基于Landsat的南通市建成區(qū)擴(kuò)展研究

范紫靈，周 侗，王秋蘇，張瑞嘉，盛英豪，錢 振

（南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇·南通 226007）

隨著蘇通大橋的建成通車，南通正式納入上海一小時(shí)都市圈范圍[1]，區(qū)位優(yōu)勢(shì)不斷增強(qiáng)，其建成區(qū)擴(kuò)展變化也日趨顯著。建成區(qū)反映一個(gè)區(qū)域的城市化范圍，通過研究建成區(qū)擴(kuò)展變化，得出建成區(qū)擴(kuò)展速度、擴(kuò)展方向等結(jié)果，對(duì)今后南通市的發(fā)展規(guī)劃及政府決策具有重要參考價(jià)值。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的建成區(qū)擴(kuò)展模式及其驅(qū)動(dòng)因素做了大量研究[2-4]；應(yīng)用GIS和RS技術(shù)，以較為宏觀的遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用不同測(cè)度指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建成區(qū)的擴(kuò)展進(jìn)程及其形態(tài)變化；選用城市分維數(shù)指標(biāo)來衡量建成區(qū)的分維特征，應(yīng)用緊湊度指標(biāo)來分析擴(kuò)展的合理性，對(duì)建成區(qū)的擴(kuò)展情況進(jìn)行空間形態(tài)分析[5]；通過對(duì)PALSAR和陸地衛(wèi)星圖像的分析，提出一種識(shí)別和映射建成區(qū)面積的決策樹方法，定量分析復(fù)雜的城鎮(zhèn)地區(qū)的建成區(qū)的建筑面積的年變化[6]；利用擴(kuò)展彈性系數(shù)等方式研究建成區(qū)擴(kuò)展的時(shí)空變化[7]。本文在文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上，利用多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)南通市1995-2015年的建成區(qū)的擴(kuò)展速度及擴(kuò)展方向進(jìn)行分析，探討影響南通市建成區(qū)的擴(kuò)展速度及擴(kuò)展范圍的因素。

1 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

南通位于江蘇省東南部，沿江靠海，與上海隔江相望，“據(jù)江海之會(huì)、扼南北之喉”，被譽(yù)為“北上海”。處于北緯 31?41'～32?43'、東經(jīng) 120?12'～121?55'之間。土地面積約8600km2，人口780多萬。它是中國的“江海門戶”，同時(shí)也是最早的14個(gè)沿海對(duì)外開放城市之一[9]，是長(zhǎng)江流域進(jìn)出物資的轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的重要港口城市。本文的研究范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Research area

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本課題所需遙感數(shù)據(jù)涉及到1995年Landsat 5、2000年到2013年Landsat 7、2013年到2015年Landsat 8的多時(shí)相TM、ETM+和OLI衛(wèi)星遙感影像，研究過程包括5個(gè)時(shí)相，時(shí)間跨度20年。遙感影像數(shù)據(jù)表示如表1：

表1 不同年份數(shù)據(jù)源Table 1 Data sources for diあerent years

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

對(duì)收集的1995、2000、2005、2010、2015年5期質(zhì)量較高的遙感影像進(jìn)行大氣校正，輻射定標(biāo)等處理，采用多項(xiàng)式法進(jìn)行幾何精校正，誤差在1個(gè)像元以內(nèi)，經(jīng)圖像增強(qiáng)后做分區(qū)裁剪處理，得到各年份各區(qū)圖像。

自歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）被引入以來，已有不少歸一化差異性指數(shù)被提出，本文主要采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化建筑指數(shù)（NDBI）進(jìn)行建成區(qū)的提取工作。楊山、查勇等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)用地的灰度值在TM4和TM5波段之間與其他的地物呈現(xiàn)相反增長(zhǎng)趨勢(shì)，由此提出了NDBI計(jì)算公式[10-11]。

式中，MIR為中紅外波段，NIR為近紅外波段。在TM影像中，分別為5波段和4波段。從公式（1）可以看出，NDBI值在-1與1之間變化，提取NDBI大于0的值為建成區(qū)。但是，建筑用地在TM4和TM5波段之間的反差并不是特別明顯，并且存在其他地物類型在5波段的反射率大于4波段反射率的情況，認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)， 勇等提出采用NDBI-NDVI的方法來進(jìn)行建成區(qū)的提取。

2.2 研究方法

擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是研究城市擴(kuò)展特征的常用指標(biāo)，用來表示城市擴(kuò)張程度和城市擴(kuò)張速度[12]。根據(jù)所提取的南通市近20年建成區(qū)面積數(shù)據(jù)，使用此方法使得各市轄區(qū)中不同時(shí)期的土地利用擴(kuò)展能夠做定量化比較。本文基于擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)的方法提出了建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)指標(biāo)BEII(Build-up Expand Intensive Index)。

BEII定義為研究區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，BEIB、BEIA分別為研究末期和初期的建成區(qū)面積，TLA為土地總體面積。

擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)的公式為：

南通市各市轄區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)以及擴(kuò)展面積如表2：

表2 南通市各市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與面積統(tǒng)計(jì)表Table 2 The expansion intensity index and area statistics of built-up districts in Nantong

3 結(jié)果分析

3.1 南通市轄區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展速度變化

由南通各市轄區(qū)根據(jù)研究數(shù)據(jù)得到建成區(qū)擴(kuò)展面積比折線圖如圖2(a)，南通各市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展面積均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，變化上存在較大差異。崇川區(qū)建成區(qū)近20年所占比均高于其他三個(gè)區(qū)。分析各市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)變化（圖2(b)），崇川區(qū)擴(kuò)展指數(shù)峰值的出現(xiàn)明顯早于另三個(gè)區(qū)，2000-2015年呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且崇川區(qū)建成區(qū)面積比達(dá)70%，崇川區(qū)的建成區(qū)建設(shè)處于發(fā)展成熟期；港閘區(qū)和開發(fā)區(qū)建成區(qū)面積增長(zhǎng)較為穩(wěn)定，在2005-2010年建成區(qū)面積擴(kuò)展增幅變大，擴(kuò)展變化加快，而2010-2015年建成區(qū)面積擴(kuò)展速度變緩，建成區(qū)面積所占比接近60%，港閘區(qū)和開發(fā)區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展逐漸趨于穩(wěn)定，處于穩(wěn)步發(fā)展期；通州區(qū)擴(kuò)展面積最大，增長(zhǎng)幅度最大，在2005-2010年出現(xiàn)峰值，擴(kuò)展面積快速增大，而2010-2015年大幅度降低，建成區(qū)擴(kuò)展速度波動(dòng)劇烈，建成區(qū)面積所占比接近50%，處于快速增長(zhǎng)期。

圖2 南通市轄區(qū)面積比(a)及擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)(b)折線圖Fig.2 The broken line diagram of area ratio (a)and expansion strength index (b) of Nantong city

3.2 南通市轄區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展方向變化

基于Landsat遙感影像對(duì)南通市市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展方向進(jìn)行研究，得到了建成區(qū)擴(kuò)展方向變化（圖3）。由圖3(a)，1995-2000年崇川區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展主要分布在西北方向，比較集中； 2000-2010年，擴(kuò)展重心逐漸往南移，南部區(qū)域的建成區(qū)面積明顯增加；2010-2015年，建成區(qū)建設(shè)往東擴(kuò)散，開始全面推進(jìn)建成區(qū)的發(fā)展；到2015年為止，崇川區(qū)已經(jīng)進(jìn)入建成區(qū)發(fā)展的成熟期，城市建成區(qū)建設(shè)基本完成并逐步完成內(nèi)部填充。

從圖3(b)來看，1995-2005年，由于港閘區(qū)與崇川區(qū)相鄰帶動(dòng)毗鄰區(qū)域發(fā)展，港閘區(qū)建成區(qū)建設(shè)主要分布在西南方向且相對(duì)密集；而2005-2015年，港閘區(qū)建成區(qū)向東北方向擴(kuò)散，相對(duì)南面建成區(qū)較分散但區(qū)域面積大。如圖3(c)所示，開發(fā)區(qū)在近20年建成區(qū)擴(kuò)展較為集中，1995-2010年開發(fā)區(qū)建成區(qū)建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，主要集中于中西部和南部，并開始向東北部短距離偏移；到2015年為止，開發(fā)區(qū)北部建成區(qū)擴(kuò)展已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)成熟階段，緊湊度明顯上升。港閘區(qū)和開發(fā)區(qū)處于標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展期，由西向東輻射式擴(kuò)散，擴(kuò)散相對(duì)集中，建成區(qū)擴(kuò)展面積變化顯著。

如圖3(d)所示，在1995年通州區(qū)建成區(qū)面積較小且分散，由于眾多因素影響，2000-2010年期間，通州區(qū)呈雙核發(fā)散狀擴(kuò)散，主要以金沙鎮(zhèn)與平潮鎮(zhèn)為擴(kuò)展中心，向四周擴(kuò)散，到2010年，通州區(qū)南部的建成區(qū)相對(duì)集中；2010-2015年通州區(qū)的建成區(qū)重心開始往北推移，主要向北部外延式水平空間擴(kuò)展[13]，分布較為分散，且面積相對(duì)較小。通州區(qū)發(fā)展速度較為緩慢，處于發(fā)展的起步期，建成區(qū)擴(kuò)展呈分散狀，相對(duì)稀疏，緊湊度不高；而雙核周圍的建成區(qū)相對(duì)密集，較其他地區(qū)而言發(fā)展集中且迅速。

圖3 南通市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展方向?qū)ｎ}圖Fig.3 Nantong District built-up area expansion direction thematic map

3.3 影響因素

崇川區(qū)作為南通市的核心區(qū)，配套齊全、交通便捷，是南通市人口最密集，城市化水平最高的區(qū)域，相較于其他三個(gè)市轄區(qū)，崇川區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展最先到達(dá)高潮，城鎮(zhèn)化發(fā)展成熟最早。港閘區(qū)擁有江河岸線資源和便捷的水陸交通網(wǎng)絡(luò)，逐步形成了船舶修造產(chǎn)業(yè)等具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的區(qū)域產(chǎn)業(yè)。蘇通長(zhǎng)江大橋建成后，港閘區(qū)在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)了與上海的全方位接軌和融合，與外界的溝通聯(lián)系也更加便捷。自2008年滬通鐵路立項(xiàng)至今，通州區(qū)平潮鎮(zhèn)作為滬通長(zhǎng)江大橋的橋頭堡和滬通鐵路南通樞紐的所在地，優(yōu)越的交通區(qū)位條件吸引了投資開發(fā)。開發(fā)區(qū)投資環(huán)境良好，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)特色鮮明，成為長(zhǎng)江三角洲周邊投資引商的優(yōu)選之地，因而開發(fā)區(qū)處于平穩(wěn)發(fā)展階段，并在2010-2015年期間城市擴(kuò)展趨于成熟。

4 結(jié)語

利用歸一化建筑指數(shù)，對(duì)多時(shí)相Landsat影像進(jìn)行自動(dòng)建成區(qū)提取，并對(duì)其擴(kuò)展范圍及擴(kuò)展速度進(jìn)行研究分析，分析結(jié)果表明：1995-2015年間南通市建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，擴(kuò)展速度逐漸加快，尤其自2008年蘇通大橋投入運(yùn)行、2013年滬通鐵路項(xiàng)目后，2010-2015年間南通城市發(fā)展進(jìn)入快速擴(kuò)展時(shí)期。因此繼續(xù)對(duì)南通市建成區(qū)擴(kuò)展范圍及擴(kuò)展變化速度的探索，對(duì)今后南通市市轄區(qū)未來發(fā)展方向的定位及建成區(qū)的規(guī)劃具有重大意義，其擴(kuò)展規(guī)律性有待進(jìn)一步探索。如今南通市城市經(jīng)濟(jì)在迅速發(fā)展，但是存在城市化發(fā)展不平衡，中心城市發(fā)展規(guī)模不合理等問題，則需要以后研究探索如何更科學(xué)地規(guī)劃城市發(fā)展。