基于遥感技术的城市建成区扩展探究范文

摘要：城市化是当今社会向前推进最显著的特征之一，研究一个地区城市化程度的一个重要方法就是分析该地区的地域空间过程.采用Landsat遥感数据和GIS技术对乐山市建成区进行研究，从1992年、2003年以及2013年三期遥感影像中对乐山市城市建成区轮廓进行提取，并在此基础上对乐山市建成区空间扩张特征及其驱动因子进行分析.结果表明，二十年间乐山市建成区面积逐年增长，城市扩展强度均在10%以上；就空间扩展形态来说，乐山市城市空间紧凑度低于0.3，趋于离散，所以说乐山市的城市用地扩张属于外延类型；乐山市的城市扩张是从东南西北四个方向向外有差异的扩张，总体表现为“东优、西连、南跃、北拓”.

关键词：城市扩张；GIS；乐山市；驱动力机制

当代社会，城市化已经成为一个重要的社会经济现象，城市快速发展的特征之一是城市建成区向外延展［1］.但是对于提取不同时期城市建成区的相关信息以及城市扩张过程中可能带来的一系列的问题等方面的研究不够深入.而有效地对城市扩张进行动态分析将有利于城市用地的有效规划、生态环境的和谐发展并且能为城市的发展提供科学的空间决策支持.随着遥感及地理信息技术的迅速发展，为提取多时相城市建成区信息以及对城市扩张进行动态分析提供了有效的技术支撑，这相对于传统的政府部门提供的统计数据更加可靠和准确.国内外学者在该方面研究进行了诸多探索，如Gao等学者研究了建成区面积增加对城郊的土地利用的影响［2］.D.Stathaki基于夜间灯光信息对城市扩展进行了预测［3］.LienPoelmans等对城市扩展模型的复杂性和性能进行了分析［4］.国内关于城市扩张的研究也取得了相当大的成果，如庞国锦利用GIS与RS技术对兰州城市建设用地扩展进行了研究［5］.冯健对杭州城市形态和土地利用结构的时空演化进行了分析［6］.但是我国对城市扩张动态分析的研究主要集中于部分大城市，而对西部地区的小城市相关研究较少，这就需要我们对其进行相应的探讨.本文以乐山市为例，通过目视解译并且与GoogleEarth等进行对比来对乐山市建成区范围进行界定，在获取1992年、2003年和2013年三个时间段遥感影像的基础上，开展乐山市城市建设用地信息的提取.进一步通过分析城市扩展强度等，查明了城市扩张驱动因子.这对乐山市城市总体规划和可持续发展具有参考性意义.

1研究区域概况

乐山位于北纬28°28′52″~29°56′06″，东经102°15′30″~104°15′02″之间，地处岷江、青衣江、大渡河中下游［7］.总体趋势西南高，东北低，高差悬殊大.市境内江河众多，属丰水地区［8］.本文研究区涉及乐山市部分区域，总面积约27.03km2.

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

本文选用了不同时期的三幅美国陆地卫星影像，成像时间分别为1992年8月12日的landsat5的TM数据和2003年4月17日的landsat7的ETM数据以及2013年4月20日的landsat8的OLI数据，这三期数据相隔均为十年，以便对数据进行客观分析，且云量均低于10%，保证了图像质量.辅助数据有GoogleEarth、乐山市城市总体规划（2010—2030）以及关于乐山市的历年统计资料.

2.2研究方法

本文采用ArcGIS10.1对乐山市城市多时相Landsat影像数据进行处理并且进行空间分析.将从地理空间数据云中下载得到的Landsat影像数据导入到ArcGIS中，采用目视解译的方法将这三幅卫星影像中的乐山市城市建成区信息提取出来，并且利用公式计算出诸如城市扩张强度等参数，得到乐山市各个时期的建成区动态变化并且与相关统计资料相结合分析城市扩张的驱动因素.

3城市扩张的动态分析

3.1城市建成区范围的确定

随着遥感和地理信息技术的发展，利用所获取的遥感影像在地理信息系统软件中进行处理和解译从而得到研究区的相关信息，已经成为城市建成区界定的主要方法.首先，城市建成区边界是不固定的，许多地段建成区与非建成区之间的部分区域呈过渡状态.例如脱离连片建设的城市集中区而单独发展的飞地［14］；距离主城较远的城市新建开发区与农田以及一些居民地呈现交错分布的情况；一些城乡接合部的情况比较特殊，一方面具有城市的特征拥有较为完善的基础设施，一方面又保存有农田等乡村所具有的特征.这使得我们在提取城市边界轮廓线时必须制定相应的阈值，以更好地确定城市建成区的范围.其次，为了更方便地突出城市建成区边界信息，一定要选取合适的影像波段及其组合.一般会采用标准假彩色合成影像来提取城市边界轮廓线［15］.

3.2城市扩张空间特征分析

将下载的Landsat数据导入到ArcGIS中，首先对影像进行标准假彩色合成，在建成区边界界定标准确定的基础上，对照GoogleEarth的高清影像，完成建成区范围的绘制.通过多期影像叠加分析，得出不同年份建成区面积、周长等信息以备计算各种参数.由图2可知，1992—2013年间乐山城市建成区范围持续扩张.1992年乐山市建成区范围的面积为5.99km2，2003年建成区范围的面积为12.52km2，2013年建成区范围的面积为27.03km2，通过对面积变化的分析可得出：20年来乐山市建成区的扩张速度较快，建成区面积扩展了21.04km2.

3.2.1城市空间扩展速率城市空间扩展速率是表示城市的年平均扩展速率.由公式（1）可知，乐山市20年来整体城市空间扩展速率较快，特别是在2003—2013年扩展速度十分迅猛，1992—2003年间城市以每年0.594km2的速度扩张；2003—2013年间更是以平均每年1.451km2的速度扩张.总的来说其扩展速度非常快.

3.2.2城市扩张强度计算并比较乐山市不同时期的城市扩张强度，有助于乐山市城市扩展规模特征等方面的研究，由公式（2）可知，乐山市城市扩张的强度总体来说较大，1992—2003年乐山城市扩张强度指数为10.9%，并且2003—2013年的城市扩张强度指数为11.6%，1992—2013年整体城市扩张强度指数为17.6%，所以其城市扩张速率位于中等层次，并且在逐年增加.

3.2.3城市紧凑度为了进一步说明乐山市城市扩张空间形态演变的特征，用城市紧凑度来分析.乐山市1992年城市边界周长为30.77km；2003年城市边界周长为35.44km；2013年城市边界周长为71.28km.由公式（3）可知，乐山市1992年城市紧凑度为0.20，2003年城市紧凑度0.25，2013年城市紧凑度0.18.所以比较乐山市1992—2013年的紧凑度可以发现1992—2013年乐山市的城市紧凑度变化不大，并且都在0.3以下，城市紧凑度偏于离散，城市用地扩张趋于外延类型.

3.2.4城市空间分维数城市空间分维数在一定程度上可以反映城市边界的形状的变化［9］.由公式（4）可知，1992年乐山市的城市空间分维数为2.28，2003年则为1.73，2013年为1.75.由此可知，乐山市1992—2013年的城市空间分维数均大于1.5，所以城市边界形状均趋于复杂，相比起来1992年最大甚至已经超过2，所以可以说那时的乐山市城市边界十分复杂，在之后的时间段内其空间分维数在减少，并且近十年来变化也不大，这说明乐山市城市边界正在趋于简单化，城市边界整齐，用地也趋于紧凑节约.

4城市扩张驱动因子分析对乐山市城市扩张的驱动因子的分析

可以通过上述过程中提取出乐山市城市扩张的空间演变特征，再根据实际的调查以及查阅资料等方面来分析，比如可以从国家或市政府的政策，经济发展情况等方面来分析其扩张的原因.

4.1政府政策方面

根据《乐山市土地利用总体规划（1997—2010）》、《乐山市城市总体规划（2011—2030）》，乐山市城区的建设用地发展可以概括为“东优、西连、北拓、南跃”［16］.其中北部、西北部和南部是规划期内主要的发展方向［17］.1992年以来，政府政策是推动乐山市城市扩张的一个重要因素，而乐山市这20年来的发展也符合政府所制定的规划.首先在东优方面，现在建成区的扩展范围都控制在岷江二桥以北地区，并且打造的是诸如嘉乐坊之类的旅游休闲之地，十分注重对大佛景区的保护，从而达到优化岷江东部地区的建设用地布局的目的；在西连方面由于受到地形的限制，主城区以西分为南北两支向西扩展，中间的绿心则保留了下来，开发其旅游资源以供人们休闲旅游；在北拓方面，岷江三桥、岷江特大桥等提高了岷江两岸交通的通达性，北部地形较为低平，为建成区的北拓提供了有利条件.并且在推进的过程中也十分注重新建城区与老城区之间的沟通；在南跃方面由于该区域公路、铁路、水运、航空等都很便利，有利于高新区产业的发展，但是高新区的建设需要一定的时间，所以进展较为缓慢.

4.2经济发展的影响

经济发展对城市扩张的影响也是十分巨大的［18］，从图4可以看出，乐山市全年GDP增长十分迅猛［19］，2003年之后增长尤为迅速，且第二产业发展较快，从1995年的41.25亿元增长到2013年的698.81亿元，年均增长率为19.35%，这也是乐山市城市用地增加的主要驱动因素之一.在全市GDP中第一产业比重逐年降低，第二产业比重正持续增加，而第三产业在2008年由于汶川地震的影响产业占比有所下降，现在正在逐步回升（图4）.由此可以看出，乐山市正致力于产业结构的调整和优化，以促进乐山市经济的快速发展，从而推动乐山市建成区的有序扩展.

4.3交通基础设施建设的影响

乐山市市区三面临水，东有岷江、西有青衣江、南有大渡河，建设有乐山港等港口，航运便利.且诸多河流上建有岷江一桥、岷江二桥、大渡河大桥等桥梁，加强了乐山市主城区与周边地区的联系.乐山市机场将建设于乐山市南部，这将有利于乐山市城南高新区的发展，从而促进乐山市建成区向南部扩展.北部及西北部则有成乐高速以及成绵乐客运专线经过，且乐山市高铁站修建于此，陆路交通十分便利（图2）.除此之外，乐山绕城高速也推动了乐山市郊区的发展.所以，交通基础设施的完善以及水陆交通的便利对乐山市建成区的扩张也起到了相当大的作用［20］.

5结语

本文运用Landsat遥感数据和GIS技术进行研究，在城市建成区轮廓提取的基础上对1992—2013年乐山市建成区空间扩张特征及其驱动因子进行了分析.在二十年的时间内乐山市建成区面积几乎成倍增长，总体扩张了21.04km2，说明乐山市建成区扩展的速度非常快.这个从城市扩展强度指数当中也可以看出，1992—2003年乐山城市扩张强度指数为10.9%，2003—2013年的城市扩张强度指数为11.6%，所以城市扩张速率都十分高，并且在逐年增加.从空间扩展形态来说，比较乐山市三个时间段的城市空间紧凑度可以发现其变化都不大，且都在0.3以下，趋向于离散.可以说乐山市的城市用地扩张类型属于外延型，城区边界形态非紧凑.从空间差异分析来说，乐山市建成区主要沿东南西北四个方向有差异的扩展，而根据上文分析的驱动城市扩张的政治、经济及交通因素，可以预计未来乐山市城市的发展方向也应该是延续“东优、西连、南进、北拓”的扩展方向.

作者：张露露；刘艳艳；刘汉湖 单位：成都理工大学国土资源部地学空间信息技术重点实验室