基于Envi技術(shù)的城市建成區(qū)擴張演變研究

劉穎

摘 要：通過選取重慶城市發(fā)展新區(qū)的典型區(qū)域——江津區(qū)作為研究區(qū)域，以江津區(qū)1995年、2001年、2007年、2013年的遙感影像作為基礎(chǔ)資料，借助遙感軟件ENVI4.8，利用歸一化建筑指數(shù)（NDBI）模型，并結(jié)合監(jiān)督分類提取江津區(qū)4年的城市建成區(qū)信息，對江津區(qū)建成區(qū)擴張的時空特征進行了研究。結(jié)果表明：江津區(qū)近18年來城市建成區(qū)擴張顯著，年均擴張速率、擴張面積分別為58.14%、147.43km2，擴展強度指數(shù)為11.34，總體處于高速擴張的狀態(tài);全區(qū)城市建成區(qū)的緊湊度指數(shù)表現(xiàn)為逐年下降的趨勢，城市發(fā)展的總體趨勢為由相對集中走向分散。

關(guān)鍵詞：建成區(qū)擴張;GIS;Envi;江津區(qū)

中圖分類號 P237文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）19-0150-04

The Study on the Expansion of Urban Built-up Area based on Envi

——A Case Study of Jiangjin District of Chongqing City

Liu Ying

Abstrat：The paper takes Jiangjin district，trend of new urban development district in Chongqing，as the object of study，and uses remote-sensing images of the year 1995，2001，2007 and 2013 as data source，then extracts Jiangjin′s urban built-up area of the 4 years by using normalized difference build-up index（NDBI） and supervised classification with the help of remote sensing software ENVI4.8，finally analyses the spatial-temporal characteristics of urban expansion of Jiangjin.The result shows：the expansion of Jiangjin′s urban built-up area nearly eighteen years is prominent，and annual expanding rate，expanding area and expanding intensity index are 8.14%，147.43km2 and 11.34 respectively，as a whole， Jiangjin′s urban expansion is in a status of high-speed expansion;the compactness indexs of Jiangjin′s urban built-up area of every year show a decreasing trend year by year，the general trend of Jiangjin′s urban development is changing from relative concentration to dispersion.

Key words：Expansion of urban built-up area;GIS;Envi;Jiangjin district

隨著新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的提出，城市化的發(fā)展水平逐漸演化成為了衡量一個國家或地區(qū)社會、經(jīng)濟、科技以及文化發(fā)展程度的重要標尺[1]，而城市化最重要的標志是城市的邊界不斷向外擴張[2]。城市用地的擴張，往往受政策的影響較大，且多數(shù)以改變其他土地利用的類型來實現(xiàn)的。自改革開放以來，我國城市化進程迅速，大中小城市邊界在空間上不斷地增長或消亡[3]。因此，如何有效地提取城市擴張邊界，已成為了業(yè)界研究的熱點問題。遙感Envi技術(shù)和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，為國內(nèi)外學(xué)者研究城市邊界的變化以及驅(qū)動機制等方面提供了諸多的便利。例如，Mohammad Paydar[4]利用德爾菲法和層次分析法建立了評價指標體系，并且對伊朗南部城市Shiraz的城市擴張程度進行了研究;Kevin McGarigal[5]等建立了城市增長模型，并借此模擬美國東北部2010—2080年的城市擴張非穩(wěn)定性變化，研究了其對生態(tài)環(huán)境的影響;戴云哲[6]運用InVEST模型分析了長沙都市區(qū)20年的年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，并且對長沙都市區(qū)城市擴張的空間格局及其與生態(tài)環(huán)境的相互關(guān)系進行了研究;李嘉譯[7]等借助Landsat TM/OLI影像，分析了近30年（1986—2016年）長江經(jīng)濟帶7個城市的建設(shè)用地的時空變化模式及其生態(tài)效應(yīng)。

本研究以重慶市江津區(qū)為對象，選取江津區(qū)1995年、2001年、2007年、2013年的Landsat影像資料，利用Envi軟件提取城市建成區(qū)邊界信息，分析了江津區(qū)城市擴張的規(guī)律及其趨勢，對合理管理土地資源、指導(dǎo)城市規(guī)劃以及保護生態(tài)環(huán)境和耕地資源都有著重要的意義[8]。

1 研究區(qū)概況

江津區(qū)地處重慶西南角，坐落于東經(jīng)105°49′～106°36′，北緯28°28′～29°28′之間，屬長江中上游區(qū)域，位于三峽庫區(qū)的尾端。江津東與巴南區(qū)、綦江區(qū)相鄰，向南與貴州習水相接，西走與永川區(qū)、四川合江縣相依，北連璧山區(qū)和九龍坡區(qū)，在重慶市5大功能區(qū)劃分中屬城市發(fā)展新區(qū)。江津區(qū)境內(nèi)四面高山環(huán)抱，丘陵起伏，地貌多以丘陵低山為主，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，光照、雨量充沛。全區(qū)幅員面積321779.89km2，轄5個街道、25個鎮(zhèn)、3個經(jīng)濟組團。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源 本研究采用的Landsat影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺，選用為江津區(qū)1995年、2001年、2007年、2013年的云量均低于15%的遙感影像;非遙感數(shù)據(jù)主要包括江津區(qū)歷年社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計公報、統(tǒng)計年鑒;其他數(shù)據(jù)包含江津區(qū)研究年份的土地利用現(xiàn)狀圖和土地利用變更數(shù)據(jù)表，部分河流地貌圖，水文水系圖和野外考察點等。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 本研究使用的源影像數(shù)含云量較少，且包含了整個研究區(qū)域，因此對遙感源數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括輻射校正和圖像裁剪，輻射校正主要包括傳感器校正、大氣校正以及太陽高度角和地形校正，最后利用Arcgis對研究區(qū)域進行裁剪，裁剪結(jié)果如圖1。

2.3 建成區(qū)提取 國內(nèi)外在提取城市建成區(qū)的方法上有諸多的研究，有的是基于對象分類方法和利用土地類型信息來實現(xiàn)對城市建城區(qū)邊界的提取[9]，有的則是將Landsat TM/ETM+光學(xué)遙感影像與DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)相結(jié)合來提取建成區(qū)信息[10]。考慮到研究區(qū)域的實際概況以及數(shù)據(jù)質(zhì)量，本研究以“城區(qū)建成區(qū)”為提取目標，將監(jiān)督分類和歸一化建筑指數(shù)（NDBI）相結(jié)合提取江津區(qū)城市建成區(qū)，覆蓋其行政區(qū)內(nèi)的3個經(jīng)濟組團，分別是幾江組團、德感組團和雙福組團，提取對象為該3個經(jīng)濟組團范圍內(nèi)集中連片的部分以及分散在郊區(qū)的建設(shè)用地。最后，利用Arcgis的Intersect功能，將NDBI的二值化結(jié)果和監(jiān)督分類結(jié)果進行疊加取其交集，獲得江津區(qū)1995—2013年的建成區(qū)分布（見圖2）。

3 江津區(qū)建成區(qū)擴張時空特征分析

3.1 建成區(qū)面積 將Arcgis疊加分析處理后的1995—2013年的城市建成區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入并生成城市建成區(qū)演變圖;再利用軟件的統(tǒng)計計算功能，計算得出各組團建成區(qū)面積及其占比等，結(jié)果如表1所示。

3.2 建成區(qū)面積時空演變分析 為了動態(tài)地反映出江津區(qū)城市建成區(qū)的變化，江津區(qū)建成區(qū)時間演變將從建成區(qū)擴張面積、建成區(qū)面積擴張速率、建成區(qū)擴張強度指數(shù)3個方面進行時間分析，從城市緊湊度[11]指數(shù)、城市空間分形維數(shù)[12]2個方面進行空間分析。計算公式如下：

建成區(qū)擴張面積表達式為：

[ΔA=Ab-Aa] （1）

建成區(qū)面積擴張速率表達式為：

[ν（%）=Ab-AaAaT×100] （2）

建成區(qū)擴張強度指數(shù)表達式為：

[R（%）=Ab-AaTA×1T×100] （3）

緊湊度指數(shù)表達式：

[C=2πA/P] （4）

城市空間分形維數(shù)表達式：

[D=2lnP4lnA] （5）

式1、2、3中，[ΔA]、[ν]、[R]分別代表建成區(qū)擴張面積、建成區(qū)面積擴張率、建成區(qū)面積擴張速率、建成區(qū)擴張強度指數(shù)。[Ab]為研究期末的城市建成區(qū)面積，[Aa]為研究期初的城市建成區(qū)面積，[TA]為研究區(qū)土地總面積，[T]為時間間隔。根據(jù)學(xué)者劉盛和的研究，城市擴張強度指數(shù)從高到低可以分為以下5種類型：高速擴張（>2.05）、快速擴張（1.07～2.05）、中速擴張（0.55～1.07）、低速擴張（0.22～0.55）和緩慢擴張（0～0.22）[13]。式4、5中，[C]為緊湊度指數(shù)，[A]為城市面積，[P]為城市周長。[C]值越大，表明城市分布較為緊湊，不分散;分維數(shù)[D]值越大，表示城市形狀的不規(guī)則程度越大。將建成區(qū)數(shù)據(jù)應(yīng)用到上述5個模型，計算結(jié)果如表2、表3、表4所示。

3.2.1 江津區(qū)建成區(qū)擴張時間 總體來看，江津區(qū)經(jīng)過18年發(fā)展，城市建成區(qū)由1995年的253.56km2增加到2013年的3202.12km2，面積為研究初期的12.63倍，總體增加2948.56km2。年均擴張速率、擴張面積分別為58.14%、147.43km2，擴展強度指數(shù)為11.34，總體處于高速擴張的狀態(tài)。分組團來看，幾江組團城市建成區(qū)面積擴張439.35km2，擴張強度指數(shù)為7.22，年均擴張速率為11.98%;德感組團擴張1043.17km2，年均擴張速率為74.32%，擴張強度指數(shù)為8.14;雙福組團是2007成立的，面積總體擴張1287.96km2，擴張強度指數(shù)為20.60，超過所有區(qū)域的擴張強度。

3.2.2 江津區(qū)建成區(qū)擴張空間 在ArcGIS軟件支持下，將前文所提取到的江津區(qū)1995—2013年城市建成區(qū)邊界圖進行疊加，以此獲得江津區(qū)1995—2013年城市建成區(qū)變化（圖3）。由圖3可知，全區(qū)城市建成區(qū)緊湊度指數(shù)表現(xiàn)為逐年下降的趨勢，由1995年的0.23下降到2013年的0.02，說明江津總體城市發(fā)展趨勢是由相對集中走向分散;相應(yīng)地，全區(qū)城區(qū)分形維數(shù)由1995年的1.184逐步增加到2013年的1.266，說明隨著江津區(qū)城區(qū)發(fā)展的離散程度的增高，江津區(qū)城市發(fā)展的不規(guī)則程度越來越高。受全區(qū)和組團自身發(fā)展需要以及江津區(qū)區(qū)域地形地貌的影響，各個組團均在原有基礎(chǔ)上向外不規(guī)則擴張，另外雙福組團在空間上與原有城區(qū)存在一定距離，導(dǎo)致城市空間緊湊度降低。

3.3 江津區(qū)城市發(fā)展特點及建議 綜合上述分析可以看出，江津區(qū)經(jīng)過近20年的發(fā)展，城市建成區(qū)由沿江非常狹小的1塊逐漸擴張到囊括了3個經(jīng)濟組團的核心部分，擴張具體表現(xiàn)為以下幾個特點：

3.3.1 建成區(qū)分布由集中走向分散 幾江組團和德感組團是江津區(qū)較早建立的城市區(qū)域，二者僅一江之隔且距離較近，后雙福組團被劃為城區(qū)，且以較快的速度發(fā)展，城區(qū)的分布開始變得分散?？傮w來看，2007年之前江津城區(qū)分布在較為集中，受區(qū)域發(fā)展政策影響而后變得分散。

3.3.2 組團式發(fā)展態(tài)勢明顯 受地形地貌水文的影響，在江津3大經(jīng)濟組團中，幾江組團依傍幾江半島為中心向東南方向擴張;德感組團受到西邊山脈影響則沿山向西南方向擴展;雙福組團北接重慶主城核心區(qū)，城區(qū)主要向東北方向擴展。

3.3.3 城市發(fā)展受自然條件影響較大 江津區(qū)全區(qū)以低山丘陵為主，水文地貌特征對城市擴張方向的影響較大。幾江組團內(nèi)地勢南高北低，城南依靠艾坪山，因此幾江城區(qū)的建設(shè)主要是圍繞艾坪山靠長江沿線發(fā)展;德感城區(qū)受南北走向的縉云山影響，城區(qū)沿江分布特征顯著;雙福城區(qū)背靠縉云山脈，城區(qū)發(fā)展主要基于平坦的津馬要塞，塊狀分布明顯。

3.3.4 未來集中發(fā)展趨勢明顯 近年來，雙福新區(qū)的建立使得江津區(qū)的城市建設(shè)有了飛速的發(fā)展，但也同時產(chǎn)生了城市過于分散和不規(guī)則的問題，老城區(qū)與新區(qū)之間存在較多的空白待開發(fā)區(qū)域，雖然暫時降低了使城市的聚集力與輻射能力，但也意味著江津城市的發(fā)展還有著巨大的潛力。根據(jù)最新的規(guī)劃方案，這片空白待開發(fā)區(qū)域未來將規(guī)劃為濱江新城，濱江新城的建設(shè)，將江津幾江城區(qū)、雙福新區(qū)、德感工業(yè)園區(qū)串聯(lián)起來，有利于促進各個經(jīng)濟組團之間的融合和互補。

4 小結(jié)與討論

本研究主要利用遙感和GIS相結(jié)合的技術(shù)手段，以江津區(qū)1995年、2001年、2007年、2013年的遙感圖像為數(shù)據(jù)源，對江津區(qū)18年間城區(qū)建成區(qū)擴張演變情況進行了時空分析。結(jié)果表明，江津區(qū)近18年來城市建成區(qū)擴張顯著，城市建成區(qū)研究末期的面積為研究初期的12.63倍，總體增加2948.56km2，處于高速擴張狀態(tài)，且有加強的趨勢。從擴張形態(tài)上來看，受自然地形和政策的影響，江津總體城市發(fā)展組團式格局明顯，城市擴張是由相對集中走向分散，且城市發(fā)展的不規(guī)則程度越來越高。但隨著政策的引導(dǎo)以及經(jīng)濟的發(fā)展，城市空間分布將更加緊湊，城區(qū)組團之間的聯(lián)系將會愈來愈強。

參考文獻

[1]吳小君，方秀琴，苗月鮮，等.基于Landsat的合肥市城市擴張研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2017，44（06）：631-639.

[2]徐夢潔，於海美，梅艷，等.近年我國城市土地擴張研究進展[J].國土資源科技管理，2008（01）：47-52.

[3]王瀟，劉婷，劉漢湖.基于遙感的樂山主城區(qū)城市擴張及其驅(qū)動力分析[J].河南科學(xué)，2017，35（05）：806-810.

[4]Mohammad Paydar，Enayatollah Rahimi.Determination of urban sprawl′s indicators toward sustainable urban development[J]. Smart and Sustainable Built Environment，2018，7（3/4）.

[5]Kevin Mc Garigal，Ethan B. Plunkett，Lisabeth L. Willey，et al. Modeling non-stationary urban growth：The SPRAWL model and the ecological impacts of development[J]. Landscape and Urban Planning，2018，177.

[6]戴云哲，李江風，楊建新.長沙都市區(qū)生境質(zhì)量對城市擴張的時空響應(yīng)[J].地理科學(xué)進展，2018，37（10）：1340-1351.

[7]李嘉譯，匡鴻海，譚超，等.長江經(jīng)濟帶城市擴張的時空特征與生態(tài)響應(yīng)[J].長江流域資源與環(huán)境，2018，27（10）：2153-2161.

[8]吳宏安，蔣建軍，周杰，等.西安城市擴張及其驅(qū)動力分析[J].地理學(xué)報，2005（01）：143-150.

[9]鄧劉洋，沈占鋒，柯映明.城市建成區(qū)遙感影像邊界提取與擴張分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2018，20（07）：996-1003.

[10]王若曦，李建，李熙，等.DMSP夜間燈光數(shù)據(jù)與Landsat數(shù)據(jù)結(jié)合的建成區(qū)提取研究——以江西省為例[J].華中師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2018，52（01）：130-136，146.

[11]牟鳳云，張增祥，譚文彬.基于遙感和GIS的重慶市近30年城市形態(tài)演化特征分析[J].云南地理環(huán)境研究，2008，05：1-5，43.

[12]王慧穎.內(nèi)蒙古城市系統(tǒng)等級結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)及測算方法[J].科技信息，2010，06：111-112.

[13]陳麗霞.城鎮(zhèn)化背景下洛陽建成區(qū)擴張與耕地動態(tài)變化研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

（責編：張宏民）