基于多源遥感数据的宝鸡市城市扩展分析

张蓓蓓，吴晓荣

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)



基于多源遥感数据的宝鸡市城市扩展分析

张蓓蓓，吴晓荣

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

摘要：以宝鸡市城市规划区为研究对象，使用多时相遥感图像研究宝鸡市城市扩展，采用1988～2015年间，5个时相的遥感影像为数据源，采取非监督分类与人工目视相结合的方法，制成城区图，并结合宝鸡市的自然状况、社会经济状况、人口、交通、政策等情况，对宝鸡市近27年的城市建设用地在不同时期的城市扩展特征、扩展方式和速度进行研究，并对其扩展的驱动力因素进行分析。结果表明：宝鸡市在近27年间城市建成区面积持续扩大，各时期的城市扩展速率和扩展强度基本一致，建成区重心逐步向东发展。

关键词：RS；GIS；宝鸡市；城市扩展研究；城市重心迁移

0引言

城市化已成为人类活动改造自然环境的主要方式之一[1]，其使城市用地规模逐步扩大，特别是城市建设用地，最直接的表现是城市扩展[2]。遥感以其快速、准确、实时和周期短等特点，成为研究城市时间序列扩展的最佳方法，在城市空间结构动态监测方面具有优势，并逐渐成为遥感应用领域的热点，已经形成、应用和发展了许多种扩展监测和分析方法，能提高对建成区面积监测的准确度[2-5]。Landsat遥感影像分辨率较高，可以很好地识别城市建成区范围，被广泛应用于研究城市空间扩展[2]。

我国学者对此进行了大量的区域性研究，但大部分研究针对东部发达地区，比如穆晓东基于北京市8个时相的TM数据，对北京市1984～2007年间的城市扩展进行研究，结合城市分形维数、紧凑度、扩展强度和扩展速率4个指数，对城市扩展的数量特征、形态变化、空间特征进行分析[3]。李飞雪[6]、廖从健[7]等利用RS和GIS分别对南京、杭州的城市扩展进行了研究。徐新良等[8]对现在的城市扩展研究进行总结并对其趋势进行预测，发现城市扩展形成多学科交叉研究的局面，目前以元胞自动机和分形理论在城市扩展的研究中应用较多，强调了数理方法和尺度在城市扩展研究中的重要性，指出深入对全国范围城市扩展特征和规律的全面认识，是中国未来城市扩展研究的重要方向。

但基于RS和GIS的宝鸡市城市扩展研究较少，杨波关于宝鸡市的城市扩展有研究，但只选择了三期的遥感影像[9]，徐春迪等[10-11]基于RS和GIS技术，主要针对宝鸡市土地利用/土地覆被变化(LUCC)进行研究，因此，深入研究宝鸡市城市扩展趋势和扩展方向对宝鸡市城市规划和调控建设具有重要意义。

宝鸡作为陕西省的第二大城市和关中-天水经济区的一个副中心城市，提出了“力争到2020年，市区建成区面积达到143 km2，市区人口达到130万人”的目标，宝鸡市要在大城市建设上实现突破，必须要拓展城市空间，这将推动宝鸡市新一轮城市规模扩展。本文选取宝鸡市的城市规划区作为研究区域，它涵盖了宝鸡市渭滨区、陈仓区和金台区的部分地区，近些年城市化进程逐步加快，对研究宝鸡市城市扩展面积的动态变化和扩展方向具有代表性(图1)。运用RS和GIS技术，将1988～2015年间5个时相陆地卫星(TM、ETM+等专题数据)的遥感影像作为数据源，对宝鸡市近27年来城市的扩展信息进行提取，并对其进行研究，选取城市扩展速率、城市扩展强度和城市重心迁移等指标，结合宝鸡市的统计数据和规划方案，对未来宝鸡市城市扩展的方向进行了初步预测。

1研究区概况及研究方法

1.1研究区概况

宝鸡市辖3区9县，地处东经106°18′～108°03′，北纬33°35′～35°06′，常住人口372.7万人，东西长156.6 km，南北宽160.6 km，总面积18117 km2，其中市区面积3625 km2。位于陕西中部，关中西部，东接咸阳，南连汉中，西北与甘肃省的平凉和天水毗邻(图2)，具有南、西、北三面环山，以渭河为中轴向东拓展，呈尖角开口槽形的特点[12]。其是陕、甘、川、宁四省毗邻地区的区域性中心城市，是连接中原与西北、西南的重要通道，在西部区域经济发展中具有“承东启西、联南济北”的战略地位[13]。陇海、宝成、宝中、西宝客运专线等多条铁路在此交汇，西宝高速、宝天高速、国道G310、国道G316以及110多条支干线公路连接东西南北，“三纵五横”公路网基本形成，交通优势明显。

1.2数据来源及数据预处理

1.2.1数据来源本文所采用的数据是宝鸡市1988～2015年5个时期的TM/ETM+遥感影像，由于宝鸡市处于西北干旱区，雾天少，所获遥感影像无云层覆盖，图像清楚，质量较好[14]。2000年以后宝鸡市城市化进程逐步加快，因此在遥感影像的选取上，2000年以后的影像时间段更加密集。研究还收集了宝鸡市1∶50000的地形图、宝鸡的行政区划图、宝鸡的土地利用现状图，及其它社会经济统计资料。其中卫星遥感影像主要用于提取宝鸡市城市扩展的动态信息，地形图用于对宝鸡市的遥感影像进行几何精纠正，统计资料主要用于对宝鸡市城市扩展的驱动力机制进行分析。所获遥感影像信息如表1。

图1　宝鸡市的行政区划图

图2　宝鸡市区域位置图

数据类型成像日期/(年/月/日)分辨率轨道号卫星TM1988/09/1530P128/r36LANDSAT5ETM+2000/05/1915P128/r36LANDSAT7TM2005/05/0930P128/r36LANDSAT5TM2009/06/0530P128/r36LANDSAT5ETM+2015/01/2115P128/r36LANDSAT7

1.2.2数据预处理将数据加载到ERDAS 9.2软件中，通过Interpreter模块中的Layer stack波段合成功能，依次将各年份的数据进行合成，生成多波段影像数据文件并保存。对5个时期的遥感影像运用ERDAS IMAGINE 9.2软件中的Raster功能对遥感数据进行校正，每个数据选取30～35个GCP，得到宝鸡市具有几何高精度的TM以及ETM+影像图。因P128/R36图幅跨越的区域较大，为了更好地计算研究区域的相关数据和提高电脑处理性能，需要对图幅进行不规则裁剪，通过ERDAS 9.2软件中的AOI功能建立一个不规则的多边形(包含研究区在内并且适当放大区域)，然后通过Data Preparation里面的Subset Image功能对图像进行裁剪，得到小幅地图。通过5×5的卷积运算对图像处理，有效地去除了高频模糊度或低频模糊度部分。为了更好地突出宝鸡市城市建成区，需要在分析影像波谱特征的基础上选择最佳波段组合，经过实验，发现融合742波段，对其经过拉伸变换，能很好地突出城市边界，更好地反映出水体区域。将从遥感影像中提取出的图像加入到Arcgis中，对不同时期的城区图像进行叠加分析，得到宝鸡市各个时间段的城市扩展图，并通过Arcgis中的统计分析功能，获得不同时期城市建成区的面积[15]。

1.3研究方法

1.3.1城市扩展信息提取非监督分类运用ISODATA算法，按照像元的光谱特性进行统计分类，使用该方法时，原始图像的所有波段都参与分类运算，分类结果往往是各类像元数大体等比例。通过非监督分类和人工目视分类相结合的方法，提取宝鸡市城市扩展信息，并将提取的信息转换为coverage文件，便于在Arcgis中进行分析。

1.3.2时空特征分析研究选取2个指标对城市扩展的时空特征进行分析：扩展速率、扩展强度。扩展速率和扩展强度都是描述城市扩展数量特征的指标。扩展速率表示在某一时段内城市平均扩展面积；扩展强度则表示年际城市面积增长比率[3]。定义如下：

式中V为扩展速率，R为扩展强度，Ub为研究末期城市用地面积，Ua为研究初期城市用地面积，T为时间间隔[3]。

1.3.3城市重心迁移分析利用Arcgis软件，获取研究区5个时期的城市重心，具体方法是先求出各个小区域的质心，再在各个区域的质心连成面，再一次求出这个质心而得到各个年份建成区重心，将5个时期的重心连接，制成城市重心变化图。

2城市扩展分析

2.1城市空间扩展特征分析

将宝鸡市1988、2000、2005、2009、2015年的城区图导入Arcgis中进行叠加分析，获得宝鸡市的城市扩展过程的叠加分析图(图3)。然后，根据我们所采用的5个时相的遥感影像，将宝鸡市城市扩展过程分为4个阶段：分别是1988～2000、2000～2005、2005～2009、2009～2015年，各个阶段的空间扩展如图3所示。

图3　宝鸡市1988～2015年城区扩展图

至1988年，宝鸡市在老城区周围以自然蔓延方式缓慢扩展，城市用地主要分布在经二路、姜城堡、上马营、谭家村、福临堡新工业区、下马营工业区(宝鸡有色金属加工厂)和八里桥工业区等地区[9]。

1988～2000年间，城市扩展区域分布零散，大部分是在原有城区的基础上对外进行小规模的扩展，主要以东风路、宝光路、火炬路、西宝高速为扩展轴向外发展，最大扩展区域在陈仓区虢镇。

2000～2005年，宝鸡市建成区面积迅猛扩展，城市扩展规模大，以城市内部填充和蔓延扩展为主，城市扩展强度提高，沿渭河两岸城市建成区呈条带状发展迅速。主要是因为1992年国务院批准建立宝鸡高新技术产业开发区之后，城乡结合部发展起来。这一时期主要的扩展区域是在宝鸡市高新技术产业开发区，其次是代家湾和陈仓区虢镇。

2005～2009年，宝鸡市城市发展较快，用地需求量大，其城市扩展模式以连接式发展为主，以镶嵌式发展为辅，沿渭河南岸持续向南、向东方向扩展，整个城市完成东西对接连为一体，对宝鸡市一体化发展影响重大。以宝鸡市高新技术产业开发区东区城市扩展速度最快，其扩展面积也最大，这在一定程度上受政策和产业结构的影响[2]。

2009～2015年，城市发展以跳跃式发展为主，东-西方向是主要的扩展方向，因为宝鸡市实施行政中心东移，政府工作人员搬离市区，迁址距市中心10 km外的代家湾，减轻了中心城区的交通压力，为宝鸡商业中心的发展和市场流通留出空间，为宝鸡市向东发展提供了前提条件。

2.2城市扩展数量分析

通过Arcgis中的统计分析功能，得到宝鸡市各个时期的城市建成区面积，1988年宝鸡市的城市建设用地面积为2999.70 hm2，2000年面积为4374.42 hm2，2005年面积为7013.59 hm2，2009年的面积为8167.97 hm2，2015年的面积为10878.88 hm2，27年间城市建成区面积扩大了3.63倍，净增加面积为7879.18 hm2，年均扩展291.82 hm2。宝鸡市各时段的城市扩展速率、扩展强度如表2所示。

表2　宝鸡市1988～2015年城市面积变化情况

计算结果表明，宝鸡市各个时间段的城市扩展特征差异显著。1988～2000年宝鸡市的城市扩展速率为114.56 hm2/年，扩展强度为3.82%，说明这一时期宝鸡市城市扩展相对缓慢；2000～2005年，扩展强度为12.07%，相比于前一时期，宝鸡市城区高速扩展，其城市扩展速率是1988～2000年的扩展速率的近5倍；2005～2009、2009～2015年宝鸡市的扩展强度分别为4.11%、5.53%，说明宝鸡市2005～2015年城市扩展出现稳定增长的趋势，以386.53 hm2/年的速度扩展。由此可见，宝鸡市的扩展速率与扩展强度的变化基本一致，扩展速率与扩展强度的极大值出现在2000～2005年，发展相对均衡。1988年来，宝鸡市不断调整产业结构，并于1992年兴建国家级开发区、改造并完善建成区基础设施，注重城市道路的发展，城市工业快速发展，进一步推进了城市建成区的扩展。

2.3城市重心迁移分析

城市重心作为反映城市扩展方向轨迹的一个非常重要的指标，在研究城市的扩展过程中有着十分独特的价值[16]。本文利用Arcgis软件，获取研究区的5个时期的城市重心，将5个时期的城市重心连接，制成城市重心变化图(图4)，其重心坐标信息见表3。

表3　不同时期宝鸡市建成区重心坐标

从重心的纬度变化来看，1988～2015年纬度变化不明显。从重心的经度变化来看，1988～2005年，经度减小，表现为城市向西发展，2005～2015年，经度上升，在具体区域中表现为城市不断向东发展。近十年来城市重心东移的原因：宝鸡市在在三面环山的地形限制下，使得宝鸡市向东扩展空间，其次是宝鸡市高新技术产业开发区的设立，政府政策上的鼓励和优惠，以及便捷的交通。

图4　1988～2015年宝鸡市城市重心变化

3宝鸡市城市扩展的驱动力分析

3.1自然条件

宝鸡市地跨渭河两岸，南、西、北三面环山，城市用地扩展受地形制约大，自由度较小，限制了宝鸡市城市扩展的方向。渭河的阻隔使得渭河两岸在发展上有差异，三面环山的条件使得宝鸡市逐渐形成东-西方向的城市扩展轴。

3.2经济因素

城市经济的发展主要依靠第二、三产业，这些产业的发展，带动了地区经济发展，增加收入。但一个地区的土地是有限的，发展第二、三产业，必将占用城市周围的土地，将其转变为城市建设用地，增加城市建成区面积。图5是宝鸡市1988～2013年的地区生产总值的变化情况，从图中得出，宝鸡市1988～2013年地区生产总值逐年增长，2000年以后增长速度加快，这与宝鸡市1988～2013年的城市扩展速率一致，由此可见，经济发展是城市扩展的直接动力。

图5　宝鸡市1988～2013年地区生产总值

3.3人口因素

人口因素一直是社会经济因素中十分重要的影响因素，是推动城市用地规模扩展的内在动力[17]。经济的发展导致大量的人口进入城市，占用城市的资源，促进了城市建成区的扩展。图6是宝鸡市1988～2013年的人口变化情况。

3.4交通因素

城市发展必须依托一定的交通设施,城市内部与外部以及各个城市之间的联系主要通过交通来完成[18]。宝鸡市形成了干支结合、四通八达的交通格局，交通优势明显。交通线建成后，其靠近交通线的优势，能吸引大量企业投资建厂，扩大建成区面积。

图6　宝鸡市1988～2013年人口统计

3.5政策因素

经济政策、城市总体规划和详细规划、行政区划调整等政策因素也是造成城市空间扩展的主要原因。宝鸡市1992年11月经国务院批准设立的国家级高新技术产业开发区，分为科技创业园和新区两部分。2003年宝鸡市进行区划调整，设立宝鸡市陈仓区。2007年宝鸡市行政中心东迁，带动了整个城市的东扩南移，促进了宝鸡市建成区面积向东发展。

4结论

运用RS与GIS技术对宝鸡市1988～2015年的城市扩展情况进行了分析研究，结果表明：1988～2015年间宝鸡市以老城区为中心向四周扩展，27年间城市扩展速度快，截止到2015年，宝鸡市的城市面积已达到1988年的3.63倍，其中1988～2000年城市建成区面积缓慢增长，2000～2005年宝鸡市城市建成区面积迅猛增长，2005～2009年出现稳定增长，2009～2015年出现持续增长。

宝鸡市在地形和政策的推动下，建成区重心逐步向东的趋势明显。宝鸡市城市扩展最主要的驱动因素是自然、经济、人口、交通、政策等，城市经济的发展带动了交通、政策的完善，同时也带动了人口的增加和流动，这些因素反之又影响城市经济的发展，促使城市建成区面积扩大，要求我们合理规划建设用地，提高土地利用率。

参考文献：

[1] 陈述彭.城市化与城市地理系统[M].北京:科学出版社,1999.

[2] 阿斯耶·姆图尔迪,阿里木江·卡斯木.基于多源遥感数据的奎屯市城市扩展分析[J].水土保持研究,2013,20(2)：233-237.

[3] 穆晓东,刘慧平,薛晓娟.基于遥感监测的北京1984-2007年城市扩展研究[J].北京师范大学学报:自然科学版,2012,48(1)：81-85.

[4] 何春阳,史培军,陈晋,等.北京地区城市化进程与机制研究[J].地理学报,2002,57(3):363-371.

[5] 崔壶,孙希华.基于GIS的青岛市城市扩展与空间形态研究[J].山东师范大学学报:自然科学版,2012,27(1):76-80.

[6] 李飞雪,李满春,刘永学,等.建国以来南京城市扩展研究[J].自然资源学报,2007,22(4):524-535.

[7] 廖从健,黄敬峰,盛莉,等.基于遥感的杭州城市建成区扩展研究[J].区域与城市规划,2013,20(6):58-63.

[8] 徐新良,赵美艳,闵稀碧.城市扩展研究的主要进展与展望[J].生态科学,2014,33(3):619-624.

[9] 杨波.基于GIS & RS的宝鸡市城市扩展研究[D].重庆:西南大学,2011:5.

[10] 徐春迪,屈康庆,郭俊理.宝鸡市金渭两区土地利用信息遥感提取研究[J].地理空间信息,2007,5(6)：39-41.

[11] 徐春迪,刘梦云,屈廪庆,等.宝鸡市金渭两区土地利用变化及驱动力分析[J].安徽农业科学,2008,36(14):6008-6010.

[12] 张敏洁,王非.宝鸡:“中国钛谷”的华丽转型[J].西部大开发,2010(5):48.

[13] 宝鸡市政务信息办.宝鸡名片,走进宝鸡,地理环境[EB/OL]. [2015-03-07]http://www.baoji.gov.cn/site/12/html/327/335/39428.htm.

[14] 徐春迪.基于GIS和RS技术宝鸡市金渭两区土地利用变化及趋势分析[J].干旱地区农业研究,2009,27(5),240-244.

[15] 魏显虎,张宗科.开罗城市扩展及土地利用占用过程遥感研究[J].世界科技研究与发展,2013,35(1)：80-83.

[16] 汪镭,常勇,秦育罗.基于GIS和RS的滨州市城市扩展研究[J].经营管理,2013(9)：48-51.

[17] 袁俊.湖北省土地利用变化及其驱动力分析[J].国土与自然资源研究,2003(4)：33-35.

[18] 陈本清,徐涵秋.城市扩展及其驱动力遥感分析:以厦门市为例[J].经济地理,2005,25(1)：37.

(责任编辑：许晶晶)

Analysis of Urban Expansion Based on Multi-source

Remote Sensing Data in Baoji City

ZHANG Bei-bei, WU Xiao-rong

(Baoji University of Arts and Sciences, Key Laboratory of Disaster Survey and Mechanism Simulation of Shaanxi Province, Baoji 721013, China)

Abstract：In this study, the multi-temporal remote sensing data was used to analyze the expansion of Baoji city by the city planning region. The five different periods of remote sensing images during 1988～2015 were used as data sources, combined the unsupervised classification and visual interpretation methods to made urban expansion map, and then according to natural conditions, socio-economic status, population, transportation and policy in Baoji city, the expansion characteristics, mode and speed of Baoji city in the past 27 years were studied under different periods, while the driving forces of urban expansion were also analyzed. The results showed that: In nearly 27 years, the city built-up regions continue to expand. Urban expansion rate and expansion intensity in each period was consistent. The City centre was gradually developed to the east.

Key words：RS; GIS; Baoji City; Urban expansion studies; City center migration

中图分类号：F293.2

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)01-0104-05

作者简介：张蓓蓓(1983─)，女，河南沈丘人，讲师，博士，主要从事生态学研究。

基金项目：宝鸡文理学院重点项目(ZK15035)。

收稿日期：2015-05-12