基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的連云港城市擴(kuò)展監(jiān)測
——以新浦區(qū)為例

王晶，劉錦

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008； 2.淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇連云港 222005)

基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的連云港城市擴(kuò)展監(jiān)測
——以新浦區(qū)為例

王晶1，2?，劉錦2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008； 2.淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇連云港 222005)

利用多時(shí)相TM/ETM＋影像，提取不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市邊界，借助GIS技術(shù)對新浦區(qū)城市擴(kuò)展動態(tài)特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，1989年～2007年間，新浦區(qū)城市用地面積持續(xù)增加，擴(kuò)展強(qiáng)度總體增強(qiáng)，2001年～2007年間的城市擴(kuò)展規(guī)模最大；新浦區(qū)城市擴(kuò)展具有明顯的空間分異特征，城市中心總體向東北方向偏移；緊湊度逐漸減小，分形維數(shù)逐漸增大，城市空間形態(tài)日益復(fù)雜。

城市擴(kuò)展；城市邊界提取；遙感圖像；連云港市

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

連云港在東經(jīng)118°24′～119°48′和北緯34°～35° 07′之間。東西長129 km，南北寬約132 km，水域面積1 759.4 km2。連云港東瀕黃海，素有亞歐大陸橋東方橋頭堡之稱；轄東海、灌云、贛榆、灌南四縣和新浦、海州、連云三區(qū)及國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。連云港市整個(gè)地勢自西北向東南傾斜，境內(nèi)平原、海洋、高山齊全，河湖、丘陵、灘涂俱備。連云港市新浦區(qū)是全市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。新浦區(qū)位于東經(jīng)119°10′和北緯34°36′，處于薔薇河下游，南與灌云縣接壤，西與東海縣交界，西南與海州區(qū)為鄰。全區(qū)地形呈菱形，東南部為南云臺山地區(qū)，西部為河流與海積共同作用形成的海積平原。地貌形態(tài)有山地、山前平原、平地、微傾斜平地、洼地、古海道、海漫淤和低平地等。土質(zhì)除山區(qū)外，多為粉砂淤泥，鹽漬化較嚴(yán)重，粘性大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展使得遙感影像成為研究城市在時(shí)間序列擴(kuò)展變化的最佳數(shù)據(jù)。Landsat衛(wèi)星影像可以較好地識別不同地物特征，特別是建筑物、構(gòu)筑物等組成的城鎮(zhèn)建成區(qū)，因此被廣泛地用來研究城市空間的擴(kuò)展[1]。研究中使用了4幅美國陸地衛(wèi)星影像即TM(1989年3月10日、1995年4月20日和2007年5月7日)和ETM＋(2001年3月8日)。其他的數(shù)據(jù)源包括連云港市1∶5萬地形圖。

2 遙感圖像預(yù)處理

2.1 影像幾何精校正

在遙感影像上均勻的選取28個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)一般選取在道路的交叉口、水壩、橋梁、河流拐彎處及河岸的角點(diǎn)、湖泊的中心等位置。本文采用二次多項(xiàng)式校正法進(jìn)行精校正，采用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行灰度重采樣，先對1995年的遙感影像進(jìn)行幾何精校正，總的RMS誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，然后再以校正好的1995年遙感影像為基準(zhǔn)，分別對其他影像進(jìn)行影像到影像的幾何配準(zhǔn)，控制點(diǎn)的總RMS控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。這樣經(jīng)過幾何精校正和幾何配準(zhǔn)，4個(gè)時(shí)相的遙感影像不但消除了幾何畸變，還具有相同的投影信息和地理空間坐標(biāo)。

近年來，我國的建筑業(yè)得到了廣闊的長期發(fā)展。現(xiàn)場施工管理問題得到了更多關(guān)注與重視，現(xiàn)場施工管理質(zhì)量關(guān)乎到整體工程的穩(wěn)定性與安全性。工程施工現(xiàn)場管理工作應(yīng)該運(yùn)用科學(xué)合理的信息化管理模式，確保工程質(zhì)量的同時(shí)為施工企業(yè)節(jié)省經(jīng)濟(jì)資本，使施工企業(yè)獲得社會效益與經(jīng)濟(jì)效益雙豐收。所以，總結(jié)現(xiàn)階段施工現(xiàn)場信息化管理過程中的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新信息化管理意識與相關(guān)落實(shí)措施，為以后我國的建筑工程現(xiàn)場施工質(zhì)量的提高奠定有力的基礎(chǔ)保障。

2.2 遙感影像增強(qiáng)處理

圖像空間增強(qiáng)—銳化增強(qiáng)處理和圖像輻射增強(qiáng)—查找表拉伸處理，通過該處理突出感興趣的圖像信息，使圖像更清晰。圖1為遙感影像增強(qiáng)處理前后的對比。

圖1 增強(qiáng)處理前后局部影像對比(左為處理前影像，右為處理后影像)

3 城市邊界提取

城市邊界空間變化情況對城市擴(kuò)展研究非常重要。這里城市邊界不是通常意義上的城市行政單元，而是指城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)，而非通常概念上的城市行政邊界。本文采取人工目視判讀方法提取城市邊界。在Erdas中提取出連云港市新浦區(qū)1989年、1995年、2001年和2007年的新浦區(qū)城市邊界，并將邊界導(dǎo)入ArcGIS中，查看屬性獲取邊界區(qū)域面積。在進(jìn)行城市邊界提取時(shí)，遵循以下原則:城市實(shí)體保持空間上的連續(xù)性，將城市內(nèi)部較小的、非城市用地的地塊以及城市內(nèi)部的水體都劃到城市實(shí)體內(nèi)，較大的其他地塊(如林地)則予以排除。有爭議邊界則需要進(jìn)行外野調(diào)繪。

為了研究城市擴(kuò)展的變化情況，需要對不同時(shí)期的邊界信息進(jìn)行疊加分析。疊加分析是研究土地利用變化的一個(gè)重要手段，疊加分析應(yīng)用于城市擴(kuò)展研究中可以定性、定量地分析城市擴(kuò)展情況和變化規(guī)律[2]。因此，應(yīng)用疊加分析技術(shù)，將連云港市新浦區(qū)4個(gè)時(shí)期的城市邊界在ArcGIS中制作城市擴(kuò)展疊加分析專題地圖，如圖2。

圖2 連云港市新浦區(qū)城市擴(kuò)展疊加分析專題地圖

4 城市擴(kuò)展動態(tài)特征分析

4.1 城市擴(kuò)展數(shù)量分析

根據(jù)1989年、1995年、2001年、2007年4個(gè)時(shí)相的遙感影像，對連云港新浦區(qū)的遙感監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，新浦區(qū)擴(kuò)展速度較快如圖3所示，1989年～2007年間城市面積擴(kuò)展了52.664 km2，平均每年擴(kuò)展2.926 km2，年均擴(kuò)展速率為11.7%。

圖3 連云港市新浦區(qū)1989年～2007城市面積變化情況

4.2 城市擴(kuò)展空間變化分析

為全面反映連云港市新浦區(qū)城市擴(kuò)展的空間變化特征，本文選擇城市空間擴(kuò)展研究中常用的指標(biāo)，城市擴(kuò)展強(qiáng)度、城市中心坐標(biāo)、緊湊度指數(shù)和城市用地分形維數(shù)對新浦區(qū)城市擴(kuò)展進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而揭示城市擴(kuò)展的空間演變規(guī)律[3]。

(1)城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)

城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)土地面積變化的幅度，是反映城市擴(kuò)張空間變化的一個(gè)重要指標(biāo)。通過分析城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可定量地比較城市擴(kuò)張的程度及速度，其表達(dá)式為:

式中:R為研究末期城市擴(kuò)展強(qiáng)度；Ub為研究末期城市用地面積(km2)；Ua為研究初期城市用地面積(km2)；T為間隔時(shí)間(a)[4]。不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)如表1所示。

不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù) 表1

(2)城市中心坐標(biāo)

城市中心坐標(biāo)是指通過研究不同時(shí)期城市中心的遷移情況，可分析城市空間變化規(guī)律。通過ArcGIS 9.3可以方便的獲取城市區(qū)域中心坐標(biāo)。不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市中心坐標(biāo)變化情況如表2所示。

不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市中心坐標(biāo)變化情況 表2

(3)城市緊湊度指數(shù)

緊湊度是反映地物形狀的參數(shù)，緊湊度的變化可表征城市用地?cái)U(kuò)展的空間特征，其表達(dá)式為:

式中:C為緊湊度；At、Pt分別為第t年城市用地面積(km2)和周長(km)。C值在0～1，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好，反之越差，圓是形態(tài)最緊湊的圖形，其緊湊度為1[3]。不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市緊湊度指數(shù)如表3所示。

不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市緊湊度指數(shù) 表3

(4)城市用地分形維數(shù)

城市用地分形維數(shù)用來描述城市邊界形狀的曲折性和復(fù)雜性，它反映土地利用形狀的變化及土地利用受干擾的程度，計(jì)算公式如下:

式中:St為第t年城市用地區(qū)域的分形度；At、Pt分別為第t年城市用地面積(km2)和周長(km)。分形維數(shù)值的理論范圍在1～2，維數(shù)越大表示圖形形狀越復(fù)雜，當(dāng)維數(shù)小于1.5時(shí)，說明圖形趨于簡單；當(dāng)維數(shù)等于1.5時(shí)，表示圖形處于布朗隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，越接近于該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)維數(shù)大于1.5時(shí)，則圖形趨于復(fù)雜[3]。不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市分形維度變化情況如表4所示。

不同時(shí)期連云港市新浦區(qū)城市分形維度變化情況 表4

5 結(jié) 論

通過上述指標(biāo)的分析和統(tǒng)計(jì)，從表1可以看出，連云港市新浦區(qū)總體來說擴(kuò)展強(qiáng)度是增大的，特別是2001年～2007年間，城市高速發(fā)展。而利用表2中的城市中心坐標(biāo)，制作不同時(shí)期城市中心變化情況專題地圖可以看出城市中心的變化情況，城市中心逐步向東北方向偏移。表3、表4表明，連云港市新浦區(qū)城市緊湊度隨時(shí)間不斷減小，分形維數(shù)隨時(shí)間不斷增大。這說明新浦區(qū)雖然城市空間形態(tài)日益復(fù)雜，但總體趨于簡單，穩(wěn)定性較差。今后，應(yīng)發(fā)展補(bǔ)齊邊界區(qū)域，減小分形維數(shù)、增加緊湊度，從而在一定程度上提高城市服務(wù)職能的效率。

由圖2連云港市新浦區(qū)城市擴(kuò)展疊加分析專題地圖可知，新浦區(qū)在1989年～2007年這18年間，向各個(gè)空間方位均有所擴(kuò)展，但擴(kuò)展程度不同。向北擴(kuò)展面積最多，速度最快。向南擴(kuò)展其次，在其他空間方位上雖有擴(kuò)展，但擴(kuò)展面積都不多。有很少部分越過薔薇河向西發(fā)展，也有一小部分向云臺山系擴(kuò)展。城市擴(kuò)展主要沿著交通干道和河流的延伸方向推進(jìn)，城市增長呈南北走向。

[1] 趙昕，胡召玲.感技術(shù)在城市擴(kuò)展中的應(yīng)用研究——以蘇徐州市為例[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào).2006(6):67～70

[2] 潘潔晨，胡友健，王冬梅.遙感影像用于城市擴(kuò)展監(jiān)測的研究[J].地理空間信息，2008，6(2):111～113

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[4] 李飛雪，李滿春，劉永學(xué).建國以來南京城市擴(kuò)展研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2007，22(4):524～535

[5] Wang Xinsheng，Liu Jiyuan，Zhuang Dafang.Spatial－temporal changes of urban spatial morphology in China[J].Acta Geographica Sinica，2005，60(3):392～400

[6] Cai Bofeng，Zhang Zengxiang，Liu Bin.Spatial－temporal changes of Tianjin urban spatial morphology from 1978 to 2004[J].Journal of Geographical Sciences，2008，26(2):500～510

Dynamic of Urban Expansion in Lianyungang City Based on the Multi－time－phase Remote Sensing Images:a Case Study of Xinpu District

Wang Jing1，2，Liu Jin2
(1.China University of Mining and Technology，School of Environment and Spatial Informatics，XuZhou 221008，China；2.Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005，China)

Based on the Multi－time－phase TM/ETM＋remote sensing images，the urban border of Xinpu district of Lianyungang in different periods was extracted by RS method，and the urban expansion dynamic characteristics of Xinpu district was analyzed by the GIS technique.The result revealed the urban build－up area was on the increase.Meanwhile，the expansion rate in Xinpu district was increased during 1989 and 2007，The urban expansion obviously showed the spatial heterogeneity，with the city center moving to the northeast.At the same time，the compact index was decreasing，while the fractal index was increasing.This situation implied the urban spatial configuration has become more and more compliable.

urban expansion；extract of urban border；RS；GIS；the city of Lianyungang

1672－8262(2011)01－81－03

P237

A

2010—10—15

王晶(1978—)，女，教師，在讀研究生，主要從事遙感及攝影測量應(yīng)用研究。

國家自然科學(xué)基金(41004003)