基于多源数据的中原城市空间扩展研究——以河南省新乡市为例

摘要

城市是区域系统的中心和最具影响力的时空复合系统，城市化是区域土地利用演化的主导过程，城市扩展过程是当前地理学研究的焦点。通过定量获得城市时空变化数据，可以掌握城市扩展的时空变化进程。这对及时发现城市扩展过程中出现的问题、可持续地保护城市生态经济环境和辅助政府规划决策都具有十分重要的意义。本文选择豫北政治、经济、文化中心之一——河南省新乡市（包括牧野区、红旗区、卫滨区、凤泉区和开发区）为典型案例研究区。通过对多源、多时相的新乡市遥感影像数据进行比较，筛选了新乡市多源、多时相的城市扩展研究所需要的基础数据。在数据预处理和使用AdaBoost组合分类器对城市信息提取的基础上，对城市扩展进行时空演变及驱动力分析。利用一系列模型深入分析20年来城市的时空及形态变化，并加入政策及规划信息，利用SLEUTH模型模拟、预测自然扩展和政策干预两种情况下未来城市扩展趋势。主要研究工作如下：
　　 1、通过对多源、多时相的新乡市遥感影像数据进行比较，筛选了成像时间分别为1989年、1993年、2000年、2004年、2009年的Landsat 遥感数据（TM、ETM+）
　　 和CBERS02B 星CCD数据，另外还有30m分辨率的ASTER GDEM，1：10 万土地利用时空数据，1：5 万地形图数据，1：400 万行政区划数据，1990、1995、2000、2005年新乡市土地利用现状图及各种统计年鉴，并对影像进行配准、校正、拼接、裁剪、增强等一系列预处理。在数据预处理过程中，深入研究了利用改进的Fourier-Mellin 算法对不同时相遥感影像进行自动配准的方法，通过实验比较，该方法的处理效率比手工配准有大幅度提高，实验精度和鲁棒性均优于其他算法，该方法可以很好的解决多源、多时相遥感影像的自动配准问题。
　　 2、对多源、多时相城市空间信息提取进行了研究，通过对监测区域的地物光谱特性进行分析，将研究区的土地利用类型划分为：耕地、林地、水域、城市建设用地、未利用地和农村居民点六大类，并建立解译标志。重点探讨利用AdaBoost算法进行城市信息分类和提取。AdaBoost 将多个弱分类器组合成强分类器提取城市建设用地，使用AdaBoost组合分类器将影像地物光谱信息、纹理结构信息和基于决策树分类器的提取方法进行组合，通过实验验证，组合分类器的分类精度比单个分类器精度都有一定程度的提高。对各类地物分类后的精度利用GPS 实地采点的方法进行了验证。
　　 3、在建立研究区土地利用类型变化数据库的基础上，采用土地利用变化幅度模型、土地利用动态度模型、平均扩张强度指数、土地利用开发度、城市化进程指数、城市中心转移、土地利用主要类型转移、城市建设用地扩展的弹性系数、城市外围轮廓形态紧凑度等一系列模型进行综合评价，定量分析城市演变的各项时空数据，得到20年新乡市城市扩展时空、数量及形态发展规律和趋势。城市土地利用时空演变的主要特征是：速度加快、强度增大、建设用地不断侵吞耕地、城市建设用地的扩张与城市人口的增长不同步，城市紧凑度呈逐渐减小的趋势。
　　 4、应用SLEUTH 城市增长模型，借助GIS、RS 技术，对河南省新乡市1989-2009年的城市增长过程进行模拟和预测。重点讨论了在自然扩展和加入政策规划信息这两种情景模式下，SLEUTH 预测新乡市未来城市扩展预测的结果及其比较，得到新乡市城市扩展时空发展规律和趋势。通过实验，结果表明SLEUTH模型在城市空间扩展应用上具有可信的精度，较好的模拟了新乡市区1989-2009的20年间整体向东南扩展的模式。情景一是自然扩展情景模式,2010-2030年，城市以边缘增长为主导，城市面积随时间呈线性增加，从边缘逐步向外扩张。情景二加入政策和规划信息，在政策和规划因素干预的情况下，在主城区之外形成小冀镇、七里营镇、翟坡镇、合河乡、孙杏村镇、朗公庙镇、古固寨镇等多个卫星城分别组团式发展的趋势，加入政策和规划信息的预测结果中，增长面积和城市化比例的值比自然扩展情景模式明显升高，说明政策因素在城市扩展过程中占主导地位。
　　 最后通过该结果对城市演变机制的理解给出了一些分析。
　　 本文的结果对理解城市演变机制具有理论和现实指导意义，对政府制定规划提供理论和辅助依据。同时，本文探讨的一套针对河南省新乡市的中原城市时空扩展研究方法，对其他城市的研究具有一定的借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

第二章研究区概况

第三章数据源与多源、多时相数据预处理

第四章多源、多时相城市空间信息的提取

第五章城市扩展时空演变分析

第六章SLEUTH 模型城市扩展模拟与预测

第七章结论和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的主要科研工作与的书稿翻译

致谢