基于遙感影像的嘉興市城市擴張與驅動力分析

陳可欣, 張 豐*, 杜震洪, 劉仁義

(1. 浙江大學 浙江省資源與環境信息系統重點實驗室， 浙江 杭州 310028；2. 浙江大學 地理信息科學研究所， 浙江 杭州 310027)

表1 各年份建設區域面積與面積增加量

表2 擴張速度和強度

表3 驅動力備選因子

表4 因子取值

?

基于遙感影像的嘉興市城市擴張與驅動力分析

陳可欣1,2, 張 豐1,2*, 杜震洪1,2, 劉仁義1,2

(1. 浙江大學 浙江省資源與環境信息系統重點實驗室， 浙江 杭州 310028；2. 浙江大學 地理信息科學研究所， 浙江 杭州 310027)

在當前高速城市化的背景下，為及時了解嘉興市的城市發展現狀，使用遙感手段提取各時間段內城市的建設區域，并分析了擴張過程的時空特征，再結合社會經濟數據探究了城市擴張的驅動力因素.結果表明：嘉興市在1993～2013年間城市擴張明顯，擴張速度和強度先增后減，擴張方向由西北轉向南，擴張模式經歷了“主動型-被動型-穩定型”的轉變過程，擴張合理性較差，城市擴張速率高于人口增長速率，擴張驅動因子主要為經濟發展、產業結構調整和人口增長.

遙感影像；城市擴張；時空分析；驅動分析

城市化指人類生產和生活方式由鄉村型向城市型轉化的歷史過程[1]，截至2014年底，中國城鎮化水平已經達到54.8%，超出了世界總體均值52.5%，預計到2030年中國城鎮化水平將達到70%左右[2]，城市化已成為中國現代化建設發展道路上的必然趨勢.城市化在空間上表現為城市建設區域的持續擴張，在土地總量相對固定的前提下，若城市用地增多，必然會侵占耕地等其他用地，導致人口與土地利用之間的矛盾.因此，必須及時掌握城市建設區域的分布狀態，了解城市擴張的動力因素，從而實現對城市發展的合理規劃控制，避免出現人地矛盾.

當前，國內外均有城市化以及城市擴張的相關研究，這些研究多以遙感影像作為基礎數據，利用監督分類、非監督分類、指數分類、決策分析、人工神經網絡、面向對象信息提取等多種方法獲得研究區域的城市擴張范圍，再結合其他地學手段對城市的空間模式、運動特征、結構特征等進行時空相關研究[3-6].部分研究使用邏輯回歸、灰色關聯、通徑分析等方法進一步探究了城市擴張的驅動因子，常見的驅動力因子包括經濟、人口、區位、地形、交通等[7-10].

本文在現有研究的基礎上，采取三指數合成和監督分類的方法，利用Landsat影像提取嘉興市不同時段的城市擴張范圍，從多個角度描述擴張過程，并結合主成分分析和多元線性回歸方法對擴張驅動力進行研究.

1 研究區概況

嘉興市位于30°35′N～31°55′N，120°32′E～121°56′E，地處浙江省東北部的杭嘉湖平原中心，少有山地丘陵，地勢低平，境內河網密布，屬于大運河水系，運河北進西出貫穿市區.下轄2個市轄區，分別為南湖區和秀洲區，面積共986 km2，除此之外還包括3個縣級市和2個縣.嘉興市是長江三角洲城市群中的一員，東北鄰上海、北接蘇州，西南與浙江省會城市杭州接壤，隔杭州灣與寧波、紹興相望，城市交通區位優異，境內有蘇嘉杭、滬杭、申嘉湖高速公路以及滬杭客運高鐵、滬昆鐵路、320國道等眾多重要交通線路，距離杭州、蘇州和上海三大都市均在100 km以內，處于上海、蘇南、浙江三大經濟板塊的地理中心.鑒于嘉興市特殊的地理區位以及歷史文化淵源，在2005～2020年的市域總體規劃中提出了“加快融入長三角，接軌上海，競合江蘇，借力杭甬，整合市域”的區域總體發展戰略，力爭發展為浙江接軌上海、競合江蘇的門戶型都市和交通樞紐，以及融匯江南水鄉的生態宜居型城市[11].

2 數據準備

2.1 數據來源

共采用了5個時相的Landsat數據，分別為1993年、2003年和2008年的TM影像、1998年的ETM+影像以及2013年的OLI影像，空間分辨率均為30 m，條代號為119，行編號為39，成像時間集中在夏季，目標區域影像云覆蓋率低于10%.原始數據需經過幾何配準、輻射校正、波段疊加和影像裁切等預處理操作.

使用的其他輔助數據包括：全國行政區劃數據、道路及水系分布數據、嘉興市歷年土地利用數據、30 m分辨率的DEM、浙江省和嘉興市歷年統計年鑒.

2.2 建設區域提取

對比不同地物的波譜特征曲線可知，建筑物在中紅外波段和近紅外波段的波譜反射率與其他地物有明顯的區別，利用這2個波段構建的歸一化建筑指數(NDBI，Normalized Difference Building Index)能夠有效區分出建筑物和其他地物[12].

(1)

其中，MIR為中紅外波段光譜反射率，NIR為近紅外波段光譜反射率.

由式(1)可知，NDBI的取值為-1～1，值越大表明建筑物覆蓋度越高，一般取0為臨界值，大于0的區域為建筑物，小于0的區域為其他地物，根據該規則對NDBI圖像進行二值化即可得到建設區域的提取結果.

上述方法利用了多光譜影像的波段信息，實現簡單，但由于裸地和建筑物的光譜特征存在一定的相似性，在植被覆蓋率較低的區域，該方法可能造成誤判.三指數合成法對NDBI指數進行了改進，提高了單純依靠NDBI指數提取建設區域的精度.該方法將實際地表上覆蓋度最廣的3種地物類型(建筑物、綠色植物和水體)的提取指數，分別作為RGB通道進行假彩色合成，用于合成的建筑指數為NDBI，植物指數為NDVI，水體指數為MNDWI[13].

(2)

(3)

其中，NIR為近紅外波段光譜反射率，R為紅色波段光譜反射率，G為綠色波段光譜反射率，MIR為中紅外波段光譜反射率.

各年份遙感數據的3指數合成影像如圖1所示，可觀察到影像中建設區域得到增強，且與植被、水體等其他地物的區別明顯.

圖1 各年份3指數合成影像Fig.1 Three-index images in different years

本文選取了草地、林地、水體、裸地、建筑5種類型的訓練樣本，采用支持向量機的監督分類方法提取影像上的建設區域，獲得嘉興市1993～2013年建設區域的擴張情況如圖2所示.

圖2 嘉興市1993～2013年城市擴張情況Fig.2 Urban expansion in Jiaxing city from 1993 to 2013

3 時空擴張特征

經統計，嘉興市在1993～2013年間的擴張情況如表1所示，建設區域總面積共增加了258%，其中1993～1998年增加了12.04 km2，1998～2003年增加了22.16 km2，2003～2008年增加了66.15 km2，是各時間段內增加幅度最大的，2008～2013年增加了43.51 km2.

表1 各年份建設區域面積與面積增加量

Table 1 Built-up areas and increasing areas in different years

3.1 擴張速度與強度

城市面積增長指數(UGI，Urbanization Growth Index)用于描述城市擴張的年平均速度，可由擴張面積的年平均值得到；城市擴張強度指數(UII，Urbanization Intensive Index)用于描述擴張強度，該指數是擴張面積增長率的年平均值，消除了建設區域的初始規模對擴張特征的影響[4].UGI和UII的計算公式如式(4)和(5)所示.

(4)

(5)

其中，S為前時相的建設區域面積，S′為后時相的建設區域面積，ΔT為前后時相之間的時間間隔，單位為a.

經統計，1993～2013年各時間段內的擴張速度和強度如表2所示，可知2003～2008年間，嘉興市經歷了高速的城市擴張，在此之前和之后，擴張速度和強度相對較低.

表2 擴張速度和強度

Table 2 Expansion rate and intensity

3.2 方向分析

利用象限分析方法探究了嘉興市各年份擴張的方向特征.即將空間劃分成8個區域，各區域分別以南、北、東、西、東南、東北、西南和西北8個方向為中心線.將各方向區域與不同年份的城市建設區域疊加，按式(6)統計各方向區域在不同時間段內的面積貢獻率ω，結果如圖3所示.

(6)

其中，Si為某時間段的建設擴張區域總面積，SDi為該時間段內建設擴張區域與某一方向區域相交部分的面積.

圖3 各方向擴張面積貢獻率Fig.3 Contribution rate of expansion area in different directions

1993～1998年，集中向北方和西北方向擴張，1998～2003年主要向北方和東南方向擴張，2003年后主要向東南方向擴展，2008～2013年間，西向也有一定程度的擴張.

3.3 模式分析

利用同心圓劃分的方法分析了嘉興市不同時期的擴張模式.同心圓圓心位置為研究區域的中心點，同心圓半徑遞增步長為1 km，通過擴張區域與同心圓的疊加，可獲取不同半徑下的擴張面積，進而計算得到擴張強度，據此可推斷該時間段城市的擴張模式.

由圖4可知，1993～2003年的2個時間段中，城市擴張主要集中在6和10 km處，該階段城市建設主要分布于中心城區的邊緣地帶，屬于主動擴張型.2003～2008年各半徑位置上的擴張強度均較大，主要建設位置外移，超出了10 km，非中心城區的建設明顯，多處出現小峰值，屬于被動擴張型.2008～2013年城市建設平穩，波形未出現明顯的起伏，屬平緩擴張.

圖4 擴張強度隨半徑的變化情況Fig.4 Variation of expansion intensity along with the distance

3.4 合理性分析

城市擴張與人口增長有著不可分離的關系，通過探究兩者之間的適應程度，可知城市擴張的合理性.異速生長模型用式(7)所示的冪函數擬合了人口和建設面積之間的數量關系.

S=kPm，

(7)

其中，S為某時間點城市的建設區域面積，P為該時間點的人口數量，k、m為常系數.據研究，城市擴張的合理性與擬合結果中系數m的取值相關，當m=0.9時，城市屬于合理擴張，當m>0.9時，表示正生長關系，擴張快于人口增長，當m<0.9時，表示負生長關系，擴張慢于人口增長[13].

經統計，嘉興市的城市異速生長模型函數如式(8)所示，擬合R2為0.973 5，擬合度較好.系數m=1.772 7，超過了合理值0.9，表示城市處于非合理擴張狀態，擴張速度過快，超出了人口的增長速率.

S=0.211 8P1.772 7.

(8)

4 驅動力分析

4.1 回歸分析

根據浙江省和嘉興市統計年鑒，本文選取了如表3所示的14個社會經濟指標作為研究嘉興市城市擴張驅動力的備選因子.

表3 驅動力備選因子

Table 3 Alternative driving factors

分別對表3中的14個因子與相應年份的嘉興市城市建設面積做因果分析和相關分析，得到因子P1、S1、S2、S3、E2、E3、E4、R1、R2、B1、B2與城市建設存在因果關系且相關性較強.

對當前選取的12個因子進行兩兩相關性分析，結合相關系數矩陣觀察到因子之間存在較強的相關性，因此可以通過主成分分析法，對因子進行降維.本文選取了前3個主成分因子，累計貢獻率99%，其中第1主成分(X1)的特征值為10.390，貢獻率為87%，第2主成分(X2)的特征值為0.894，貢獻率為7%，第3主成分(X3)的特征值為0.595，貢獻率為5%.

以本文提取所得的建設區域面積為因變量，3個主成分因子為自變量，各因子取值如表4所示.

表4 因子取值

Table 4 Value of factors

通過多元線性回歸分析，可得因變量與自變量之間的擬合方程如式(9)所示，擬合R2為0.993，擬合效果較好.

(9)

由主成分分析中的因子載荷矩陣可知，第1主成分變量X1主要與P1、P2和R1相關，分別為國內生產總值、人均GDP和總人口數，即反映了經濟增長和人口的情況；第2、3主成分變量X2和X3主要與S1、S2和S3相關，分別為第一、二、三產業所占的比重，即反映了產業結構的組成情況.由此，得出經濟發展、人口增長和產業結構調整均對嘉興市的城市擴張具有驅動作用.

4.2 定性分析

4.2.1 經濟發展

國內生產總值是對經濟發展最為重要的一項衡量指標，嘉興市自1993年以來，國內生產總值從43.5億元增長到780.37億元，增幅約18倍，人均GDP從5 796元增長到91 642元，增長了約15倍.尤其自2000年以來，經濟發展速度明顯加快，這與嘉興市城市擴張速度相一致.

工業一直是嘉興市經濟增長最重要的行業.在20世紀90年代，輕工業和小型企業占據嘉興市工業產值的主要部分，鄉鎮企業發展迅速，快速帶動了小城鎮建設，但該時間段內由于缺乏對工業空間布局的合理規劃，企業格局散亂、集聚性差，未能形成規模集中的城市建設區域.2000年，隨著嘉興市本級行政區劃的調整，加強了對中心城鎮的建設，大量鄉鎮企業向工業園區集中，輕工業和小型企業的占比逐年降低，重工業和大型企業開始成為工業生產的主要組成部分.鄉鎮企業的集中化與城鎮建設相互促進，促使城市向外擴張.

4.2.2 產業結構調整

據統計，嘉興市城市規模與第一和第二產業占比呈負相關，與第三產業占比呈正相關，即第三產業比重的增大驅動了城市的擴張.嘉興市1993年的產業結構占比分別為15.1%，54.9%和30.0%，到2013年變為4.2%，48.2%和47.6%，第一、第二產業所占比重降低，第三產業比重增加，其中第二產業始終占比最大，但第二、第三產業之間的差距在逐年縮小.

嘉興市正計劃向新型工業化的道路轉型，在保證傳統制造業發展的同時，著力于現代服務業的發展，新建了嘉興科技城、嘉興工業園區、南湖新區、秀洲新區等高新產業集聚地，緊緊圍繞“優先發展現代服務業、大力發展先進制造業、積極發展生態高效都市型農業、調整優化產業布局”的思路，逐漸形成以第二、第三產業帶動城市發展的新格局[11].

4.2.3 人口增長

人口的增長對城市的擴張具有顯著且直接的驅動作用.嘉興市在1993～2013年間，總人口增加了13.3%，城鎮人口增加了103.1%，城鎮人口比重由29.5%增長到了52.8%.同時，嘉興市外來人口流入增多，大量人口從其他區位轉移到城市中，原有城市生活空間無法滿足需求，促進了城市建設，具體表現為城市居住用地、生活用地和公共設施用地的增加，進而導致城市的擴張.

近年來，嘉興市人口自然增長率趨于平穩，但人口遷入遷出率仍維持在較高水平，預計未來幾年，嘉興市人口仍處于增長期，對新增建設用地的需求也會保持在一定的水平.

5 結 論

以Landsat影像為基礎數據，對嘉興市在1993～2013年間的擴張過程以及驅動力因素進行了分析，得出以下結論：

5.1 嘉興市在這20年間始終保持擴張態勢，建設區域的年增長量為6.35 km2，年增長率為12%，在浙江省11市中排位中等，同期嘉興市經濟發展水平也處于浙江省中等位置[14]，兩者相適應.2003～2008年嘉興市擴張速度與強度相對高于其他時間段，這一時期也是嘉興市經濟迅速增長、工業產值快速上升的時期，中心城區周邊的工業園區大量建設并形成規模.

5.2 在研究階段初期，擴張方向主要為北方和西北方向，這一時期老城區南湖區的建設規模變化較小，多集中在北側的秀洲區，后期為保護北部水網及生態環境，建設重心南移，南湖新區等一系列新的建設集中出現.同時為了對接杭州、上海等經濟發達區域，嘉興市在東西方向上也有一定程度的擴張.

5.3 嘉興市的建設區域具有“一核多點”的分布特征，核心建設區域位于南湖區和秀洲區的公共邊界附近，周圍零散分布著面積較小的飛地.研究階段初期擴張集中在核心建設區域的邊緣，為主動型的擴張模式，中期飛地擴張明顯，部分飛地互相連接，部分接入了核心建設區域.城市中高強度擴張區域跳躍式分布，表示城市擴張模式轉變為被動型.后期城市整體擴張較為緩和，擴張模式轉變為平緩型.

5.4 由于嘉興市地形平坦、路網豐富，因此城市擴張受自然和交通條件的約束較少，擴張驅動力主要為經濟發展、產業結構調整和人口增長，這3個因素都促成了建設行為的發生，進而導致城市擴張，在規劃城市發展策略時可以從這3個角度提出控制手段.

5.5 嘉興市城市發展仍存在一些問題：比如城市擴張合理性較差，建設用地的增長速度高于城鎮人口的增長速度，兩者不相適應；主城區建設區域分布零散，對周圍城鎮凝聚力較差；產業結構中第二產業仍占有最高比重，尚未實現“三二一”型的產業結構優化；在與長三角其他城市的橫向對比中發展水平較低，滬杭同城融入力度不夠等[15].

本文在利用遙感影像提取建設區域的基礎上，完成了對嘉興市城市擴張的研究，取得了較好的效果.今后可以進一步改良數據來源以提高精度、擴大研究范圍以提高廣度，從而獲取更精準和全面的研究成果.

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CHEN Kexin1,2, ZHANG Feng1,2, DU Zhenhong1,2, LIU Renyi1,2

(1.ZhejiangProvincialKeyLabofGIS,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China; 2.DepartmentofGeographicInformationScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Analysis of urban expansion and driving forces in Jiaxing city based on remote sensing image. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):709-715

China is going through rapid urbanization. To understand the urban development status of Jiaxing, this paper made research on built-up areas extracted from remote sensing images, and took means of geographic information science and mathematical statistics to analyze the spatio-temporal characteristics of expansion process, as well as explored the driving factors based on the social and economic data. The research shows that the built-up areas in Jiaxing kept expanding from 1993 to 2013, with the rate and intensity changing from increasing to decreasing. The direction moved from the northwest to the south, and the expansion mode transformed from active to passive and then to stable. Urban construction is inconsistent with population. Driving factors of expansion are concluded as economic development, industrial restructuring and population growth.

remote sensing image; urban expansion; spatio-temporal analysis; driving force analysis

2016-05-13.

國家自然科學基金資助項目(41471313)；國家科技基礎性工作專項(2012FY112300)；海洋公益性行業科研專項經費資助項目(201505003，201305012)；浙江省科技攻關計劃項目(2015C33021).

陳可欣(1991-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-6849-6063,女，碩士，主要從事GIS土地理論與遙感應用研究.

*通信作者，ORCID:http://orcid:org/0000-0003-1475-8480,E-mail:zfcarnation@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.06.016

P 208

A

1008-9497(2016)06-709-07