基于多源遥感数据的陕西2000～2015年城市扩展研究北大核心CSCD

夜间灯光数据已成为监测城市发展进程及空间格局演变的重要依据。利用覆盖陕西省的2000、2005、2010年3期DMSP/OLS数据及2015年无云复合NPP/VIIRS数据,结合MODIS等多源遥感数据构建VANUI、EANTLI两种指数模型,识别并提取陕西省城市建成区面积,经过对比分析后,选取较为精确的EANTLI指数重建陕西省2000～2015年城市扩展进程,并对西安市城市扩展的细节特征进行探究。结果表明:EANTLI指数在城市建成区识别与提取方面较VANUI指数稳定;2000～2015年陕西省城市扩展的不均衡性较为突出,关中各地市城市建成区面积增长速率最快,陕北次之,陕南地区较为缓慢。陕西省城市扩展的主要特征是以各地市中心城市为核心,呈同心圆或扇形模式向外蔓延;西安市城市扩展具有明显的外延性特征,城市重心逐渐向西移动,城市建成区向西北、西南方向持续扩展。     

夜间灯光影像探究北京市城市发展空间特征

北京市作为中国首都,城市化发展迅猛导致诸多"城市病"问题出现。为避免城市用地的盲目扩张,给北京市未来城市用地合理规划和区域可持续发展提供科学参考,利用1992—2013年DMSP-OLS夜间灯光数据提取北京市建成区,从城市扩展的时空尺度、城市重心识别及其转移规律、城市空间形态变化及城市内部发展差异等方面对城市发展的空间特征进行研究。结果表明,近20年来北京市建成区面积不断增大,且从中心城区向外环状圈层式扩展。1992—2013年,建成区面积扩大了878km~2,21年内扩大为原来的3倍,且向东北方向扩展面积最大。城市扩展主要集中在1996—2007年,扩展面积占总研究时段的92%。整个研究时段,北京市重心向东偏北28°方向移动,城市重心从东城区转移到朝阳区,转移距离为5 000.71m。各市辖区的发展水平逐年提高,发展水平差距逐年减小;北京市空间形态在外延式和内涵式扩展之间交替变化。     

杭州市城市空间扩展及其热环境变化

通过Landsat卫星影像分别获取了杭州市1989、2000和2010年的城市空间扩张、地表温度及作为主要地表参数的建筑用地和植被的信息,用以研究杭州市城市扩展及其城市热环境变化。结果表明:在21 a间,杭州市建成区范围有了大幅扩展,且城市热岛区域的空间变化与建成区的空间扩展变化基本一致。研究还发现杭州市区的特高温区面积比例在逐渐减小,城市热岛比例指数(URI)从0.78降至0.71,表明城市热岛效应有一定缓解。建筑用地比例的减小与建筑用地密度的下降是城市热岛得以缓解的主要原因。定量分析表明建筑用地的升温效应要强于植被的降温效应。总的看来,杭州市的城市热岛效应现象在整个研究时段内虽有一定的改善,但仍一直处于较强烈的状态。     

基于夜间灯光数据的城市建成区提取方法评价与应用

DMSP/OLS夜间灯光数据已被广泛应用于城市建成区的提取。目前主要存在4类提取方法:经验阈值法、突变检测法、统计数据法和较高分辨率影像数据空间比较法。以上海为例,在2000年、2003年、2006年夜间灯光数据的基础上,利用4种方法完成了城市建成区的提取。通过对不同年份数据提取结果的比较,证明了相同的灰度分割阈值对不同年份的夜间灯光数据中不存在通用性;在对2003年夜间灯光数据的提取中,4类方法所得结果精确度从高到低依次为统计数据法、突变检测法、经验阈值法和较高分辨率影像数据空间比较法,相对误差分别为1.3%、2.1%、5.1%和11.2%,在对4种方法的便捷性和可实现性进行分析与评价后,使用突变检测法完成了上海市2000~2006年城市建成区的提取。     

张掖市甘州区1959~2009年间城市扩展分析

利用锁眼、MSS、TM影像和地形图及其他辅助数据,提取张掖市1959、1968、1977、1986、1997、2009共6个年份的城市建成区范围和面积,利用空间重心转移模型、扩展强度指数、扩展速度指数、紧凑度指数、面积变化、城市用地扩展系数等指标,分析了近50 a来城市土地利用扩张的空间变化特征。结果表明,50 a间张掖市城市建成区扩展5.71倍,其中1986年之前属于缓慢扩展阶段,1986年之后属于快速扩展阶段。在1959~1986的27 a间,建成区面积仅扩展258.42 hm²。1986~2009年期间,随着改革开放和西部大开发战略的实施,建成区面积增加了1 995.11 hm²,是前27 a的7.73倍。1959~1977年期间,城市重心偏移量小,1977~1986年期间,虽然城市扩展面积较小,但城市主要向西和西北方向扩展,重心开始向西北偏移,偏移量较大;1977~2009年期间,由于城市向东和东北方向扩展,城市重心开始向东和东北方向偏移,偏移量都很大,最大达到629.79 m。城市紧凑度在1959~1968年间急剧下降;在1968~1997年间逐渐趋于稳定后又略有下降,1997~2009年开始慢慢上升,该市后期土地的集约化以及城市基础设施和公共资源的利用效率有所提高。城市用地扩展系数在1959~1986年期间小于1.12,城市用地规模扩展不足(1977年前后比较特殊),1986~2009年期间,城市用地扩展系数大于1.12,城市用地规模扩展过快。     

通过不透水面聚集密度法提取城市建成区

针对已有基于不透水面提取城市建成区的方法无法保证建成区连续性的问题,提出了一种基于对象不透水面聚集密度的城市建成区提取方法。该方法计算了不透水面聚集密度并进行分级,提取聚集程度高的区域为输入对象,并将被建成区完全包围的绿地水体也包含在内;利用长时序遥感影像建成区提取结果,使用城市空间形态扩展指标对济南市1997—2017年城市时空演化特征进行分析。结果表明,该方法提取精度达到93.5%,能准确刻画出城市形态,保持建成区的完整性;1997—2017年间,济南市建成区面积不断扩张,扩张速度与强度分别达到10.48km~2/a、0.32%,呈现带状轴向扩展模式;1997—2013年,建成区扩展的不规则程度在逐年减少,2013年以后建成区形状变得复杂。     

近70 a天津主城区城市土地利用/覆盖变化遥感监测与时空分析

城市扩展和城市土地不同地表覆盖组合对城市生态系统服务和人居环境质量产生重要的影响。基于历史地图、遥感图像和城市规划图等多源数据通过人工数字化解译、大数据运算和混合像元分解相结合的方法发展了城市地表覆盖/土地利用数据集,从而获取了天津城市1949～2018年不同时段城市扩展过程,实现了其内部结构城市不透水面和绿地空间像元组分的遥感制图,综合分析了1949年以来天津主城区城市阶段扩展速度、扩展强度及城市不透水面和绿地空间地表覆盖类型的时空变化特征,进而揭示了社会经济因素和政策因素对其影响。研究结果表明:天津主城区城市土地面积从1949年的49.15 km~2增长到了2015年的663.39 km~2。从时间变化来看,城市扩展经历了"加速—减速—加速—减速"4个阶段;城市扩展的方式呈现以主城区填充式、沿比邻交通干线的乡镇,呈现带状扩展规律;扩展伴随城市建成区内部绿地空间比率呈现增加的趋势,表明天津主城区城市生态绿化水平总体呈现提升的状况。     

丽江市空间扩展与外部形态演变

由于我国缺乏中小城市的城市扩展研究以及需要对城市空间扩展与外部形态演变关系进行完善,选取长时间序列遥感影像,运用GIS空间分析方法,对丽江市建成区空间扩展和外部形态演变进行探讨。研究表明,丽江市建成区空间扩展具有明显的阶段性和各向异性;在所有研究时段,城市空间均以扇翼模式扩展,具体分为扇翼缓慢扩展型(扩展强度指数最大值0.2)、扇翼快速扩展型(0.2扩展强度指数最大值2.4)和扇翼高速扩展型(扩展强度指数最大值2.4)3种类型。丽江市建成区外部形态紧凑度指数变化范围为[0.232,0.349],总体呈缓慢下降趋势,城市内部连通性和集约性下降。外部形态的边界维数变化范围为[1.265,1.299],总体变化趋势为先震荡减小后缓慢增加,城市形态趋于复杂。城市空间扩展对城市外部形态演变的影响显著,城市空间加速扩展,则城市紧凑性水平降低,城市边界维数增大;反之,则城市紧凑性水平上升,城市边界维数减小。     

基于多源时空信息的西宁和拉萨近70年来城市扩展过程重现及地表覆盖变化分析

西宁和拉萨城市作为青藏高原人类活动的热点地区,其发展历程对青藏高原社会经济发展具有重要影响。研究基于遥感影像、城市规划图和历史地图等资料重建了西宁和拉萨城市1949基准年、1978基准年、1990年、2000年、2010年和2018年城市扩展及2000年以来城市不透水层和绿地空间组分数据,分析了1949基准年以来西宁和拉萨主城区城市扩展的时空特征,揭示了社会经济因素和政策因素对城市土地利用/覆盖变化的影响。研究结果表明：(1)新中国成立以来,西宁和拉萨主城区持续扩展,均呈现非线性的增长态势,城市土地面积分别从1949基准年的1.98 km²和1.10 km²增长到2018年的75.65 km²和76.04 km²;西宁主城区城市扩展呈现十字状的扩展态势,拉萨呈现出圈层外延式的扩展模式;(2)自2000年来,西宁和拉萨城市绿化水平显著提升。2000～2018年,西宁和拉萨城市不透水层面积分别从36.91 km²和21.56 km²增加到55.34 km     

丽江市空间扩展与外部形态演变

由于我国缺乏中小城市的城市扩展研究以及需要对城市空间扩展与外部形态演变关系进行完善,选取长时间序列遥感影像,运用GIS空间分析方法,对丽江市建成区空间扩展和外部形态演变进行探讨。研究表明,丽江市建成区空间扩展具有明显的阶段性和各向异性;在所有研究时段,城市空间均以扇翼模式扩展,具体分为扇翼缓慢扩展型（扩展强度指数最大值<0.2）、扇翼快速扩展型（0.2<扩展强度指数最大值<2.4）和扇翼高速扩展型（扩展强度指数最大值>2.4）3种类型。丽江市建成区外部形态紧凑度指数变化范围为［0.232,0.349］,总体呈缓慢下降趋势,城市内部连通性和集约性下降。外部形态的边界维数变化范围为［1.265,1.299］,总体变化趋势为先震荡减小后缓慢增加,城市形态趋于复杂。城市空间扩展对城市外部形态演变的影响显著,城市空间加速扩展,则城市紧凑性水平降低,城市边界维数增大;反之,则城市紧凑性水平上升,城市边界维数减小。     

基于云平台的中哈干旱区典型城市地表覆盖变化遥感监测与比较

城市地表覆盖组分是影响人居生存环境和城市生态系统服务的关键因素。基于Google Earth Engine平台,利用Landsat 5/8遥感影像数据,采用改进的“植被—不透水面—土壤”模型及线性光谱混合分解方法,提取地处干旱区的中国西部大城市乌鲁木齐市与邻国哈萨克斯坦首都城市努尔–苏丹市、大城市阿拉木图市的地表覆盖信息,对比分析1990~2015年3个城市地表覆盖的变化特征。结果表明：1990~2015年间乌鲁木齐市城市建成区扩张面积最大,扩张了349.81 km²;其次为努尔-苏丹市,城市扩张面积为158.16 km²;由于哈萨克斯坦首都由阿拉木图市迁往努尔-苏丹市,整个时段阿拉木图市城市扩张最慢,总计扩张了126.23 km²。在城市建成区内,1990年到2015年间乌鲁木齐市城市地表不透水组分增加了7.10%,努尔—苏丹市和阿拉木图市分别减少了14.9%、4.49%。建成区内绿地组分努尔—苏丹市从1990年到2015年增加了6.68%;乌鲁木齐市和阿拉木图市分别减少了6.65%和2.75%。城市所表现出来的不同地表覆盖特征乌鲁木齐市主要受国家政策支持,阿拉木图市由于其历史背景和城市规划,努尔—苏丹市城市的快速发展则受哈萨克斯坦迁都的影响。     

Remote Sensing Monitoring and Comparison of Urban Land Cover Changes in Typical Cities in China-Kazakhstan Arid Region based on Cloud Platform

Urban land cover composition is the key factor affecting the living environment and urban ecosystem service. Based on the Google Earth Engine platform, Landsat 5/8 remote sensing image data were used to adopt the improved "Vegetation-Impervious Surface-Soil" model and linear spectral mixed decomposition method. The variation characteristics of land cover in Nur-Sudan, Almaty, Urumqi cities from 1990 to 2015 were compared and analyzed. The results show that the urban built-up area of Urumqi city expanded the largest area of the three cities from1990 to 2015, with an expansion of 349.81 km², followed by Nur-Sultan, with a city expansion area of 158.16 km². As the capital of Kazakhstan was relocated from Almaty to Nur-Sultan, the city of Almaty expanded the slowest during the entire period, with a total expansion of 126.23 km². In the urban built-up area, the urban surface in Urumqi increased by 7.10% from 1990 to 2015, and the Nur-Sultan and Almaty decreased by 14.9% and 4.49%，respectively. The green space component of the built-up area, Nur-Sultan increased by 6.68% from 1990 to 2015, while Urumqi and Almaty decreased by 6.65% and 2.75%，respectively. The different surface cover patterns of cities are different for different reasons. Urumqi is mainly supported by national policies, and Almaty is known for its historical background and urban planning, while the rapid development of Nur-Sudan was affected by the relocation of Kazakhstan.     

The dynamics of urban expansion and land use/land cover changes using remote sensing and spatial metrics: the case of Mekelle City of northern Ethiopia

Information on the rate and pattern of urban expansion is required by urban planners to devise proper urban planning and management policy directions. This study evaluated the dynamics and spatial pattern of Mekelle City’s expansion in the past three decades (1984–2014). Multi-temporal Landsat images and Maximum Likelihood Classifier were used to produce decadal land use/land cover (LULC) maps. Changes in LULC and spatial pattern of urban expansion were analysed by post-classification change detection and spatial metrics, respectively. The results showed that in the periods 1984–1994, 1994–2004, and 2004–2014, the built-up area increased annually by 10%, 9%, and 8%, respectively; with an average annual increment of 19% (100 ha year^?1), from 531 ha in 1984 to 3524 ha in 2014. Between 1984 and 2014, about 88% of the gain in built-up area was from conversion of agricultural lands, which decreased by 39%. Extension of existing urban areas was the dominant growth type, which accounted for 54%, 75%, and 81% of the total new development during 1984–1994, 1994–2004, and 2004–2014, respectively. The spatial metrics analyses revealed urban sprawl, with increased heterogeneity and gradual dispersion in the outskirts of the city. The per capita land consumption rate (ha per person) increased from 0.009 in 1984 to 0.014 in 2014, indicating low density urban growth. Based on the prediction result, the current (2014) built-up area will double by 2035, and this is likely to have multiple socioeconomic and environmental consequences unless sustainable urban planning and development policies are devised.     

Analysing the consistency between built-up areas and human activities and the impacts on the urbanization process: a case study of Zhengzhou,China

Urbanisation is accompanied by drastic urban sprawl and populations gathering in cities. The new urban districts in China have gradually become the most effective form of built-up area expansion, but the corresponding human activities within these built-up areas have not increased at the same rate, which has led to the emergence of urbanisation-related problems, such as ghost cities. However, few studies have focused on the evolution of this inconsistency within a city, especially at multiple scales. Based on Landsat images and the Defense Meteorological Satellite Programme-Operational Linescan System (DMSP-OLS) data, our study calculated the barycentre, the agglomeration degree and the consistency index to quantitatively analyse the spatio-temporal consistency between built-up areas and human activities within a city from 1993 to 2013. A mainstream urban example in China, Zhengzhou, which accepted financial and policy support from the government and underwent rapid urbanisation, was chosen as a case study. The results of this study showed that (1) the consistency between built-up areas and human activities was characterised by an approximately S-shaped curve that divided the city’s development into three stages, namely, relative stability (1993–1998), rapid development exhibiting inconsistency (1998–2008) and the optimisation and matching of spatial factors (2008–2013); (2) the inconsistency stage had two diametrically opposed patterns: the increase in human activities lagged behind the expansion of built-up areas, and the opposite occurred in older areas, which resulted in the emergence of ghost cities in new districts and crowded populations in the old cities; and (3) the inconsistency stage occurs easily; thus attention should be paid during the promotion of urbanisation processes in rapidly developing cities such as Zhengzhou; however, as the urban population increases, under economic development and a policy of unceasing expansion, the area of inconsistency was mitigated after 2010. Our findings illustrated the influence of consistency on built-up areas and human activities in terms of coordinated development within cities and provided a better understanding of the urbanisation process in Chinese cities.     

Spatiotemporal Pattern of Urban-rural Aradient Land Cover Changes and Their Impact on Urban Heat Island in Xi′an City Since the 21st Century

Rapid urban expansion had a significant impact in land use/cover change along urban-rural gradient, and the increase of impervious construction land and the reduction of vegetation cover had induced and aggravated the urban heat island effect. Studying the impact of urban-rural gradient land cover change on urban heat island effect was significant for urban planning and construction, improving the comfort of human settlements and enhancing the function of urban ecological services. The surface temperature of Xi'an city was retrieved by mono-window algorithm based on Landsat images, and the thermal field intensity map was obtained by calculating the thermal field variation index, and the gradient land cover changes in urban and rural areas were analyzed with land use data. The results showed that: ①The urban heat island effect in Xi'an showed a trend of first increasing and then decreasing from 2000 to 2015. In 2000, the extremely strong heat island effect area accounted for 10.58% of the research area, and gradually increased to 16.14% in 2011, and then decreased to 9.00% in 2015. ②From 2000 to 2015, the area of construction land increased 412.76 km² and the intensity of extremely strong heat island expanded year by year with the expansion of urban built-up areas. ③About 70% of the non-heat island effect areas were located on farmland and forest land, and the proportion of water area in the non-heat island effect was increasing year by year from 31% to 47%, which showed that the increase of vegetation and water area could effectively alleviate the urban heat island effect.     

基于2030可持续发展目标的珠三角土地消耗率与人口增长率协调关系评价

量化联合国可持续发展目标SDG 11.3.1“土地消耗率与人口增长率的比率（LCRPGR）”有助于了解城市扩张与人口增长之间的关系,为城市国土空间规划和人口城镇化调控提供数据支撑,并且对指导决策者制定城市增长计划至关重要。基于土地利用产品、夜间灯光数据和人口普查数据,提取了城市建成区,利用地理加权回归模型测算了珠三角地区1 km×1 km格网尺度人口密度。依据SDG 11.3.1指标元数据中定义和公式,对珠三角地区可持续发展进行了可靠评价。结果显示：①1990~2010年珠三角建成区面积扩张4.6倍,城区人口增长3.7倍;②1990~2010年珠三角的LCRPGR值由0.71增长到2.01;城市扩张速度与人口增长速度并非是成比例协调增长关系;③建成区的扩张主要是由耕地和农村居民用地转换而来。综上,自2000年后珠三角地区土地消耗率已经超过人口增长率,城市扩张速度与人口增长速度并非是成比例协调增长关系,二者的差异在增大,应当引起一定注意。     

21世纪以来西安城乡梯度土地覆盖变化及对城市热岛影响时空特征

城市快速扩张导致城乡梯度土地覆盖发生显著的变化,引发不透水地表的增加,植被覆盖的减少,从而加剧了城市热岛强度。研究城乡梯度土地覆盖变化引起的城市热岛效应,并揭示城市热岛的时空特征及强度的变化,对城市规划建设、人居环境改善及提升城市生态系统服务功能具有重要的意义。基于Landsat系列4期影像,利用单窗算法反演西安市地表温度,计算热场变异指数得到热力场强度图并对其进行等级划分,结合土地利用/覆盖类型数据分析城乡梯度土地覆盖变化对城市热岛强度的影响。结果表明：①2000年西安市极强热岛效应区占研究区面积的10.58%,逐渐增加到2011年极强热岛效应区域的面积占比达到16.14%,而后到2015年降低为9.00%,整体上西安市城市热岛效应呈现出了先增长后降低的趋势;②2000年到2015年城乡建设用地面积增加了412.76 km2,极强热岛强度的范围随城市建成区的扩张逐年向外扩展;③无热岛效应区约70%位于耕地和林地,水域在无热岛效应中的占比也在逐年增多,从31%增加到了47%。不透水地表面积占比与地表温度有显著相关性,城乡梯度植被和水体面积的增加可以有效地缓解城市热岛强度。