本科毕业设计(论文)

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1987年至2017年美国，中国和日本四个主要海湾地区城市群的时空演变：来自遥感影像的证据

作者：Chao Yang, Qingquan Li, Zhongwen Hu, Junyi Chen, Tiezhu Shi, Kai Ding, Guofeng Wu

国籍：China

出处：Science of the Total Environment

中文译文：

摘 要：作为具有强大城市化能力的主要城市群，很少就全球海湾地区的城市扩张的时空演变进行了详细比较。在这项工作中，应用了一个框架体系来检测和比较四个主要海湾地区城市群的时空演变：美国的旧金山湾区、纽约湾区、日本的东京湾区以及广东省-中国香港-澳门（GHM）海湾地区。利用1987年、1997年、2007年和2017年的Landsat图像，使用面向对象支持向量机（O-SVM）分类方法得到四个海湾地区的城市区域，并应用多尺度空间分析方法检测景观特征和城市扩张的增长类型。结果表明：(1)O-SVM分类方法在市区提取中具有较高的准确率，特别是对大型图像的分类。(2)1987年至2017年，旧金山湾区，纽约湾区，东京湾区和GHM湾区的市区面积分别从1686.82、53159.93、3765.09和605.71kmsup2;扩大至2714.7、8359.18，5351.06和7568.19kmsup2;，年均增长分别为1.60％、1.52％、1.18％和8.82％；(3)GHM湾区在四个湾区中扩张面积和比例最大；(4)旧金山湾区和纽约湾区相继形成了多核带状模型，东京湾区和GHM湾区分别形成了多核扇形模型和三角形带状扩展模式；(5)这些海湾地区城市扩张的空间格局从外围扩张转变为边缘扩张和填充扩张，其中东京湾地区和纽约湾地区经历了最大的填充增长，而旧金山湾区紧随其后其后，并且所有这些都超过了GHM海湾地区。这些结果将有助于对这些海湾地区的理解和可持续发展。

关键词：城市化；时空变迁；遥感；海湾地区

1.简介

在过去的几十年中，城市扩张以前所未有的速度发生，居住在城市地区的人口数量从1950年的30％增加到2014年的54％(世界银行，2015)。近年来，全球城市面积的增长速度约为城市人口增长的两倍，预计到2030年将增长至三倍(Angel等，2011；Seto等，2012)。城市扩张是土地利用/覆被变化的一种主要形式(Turner等，2007)，影响着本地和全球的生态系统(Zhao等，2006；Shen等，2008)。同时，这不仅带来了社会经济问题的变化(Bloom等，2008；Seto和Ramankutty，2016)，而且是重要的地理空间过程(Jiao等，2015)。然而，尽管人口城市化已经又许多研究证明，但在不同城市和城市群之间对城市化的地理空间过程的理解还相对较少(Caligrave;和Menon，2013;Gianotti等，2016;Huang等，2007;Zhang等)等人，2016a，2016b)。对城市化的认识、生态影响评估、城市扩张的驱动力分析、城市规划和管理以及城市增长预测都必须进行定量的城市化表征(Clarkeand Gaydos，1998;Zhao等，2006;Allen和Lu，2003)。

遥感(RS)方法已被广泛用于研究城市扩张。RS方法因其在揭示城市土地扩张和描述时空格局方面十分有效而受到重视(Weng，2001;Xiao等，2006;Wang等，2012;Fenta等，2017;Zhao等，2018)，他们与地理信息系统(GIS)相结合，在城市扩展研究中产生了高质量的结果(Mundia和Aniya，2005;Qiu，2009;Balogun等，2011;Fei，2010;Wang等，2017)。城市扩张的多尺度分析方法也可以用来全面反映城市扩张的程度和时空特征。此外，借助景观生态学方法的发展，例如景观度量(Herold等，2002；Weng，2007；Jiao等，2015)，斑块动力学(Pickett和Rogers，1997)和梯度分析(Luck和Wu，2002;Cao等，2014)，可以体现城市扩张的时空格局和动态变化(Batisani和Yarnal，2009;Jiao等，2015;Shen等，2017)。将遥感数据和GIS与景观生态学方法相结合，已经进行了许多研究来量化世界各地不同城市的城市扩张(Seto等，2011；He等，2014)。

为了获得城市扩张的动态信息，经常使用三种主要类型的数据：来自公共机构的社会经济统计数据(Fang，2009；Jiangand Zhang，2016)，以国防气象卫星为代表的夜间卫星数据。Linescan System(DMSP/OLS)(Huang等，2009；Lu等，2010)和光学遥感图像，例如具有低空间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)，具有中等分辨率的Landsat卫星序列和具有高分辨率的SPOT/QuickBird(Imhoff等，1997;Zhang和Seto，2013;Mertes等，2015;Xin等，2017;Lu等，2018)。空间信息不足以提供社会经济统计数据，而高分辨率遥感影像的地理覆盖范围是十分有限的(Liu等，2012)。尽管夜间卫星数据和传统的低分辨率遥感图像可用于大规模获取城市扩张信息，它们不能全面反映城市扩张的时间演变和细节变化，并且还受其空间或时间分辨率的限制(Zhangand Seto，2013)。因此，具有中等空间分辨率和较长时间分辨率的Landsat系列影像具有大规模反映城市化过程的潜力。

美国的旧金山湾区和纽约湾区，日本的东京湾区以及中国的粤港澳大湾区都是全球主要的城市群。四个海湾地区城市群的形成与其历史，文化和经济以及其他因素密切相关。例如，第二次世界大战前，许多城镇分布在旧金山湾区，第二次世界大战后，许多中产阶级公民和资本家迁移到了该湾区，从而促进了城市发展。从1980年代开始，由于硅谷高科技产业的繁荣，移民数量迅速增长，形成了城市群的雏形(Nolte，2012年)。1950年代后，纽约湾区致力于发展高科技产业，因此，生产力的发展不仅改变了生产方式，而且改变了人们的生活方式。具体来说，汽车的普及，交通系统的完善和中心城市的衰落使更多的人流向郊区，这导致城市土地的迅速扩张，并最终形成了跨越城市边界的城市群(彭(Peng)，2006)。东京湾地区城市群的发展分为两个阶段：第二次世界大战之前和第二次世界大战之后。城市群的基础是在第二次世界大战之前形成的，但是城市化进程却在第二次世界大战期间放慢了速度。自1960年代以来，日本的新干线实现了东京与其他城市之间的无缝连接，从而加速了人口增长并促进了服务业和高科技产业的发展，因此促进了城市群的快速发展(Peng，2006;Zhang，2010))。与GHM海湾地区相比，美国和日本这三个海湾地区的城市化发展相对较早。GHM湾区的快速城市化始于1978年中国的改革开放(Yeh和Li，1997；Zhang等，2016a，2016b)。通常，纽约和旧金山湾区的城市群发展遵循城市化，郊区化，反城市化和重新城市化的过程，而东京湾区则经历了城市化，郊区化和重新城市化的过程，GHM湾区目前正处于从高速城市化到郊区化的过渡时期。

目前，许多研究主要强调城市扩张城市或个体城市集聚(Mundia和Aniya，2005；Xiao等，2006；Shimoni等，2015；Sun和Zhao，2018)，在很长一段时间内很少有研究比较城市间的集聚，它们的数据集在空间上都是一致的，因此很少采用景观生态学方法来检测城市群的演变。这项研究旨在使用Landsat影像从1987年至2017年对上述四个海湾地区的城市群的时空演变进行量化和比较，以：(1)应用一个有效检测城市群的时空演变的框架，(2)量化每个海湾地区城市化的时空格局，(3)检测每个集聚区的城市化程度，(4)比较景观指标的时间变化，空间明确的城市增长模式和城市化的总体趋势。希望这项研究的结果有助于这些海湾地区的认识和可持续发展。

2.数据与方法

2.1研究区

旧金山湾区，纽约湾区，东京湾区和GHM湾区(图1)过去几十年的城市化进程一直表现出色，特别是GHM湾区(Zhangand Weng，2016;Shi等，2018)。四个海湾地区拥有大量的高科技产业，金融服务，文化产业和教育资源，而且它们的人口密度也很高，尤其是东京湾地区和GHM湾地区(表1)。旧金山湾区覆盖九个县，分别是旧金山，索诺玛，索拉诺，圣克拉拉，圣马特奥，纳帕，马林，孔戴科斯塔和阿拉米达(图1a)。纽约湾区也称为纽约大都市区，由31个城市组成，横跨纽约州，康涅狄格州和新泽西州(图1b)。东京湾地区位于关东平原的南部，与太平洋相邻，主要由半岛和三浦半岛组成，其中包括神奈川，崎玉、千叶和东京等四个县。GHM湾区位于中国南部，毗邻南太平洋，包括十一个城市，分别是肇庆，江门，中山，东莞，惠州，佛山，珠海，深圳，广州，澳门和香港(图1d)。表1中列出了有关四个海湾区域的更多详细信息。

表格 1有关旧金山，纽约，东京和广东-香港-澳门湾地区的信息

图 1四个海湾地区的位置和行政区划：(a)旧金山(b)纽约(c)东京和(d)粤港澳

2.2数据源

从USGS全球可视化查看器(GloVis)下载了1987年，1997年，2007年和2017年的84个Landsat Thematic Mapper(TM)和Operational Land Imager(OLI)图像，覆盖了四个研究区域(表2)。https://glovis.usgs.gov/).这些图像具有六个(对于TM)或八个(对于OLI)30times;30m空间分辨率多光谱波段和一个15times;15m分辨率全色波段。

2.3方法

本研究采用以下方法框架来检测城市群的时空演变，它包括四个步骤：数据预处理，市区提取和精度评价，城市扩张格局分析和城市景观格局分析(图2)。

2.3.1数据预处理，市区提取和精度评价

软件ENVI 5.2(https://www.harrisgeospatial.com)被用来预处理下载Landsat TM / OLI图像，包括波段组合，FLAASH大气校正，图像镶嵌和图像子集。大气校正的目的是消除大气和光照对地面物体反射率的影响，并获得近表面反射率。一种面向对象的支持向量机(O-SVM)分类方法，该方法整合了新型双层尺度集模型(BSM)(Hu等人，2016)和支持向量机(SVM)(Vapnik，1995；Brown等人，2000；Li等(2010)对土地覆盖类型进行了分类，包括森林，农田/草地，耕地/裸露土地，城市用地和水体。O-SVM可以将BSM处理大型图像的高效性(Hu et al.，2016)和SVM使用小训练集的高精度性(Foody and Mathur，2004)结合起来；因此，O-SVM方法比其他方法更有效，可以管

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