2]

的核心项目强调全球变化,特别是经济、政治、文化、社会和自然过程对城市地区的驱动过程与结果.但是,Bounfour和Lambin认为由于我们不能以一种连续的方式长期监测土地利用变化致使我们对于驱动力的理解并控制变化过程受到了.基于󰀂3S 技术集成遥感影像、地形图及历史图件等多源空间数据重建城市土地利用空间变化过程,恰好可以解决不能长期监测城市土地利用的难题.长春城市的发展是近一百年来的事情,先后经历了帝国主义侵略与资源的掠夺式开发和新中国社会经济迅速发展两大不同社会背景下的城市化过程,其空间结构演变过程具有典型[9]

[1,8][7]

.规划界及研究人员们高度重视城市变

[1,3~6]

化引起的土地覆盖变化.因此,IHDP第15

号报告∀城市化与全球环境变化#中提出,城市化

收稿日期:2006-09-10.

基金项目:国家资源环境重点实验室开放基金资助项目(A0725);

中国科学院知识创新工程重要方向资助项目(KZCX2-SW-320-1).

作者简介:匡文慧(1978!),男,博士后;

张树文(1955!),男,研究员,博士生导师.

第7期匡文慧,等:长春百年城市土地利用空间结构演变特征研究

%177%

性与代表性.

本文基于东北百年LUCC数字重建技术方法体系,融合SPOT5影像、TM影像、地形图、历史地图等多源空间数据重建长春过去百年来城市土地利用分类信息,在󰀂振兴东北老工业基地 特殊时期研究长春百年来城市土地利用空间演变特征,为深入研究老工业基地资源型城市转型与城市可持续发展提供基础空间信息.本研究不仅解决了多源数据融合与集成下的系列高空间分辨率城市土地利用信息提取方法与技术,而且从百年时间尺度研究长春城市土地利用空间演变特征.

2󰀁空间分析模型

2󰀁1󰀁分形特征模型

分形是美国数学家BenoitB.Mandelbrot于1975年提出的概念,在解释自然界中那些不规则、不稳定和具有高度复杂结构的现象方面,可以收到显著的效果

[10,11]

.通过空间的分形维数来分

[12]

析城市不同土地利用类型形态特征的动态变化,它是一个面积与周长的关系

P(r)

1/D

,定义如下:

1/2

=K%r

(1-D)D

%A(r)

.(1)

󰀁󰀁某一时期某种土地利用类型面积-周长分形定义具体公式为

lnA(r)=

2lnP(r)+C.D

(2)

1󰀁空间信息源与数据处理

本研究主要信息源包括SPOT5、TM遥感影像,大比例尺地形图,城市现状图,城市规划图,历史地图及其他空间数据.遥感影像包括2003年9月2日SPOT5影像(全色波段与彩色波段合成分辨率5m),2004年、2000年、1996年、1990年和1986年TM影像(分辨率30m),1976年MSS(分辨率80m).地形图包括1976和1990年1∃10000地形图,19年和1976年1∃100000地形图,部分市区1∃500地形图(共33幅),部分郊区1∃1000地形图(共11幅).规划图包括1932年新京规划图(现长春市),1982年长春市总体规划图(1∃35000),城市总体规划图(1996-2020年),2000年净月潭总体规划图.历史地图包括1932年新京功能分区图,1932年新京现状图,18年旧城区轮廓图.现状图包括1940年市中心大比例尺现状图,1971年10月1日长春市平面图(1∃30000),1982年长春城市土地利用现状图(1∃350000)以及长春市历史沿革图(1905-2000年).

在GIS的支持下建立1∃10000方里控制网,对1990与1976年1∃10000地形图进行纠正,利用MGE软件将其他图件与地形图配准.其中SPOT5影像进行全色波段与彩色波段真彩色合成,TM影像假彩色合成后进行增强处理.在ARCVIEW3󰀁3的支持下交互提取城市边界,并查阅历史资料进行验证.在不同时期城市边界信息的控制下,基于󰀂面向对象分割 的提取方法重建长春1905年、1932年、19年、1976年、1990年、2004年共6期城市土地利用空间信息并进行分类.本研究中城市土地利用空间信息分9类,主要包括:商业用地、工业用地(包括仓储用地)、居住用地、公共建筑用地、公共设施用地、道路用地、绿地、水域以及其他用地(主要指城市空地).式中:A(r)代表不同时期不同城市土地利用类型每个单元的面积,P(r)为不同时期不同城市土地利用类型每个单元的周长,C为截距,D为分形维数.D值越大表示图形形状越复杂.当D<1󰀁5时,

说明图形趋向于简单;当D=1󰀁5时,表示图形处于布朗随机运动状态,越接近该值,稳定性越差;当D>1󰀁5时,则图形更为复杂.城市土地以人类活动的影响为主,受自然因素约束双重作用的结果.土地利用类型分形维数越小,该种土地利用类型受城市规划与设计等以及人类的干扰活动程度越大,图形的复杂程度越低,城市用地稳定性加强,城市向着有序的方向发展.2󰀁2󰀁空间集聚模型

空间集聚模型是描述城市土地在空间结构上的集聚与扩散程度.顾朝林等人

[13]

提出城市空间

集聚与扩散过程新的空间结构理论.本研究中集聚度指数考虑了不同城市土地利用类型之间的相邻关系,能够反映不同土地利用类型之间的空间配置关系.空间集聚度作如下定义:

COHESION=

1-

&P

j=1

m

ij

&P

j=1

m

ij

aij11-A-1

(100).

(3)

式中:A为研究区的面积,Pij为随机选择的两个相邻栅格单元属于城市土地利用类型i和类型j的概率,m为土地利用类型的数量,aij为地理单元的面积.城市土地利用是不同产业活动在空间上的投影,城市土地利用空间的集聚度也反映了产业活动在空间上的集聚程度.2󰀁3󰀁空间圈层结构模型

空间圈层结构模型反映城市土地利用从中心%178%哈󰀁尔󰀁滨󰀁工󰀁业󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第41卷󰀁

到边缘的空间分布特征.本研究通过空间圈层结构模型从城市土地利用方面对伯吉斯同心圆理论进行实证研究,并对长春百年来城市的空间演变特征与演变规律进行挖掘.对空间圈层结构模型作如下定义:

更加规则化,稳定性加强,向着有序的方向发展.

p=

&A

i=1

n

i

&&

mn%100.

-Ai,j,rk)

(7)

j=1i=1

(Ai,j,

rk-1

式中:p表示半径为r的第k圈内第j类城市土地利用类型所占的比例,值为0~100.Ai,j,rk表示第k圈内半径为r的第j类城市土地第i个地理单元的面积,m为城市土地利用类型的数量.

3󰀁研究结果

3󰀁1󰀁城市土地利用空间信息数字重建

本研究发展了一种󰀂面向对象分割 的基于多源空间信息集成下的高分辨率系列城市土地利用分类与动态空间信息提取方法与技术,以󰀂街坊 为分割单元,通过逆序监测每一对象实体的空间行为来推演城市土地利用空间演变过程.每期空间数据的提取是在前一期空间数据上进行对象的分割,直到产生最小分割体,每个最小分割体有6个属性字段标识不同时期城市土地利用的类型,在专家知识的参与下将另一图层作为参考利用󰀂相对位置法 人-机交互提取变化信息,最后进行一定的空间运算后可以获得6期城市土地利用图层(图1).该方法不仅可以解决多期城市土地利用空间分析中的󰀂空间错位与空间误差 问题,还可以对不同尺度与多源空间数据进行尺度统一,从而提高信息提取的精度,特别是空间定位精度.其中空间信息提取效率提高62%,城市土地利用信息分类精度达到95%以上.

3󰀁2󰀁城市土地利用空间结构演变特征研究3󰀁2󰀁1󰀁城市土地利用空间结构演变分形特征

分析

通过分形模型研究表明,长春百年各类用地具有很强的分形特征(相关系数大于0󰀁7),并且分形指数较小,受人类活动特别是城市规划的影响,各类用地形状比较简单(道路用地除外).1990年前除道路与水域外其他用地分形指数总体上呈现增加的趋势,各类用地的不规则性加强,用地的不稳定性增大,城市规划所起的作用较小.道路用地分形指数最大,形状最为复杂,不稳定性最大.1990年后由于城市规划的不断加强,各类用地的分形指数有一定的减小,各类用地的形状

图1󰀁长春1905~2004年城市土地利用分类图

3󰀁2󰀁2󰀁城市土地利用空间结构演变集聚程度

分析

通过城市土地利用空间集聚模型计算可知,长春百年来城市各类用地的总体集聚程度不断提高.商业用地受社会经济的发展,在城市地价较高的城市中心集聚程度不断提高.工业用地、居住用地、公共建筑用地与绿地在1990年前,空间集聚指数逐渐增加,主要由于居住用地沿城市边缘不断的扩张,工业用地受城市交通以及规模经济的影响产生离心集聚.1990~2004年城市结构向着󰀂多中心分区式 结构发展,特别是净月团组的快速发展导致城市居住用地以及工业用地集聚程度有所下降.公共设施用地、道路、水域以及其他用地的集聚指数不断增加,集聚程度不断加强.长春城市土地利用空间结构正在从单中心集聚向多中心集聚演变.主要是由于城市过分的集聚会导致资源短缺、环境恶化等集聚不经济,从而向多中心演变

[13]

.分析

3󰀁2󰀁3󰀁城市土地利用空间结构演变圈层结构

长春自伪满时期就提出了󰀂田园城市 建设第7期匡文慧,等:长春百年城市土地利用空间结构演变特征研究

%179%

的思想,经过1948年前日本帝国主义实施󰀂第一、二期城市建设计划 与社会主义经济建设后城市由1932年前的不规则形状逐步向同心圆的空间结构发展.基于圈层结构模型,以人民广场为中心,以2km为半径作同心圆来计算每一圈层内各类用地所占的比例,比较分析不同圈层内土地利用类型随时间的变化关系.城市土地利用随时间推移不断向外层扩张,19年前商业用地主要集中于第1-2个圈层,1976年后商业用地开始向第3-5圈层推进.商业用地在空间上不断的向外衰减;而且不同圈层内的商业用地比例随时间的推移不断的上升.工业用地从内向外所占比例逐渐增加,最外层工业用地比例最高,1976年城市最外层以工业用地为主,随城市的扩张,其他用地比例在不断升高,城市工业面临着向外迁移的局面.居住用地在最内圈与最外圈用地比例稍低外,主要集中于中间圈层,随时间的推移内部圈层用地比例有下降的趋势.公共建筑与公共设施用地在空间上不断的向外衰减;而且不同圈层内的商业用地比例随时间的推移不断的上升,且随着城市内部环境承载能力的,大学、科研院所等公共建筑用地随时间推移不断向外扩散.其他用地的圈层结构不甚明显.城市土地利用空间圈层结构演变是受人类活动、社会经济的发展以及自然环境的空间约束共同作用的结果.古典的同心圆结构理论,󰀂田园城市 城市建设在长春城市空间结构演变过程中都有一定的体现.

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2001,140:

4󰀁结󰀁论

本研究建立了一种󰀂面向对象分割 的高分辨率系列城市土地利用分类与动态空间信息提取方法,该模型在提高信息提取效率、分类精度以及

进一步的空间分析定位精度方面具有较好的效果.长春百年来城市土地利用空间结构演变主要由1932年前的不规则形状向1990年的同心圆发展,2004年城市向着多核心的方向发展.商业用地在内部圈层向心集聚,工业不断向外扩散同时在外部圈层形成一定的集聚.城市土地利用随时间推移不断向外部圈层扩张.

(编辑󰀁张󰀁宏)

参考文献:

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