基于多源遙感數(shù)據(jù)的寶雞市城市擴(kuò)展分析

張蓓蓓，吳曉榮

(寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

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基于多源遙感數(shù)據(jù)的寶雞市城市擴(kuò)展分析

張蓓蓓，吳曉榮

(寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

摘要：以寶雞市城市規(guī)劃區(qū)為研究對象，使用多時相遙感圖像研究寶雞市城市擴(kuò)展，采用1988～2015年間，5個時相的遙感影像為數(shù)據(jù)源，采取非監(jiān)督分類與人工目視相結(jié)合的方法，制成城區(qū)圖，并結(jié)合寶雞市的自然狀況、社會經(jīng)濟(jì)狀況、人口、交通、政策等情況，對寶雞市近27年的城市建設(shè)用地在不同時期的城市擴(kuò)展特征、擴(kuò)展方式和速度進(jìn)行研究，并對其擴(kuò)展的驅(qū)動力因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：寶雞市在近27年間城市建成區(qū)面積持續(xù)擴(kuò)大，各時期的城市擴(kuò)展速率和擴(kuò)展強(qiáng)度基本一致，建成區(qū)重心逐步向東發(fā)展。

關(guān)鍵詞：RS；GIS；寶雞市；城市擴(kuò)展研究；城市重心遷移

0引言

城市化已成為人類活動改造自然環(huán)境的主要方式之一[1]，其使城市用地規(guī)模逐步擴(kuò)大，特別是城市建設(shè)用地，最直接的表現(xiàn)是城市擴(kuò)展[2]。遙感以其快速、準(zhǔn)確、實(shí)時和周期短等特點(diǎn)，成為研究城市時間序列擴(kuò)展的最佳方法，在城市空間結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測方面具有優(yōu)勢，并逐漸成為遙感應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，已經(jīng)形成、應(yīng)用和發(fā)展了許多種擴(kuò)展監(jiān)測和分析方法，能提高對建成區(qū)面積監(jiān)測的準(zhǔn)確度[2-5]。Landsat遙感影像分辨率較高，可以很好地識別城市建成區(qū)范圍，被廣泛應(yīng)用于研究城市空間擴(kuò)展[2]。

我國學(xué)者對此進(jìn)行了大量的區(qū)域性研究，但大部分研究針對東部發(fā)達(dá)地區(qū)，比如穆曉東基于北京市8個時相的TM數(shù)據(jù)，對北京市1984～2007年間的城市擴(kuò)展進(jìn)行研究，結(jié)合城市分形維數(shù)、緊湊度、擴(kuò)展強(qiáng)度和擴(kuò)展速率4個指數(shù)，對城市擴(kuò)展的數(shù)量特征、形態(tài)變化、空間特征進(jìn)行分析[3]。李飛雪[6]、廖從健[7]等利用RS和GIS分別對南京、杭州的城市擴(kuò)展進(jìn)行了研究。徐新良等[8]對現(xiàn)在的城市擴(kuò)展研究進(jìn)行總結(jié)并對其趨勢進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)展形成多學(xué)科交叉研究的局面，目前以元胞自動機(jī)和分形理論在城市擴(kuò)展的研究中應(yīng)用較多，強(qiáng)調(diào)了數(shù)理方法和尺度在城市擴(kuò)展研究中的重要性，指出深入對全國范圍城市擴(kuò)展特征和規(guī)律的全面認(rèn)識，是中國未來城市擴(kuò)展研究的重要方向。

但基于RS和GIS的寶雞市城市擴(kuò)展研究較少，楊波關(guān)于寶雞市的城市擴(kuò)展有研究，但只選擇了三期的遙感影像[9]，徐春迪等[10-11]基于RS和GIS技術(shù)，主要針對寶雞市土地利用/土地覆被變化(LUCC)進(jìn)行研究，因此，深入研究寶雞市城市擴(kuò)展趨勢和擴(kuò)展方向?qū)氹u市城市規(guī)劃和調(diào)控建設(shè)具有重要意義。

寶雞作為陜西省的第二大城市和關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的一個副中心城市，提出了“力爭到2020年，市區(qū)建成區(qū)面積達(dá)到143 km2，市區(qū)人口達(dá)到130萬人”的目標(biāo)，寶雞市要在大城市建設(shè)上實(shí)現(xiàn)突破，必須要拓展城市空間，這將推動寶雞市新一輪城市規(guī)模擴(kuò)展。本文選取寶雞市的城市規(guī)劃區(qū)作為研究區(qū)域，它涵蓋了寶雞市渭濱區(qū)、陳倉區(qū)和金臺區(qū)的部分地區(qū)，近些年城市化進(jìn)程逐步加快，對研究寶雞市城市擴(kuò)展面積的動態(tài)變化和擴(kuò)展方向具有代表性(圖1)。運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，將1988～2015年間5個時相陸地衛(wèi)星(TM、ETM+等專題數(shù)據(jù))的遙感影像作為數(shù)據(jù)源，對寶雞市近27年來城市的擴(kuò)展信息進(jìn)行提取，并對其進(jìn)行研究，選取城市擴(kuò)展速率、城市擴(kuò)展強(qiáng)度和城市重心遷移等指標(biāo)，結(jié)合寶雞市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)劃方案，對未來寶雞市城市擴(kuò)展的方向進(jìn)行了初步預(yù)測。

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)概況

寶雞市轄3區(qū)9縣，地處東經(jīng)106°18′～108°03′，北緯33°35′～35°06′，常住人口372.7萬人，東西長156.6 km，南北寬160.6 km，總面積18117 km2，其中市區(qū)面積3625 km2。位于陜西中部，關(guān)中西部，東接咸陽，南連漢中，西北與甘肅省的平?jīng)龊吞焖?圖2)，具有南、西、北三面環(huán)山，以渭河為中軸向東拓展，呈尖角開口槽形的特點(diǎn)[12]。其是陜、甘、川、寧四省毗鄰地區(qū)的區(qū)域性中心城市，是連接中原與西北、西南的重要通道，在西部區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有“承東啟西、聯(lián)南濟(jì)北”的戰(zhàn)略地位[13]。隴海、寶成、寶中、西寶客運(yùn)專線等多條鐵路在此交匯，西寶高速、寶天高速、國道G310、國道G316以及110多條支干線公路連接?xùn)|西南北，“三縱五橫”公路網(wǎng)基本形成，交通優(yōu)勢明顯。

1.2數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源本文所采用的數(shù)據(jù)是寶雞市1988～2015年5個時期的TM/ETM+遙感影像，由于寶雞市處于西北干旱區(qū)，霧天少，所獲遙感影像無云層覆蓋，圖像清楚，質(zhì)量較好[14]。2000年以后寶雞市城市化進(jìn)程逐步加快，因此在遙感影像的選取上，2000年以后的影像時間段更加密集。研究還收集了寶雞市1∶50000的地形圖、寶雞的行政區(qū)劃圖、寶雞的土地利用現(xiàn)狀圖，及其它社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料。其中衛(wèi)星遙感影像主要用于提取寶雞市城市擴(kuò)展的動態(tài)信息，地形圖用于對寶雞市的遙感影像進(jìn)行幾何精糾正，統(tǒng)計資料主要用于對寶雞市城市擴(kuò)展的驅(qū)動力機(jī)制進(jìn)行分析。所獲遙感影像信息如表1。

圖1　寶雞市的行政區(qū)劃圖

圖2　寶雞市區(qū)域位置圖

數(shù)據(jù)類型成像日期/(年/月/日)分辨率軌道號衛(wèi)星TM1988/09/1530P128/r36LANDSAT5ETM+2000/05/1915P128/r36LANDSAT7TM2005/05/0930P128/r36LANDSAT5TM2009/06/0530P128/r36LANDSAT5ETM+2015/01/2115P128/r36LANDSAT7

1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理將數(shù)據(jù)加載到ERDAS 9.2軟件中，通過Interpreter模塊中的Layer stack波段合成功能，依次將各年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，生成多波段影像數(shù)據(jù)文件并保存。對5個時期的遙感影像運(yùn)用ERDAS IMAGINE 9.2軟件中的Raster功能對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，每個數(shù)據(jù)選取30～35個GCP，得到寶雞市具有幾何高精度的TM以及ETM+影像圖。因P128/R36圖幅跨越的區(qū)域較大，為了更好地計算研究區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)和提高電腦處理性能，需要對圖幅進(jìn)行不規(guī)則裁剪，通過ERDAS 9.2軟件中的AOI功能建立一個不規(guī)則的多邊形(包含研究區(qū)在內(nèi)并且適當(dāng)放大區(qū)域)，然后通過Data Preparation里面的Subset Image功能對圖像進(jìn)行裁剪，得到小幅地圖。通過5×5的卷積運(yùn)算對圖像處理，有效地去除了高頻模糊度或低頻模糊度部分。為了更好地突出寶雞市城市建成區(qū)，需要在分析影像波譜特征的基礎(chǔ)上選擇最佳波段組合，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)融合742波段，對其經(jīng)過拉伸變換，能很好地突出城市邊界，更好地反映出水體區(qū)域。將從遙感影像中提取出的圖像加入到Arcgis中，對不同時期的城區(qū)圖像進(jìn)行疊加分析，得到寶雞市各個時間段的城市擴(kuò)展圖，并通過Arcgis中的統(tǒng)計分析功能，獲得不同時期城市建成區(qū)的面積[15]。

1.3研究方法

1.3.1城市擴(kuò)展信息提取非監(jiān)督分類運(yùn)用ISODATA算法，按照像元的光譜特性進(jìn)行統(tǒng)計分類，使用該方法時，原始圖像的所有波段都參與分類運(yùn)算，分類結(jié)果往往是各類像元數(shù)大體等比例。通過非監(jiān)督分類和人工目視分類相結(jié)合的方法，提取寶雞市城市擴(kuò)展信息，并將提取的信息轉(zhuǎn)換為coverage文件，便于在Arcgis中進(jìn)行分析。

1.3.2時空特征分析研究選取2個指標(biāo)對城市擴(kuò)展的時空特征進(jìn)行分析：擴(kuò)展速率、擴(kuò)展強(qiáng)度。擴(kuò)展速率和擴(kuò)展強(qiáng)度都是描述城市擴(kuò)展數(shù)量特征的指標(biāo)。擴(kuò)展速率表示在某一時段內(nèi)城市平均擴(kuò)展面積；擴(kuò)展強(qiáng)度則表示年際城市面積增長比率[3]。定義如下：

式中V為擴(kuò)展速率，R為擴(kuò)展強(qiáng)度，Ub為研究末期城市用地面積，Ua為研究初期城市用地面積，T為時間間隔[3]。

1.3.3城市重心遷移分析利用Arcgis軟件，獲取研究區(qū)5個時期的城市重心，具體方法是先求出各個小區(qū)域的質(zhì)心，再在各個區(qū)域的質(zhì)心連成面，再一次求出這個質(zhì)心而得到各個年份建成區(qū)重心，將5個時期的重心連接，制成城市重心變化圖。

2城市擴(kuò)展分析

2.1城市空間擴(kuò)展特征分析

將寶雞市1988、2000、2005、2009、2015年的城區(qū)圖導(dǎo)入Arcgis中進(jìn)行疊加分析，獲得寶雞市的城市擴(kuò)展過程的疊加分析圖(圖3)。然后，根據(jù)我們所采用的5個時相的遙感影像，將寶雞市城市擴(kuò)展過程分為4個階段：分別是1988～2000、2000～2005、2005～2009、2009～2015年，各個階段的空間擴(kuò)展如圖3所示。

圖3　寶雞市1988～2015年城區(qū)擴(kuò)展圖

至1988年，寶雞市在老城區(qū)周圍以自然蔓延方式緩慢擴(kuò)展，城市用地主要分布在經(jīng)二路、姜城堡、上馬營、譚家村、福臨堡新工業(yè)區(qū)、下馬營工業(yè)區(qū)(寶雞有色金屬加工廠)和八里橋工業(yè)區(qū)等地區(qū)[9]。

1988～2000年間，城市擴(kuò)展區(qū)域分布零散，大部分是在原有城區(qū)的基礎(chǔ)上對外進(jìn)行小規(guī)模的擴(kuò)展，主要以東風(fēng)路、寶光路、火炬路、西寶高速為擴(kuò)展軸向外發(fā)展，最大擴(kuò)展區(qū)域在陳倉區(qū)虢鎮(zhèn)。

2000～2005年，寶雞市建成區(qū)面積迅猛擴(kuò)展，城市擴(kuò)展規(guī)模大，以城市內(nèi)部填充和蔓延擴(kuò)展為主，城市擴(kuò)展強(qiáng)度提高，沿渭河兩岸城市建成區(qū)呈條帶狀發(fā)展迅速。主要是因?yàn)?992年國務(wù)院批準(zhǔn)建立寶雞高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)之后，城鄉(xiāng)結(jié)合部發(fā)展起來。這一時期主要的擴(kuò)展區(qū)域是在寶雞市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，其次是代家灣和陳倉區(qū)虢鎮(zhèn)。

2005～2009年，寶雞市城市發(fā)展較快，用地需求量大，其城市擴(kuò)展模式以連接式發(fā)展為主，以鑲嵌式發(fā)展為輔，沿渭河南岸持續(xù)向南、向東方向擴(kuò)展，整個城市完成東西對接連為一體，對寶雞市一體化發(fā)展影響重大。以寶雞市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)東區(qū)城市擴(kuò)展速度最快，其擴(kuò)展面積也最大，這在一定程度上受政策和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響[2]。

2009～2015年，城市發(fā)展以跳躍式發(fā)展為主，東-西方向是主要的擴(kuò)展方向，因?yàn)閷氹u市實(shí)施行政中心東移，政府工作人員搬離市區(qū)，遷址距市中心10 km外的代家灣，減輕了中心城區(qū)的交通壓力，為寶雞商業(yè)中心的發(fā)展和市場流通留出空間，為寶雞市向東發(fā)展提供了前提條件。

2.2城市擴(kuò)展數(shù)量分析

通過Arcgis中的統(tǒng)計分析功能，得到寶雞市各個時期的城市建成區(qū)面積，1988年寶雞市的城市建設(shè)用地面積為2999.70 hm2，2000年面積為4374.42 hm2，2005年面積為7013.59 hm2，2009年的面積為8167.97 hm2，2015年的面積為10878.88 hm2，27年間城市建成區(qū)面積擴(kuò)大了3.63倍，凈增加面積為7879.18 hm2，年均擴(kuò)展291.82 hm2。寶雞市各時段的城市擴(kuò)展速率、擴(kuò)展強(qiáng)度如表2所示。

表2　寶雞市1988～2015年城市面積變化情況

計算結(jié)果表明，寶雞市各個時間段的城市擴(kuò)展特征差異顯著。1988～2000年寶雞市的城市擴(kuò)展速率為114.56 hm2/年，擴(kuò)展強(qiáng)度為3.82%，說明這一時期寶雞市城市擴(kuò)展相對緩慢；2000～2005年，擴(kuò)展強(qiáng)度為12.07%，相比于前一時期，寶雞市城區(qū)高速擴(kuò)展，其城市擴(kuò)展速率是1988～2000年的擴(kuò)展速率的近5倍；2005～2009、2009～2015年寶雞市的擴(kuò)展強(qiáng)度分別為4.11%、5.53%，說明寶雞市2005～2015年城市擴(kuò)展出現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，以386.53 hm2/年的速度擴(kuò)展。由此可見，寶雞市的擴(kuò)展速率與擴(kuò)展強(qiáng)度的變化基本一致，擴(kuò)展速率與擴(kuò)展強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在2000～2005年，發(fā)展相對均衡。1988年來，寶雞市不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并于1992年興建國家級開發(fā)區(qū)、改造并完善建成區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，注重城市道路的發(fā)展，城市工業(yè)快速發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)了城市建成區(qū)的擴(kuò)展。

2.3城市重心遷移分析

城市重心作為反映城市擴(kuò)展方向軌跡的一個非常重要的指標(biāo)，在研究城市的擴(kuò)展過程中有著十分獨(dú)特的價值[16]。本文利用Arcgis軟件，獲取研究區(qū)的5個時期的城市重心，將5個時期的城市重心連接，制成城市重心變化圖(圖4)，其重心坐標(biāo)信息見表3。

表3　不同時期寶雞市建成區(qū)重心坐標(biāo)

從重心的緯度變化來看，1988～2015年緯度變化不明顯。從重心的經(jīng)度變化來看，1988～2005年，經(jīng)度減小，表現(xiàn)為城市向西發(fā)展，2005～2015年，經(jīng)度上升，在具體區(qū)域中表現(xiàn)為城市不斷向東發(fā)展。近十年來城市重心東移的原因：寶雞市在在三面環(huán)山的地形限制下，使得寶雞市向東擴(kuò)展空間，其次是寶雞市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的設(shè)立，政府政策上的鼓勵和優(yōu)惠，以及便捷的交通。

圖4　1988～2015年寶雞市城市重心變化

3寶雞市城市擴(kuò)展的驅(qū)動力分析

3.1自然條件

寶雞市地跨渭河兩岸，南、西、北三面環(huán)山，城市用地擴(kuò)展受地形制約大，自由度較小，限制了寶雞市城市擴(kuò)展的方向。渭河的阻隔使得渭河兩岸在發(fā)展上有差異，三面環(huán)山的條件使得寶雞市逐漸形成東-西方向的城市擴(kuò)展軸。

3.2經(jīng)濟(jì)因素

城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要依靠第二、三產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加收入。但一個地區(qū)的土地是有限的，發(fā)展第二、三產(chǎn)業(yè)，必將占用城市周圍的土地，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，增加城市建成區(qū)面積。圖5是寶雞市1988～2013年的地區(qū)生產(chǎn)總值的變化情況，從圖中得出，寶雞市1988～2013年地區(qū)生產(chǎn)總值逐年增長，2000年以后增長速度加快，這與寶雞市1988～2013年的城市擴(kuò)展速率一致，由此可見，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市擴(kuò)展的直接動力。

圖5　寶雞市1988～2013年地區(qū)生產(chǎn)總值

3.3人口因素

人口因素一直是社會經(jīng)濟(jì)因素中十分重要的影響因素，是推動城市用地規(guī)模擴(kuò)展的內(nèi)在動力[17]。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致大量的人口進(jìn)入城市，占用城市的資源，促進(jìn)了城市建成區(qū)的擴(kuò)展。圖6是寶雞市1988～2013年的人口變化情況。

3.4交通因素

城市發(fā)展必須依托一定的交通設(shè)施,城市內(nèi)部與外部以及各個城市之間的聯(lián)系主要通過交通來完成[18]。寶雞市形成了干支結(jié)合、四通八達(dá)的交通格局，交通優(yōu)勢明顯。交通線建成后，其靠近交通線的優(yōu)勢，能吸引大量企業(yè)投資建廠，擴(kuò)大建成區(qū)面積。

圖6　寶雞市1988～2013年人口統(tǒng)計

3.5政策因素

經(jīng)濟(jì)政策、城市總體規(guī)劃和詳細(xì)規(guī)劃、行政區(qū)劃調(diào)整等政策因素也是造成城市空間擴(kuò)展的主要原因。寶雞市1992年11月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立的國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，分為科技創(chuàng)業(yè)園和新區(qū)兩部分。2003年寶雞市進(jìn)行區(qū)劃調(diào)整，設(shè)立寶雞市陳倉區(qū)。2007年寶雞市行政中心東遷，帶動了整個城市的東擴(kuò)南移，促進(jìn)了寶雞市建成區(qū)面積向東發(fā)展。

4結(jié)論

運(yùn)用RS與GIS技術(shù)對寶雞市1988～2015年的城市擴(kuò)展情況進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：1988～2015年間寶雞市以老城區(qū)為中心向四周擴(kuò)展，27年間城市擴(kuò)展速度快，截止到2015年，寶雞市的城市面積已達(dá)到1988年的3.63倍，其中1988～2000年城市建成區(qū)面積緩慢增長，2000～2005年寶雞市城市建成區(qū)面積迅猛增長，2005～2009年出現(xiàn)穩(wěn)定增長，2009～2015年出現(xiàn)持續(xù)增長。

寶雞市在地形和政策的推動下，建成區(qū)重心逐步向東的趨勢明顯。寶雞市城市擴(kuò)展最主要的驅(qū)動因素是自然、經(jīng)濟(jì)、人口、交通、政策等，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了交通、政策的完善，同時也帶動了人口的增加和流動，這些因素反之又影響城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促使城市建成區(qū)面積擴(kuò)大，要求我們合理規(guī)劃建設(shè)用地，提高土地利用率。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Analysis of Urban Expansion Based on Multi-source

Remote Sensing Data in Baoji City

ZHANG Bei-bei, WU Xiao-rong

(Baoji University of Arts and Sciences, Key Laboratory of Disaster Survey and Mechanism Simulation of Shaanxi Province, Baoji 721013, China)

Abstract：In this study, the multi-temporal remote sensing data was used to analyze the expansion of Baoji city by the city planning region. The five different periods of remote sensing images during 1988～2015 were used as data sources, combined the unsupervised classification and visual interpretation methods to made urban expansion map, and then according to natural conditions, socio-economic status, population, transportation and policy in Baoji city, the expansion characteristics, mode and speed of Baoji city in the past 27 years were studied under different periods, while the driving forces of urban expansion were also analyzed. The results showed that: In nearly 27 years, the city built-up regions continue to expand. Urban expansion rate and expansion intensity in each period was consistent. The City centre was gradually developed to the east.

Key words：RS; GIS; Baoji City; Urban expansion studies; City center migration

中圖分類號：F293.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)01-0104-05

作者簡介：張蓓蓓(1983─)，女，河南沈丘人，講師，博士，主要從事生態(tài)學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK15035)。

收稿日期：2015-05-12