基于DMSP/OLS数据的呼包鄂城市圈城市扩展分析

20世纪90年代以来，中国进入了加速城市化时期， 作为城市化的一个重要表征，城市用地也以空前的速度、多样的形式在空间上

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2.统计数据：所有人口、经济、建成区面积等社会统计数据均来自2000―2008年间的《内蒙古统计年鉴》。

3.空间矢量数据。

二、 研究方法

（一） 利用DMSP/OLS灯光数据提取城市空间格局信息

由于DMSP/OLS灯光数据空间分辨率相对较低，传感器信号受干扰较大，原始的灯光数据往往不能直接提供城市空间格局信息。如何直接利用DMSP/OLS 快速提取城市空间格局信息，满足大尺度城市空间格局和变化过程研究的需要，一直是当前众多研究者关注的焦点问题。目前国内外利用DMSP/OLS 数据直接提取城市空间格局信息的基本方法主要有以下三 类：

1.经验阈值法。即根据 DMSP/OLS 数据特征和相关背景知识，人为设定阈值，认为灯光强度超过一定阈值的像元就是城市像元。该方法简单易行，但主观性较强，常见于 DMSP/OLS 数据的早期应用中。

2.突变检测方法。在一段时间的连续观测中，地表灯光被探测到的频率越高，属于城市类型的概率越大，同时提取的城市应该保持市中心的完整性。因此，可以通过逐渐增加阈值来减小噪声并得到中心相对完整的城市斑块。

3.基于辅助资料的空间比较法。基本思路是利用相关辅助数据来帮助确定最佳阈值，进而从DMSP/OLS数据中提取城市空间信息。

本文将采用第三种方法，以现有的统计资料为基础，借助Arcgis空间分析功能，利用DMSP/OLS夜间灯光数据，快速提取内蒙古呼包鄂城市圈城市用地空间信息，弥补现有统计资料空间信息的不足。

基本假设

由于非辐射定标的夜间灯光强度遥感数据中，图像灯光强度越高（灰度值越高）的地方，是城市用地的可能性越高。因此，在现有的研究基础上，我们主要依据下面两个基本假设来提取内蒙古呼包鄂城市圈城市空间信息。

基本假设1：内蒙古现有的城市用地面积统计数据可以基本反映内蒙古呼包鄂城市圈城市用地的总量特征，因此利用DMSP/OLS灯光数据提取的呼和浩特、包头、鄂尔多斯3个地级市的城市用地面积总量应该充分接近各市现有的统计数据。

基本假设2：在DMSP/OLS灯光数据1km分辨率的研究尺度下，2000年至2008年间的城市用地基本上是连续增加的。因此，在前一个时期的DMSP/OLS图像上出现的城市斑块，不会在后一个时期的DMSP/OLS图像上消失，首先应该在后一个时期的灯光图像上得到保留。

三、 呼包鄂地区城市空间格局和过程分析

对2000、2002、2004、2006和2008年的各市区分别设定不同的阈值，提取各个年份的呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯东胜区的建成区面积，并将提取的结果与统计数据中的各市的建成区面积进行比较，直到DSMP提取的各市区的建成区面积总量与已有的统计数据充分接近为止。继而利用提取建成区面积的阈值分别用到呼包鄂整体上，再次分别提取呼和浩特、包头和鄂尔多斯的城镇用地面积。最后在此基础上，对比重建了2000-2008年间的呼包鄂城市圈城市化空间扩展过程。

具体来说，该方法包括以下几个主要步骤：

首先在GIS支持下，获取呼包鄂各市区2000年、2002年、2004年、2006年和2008年五个时期的DMSP/OLS非辐射定标的夜间平均灯光强度数据。

设定呼包鄂城市圈不同年份的城市阈值并计算该阈值下的城镇用地面积，具体的，以某一年为例，设呼包鄂城市圈灯光图像最大灰度值、最小灰度值分别为DNmax、DNmin，呼包鄂城市圈基于统计资料的同期建成区面积总量为US，则呼包鄂这一时期灯光图像的初始阈值DTT初步设定为：

DTT = int[（DNmax- DNmin）/2]

在该阈值下，灯光图像中提取的建成区总面积为DMSParea ；比较初始阈值下的建成区面积总量DMSParea与呼包鄂城市圈基于统计资料的同期建成区面积总量US之间的差异，重新设定新的阈值，直到DMSP提取面积与统计资料的建成区总面积US充分接近为止。

在得到该时期呼和浩特市、包头市、东胜区的建成区面积后，在GIS的支持下，在该阈值下，进一步提取出了基于灯光数据的的呼包鄂城市圈整体的城镇用地面积。然后根据基本假设2，采用同样的方法，分别得到了2000年、2002年、2004年、2006年和2008年呼包鄂城市圈的城市化空间信息。最后在此基础上，对比重建了2000 -2008年间的呼包鄂城市圈城市化空间扩展过程。

由表中数据可以看出，从2000年、2004年和2008年夜间灯光数据提取得到的研究区各城镇建成区面积与其统计值之间的相对误差基本控制在了11%内，达到了较准确的水平。呼和浩特和鄂尔多斯建成区面积都有显著的增长，尤其呼包鄂地区整体的城市面积从2000年到2008年增加了近150平方千米。

四、 影响呼包鄂地区城市扩展的主要因素

城市化过程受到不同时空下的自然、人文、社会、经济等多种因素的综合作用，是一个复杂的人地系统相互作用的动力学过程。

（一）交通状况对城市扩展的影响

交通干线对土地利用格局的形成，尤其是城镇用地的扩展速度和方向有着重要的影响，存在强烈的导向作用。随着城市中心地区地价的上升，城市用地扩展将优先选择沿着一些交通干道向城郊地价较低的方向扩展。城市内部更多交通道路的修建和改善也使城市空间扩展速度加快，并使分散的城市空间通过快捷的交通系统而成为一个有机整体。

表2是对呼包鄂城市圈内的高速、铁路和省级道路分别做了5Km、10Km和15Km的缓冲区并提取缓冲区内部城市和非城市地区数据，可以发现随着缓冲区距离的增加城市化率在逐渐减小，道路10Km缓冲区的城市化率为最高。15Km缓冲区内的城市化率为最低。在距离道路越远的地区城市化率也就越小。因此交通因子对城市化的影响不仅表现在城市化的比率与交通发达程度有关，也与距离交通路线的距离有关系。通过分析与现实结合，道路对10Km以外的区域城市化的影响程度比较小。

近几年，呼包鄂城市圈以强大的投资力度和建设速度，实现了交通基础设施总量的快速增长，路网规模继续扩大，运输能力显著提高。交通基础设施建设步伐的加快，交通基础设施的技术等级也明显提高。随着西部大开发战略的深入实施，国家继续出台扶持政策，加大投资力度，支持西部地区交通运输的发展，加快西部地区的通道建设。这些政策的实施，必将有力地促进呼包鄂城市圈交通基础设施的建设和发展，从而推动城市圈的快速发展。

（二） 社会经济发展对城市扩展的影响

城市用地的扩展与社会经济发展和基础设施有着密不可分的关系，对于这种关系的研究大多选择相关分析和主成分分析的思路，因为城市扩展涉及的因素比较复杂，因而选择定量分析方式，从社会经济因素角度分析社会经济因素对区域城市化过程的影响。以2000年、2004年和2008年的呼包鄂地区统计年鉴数据为基础，以城市建成区面积为因变量Y，选择了三大类指标进行相关分析和主成分分析：

I 经济类X1（地区生产总值X11、第二产业产值X12、第三产业产值X13、工业增加值X14、城镇固定资产投资X15）

II 人口类X2（年末常住人口X21、城镇户数X22）

III 人民生活水平类X3（城镇人均家庭总收入X31、城镇人均消费支出X32、城镇居民人均住宅使用面积X33、城镇储蓄余额X34）

利用SPSS对指标进行标准化后，经过相关分析（表3），结果显示，所有因子都通过了0.05的显著性检验，相关性都大于0.8，人民生活水平类和人口类因子的相关系数大多达到0.93以上的高相关。之后，经过主成分分析得到三类指标的第一主成分，其贡献率分别为96.788%、97.701%、97.876%，以此代表各类指标特征。

五、 结论

呼包鄂城市圈形成和发展非常迅速，对呼包鄂城市圈城市土地利用变化的研究成了近几年城市扩展领域的研究热点。本文基于2000年至2008年间5期的呼包鄂地区DMSP/OLS遥感影像数据，分析了该呼包鄂城市圈的城市扩展情况。本文研究的主要结论可以归纳为：

（一） 本文在传统的利用DMSP/OLS遥感影像提取城市化信息时采用统一阈值的基础上，采用了以地级市建成区统计面积所确定的阈值提取全区范围内城市化信息的方法，提取了呼包鄂城市圈5个时期城市化信息，并对比分析了研究区的城市扩展信息，结果表明构成该城市圈的3个地区近年来的城市化速度比较快，2008年呼包鄂城市圈的城市化面积为2000年城市化面积的近2倍，平均每年增长约17平方千米。

（二） 分析表明呼包鄂城市圈发展的方向、速度等受社会经济发展、交通状况等因素的影响，交通条件决定了该城市圈的城市化主要方向；社会经济状况是城市发展的内因，推动了城市化不断发展。