基于多源遙感數據的寶雞市城市擴展分析

張蓓蓓，吳曉榮

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

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基于多源遙感數據的寶雞市城市擴展分析

張蓓蓓，吳曉榮

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

摘要：以寶雞市城市規劃區為研究對象，使用多時相遙感圖像研究寶雞市城市擴展，采用1988～2015年間，5個時相的遙感影像為數據源，采取非監督分類與人工目視相結合的方法，制成城區圖，并結合寶雞市的自然狀況、社會經濟狀況、人口、交通、政策等情況，對寶雞市近27年的城市建設用地在不同時期的城市擴展特征、擴展方式和速度進行研究，并對其擴展的驅動力因素進行分析。結果表明：寶雞市在近27年間城市建成區面積持續擴大，各時期的城市擴展速率和擴展強度基本一致，建成區重心逐步向東發展。

關鍵詞：RS；GIS；寶雞市；城市擴展研究；城市重心遷移

0引言

城市化已成為人類活動改造自然環境的主要方式之一[1]，其使城市用地規模逐步擴大，特別是城市建設用地，最直接的表現是城市擴展[2]。遙感以其快速、準確、實時和周期短等特點，成為研究城市時間序列擴展的最佳方法，在城市空間結構動態監測方面具有優勢，并逐漸成為遙感應用領域的熱點，已經形成、應用和發展了許多種擴展監測和分析方法，能提高對建成區面積監測的準確度[2-5]。Landsat遙感影像分辨率較高，可以很好地識別城市建成區范圍，被廣泛應用于研究城市空間擴展[2]。

我國學者對此進行了大量的區域性研究，但大部分研究針對東部發達地區，比如穆曉東基于北京市8個時相的TM數據，對北京市1984～2007年間的城市擴展進行研究，結合城市分形維數、緊湊度、擴展強度和擴展速率4個指數，對城市擴展的數量特征、形態變化、空間特征進行分析[3]。李飛雪[6]、廖從健[7]等利用RS和GIS分別對南京、杭州的城市擴展進行了研究。徐新良等[8]對現在的城市擴展研究進行總結并對其趨勢進行預測，發現城市擴展形成多學科交叉研究的局面，目前以元胞自動機和分形理論在城市擴展的研究中應用較多，強調了數理方法和尺度在城市擴展研究中的重要性，指出深入對全國范圍城市擴展特征和規律的全面認識，是中國未來城市擴展研究的重要方向。

但基于RS和GIS的寶雞市城市擴展研究較少，楊波關于寶雞市的城市擴展有研究，但只選擇了三期的遙感影像[9]，徐春迪等[10-11]基于RS和GIS技術，主要針對寶雞市土地利用/土地覆被變化(LUCC)進行研究，因此，深入研究寶雞市城市擴展趨勢和擴展方向對寶雞市城市規劃和調控建設具有重要意義。

寶雞作為陜西省的第二大城市和關中-天水經濟區的一個副中心城市，提出了“力爭到2020年，市區建成區面積達到143 km2，市區人口達到130萬人”的目標，寶雞市要在大城市建設上實現突破，必須要拓展城市空間，這將推動寶雞市新一輪城市規模擴展。本文選取寶雞市的城市規劃區作為研究區域，它涵蓋了寶雞市渭濱區、陳倉區和金臺區的部分地區，近些年城市化進程逐步加快，對研究寶雞市城市擴展面積的動態變化和擴展方向具有代表性(圖1)。運用RS和GIS技術，將1988～2015年間5個時相陸地衛星(TM、ETM+等專題數據)的遙感影像作為數據源，對寶雞市近27年來城市的擴展信息進行提取，并對其進行研究，選取城市擴展速率、城市擴展強度和城市重心遷移等指標，結合寶雞市的統計數據和規劃方案，對未來寶雞市城市擴展的方向進行了初步預測。

1研究區概況及研究方法

1.1研究區概況

寶雞市轄3區9縣，地處東經106°18′～108°03′，北緯33°35′～35°06′，常住人口372.7萬人，東西長156.6 km，南北寬160.6 km，總面積18117 km2，其中市區面積3625 km2。位于陜西中部，關中西部，東接咸陽，南連漢中，西北與甘肅省的平涼和天水毗鄰(圖2)，具有南、西、北三面環山，以渭河為中軸向東拓展，呈尖角開口槽形的特點[12]。其是陜、甘、川、寧四省毗鄰地區的區域性中心城市，是連接中原與西北、西南的重要通道，在西部區域經濟發展中具有“承東啟西、聯南濟北”的戰略地位[13]。隴海、寶成、寶中、西寶客運專線等多條鐵路在此交匯，西寶高速、寶天高速、國道G310、國道G316以及110多條支干線公路連接東西南北，“三縱五橫”公路網基本形成，交通優勢明顯。

1.2數據來源及數據預處理

1.2.1數據來源本文所采用的數據是寶雞市1988～2015年5個時期的TM/ETM+遙感影像，由于寶雞市處于西北干旱區，霧天少，所獲遙感影像無云層覆蓋，圖像清楚，質量較好[14]。2000年以后寶雞市城市化進程逐步加快，因此在遙感影像的選取上，2000年以后的影像時間段更加密集。研究還收集了寶雞市1∶50000的地形圖、寶雞的行政區劃圖、寶雞的土地利用現狀圖，及其它社會經濟統計資料。其中衛星遙感影像主要用于提取寶雞市城市擴展的動態信息，地形圖用于對寶雞市的遙感影像進行幾何精糾正，統計資料主要用于對寶雞市城市擴展的驅動力機制進行分析。所獲遙感影像信息如表1。

圖1　寶雞市的行政區劃圖

圖2　寶雞市區域位置圖

數據類型成像日期/(年/月/日)分辨率軌道號衛星TM1988/09/1530P128/r36LANDSAT5ETM+2000/05/1915P128/r36LANDSAT7TM2005/05/0930P128/r36LANDSAT5TM2009/06/0530P128/r36LANDSAT5ETM+2015/01/2115P128/r36LANDSAT7

1.2.2數據預處理將數據加載到ERDAS 9.2軟件中，通過Interpreter模塊中的Layer stack波段合成功能，依次將各年份的數據進行合成，生成多波段影像數據文件并保存。對5個時期的遙感影像運用ERDAS IMAGINE 9.2軟件中的Raster功能對遙感數據進行校正，每個數據選取30～35個GCP，得到寶雞市具有幾何高精度的TM以及ETM+影像圖。因P128/R36圖幅跨越的區域較大，為了更好地計算研究區域的相關數據和提高電腦處理性能，需要對圖幅進行不規則裁剪，通過ERDAS 9.2軟件中的AOI功能建立一個不規則的多邊形(包含研究區在內并且適當放大區域)，然后通過Data Preparation里面的Subset Image功能對圖像進行裁剪，得到小幅地圖。通過5×5的卷積運算對圖像處理，有效地去除了高頻模糊度或低頻模糊度部分。為了更好地突出寶雞市城市建成區，需要在分析影像波譜特征的基礎上選擇最佳波段組合，經過實驗，發現融合742波段，對其經過拉伸變換，能很好地突出城市邊界，更好地反映出水體區域。將從遙感影像中提取出的圖像加入到Arcgis中，對不同時期的城區圖像進行疊加分析，得到寶雞市各個時間段的城市擴展圖，并通過Arcgis中的統計分析功能，獲得不同時期城市建成區的面積[15]。

1.3研究方法

1.3.1城市擴展信息提取非監督分類運用ISODATA算法，按照像元的光譜特性進行統計分類，使用該方法時，原始圖像的所有波段都參與分類運算，分類結果往往是各類像元數大體等比例。通過非監督分類和人工目視分類相結合的方法，提取寶雞市城市擴展信息，并將提取的信息轉換為coverage文件，便于在Arcgis中進行分析。

1.3.2時空特征分析研究選取2個指標對城市擴展的時空特征進行分析：擴展速率、擴展強度。擴展速率和擴展強度都是描述城市擴展數量特征的指標。擴展速率表示在某一時段內城市平均擴展面積；擴展強度則表示年際城市面積增長比率[3]。定義如下：

式中V為擴展速率，R為擴展強度，Ub為研究末期城市用地面積，Ua為研究初期城市用地面積，T為時間間隔[3]。

1.3.3城市重心遷移分析利用Arcgis軟件，獲取研究區5個時期的城市重心，具體方法是先求出各個小區域的質心，再在各個區域的質心連成面，再一次求出這個質心而得到各個年份建成區重心，將5個時期的重心連接，制成城市重心變化圖。

2城市擴展分析

2.1城市空間擴展特征分析

將寶雞市1988、2000、2005、2009、2015年的城區圖導入Arcgis中進行疊加分析，獲得寶雞市的城市擴展過程的疊加分析圖(圖3)。然后，根據我們所采用的5個時相的遙感影像，將寶雞市城市擴展過程分為4個階段：分別是1988～2000、2000～2005、2005～2009、2009～2015年，各個階段的空間擴展如圖3所示。

圖3　寶雞市1988～2015年城區擴展圖

至1988年，寶雞市在老城區周圍以自然蔓延方式緩慢擴展，城市用地主要分布在經二路、姜城堡、上馬營、譚家村、福臨堡新工業區、下馬營工業區(寶雞有色金屬加工廠)和八里橋工業區等地區[9]。

1988～2000年間，城市擴展區域分布零散，大部分是在原有城區的基礎上對外進行小規模的擴展，主要以東風路、寶光路、火炬路、西寶高速為擴展軸向外發展，最大擴展區域在陳倉區虢鎮。

2000～2005年，寶雞市建成區面積迅猛擴展，城市擴展規模大，以城市內部填充和蔓延擴展為主，城市擴展強度提高，沿渭河兩岸城市建成區呈條帶狀發展迅速。主要是因為1992年國務院批準建立寶雞高新技術產業開發區之后，城鄉結合部發展起來。這一時期主要的擴展區域是在寶雞市高新技術產業開發區，其次是代家灣和陳倉區虢鎮。

2005～2009年，寶雞市城市發展較快，用地需求量大，其城市擴展模式以連接式發展為主，以鑲嵌式發展為輔，沿渭河南岸持續向南、向東方向擴展，整個城市完成東西對接連為一體，對寶雞市一體化發展影響重大。以寶雞市高新技術產業開發區東區城市擴展速度最快，其擴展面積也最大，這在一定程度上受政策和產業結構的影響[2]。

2009～2015年，城市發展以跳躍式發展為主，東-西方向是主要的擴展方向，因為寶雞市實施行政中心東移，政府工作人員搬離市區，遷址距市中心10 km外的代家灣，減輕了中心城區的交通壓力，為寶雞商業中心的發展和市場流通留出空間，為寶雞市向東發展提供了前提條件。

2.2城市擴展數量分析

通過Arcgis中的統計分析功能，得到寶雞市各個時期的城市建成區面積，1988年寶雞市的城市建設用地面積為2999.70 hm2，2000年面積為4374.42 hm2，2005年面積為7013.59 hm2，2009年的面積為8167.97 hm2，2015年的面積為10878.88 hm2，27年間城市建成區面積擴大了3.63倍，凈增加面積為7879.18 hm2，年均擴展291.82 hm2。寶雞市各時段的城市擴展速率、擴展強度如表2所示。

表2　寶雞市1988～2015年城市面積變化情況

計算結果表明，寶雞市各個時間段的城市擴展特征差異顯著。1988～2000年寶雞市的城市擴展速率為114.56 hm2/年，擴展強度為3.82%，說明這一時期寶雞市城市擴展相對緩慢；2000～2005年，擴展強度為12.07%，相比于前一時期，寶雞市城區高速擴展，其城市擴展速率是1988～2000年的擴展速率的近5倍；2005～2009、2009～2015年寶雞市的擴展強度分別為4.11%、5.53%，說明寶雞市2005～2015年城市擴展出現穩定增長的趨勢，以386.53 hm2/年的速度擴展。由此可見，寶雞市的擴展速率與擴展強度的變化基本一致，擴展速率與擴展強度的極大值出現在2000～2005年，發展相對均衡。1988年來，寶雞市不斷調整產業結構，并于1992年興建國家級開發區、改造并完善建成區基礎設施，注重城市道路的發展，城市工業快速發展，進一步推進了城市建成區的擴展。

2.3城市重心遷移分析

城市重心作為反映城市擴展方向軌跡的一個非常重要的指標，在研究城市的擴展過程中有著十分獨特的價值[16]。本文利用Arcgis軟件，獲取研究區的5個時期的城市重心，將5個時期的城市重心連接，制成城市重心變化圖(圖4)，其重心坐標信息見表3。

表3　不同時期寶雞市建成區重心坐標

從重心的緯度變化來看，1988～2015年緯度變化不明顯。從重心的經度變化來看，1988～2005年，經度減小，表現為城市向西發展，2005～2015年，經度上升，在具體區域中表現為城市不斷向東發展。近十年來城市重心東移的原因：寶雞市在在三面環山的地形限制下，使得寶雞市向東擴展空間，其次是寶雞市高新技術產業開發區的設立，政府政策上的鼓勵和優惠，以及便捷的交通。

圖4　1988～2015年寶雞市城市重心變化

3寶雞市城市擴展的驅動力分析

3.1自然條件

寶雞市地跨渭河兩岸，南、西、北三面環山，城市用地擴展受地形制約大，自由度較小，限制了寶雞市城市擴展的方向。渭河的阻隔使得渭河兩岸在發展上有差異，三面環山的條件使得寶雞市逐漸形成東-西方向的城市擴展軸。

3.2經濟因素

城市經濟的發展主要依靠第二、三產業，這些產業的發展，帶動了地區經濟發展，增加收入。但一個地區的土地是有限的，發展第二、三產業，必將占用城市周圍的土地，將其轉變為城市建設用地，增加城市建成區面積。圖5是寶雞市1988～2013年的地區生產總值的變化情況，從圖中得出，寶雞市1988～2013年地區生產總值逐年增長，2000年以后增長速度加快，這與寶雞市1988～2013年的城市擴展速率一致，由此可見，經濟發展是城市擴展的直接動力。

圖5　寶雞市1988～2013年地區生產總值

3.3人口因素

人口因素一直是社會經濟因素中十分重要的影響因素，是推動城市用地規模擴展的內在動力[17]。經濟的發展導致大量的人口進入城市，占用城市的資源，促進了城市建成區的擴展。圖6是寶雞市1988～2013年的人口變化情況。

3.4交通因素

城市發展必須依托一定的交通設施,城市內部與外部以及各個城市之間的聯系主要通過交通來完成[18]。寶雞市形成了干支結合、四通八達的交通格局，交通優勢明顯。交通線建成后，其靠近交通線的優勢，能吸引大量企業投資建廠，擴大建成區面積。

圖6　寶雞市1988～2013年人口統計

3.5政策因素

經濟政策、城市總體規劃和詳細規劃、行政區劃調整等政策因素也是造成城市空間擴展的主要原因。寶雞市1992年11月經國務院批準設立的國家級高新技術產業開發區，分為科技創業園和新區兩部分。2003年寶雞市進行區劃調整，設立寶雞市陳倉區。2007年寶雞市行政中心東遷，帶動了整個城市的東擴南移，促進了寶雞市建成區面積向東發展。

4結論

運用RS與GIS技術對寶雞市1988～2015年的城市擴展情況進行了分析研究，結果表明：1988～2015年間寶雞市以老城區為中心向四周擴展，27年間城市擴展速度快，截止到2015年，寶雞市的城市面積已達到1988年的3.63倍，其中1988～2000年城市建成區面積緩慢增長，2000～2005年寶雞市城市建成區面積迅猛增長，2005～2009年出現穩定增長，2009～2015年出現持續增長。

寶雞市在地形和政策的推動下，建成區重心逐步向東的趨勢明顯。寶雞市城市擴展最主要的驅動因素是自然、經濟、人口、交通、政策等，城市經濟的發展帶動了交通、政策的完善，同時也帶動了人口的增加和流動，這些因素反之又影響城市經濟的發展，促使城市建成區面積擴大，要求我們合理規劃建設用地，提高土地利用率。

參考文獻：

[1] 陳述彭.城市化與城市地理系統[M].北京:科學出版社,1999.

[2] 阿斯耶·姆圖爾迪,阿里木江·卡斯木.基于多源遙感數據的奎屯市城市擴展分析[J].水土保持研究,2013,20(2)：233-237.

[3] 穆曉東,劉慧平,薛曉娟.基于遙感監測的北京1984-2007年城市擴展研究[J].北京師范大學學報:自然科學版,2012,48(1)：81-85.

[4] 何春陽,史培軍,陳晉,等.北京地區城市化進程與機制研究[J].地理學報,2002,57(3):363-371.

[5] 崔壺,孫希華.基于GIS的青島市城市擴展與空間形態研究[J].山東師范大學學報:自然科學版,2012,27(1):76-80.

[6] 李飛雪,李滿春,劉永學,等.建國以來南京城市擴展研究[J].自然資源學報,2007,22(4):524-535.

[7] 廖從健,黃敬峰,盛莉,等.基于遙感的杭州城市建成區擴展研究[J].區域與城市規劃,2013,20(6):58-63.

[8] 徐新良,趙美艷,閔稀碧.城市擴展研究的主要進展與展望[J].生態科學,2014,33(3):619-624.

[9] 楊波.基于GIS & RS的寶雞市城市擴展研究[D].重慶:西南大學,2011:5.

[10] 徐春迪,屈康慶,郭俊理.寶雞市金渭兩區土地利用信息遙感提取研究[J].地理空間信息,2007,5(6)：39-41.

[11] 徐春迪,劉夢云,屈廩慶,等.寶雞市金渭兩區土地利用變化及驅動力分析[J].安徽農業科學,2008,36(14):6008-6010.

[12] 張敏潔,王非.寶雞:“中國鈦谷”的華麗轉型[J].西部大開發,2010(5):48.

[13] 寶雞市政務信息辦.寶雞名片,走進寶雞,地理環境[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技術寶雞市金渭兩區土地利用變化及趨勢分析[J].干旱地區農業研究,2009,27(5),240-244.

[15] 魏顯虎,張宗科.開羅城市擴展及土地利用占用過程遙感研究[J].世界科技研究與發展,2013,35(1)：80-83.

[16] 汪鐳,常勇,秦育羅.基于GIS和RS的濱州市城市擴展研究[J].經營管理,2013(9)：48-51.

[17] 袁俊.湖北省土地利用變化及其驅動力分析[J].國土與自然資源研究,2003(4)：33-35.

[18] 陳本清,徐涵秋.城市擴展及其驅動力遙感分析:以廈門市為例[J].經濟地理,2005,25(1)：37.

(責任編輯：許晶晶)

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

中圖分類號：F293.2

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)01-0104-05

作者簡介：張蓓蓓(1983─)，女，河南沈丘人，講師，博士，主要從事生態學研究。

基金項目：寶雞文理學院重點項目(ZK15035)。

收稿日期：2015-05-12