遥感影像分类提取城市用地的方法及过程

摘要 城市是人口、资源、环境和社会经济等要素高度密集的综合体，因此城市的发展变化是人地关系的焦点。工业化的进程正蒸蒸日上，经济快速发展，城市中人口剧增以及非城市人口大量涌入，而且人们生活水平不断提高，并同时追求着物质文明与精神文明的东西，这一切都促使城市逐渐增大，并向外不断扩张。 伴随着城市的扩张，各种资源被急剧消耗，土地作为一种基本的自然资源，受城市扩张的直接影响，特别是在城市边缘地带的各种土地利用类型都随着城市的扩大以各种方式逐渐转化为城市用地。为了探讨这种转化过程及其内在驱动力因素，本文以郑州市为研究对象，选取该市1988年、2001年和2003年三个时相的Landsat TM/ETM+遥感影像作为主要的数据源，以遥感分类提取为主要的获取信息的手段，通过对土地利用分类结果图像进行叠加统计分析，分析郑州市从1988年2003年间土地利用的变化及土地利用类型转换情况。运用三期遥感影像分类的结果图像提取郑州市城市用地的图斑，进而统计出城市用地面积，分析统计得到1988年2001年、2001年2003年两个年份段间郑州市城市用地扩展数量和速率。最后结合郑州市的经济、交通、规划和政策，分析了该区域在1988年一2003年间城市扩展的驱动力因素。本文着重探讨了遥感影像分类提取城市用地的方法及过程，采用了ENVI软件对遥感图像进行影像校正、裁剪和增强，利用马氏距离分类法(Mahalanobis Distance)进行监督分类，并统计分析城市用地的扩展面积，计算城市用地的扩展速率，并分析了1988年2001年、2001年2003年间郑州市城市扩展过程中建成区侵占其它用地类型的情况。关键词：遥感 城市扩展 土地利用变化 监督分类 郑州目录第一章 引言11.1研究背景和意义11.2 城市遥感技术发展21.3城市扩展的遥感研究31.4本文主要内容4第二章 研究区概况和数据准备62.1郑州市概况62.2 数据准备72.3本章小结8第三章 基于TM和ETM十遥感影像的监督分类93.1 TM和ETM+传感器的特征参数93.2 遥感影像校正、裁剪和增强103.3郑州市土地利用分类（监督分类）12第四章 郑州市扩展分析154.1 城市扩展速率154.2各地类的时空间变化分析154 3郑州市城市扩展驱动力分析164.4本章小结19第五章 结论与展望205.1 研究结论205.2 启示与展望21参考文献2222第一章 引言1.1研究背景和意义 城市是人口、资源、环境和社会经济要素高度密集的综合体，其中心聚集作用使其本身具有强大的生命力，并不断向四周扩大发展。这种扩大发展是一时间上的动态过程，体现在它的自然、经济、人文等要素上的发展具有时间上的阶段性、顺序性和不可逆性。同时城市的扩展表现为在某一发展阶段空间格局的变化，有其特殊的空间性。而所谓的城市化即是城市由于社会生产力的发展而引起的城市空间增长、城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程。城市化是社会经济发展的必然结果，也是社会经济发展的有机组成部分和有力的推动器，而城市空间是指城市占有的地域空间，更多地属于地理概念而非行政概念，是以非农业用地和非农业经济活动为主体的建成区1。 18世纪中叶以来，随着工业革命的推进，世界城市化进程逐步加快，极大地推动了社会进步，促进了社会经济发展，使城市成为了社会政治、经济、文化科技和对外交流动中心，成为了促进人类文明发展的主要动力;另一方面，城市化又造成城市规模急剧扩大、城市内部出现城市病和城乡发展失衡等一系列问题。城市化的发展必然造成城市空间扩展，城市用地扩张，城市人口增加，同时，城市的协调发展问题又加深了人们对城市空间生长扩展规律的认识。也就是因为这些问题，城市扩展特别是城市边缘区土地利用月二地覆盖变化过程、交通状况、人口分布、经济产业格局机制，成为国际城市地理、土地利用等研究领域的热点问题之一。 城市扩展研究一直都是城市研究的主要领域，人们试图藉此分析、揭示城市用地形成和演化的内在和外在驱动机制，比较不同类型城市扩展的特征差异。我国从 50 年代后期开始就有大量的研究进行，其中包括城市形态分类、演变阶段、城市扩展方式和速度、城市扩展的主要影响因素，城市扩展预测和模拟等。目前，国内外对城市扩展的研究主要集中在以下三个方面:一是研究城市扩展的规律及形式;二是城市扩展的驱动力机制的分析研究，即分析推动城市地域扩展的原因是什么;三是针对城市扩展所应采取的措施。土地利用动态监测是城市扩展遥感研究中最重要、最基础的一部分，也是深入研究城市各个方面必不可少的环节。对于土地利用动态监测和宏观或区域性的城市扩展研究，实时可靠的土地利用变化信息是非常重要的，通过经常性地获取大量详细的区域土地利用变化数据，可以对区域土地利用的变化范围、大小、时间、速度、特征和趋势等基本参数进行细致分析，这是城市扩展研究和土地利用动态监测的重要基础。 近年来，随着地理信息技术、卫星遥感技术、空间定位技术、测绘和数据处理技术等一系列的空间数据和信息采集、量测、处理、分析、管理、存储技术的不断发展，有关土地利用变化动态监测的基础数据来源多样化趋势越来越明显，所获得的数据的分辨率、精确度和可靠性不断增强，处理和管理手段日渐先进。现在对城市边缘区和城市扩展进行研究主要是采用遥感数据进行的，包括航天遥感和航空遥感数据.航天遥感可以提供不同空间分辨率和时间分辨率的遥感数据，从而可进行不同空间和时间尺度的变化监测。已有很多研究是应用遥感数据进行城市扩展和城市边缘带土地利用变化进行的。城市建设快速发展，城市面貌日新月异，使得城市地域不断向外蔓延，交通网路不断扩张，受此影响，土地的利用方式发生了很大的变化。城市的扩展，农用地、林地和水体的减少，影响着城市生态环境和社会经济的可持续发展。因此，城市的发展需要进行监测，为城市的可持续发展提供决策信息服务。1.2 城市遥感技术发展 遥感作为一门综合性技术，虽然是上世纪 60 年代提出来的，但已渗透到国民经济建设的各个领域，发挥着越来越重要的作用。随着传感器技术、遥感平台技术、数据通信等相关技术的发展，现代遥感技术己经进入了一个能够动态、快速、准确、多手段提供对地观测数据的新阶段，同时遥感信息处理的理论研究也有了重要的进展。国际上相继推出一批高水平的遥感影像处理商用软件，所有这些都为遥感技术的应用奠定了坚实的基础。目前，遥感技术已经被广泛地应用于土地利用、作物估产、资源调查、环境监测以及区域分析等研究领域。 遥感技术作为一种快速获取城市现状基础资料的重要手段，已经在城市调查、监测、城市规划与管理中占有重要地位。遥感应用于城市环境研究最早是从 1958年法国用装载在气球上的相机拍摄了巴黎市的像片开始的。到上世纪50 年代，随着传感技术和航天技术的发展，应用航空像片和卫星影像进行城市专题研究也日趋成熟。大量彩色、热红外遥感技术被应用于城市扩展分析、城市环境监测与评价以及城市化进程评估等诸多方面。我国从上世纪 70年代末到 80年代初，有些城市就开始谋求应用航空遥感技术监测环境，调查土地资源和进行城市规划管理的尝试。1980年天津市在环境遥感监测中对大气、水体、土壤、交通、植被、土地利用等多方面进行了比较系统的分析、评价，并且初版了环境质量地图集，为天津市政建设、防治海河污染、规划公路立交桥、检查绿化植被成活率、监测海港淤积和沿海开发等诸多市政工程问题，提供了遥感图件等数据。从1985-1995年之间，太原、沈阳、广州等 90多个大中城市都陆续进行了彩红外航空遥感，对城市化与生态、环境问题进行了比较深入的调查研究。上海市利用多时相 TM 卫星影像分析了城市土地利用变化、热岛效应和绿化率。洛阳、宜昌和常州等中型城市也得到了世界银行的资助，利用航空遥感及 SPOT卫星影像数据，为城市规划和基础设施建设提供了参考图件和数据。1999年国土资源部对全国66个城市的土地利用/覆盖进行了动态监测，了解了各城市的土地利用/覆盖状况以及由于城市扩展而被侵占地耕地数量，为今后我国城市的发展提供了有力的参考。总体上看，上世纪 90 年代以后，中国城市遥感开始向纵深发展。其趋势是追溯城市化的过程和演变历史，探索城市发展的动向，为制定城市发展规划提供科学依据4。1.3城市扩展的遥感研究 利用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等空间信息技术进行城市扩展研究。许多城市早期利用航空遥感资料进行解译，这种方法虽然较常规方法在资料准备和可比性上有较大进步，但仍耗资巨大。随着航天遥感技术的发展，传感器的时空分辨率和光谱分辨率的不断提高，卫星遥感影像逐渐成为城市扩展和城市化研究的主要资料来源。利用遥感数据进行城市扩展的研究，主要是利用遥感影像分类提取城市各城镇土地利用类型信息，得到分类图像，将分类图像进行图层叠加和比较，量算出城市面积，根据城市面积的变化来研究城市扩展。在城市土地利用动态监测的基础上，结合经济、人口等多方面的辅助信息作为参考进行城市扩展分析和城市化研究是目前最主要也是最有效的方法之一。 国内外的许多城市都已经利用遥感技术进行城市扩展动态监测和城市化进程等方面的研究.潘卫华9等通过对泉州1989年和2000年TM/ETM+影像的遥感监测，利用仿归一化植被指数和计算机监督分类提取了泉州在11年中的城区空间扩展信息，并分析出泉州市的扩展方式是低密度蔓延和沿条带状扩展相结合的;万从容15利用多源数据融合的技术方法，结合城市发展态势图对上海城市边缘界定及城市发展速度进行了分析;汪小钦16采用遥感和地理信息系统一体化技术，以福清市为例，对城市时空扩展进行动态监测和模拟，并结合区域社会经济统计数据，展开城市扩展特征分布和动力机制分析;李晓文7等基于多时段TM遥感影像资料，对上海地区城市扩展总体的空间行为特征进行了分析，同时运用缓冲分析法对上海市区及周边主要区镇城市用地扩展的时空特征进行了分析和比较;此外，陈素蜜5综合应用遥感和地理信息系统技术，以厦门市1988年、2000年TM遥感影像为基础，试验了多种两个时相影像的复合变换方案，生成厦门城市拓展图，既而引入分维度、圆度，构造了接边指数等，从格局与数量两个角度定量分析了厦门城市拓展的图斑特征。 目前，研究城市扩展常用的变化信息提取方法主要有:目视解译方法，如陈宁强3等利用两时相的TM影像对苏州、无锡、常州三市土地利用进行动态监测，利用人机交互式方法解译遥感图像，并将多时相遥感图像进行叠加，最后利用地理信息系统软件进行各种分析和图件输出。这种方法由于加入了人的知识，判读精度较高，但工作较繁琐，同时需要解译人员有较高的遥感解译知识与经验。再者就是有分类后对比法，分类后对比法是对各时相遥感影像分别进行分类，对分类结果进行比较分析，获取土地利用变化信息，这是一种目前为止最为常用的方法。此外，随着数据源的增加、应用范围越来越广和高分辨率遥感影像的出现，人们探索出多种方法用于城市扩展动态监测研究，譬如影像比值，差值法、影像融合法(光谱特征变异法)、植被指数法等。 用于城市扩展动态监测研究的遥感数据也有多种形式，如Landsat TM/ETM+, SPOT, QuickBird, IKONOS, Lidar或者多种数据相结合。其中Landsat TM/ETM+和SPOT因其具有较高的空间分辨率(分别为30m和10m)和相对低的成本而被广泛应用于城市土地利用计算机分类。1.4本文主要内容 本文以郑州市为研究对象，以遥感分类提取为主要的获取数据的手段，结合郑州市的经济、交通等统计信息，定量地分析郑州市从1988年2003年城市用地的变化情况，分析该区域城市扩展进程的规律。文章着重介绍了城市用地的遥感提取方法，并利用提取的数据结合其它统计数据分析研究区城市扩展情况。内容包括以下几个部分: 1.本文第一章首先介绍城市扩展的研究背景，包括城市扩展研究的意义和国内外对城市扩展模式、驱动力机制和城市扩展分析方法的研究情况，然后在介绍用于城市研究的遥感技术之后，文章将论述遥感技术应用于城市扩展和土地利用变化动态监测的一些方法。 2.本文第二章介绍郑州市的概况，然后介绍研究所需数据，包括遥感影像分类提取前影像数据的准备和其它数据的准备，说明本文研究使用到哪些数据。 3.本文第三章将着重介绍遥感影像的校正、裁剪、增强和监督分类的方法。使用ENVI软件，进行监督分类，得到不同时期郑州市城市用地、农用地、林地、水体的监督分类结果。 4.本文第四章在遥感影像分类结果的基础上，提取三个时期郑州市城市用地图斑，然后对图像进行分析，统计出各个时期郑州市城市用地面积大小，然后分析了郑州市几个时间间隔中城市用地扩展数量、速率等变化情况，分析各地类的时空间变化，最后结合相应的经济、交通、规划和政策等方面，分析郑州市城市扩展的驱动力因素。 5.本文最后总结全文，包括研究过程中从遥感分类、城市用地变化及驱动力等方面得出的一些结论和受到的启发，并提出一些展望。第二章 研究区概况和数据准备本文的城市扩展研究以郑州市为研究区域，以郑州市3个不同时的landsat TM/ETM+遥感影像为主要的数据源，利用对遥感影像的提取获得郑州市城市用地信息，以郑州市的行政区划图、区镇边界专题数据作为辅助，结合郑州市经济、交通等统计数据，分析近15年来郑州市的城市扩展，探讨其城市扩展面积、速率及其驱动因素。在本章将介绍郑州市概况和本文的研究所需做的数据。2.1郑州市概况郑州市是河南省省会，位于河南省中部偏北，东经11242 - 11414 ，北纬3416 - 3458 ，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原。郑州地区属暖温带大陆性气候，四季分明，年平均气温14.4C 。7月最热，平均27.3C ；1月最冷,平均0.2C ；年平均降雨量640.9毫米，无霜期220天，全年日照时间约2400小时。境内大小河流35条，分属于黄河和淮河两大水系，其中流经郑州段的黄河150.4公里。郑州市是河南省政治、经济、文化中心，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原。辖12个县(市)、区，其中县1个、县级市5个、区6个。郑州地处中原腹地，“雄峙中枢，控御险要”，为全国重要的交通、通讯枢纽，是新亚欧大陆桥上的重要城市，是国家开放城市和历史文化名城，是中国八大古都之首。郑州交通、通讯发达，处于我国交通大十字架的中心位置。陇海、京广铁路在这里交汇，107、310国道，京珠、连霍高速公路穿境而过，被命名为全国文明机场的新郑国际机场与国内外30多个城市通航。拥有亚洲最大的列车编组站和全国最大的零担货物转运站，一类航空、铁路口岸和公路二类口岸各1个，货物可在郑州联检封关直通国外。邮政电信业务量位居全国前列。已经成为一个铁路、公路、航空、邮电通信兼具的综合性重要交通通讯枢纽郑州商贸发达，是国务院确定的3个商贸中心试点城市之一。拥有一大批高档次、多功能的大型商贸设施和辐射全国的商品集散市场，年成交额超亿元的就有30多家；每年在郑州市举办的各类全国性、区域性、专业性交易会、博览会、洽谈会上百次。2.2 数据准备 收集郑州市城市扩展研究所需数据，这一节将介绍本文城市扩展研究所用到的数据，包括遥感影像，还包括各种专题数据、统计数据等。2.2.1遥感数据 为满足城市扩展和城市土地利用动态变化的研究对数据源的实时、准确的要求，又考虑到本文研究对影像分辨率等方面因素的要求，本文遥感分类提取土地利用类型的数据源采用3个不同时相的Landsat TM/ETM+遥感影像，影像的日期和类型分别为:1988年05月14日的TM影像、2001年05月10日的ETM+影像、2003年01月04日的ETM+影像。三个时相的遥感影像，年份间隔分别为 13年、2年，从城市扩展研究的角度，三个时相的影像所包含的信息分别代表了1988年到2001年郑州市城市扩张演化过程中三个时期的状态，影像很具有代表性，且几个波段的地面分辨率为 30m (第6波段除外)，基本满足本文城市扩展和城市土地利用动态变化研究的要求。在此，另就Landsat5 TM和Landsat7 ETM+遥感数据作简单介绍: 2.2.1.1 Landsat5 TM数据Landsat5是NASA (National Aeronautics and Space Administration美国国家航空和宇宙航行局)于1984年3月1日发射的地球观测卫星，TM是专题绘图仪(Thematic Mapper)的简称，TM的地面分辨率为30米。从Landsat5卫星升空以来，Landsat5 TM 数据逐步成为了土地利用动态监测中最为常用的多光谱遥感数据。 Landsat TM影像包含7个波段，波段1-5和波段7的空间分辨率为30米，波段6（热红外波段）的空间分辨率为120米。南北的扫描范围大约为170km，东西的扫描范围大约为183km。2.2.1.2 Landsat7 ETM+数据美国的陆地卫星7（Landsat7）于1999年4月15日发射升空后，由于其优越的数据质量，以及与以前的Landsat系列卫星保持了在数据上的延续性，现在已成为中国遥感卫星地面站的主要产品之一。在数据产品方面，Landsat7与Landsat5的最主要差别有：增加了分辨率为15米的全色波段（PAN波段）；波段6的数据分低增益和高增益数据，分辨率从120米提高到60米。2.2.2 专题数据 本文研究所采用的专题数据包括: (1)1982年1:100,000地形图(2)郑州市矢量电子地图2.2.3 经济和交通统计数据 为了分析郑州市1988年到2003年15年间城市扩展动态演化过程及其驱动力因素，本文的研究过程中不仅用到了上述三个时相的遥感影像数据和作为辅助的专题数据，还结合使用这期间郑州市的经济、交通等方面的统计数据作为参考，这方面的数据也主要是来源于相关的政府统计信息网站和年鉴。2.3本章小结 本章主要介绍了研究区的自然、交通等方面的情况，介绍了本文研究所需要的资料和数据，包括用于分类提取的遥感影像数据、作为辅助分析的专题数据和研究区域的经济和交通等统计数据。得到城市扩展研究所需的数据后，进行遥感影像的分类，以获取土地利用类型的遥感分类信息。第三章 基于TM和ETM十遥感影像的监督分类土地利用变化状况因其时间上的高速度和空间上的不确定性而呈现十分复杂的地表形态，遥感资料以其快速、准确的特点被广泛的应用于土地利用变化的研究中。自二十世纪八十年代以来，郑州市的城市土地利用以前所未有的高速度发生变化，借助遥感手段，可以达到快速探知郑州市土地利用的变化情况。利用多时相遥感信息分析土地利用变化的方法，主要通过对地物的光谱直接比较和对分类结果的比较。由于不同时期大气状况、太阳高度角、土壤湿度、物候、传感器波段、分解能力等因素对影像光谱的影响，光谱直接比较法必须进行光谱的标准化，难度较大;分类结果比较法主要是对各期影像进行分类，通过对分类结果的比较，来确定变化域和变化类型，但由于不同时期分类结果的误差累积，影响最终对土地利用变化的判别的精度。因此参考同时期、高精度的多种地面数据，对提高土地利用分类精度极为关键。本文选用Landsat5 TM (1988.05.14 ,无云) 、Landsat7 ETM+(2001.05.10,无云)和 Landsat7 ETM+(2003.01.04,无云)三幅影像资料，主要探讨郑州市自1988-2003年15年间城市土地利用变化的过程，理解其土地利用变化的状况。3.1 TM和ETM+传感器的特征参数本文采用的三幅图片分别来自Landsat 5和Landsat 7, Landsat 5采用高度为705km、轨道倾角为 98的太阳同步准回归轨道，16天对整个地球观测一遍，第17天返回到同一地点的上空，TM为专题扫描仪(Thematic Mapper)，采用光学机械扫描方式获取地面目标的图像，瞬时视场角为30m，地面上的观测宽度为185km,数据通过跟踪与数据中继卫星TDRS (Tracking And Data Relay Satellite)传送到地面;Landsat7采用高度为705km,轨道倾角为98.2的太阳同步准回归轨道，地上的观测宽度为183km，重访周期为16天。不同波段的图像记录的地物的反射信息不同，逐一波段或几个波段相结合对物的判读有很大意义:第1波段记录的是地物在蓝光波段的反射信息，对水体有好的穿透能力，有利于水底地貌的判读;第2波段记录地物在绿光波段的反射信息植被在此波段的反射率相对出现峰值，图像上易于区分植被的分布范围，水体的射率较低;第3波段属红光波段图像，受大气散射的影响较小，植物和水体的反率较低，可用于植被范围和水域范围的确定;第4波段图像记录地物的近红外反信息，水体湿地的反射率低，而植被的反射率较高，且不同的植被的反射率有一的差异，图像上表现为不同的色调易于植被类型的调查;第5波段属于短波红外段的图像，地物在此波段的反射率与其含水量有很大关系，含水量高的反射率低第7波段图像记录的也是地物短波红外的辐射信息，由于地物含水量的不同而表为反射能力的差异;第6波段的图像属于热红外图像，反映地物自身的热辐射信息。3.2 遥感影像校正、裁剪和增强本文以1982年郑州市地形图为基准，采用多项式变换法对三期遥感影像进行几何校正，同时进行大气辐射的相对校正，使用ENVI软件裁剪相同的研究区域，然后进行图像增强处理。3.2.1几何校正和相对辐射校正 在遥感图像的形成时，由于各种因素的影响，使图像存在一定的几何畸变和辐射量的失真现象，影响了图像的质量，使用前须消除。几何变形是指图像上的象元在图像坐标与其他地图坐标系等参考系统中的坐标之间的差异，消除这种差异的过程为几何校正（Geometric Correction )。对不同时间遥感图像的几何校正可以分为两类，一类是图像与图像之间的相对校正，又叫图像匹配;一类是由图像坐标转变为某种地图投影的绝对校正，或对图像进行地理编码。利用传感器观测目标的反射或辐射能量时传感器得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的，这是因为侧量值中包含了太阳位置和角度条件、薄雾等大气条件所引起的失真消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程为辐射量校正(Radiometric Correction)11。本文使用的三幅影像，首先以1982年1:100,000地形图作为底图，对1988年的影像进行几何校正，然后将2001、2003年的影像与1988年的进行配准12。因为本文所选研究区为平原地区，所以在做几何校正时采用多项式变换的方法，而没有使用数字高程模型( DEM )。在几何校正之后，对三幅影像作了相对的辐射校正。因两幅影像的获取时的天气状况相似，太阳高度角和方位角也一致，以2001年的影像为准，采用一次线性回归的方法对三幅图像进行了相对辐射校正10。3.2.2 遥感影像裁剪为了保证多时相的遥感结果具有可比性，同时增加在ENVI软件中的处理速度，必须在遥感影像上切出相同研究区域。运用图像裁剪技术可对图像进行切割，从而获得研究所需要的区域。本文中选取郑州市作为研究区，先对郑州市行政区划界线矢量图与原始影像进行配准，并利用ENVI软件把郑州市行政区划界线矢量图转化为ROI，然后根据ROI对整幅影像进行裁剪。3.2.3 遥感影像的增强处理 遥感信息的增强处理(image enhancement)是指在对遥感资料分析的时候，分析者为了能对影像有更清晰的视觉上的把握，而做的一系列变换。主要的遥感信息增强处理有浓度变换、彩色合成、HIS变换等6。本文根据遥感图片的具体情况，在分类使用之前主要进行了彩色合成增强处理方式。经过彩色合成得到的彩色图像包括真彩色图像和假彩色图像两种。对TM影像而言，真彩色图像的合成是将第1、第2和第3波段分别赋以蓝色、绿色和红色而进行加色合成得到的，因此也叫RGB321图像。假彩色图像有很多种合成方法。常见的彩色红外合成图像是将第7、第4和第3波段分别赋以红色、绿色和蓝色而进行加色合成得到的，也叫做RBG743图像8。增强后的郑州市图像(以2003年为例)如图3.1所示：图3.1 2003年遥感影像增强后图像3.3郑州市土地利用分类（监督分类）监督分类的算法很多，本文采用的是常规的马氏距离分类法(Mahalanobis Distance),即选择图像中未知类别的样本的观测值与已知类别的样本(训练区)的观测值之间的相似度最大，则将其归为一类2。依据本文的研究目的和郑州市土地利用覆盖的具体特点，将土地利用类型划分为以下几类:城市用地、农用地、林地、水体4类。图3.2郑州市土地利用覆盖分类数据提取的流程图，显示出本文在分类时对图片的预处理、运算、统计和结果的输出过程。过滤影像中的噪声选择适当的训练区对训练区进行统计计算观察和评价训练区的特征对图像进行分类显示分类结果图3.2土地利用分类原理及流程对遥感图片进行分类之前要先添加过滤层对影像进行平均或取中间值的方法，将图像中的噪声清除，本文对所选影像添加了一个3*3的取中值的过滤层，然后对图像进行处理。在分类之前要选择训练区，以确定不同土地类型训练区内多光谱反射率（可由影像灰度值代替）的统计特征值13。训练区的确定和选择对分类的精度至关重要，本文在处理过程中，根据图像上地物的光谱反射特性，参考同期和近时期的地面数据，对影像进行不同方法的增强处理，如在选择区分2003年01月04日影像中林地和农用地等植被覆盖的训练区时，在彩色合成图像上均呈现为红色，很难区分，但是在经过K-T变换之后，则很容易的找出其确切的位置。采用马氏距离分类法(Mahalanobis Distance)对影像进行分类，将影像中光谱特征与所选训练区相似度最大的像元归为一类，统计之后逐一显示分类的结果并进行观察和评价，反复调整所选训练区的范围，再计算，重新分类，并观察和评价分类结果，如此反复，直到获得满意的结果。最后输出郑州市1988年、2001年和2003年三期土地利用监督分类图。如图3.3、3.4、3.5所示：图3.3 1988年土地利用分类图图3.4 2001年土地利用分类图图3.5 2003年土地利用分类图第四章 郑州市扩展分析城市扩展的实质是人类为满足社会经济的发展需要，不断地调整、重新配置城市边缘区和内部的各种土地利用类型，以及通过飞地或城市搬迁等措施增加新的城市组团，最终都是使得城市用地逐渐增加扩大，而占有其它类型的土地。所以，研究城市扩展的时空强度变化和规律实质上就是研究城市用地的时空变化强度和变化规律。4.1 城市扩展速率根据监督分类的结果进行面积统计，并计算出郑州市区扩展的年速率(见表4.1)，从表中能够看出，随着经济的快速发展及城市化水平的不断提高，郑州市城市建成区面积也在不断增加。从1988到2003年的15年间，建成区面积从增加到82.2km面积增加了227.1 km，年平均扩展速率为6.667。其中1988-2001年间增加了105.7 km，年平均扩展速率为7.69，2001-2003年，面积增加了km，年平均扩展速率为5.01。表4.1 郑州市城市扩展表4.2各地类的时空间变化分析用郑州市三个时期的城市建成区图和三个时相的遥感分类图进行GIS空间叠加分析，通过求取它们的交集，可以计算出郑州市城市扩展过程中建成区侵占其它用地类型的情况。表4.2、4.3列举了郑州市在城市扩展过程中各土地利用类型向城市用地转变的一些基本情况。表4.2 城市扩展侵占用地类型和结构/km表4.3 城市扩展侵占用地类型比例/在1988-2001年和2001-2003年间，郑州市城市扩展侵占农用地面积分别为82.1km和92.3km，分别占1988-2001年和2001-2003年的总侵占用地面积的77.7%和 82.4%。1988-2003年，郑州市由于城市扩展而侵占的农用地面积为114.4km，占郑州市1988年建成区面积的139.2。这说明城市的向外扩张不可避免地侵占着大量的农用地，也是郑州市农用地面积减少的一个主要原因。4 3郑州市城市扩展驱动力分析城市扩展的实质是人类为满足社会经济的发展需要，不断地调重新配置城市边缘区和内部各土地利用类型的过程，最终使得城市用地逐渐增加，而占有其它类型的用地，并同时伴随着人口集中、增加且有更多的农业人口转为非农业人口。这种配置调整是多种因素综合作用的结果，它受经济发展状况、人口增长、社会经济管理体制和所处的发展阶段的影响，还受土地资源本身条件的限制。土地资源本身的条件虽然是影响城市扩展的基本因素，但相对于其它因素来说对所引起的城市扩展变化较小9。本文对郑州市城市扩展驱动力因素的分析主要是从社会经济、交通、规划和政策等方面展开。4.3.1经济发展社会经济的发展一直都是推动城市扩展的主要动力，甚至起决定性作用。经济发展速度的周期性不仅决定了城市空间扩展速度的周期性，它的周期性变化还决定了城市空间扩展形式的周期性变化。经济因素对城市扩展的驱动作用包含了经济总体水平、产业结构调整、交通运输、商业贸易发展和科学技术的进步等方面对城市扩展的影响，这些因素的变化，直接影响着城市扩展的方式、速度及规模。郑州市经济逐年持续、快速、健康发展，1988到2003年国内生产总值历年增量如图4.1所示：从图中可以看出郑州市经济沿曲线上升，1992年之前，变化较小，1992年以后国民生产总值变化加大，特别是1999年以后，经济发展速度明显加快。利用三个时相的遥感影像提取的三个年份郑州市城市用地面积和此处对应年份的国内生产总值增加值，生成19882003郑州市城市用地变化和国民生产总值增量变化折线图，如图所示4.2所示：:图4.1 1988到2003年国内生产总值历年增量图图4.2 1988年-2003年郑州市城市用地面积和国内生产总值增量变化图例如图中2003城市用地采用的是2003年01月04日遥感影像提取城市用地的结果，国民生产总值采用的是2003年郑州市统计年鉴数据，将二者作同期对照。从图中可以看出，1988年2003年间，郑州市城市用地扩大的变化斜率与国民经济生产总值的增加斜率趋势相同，说明城市用地的扩展与国民生产总值趋势是一致的。4.3.2 交通建设不断促进城市扩展 交通在郑州市城市扩展中起着重要的作用。作为一个城市，它与外界的经济以及各种往来都是通过交通来实现的。随着交通基础建设的逐步发展，对外交通网络的不断扩大，城市与外部地域的交流越来越方便，这些地域最先由其它地类转变为城市用地，从而促进了城市的空间拓展。近十几年来郑州市城区道路建设取得了较大的发展，1990年市区公路通车里程为655千米，到2000年已达到991.1千米，是1990年的1.51倍。近几年，文化宫路、商贸路、金英路等6条道路己竣工通车；完成了航海路和西环路南段拓宽改造工程，东西大街拓宽改造工程，航海路、西环路南段拓宽改造工程，嵩山南路、中原西路拓宽改造工程，东风渠桥、郑沛路等拓宽改造工程，迎宾路、花园路、纬二路拓宽改造等工程，建设了金水东路，中原路、新郑路、城东路立交和东西大街、经三路、紫荆山南路等“九桥九路”工程，全长43.7千米、总投资15.83亿元的环城快速路建成通车;郑少高速公路已经投入运营。形成了四通八达的交通网络体系，进一步提高了城市的交通运营能力。 发达的交通网络为城市的发展提供了广阔的空间，城市用地基本沿干道向外延伸，在交通便利的周边地区形成了大量的新建成区，因此交通线路的增设与建设对城区的向外扩展起着积极的作用。4.3.3 规划和政策规划是对城市的发展加以科学、合理的引导，使之更经济、更高效、更适合人的生产、生活需要的一种手段。按照1998年国务院批复的郑州城市总体规划（1995年至2010年）的要求，郑州市区人口发展长远目标为500600万，城市化水平达7080%。目前，郑州中心城区规模偏小，而且受陇海、京广铁路交叉分割，拓展空间受到制约，与近亿人口大省省会城市的地位和建设全国区域性中心城市的目标远不相适应，因而必须寻求新的发展空间, 而必须寻求新的发展空间,按照21世纪国际现代化城市的功能要求对省会郑州总体规划进行完善、修编，郑东新区远景概念规划范围150平方公里（其中起步区33平方公里），西起原107国道，东至京珠高速公路，北起连霍高速公路，南至机场快速路。郑东新区的开发，使得郑州市东部地区得到发展，同时也占用了大量的农业用地。4.3.4 其它因素除上述驱动力因素外，促使城市扩展的因素还有许多的推动、外资引进的加速、自然地理的制约或位置的优势例如固定资产投资、交通等方面，都会对郑州市的城市扩展产生驱动力量，本文中不再对此作过多讨论。4.4本章小结本章在遥感影像分类结果的基础上，提取三个时期郑州市城市用地图斑，然后对图像进行分析，统计出各个时期郑州市城市用地面积大小，分析郑州市两个时间间隔中城市用地扩展数量、速率等情况，分析各地类的时空间变化，最后结合相应的经济、交通、规划和政策等方面，分析郑州市城市扩展的驱动力因素。第五章 结论与展望5.1 研究结论本文以郑州市为研究对象，选取郑州市1988年、2001年和2003年三个时相的TM 、ETM+遥感影像作为主要的数据来源，以遥感分类提取为主要的获取数据信息的手段，通过对土地利用分类结果图像进行统计分析，分析了郑州市从1988年2003年土地利用的变化情况。最后结合郑州市的经济、交通、规划和政策等方面，分析了郑州市在本文的研究时段内城市扩展的驱动力因素。在本文研究过程中，从遥感分类、土地利用变化监测及驱动力因素等方面得出以下一些结论:5.1.1 遥感影像分类提取方面使用ENVI软件，对遥感影像校正、裁剪和增强，用马氏距离分类法(Mahalanobis Distance)进行监督，依据地物的光谱特征的点独立原则和各波段灰度数据的统计特征，运用统计方法来进行分类。5.1.2 土地利用变化监测方面本文采用了ENVI软件统计三期影像分类结果图中各种土地利用类型的面积，计算城市的扩展速率，计算前后期分类图中各种土地利用类型面积的变化情况，通过土地利用类型的变化监测分析，得到如下一些结论:随着郑州市经济的快速发展和城市化水平的不断提高，城市建成区面积在不断增加。从1988到2003年的15年间，建成区面积从增加到82.2km面积增加了227.1 km，年平均扩展速率为6.667。其中1988-2001年间增加了105.7 km，年平均扩展速率为7.69，2001-2003年，面积增加了km，年平均扩展速率为5.01。1988-2003年，郑州市由于城市扩展而侵占的农用地面积为114.4km，占郑州市1988年建成区面积的139.2。农用地总量不断下降，城市用地处于快速增长阶段，大量的农用地和林地转化为城市用地。5.