基于多时相遥感影像的城市演变分析

余新朝

(余姚市测绘与地理信息局，浙江余姚 315400)

1 引言

1.1 研究背景

经济社会的发展使得农业人口向非农业人口转变、农村地域向非农业地区转变和农业活动向非农业活动转变越来越快，城镇化不断推进，而随着交通越来越发达，城市人口流动速度越来越快，使得城市化进入新的活跃期。在这种快速的城市化过程中，必将产生交通、环境、人口、就业、社会秩序等一系列的城市发展问题，这就加快了人们对城市这样一个生态系统如何与自然环境进行和谐相处并持续发展进行深入思考。探究城市问题产生的深层次原因，对城市空间结构和发展演变进行多方面的综合性研究。遥感影像能够直接反映地表覆盖情况，信息量丰富，通过遥感影像能够直观表现出城市发展与分布状况。因此，利用遥感技术能够查明城市建成区的空间分布以及时序变化。

本文以宁波市为例，利用4个时相的高分辨率遥感影像，结合GIS的空间分析方法，进行城市发展演变及城市空间扩展产生的影响研究，为城市空间拓展的优化调整和合理布局提供一定的理论指导。通过基于遥感数据的城市空间演变和产生的影响的研究，促进城市“理性增长”，保障城市总体规划的实施。

1.2 区域概况

浙江宁波位于东海之滨，长江三角洲的东南角。如图1所示，本文研究范围主要包括宁波市辖的海曙区、江东区、江北区、鄞州区、镇海区和北仑区6个区的行政区域范围，总面积约2560 km2。

2 遥感影像选择

图1 宁波市辖区

城市是一个典型的动态空间复杂系统，具有开放性、动态性、自组织性、非平衡性等耗散结构特征，其发展和扩展受许多不确定性因素，如自然、经济社会、文化、政治、法律等多种因素的影响，因而其行为过程具有高度的复杂性［1］。城市扩展主要体现在其所占用土地面积的增加和单位土地利用价值的增加，城市扩展实际上是城市的所有组成部分的增长，包括人口的增加、公共设施的增加、基础设施的扩建、加工业和服务业的发展、国民经济产值的增长等，其主要标志是大量建筑物的出现。因此，城市扩展实际上是城市化现象在空间上的具体表现。

为满足城市扩展和城市土地利用动态变化研究对数据源的实时、准确的要求，提取数据源采用4个不同时相的遥感影像，影像的日期和类型分别为:1998年航摄影像、2002年航摄影像图、2005年IKONOS卫星遥感影像和2008年IKONOS卫星遥感影像。4个时相的遥感影像，年份间隔相当，分别为4年、3年、3年，从城市扩展研究的角度，4个时相的影像所包含的信息代表了1998年～2008年10年间宁波城市扩张演化过程中4个时期的状态，影像很具有代表性，几个波段的地面分辨率都大于5 m，满足城市扩展和城市土地利用动态变化研究的要求，如图2所示。

图2 4年遥感影像

3 信息提取与分析

3.1 用地信息提取

对遥感数据进行地形图配准、影像纠正、投影变换、影像分类以及裁剪等预处理工作，在此基础上进行信息提取，得到4个年份的用地类型现状图，如图3所示。

图3 4年用地类型现状图

从4年的用地类型分类图中，我们就可以看出，粉红色的建成区面积不断扩大，而与之形成鲜明对比的是河道和绿地面积的不断减少，三江口流域的滩涂、水体和规划区范围内的绿地不断被建成区侵蚀。

3.2 用地信息提取

为掌握土地现状、制定土地政策，合理开发利用土地资源，国家对土地利用类型进行分类。在对研究区的用地类型分类过程中，根据《宁波市城市规划管理技术规定》和《开展城乡现状建设用地调查的工作草案》，结合实际，按照全面调查、突出重点的原则，将城乡用地分为建成区和非建成区两大类，并在大类中规定了10个须调查的类别，分别是居住、道路广场、公共设施、工业、仓储、对外交通、市政公共设施、绿地、特殊用地和水域及其他用地。

(1)对于建成区与非建成区两大类，用地类型多样性造成的景观紊乱度是城市边缘带的最大特点，能够利用C.E香思的信息熵原理完成［2］，具体表达式如下:

式中的信息熵H反映地物类型的数量及分布的均匀程度，Pi是区域内各类用地占总用地的面积百分比，i是用地类型的数量。

信息熵的高低能够反映出城市用地的均衡度，熵值越高，则不同职能的用地类型数量越多，面积相差就越小，土地分布也就越均衡，当城市各用地类型的面积相等时，熵值达到最大，表明城市土地利用达到了均衡状态［3］。

确定城市实体范围是进行用地分类的前提，首先划分判别单元，根据信息熵公式，结合调查情况和遥感影像解译结果计算各单元的信息熵值，将信息熵值大于0.65的作为城乡结合部范围，最终确定城市实体范围。利用ArcGIS将通过信息熵原理确定的城市实体范围用矢量化的方式画出实体范围线，得到了4个时相的城市扩展图，如图4所示。

图4 四个时相的城市扩展图

(2)对基于建成区数据的分类进行研究。利用监督分类、非监督分类和综合阈值法等方法针对建成区提取土地利用信息，对分类结果进行对比，单独使用某种方法其结果均不太理想，多次研究发现利用非监督分类与监督分类结合的方法能够得到较好的效果。先通过设置恰当的NDVI建成区指数阈值，用ENVI中的bandmath功能提取土地利用信息，阈值处理后的NDVI图中非建成区地物像元赋予了灰度0值，然后再用bandmath功能将此处理后NDVI图与基础影像的波段图像进行挨个复合，复合后的每个波段的图像也都除去了城市建设之外地物的信息，然后对复合后的波段图像进行监督分类和非监督分类，生成建成区范围图。

应用最大似然法，将非监督分类后图中已选训练样区与原始影像叠加，建立解译标志使光谱信息与地物特征建立联系，遵循光谱特征均一的原则分别在4个时相的影像上选取各用地类型中有代表性的训练样本，确保训练样本的数量足够多。另外，充分考虑混合像元点的存在以及地物类型相同但光谱特征不同或光谱特征相同但地物类型不同的现象选择训练样区，再对同类的进行合并，有效地提高了分类的精度。

3.3 城市扩展分析

根据遥感影像得到四年的用地分类结果，分别计算4个时期各用地类型的面积、比重、扩展面积和扩展强度，并绘出了土地利用扩展面积、扩展强度和结构变化图，如图5～图7所示。

图5 用地类型扩展面积图

图6 用地类型扩展强度图

图7 用地结构变化图

根据分析数据得到以下变化:

(1)居住用地迅速增加。1998年居住用地面积为12.94 km2，所占比重为0.27，到2008年，居住用地面积增加到60.46 km2，比重为0.21，其中比重逐年稳定到0.21。

(2)公共设施用地面积在1998年～2002年，面积增加11.63 km2，增幅达到最大有3倍之多。公共设施用地面积也在2002年达到最大比重为0.12，从2005年到2008年，公共设施用地面积变化不大，总体上有所增加达到23 km2多。

(3)工业用地面积增幅为所有用地类型中最大，所占比重从1998年的0.14上升到2008年的0.43，翻了2倍还要多，而面积从1998年的6.7 km2到2002年的36.87 km2，面积增加了 30.17 km2，年增加达到7.5 km2，增幅较大。

(4)仓储用地面积从1998年的 1.05 km2到2005年的8.59 km2，2008年面积与2005年持平，年增幅为0.75 km2，仓储用地所占比重4年来未发生较大变化。

(5)对外交通用地面积变化不大，总体上有所增加，1998年～2002年这4年增加了 5.89 km2，2002年～2005年这3年间增加了9.76km2，2005年～2008年这3年间面积增加了2.62 km2，对外交通用地面积这10年里所占比重变化不大。

(6)道路广场用地面积再2002年、2005年、2008年持续增加，分别为15.37 km2、21.56 km2、22.52 km2，10年间共增长了 7.15 km2。

(7)市政公共设施用地面积虽然从1998年的0.36 km2增加到2008年的2.84 km2，但是所占城市用地面积比重却有增加。

(8)绿地面积从1998年的 0.86 km2增加到2008年的7.91 km2，10年间面积增加了 7.05 km2，年增长面积仅为0.7 km2。

(9)特殊用地的面积仅从1998年的 0.72 km2增加到2002年的6.81 km2，后面6年间没有变化。

(10)水域与其他用地面积10年来虽然增加，但是所占比重持续走低，从1998年的0.14减少到2008年的0.03。

通过对数据进行分析，我们不难发现，十年间的城市发展表现出了一些不合理的扩张趋势:

①城市建设用地面积增长呈现增长过快趋势

据相关研究表明，全世界建设用地以年均1.2%的速度递增［4］，而从1998年～2008年，宁波建设用地从88.19 km2增加到 429.97 km2，年均增速将近 8%，远高于世界平均水平，面积总量翻了快4倍。人均建设用地从16.5 m2增加到75.7 m2，增长了5倍之多，城镇建设用地呈现出明显的非理性增长趋势。

②城市发展中土地利用过于粗放

每一种生产要素都存在着投入的效益问题，土地与劳动、资金、技术等一样，也是一种重要的生产要素，城市用地产出效率是城市用地合理利用与否的重要衡量指标。就宁波来说，城市用地产出率偏低，表明城市用地扩展过程中存在着重视外延式扩展，忽视内涵式扩展的倾向，城市用地内敛性不足。

③城市用地结构的出现不合理状况

在建国后相当一个时期内，我国的城市建设在指令性的计划经济体制指导下普遍存在着重生产、轻生活的倾向，导致工业、仓储等生产性用地比例过高，而居住、公共设施等生活性用地比例偏低。城市用地结构不合理使得社会经济活动的矛盾突出，也违背了城市发展的客观规律要求。在改革开以后，虽然城市用地结构已经有一定程度的调整，如公共设施、道路广场、绿地等用地比重上升，居住、工业、仓储用地比重下降，但变化幅度不大，城市用地结构不合理的状况还未得到根本性改变。

形成上述不合理发展的原因，主要是城市用地的无偿使用，使人们产生了城市用地产出率的“误区”，认为劳动、资金、技术分别有全员劳动生产率、百元资金利税率、技术进步贡献率，却忽视了城市用地的产出效率［5］。长期计划经济体制下城市用地无偿划拨使用，而形成了无限供给的思维，土地利用粗放，以至于城市出现摊大饼式的发展方式，加之土地出让、开发成为多数城市财政收入的重要来源，因而造成重视外延式发展，忽视内涵式发展，由此带来耕地资源减少、水资源不足以及城市生态环境退化等一系列问题。随着土地使用权出让等政策的施行，为了保障城市财政收益，不断加大了土地出让规模，“土地财政”政策直接造成了土地开发规模过大，导致土地粗放使用，偏离了合理开发城市空间的正常轨道。

4 结论

利用多时相的遥感影像对城市空间扩展的演变分析，是对城市扩展进行监测的一个有效手段。选取周期合理、积累时间较长的遥感影像数据进行处理分析，能够得到相应年份城市各类建设用地类型所占比重，结合数理方法对城市扩展进行分析，能够对城市空间的发展状况进行有效评估。将遥感和GIS应用到城市空间扩展研究中，借助GIS这一工具为城市研究提供帮助，分析城市发展中存在的问题，能够为城市的发展提供科学的依据，对城市的合理规划和科学决策具有重要意义。

［1］陈述彭主编.城市化与城市地理系统［M］.北京:科学出版社，1999.

［2］陈彦光，刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描述:从信息熵到分数维［J］.地理研究，2001，20(2):146～152.

［3］王秀兰，李雪瑞，冯仲科.基于信息熵原理的北京城市扩展研究［J］.中国人口·资源与环境，2010.

［4］MEYER W B，TURNER B L Ⅱ.Changes in Land Use and Land Cover:A Global Perspective［M］.Cambridge University Press，1994.

［5］雒占福.基于精明增长的城市空间扩展研究——以兰州市为例［D］.西北师范大学，2009.

［6］李加林，朱晓华，张殿.群组型港口城市用地时空扩展特征及外部形态演变——以宁波市为例［J］.地理研究，2008(3).

［7］陈永慧.基于RS和GIS的天津市城市扩展时空特征及其影响因素研究［D］.首都师范大学，2009.

［8］徐莹，王坤.基于遥感数据的宁波城市空间扩展及其驱动机制研究［D］.2010中国城市规划年会论文集，2010.

［9］徐冲.开封市区空间结构分析与调控［D］.河南大学，2011.