基于Envi技術的城市建成區擴張演變研究

劉穎

摘 要：通過選取重慶城市發展新區的典型區域——江津區作為研究區域，以江津區1995年、2001年、2007年、2013年的遙感影像作為基礎資料，借助遙感軟件ENVI4.8，利用歸一化建筑指數（NDBI）模型，并結合監督分類提取江津區4年的城市建成區信息，對江津區建成區擴張的時空特征進行了研究。結果表明：江津區近18年來城市建成區擴張顯著，年均擴張速率、擴張面積分別為58.14%、147.43km2，擴展強度指數為11.34，總體處于高速擴張的狀態;全區城市建成區的緊湊度指數表現為逐年下降的趨勢，城市發展的總體趨勢為由相對集中走向分散。

關鍵詞：建成區擴張;GIS;Envi;江津區

中圖分類號 P237文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）19-0150-04

The Study on the Expansion of Urban Built-up Area based on Envi

——A Case Study of Jiangjin District of Chongqing City

Liu Ying

Abstrat：The paper takes Jiangjin district，trend of new urban development district in Chongqing，as the object of study，and uses remote-sensing images of the year 1995，2001，2007 and 2013 as data source，then extracts Jiangjin′s urban built-up area of the 4 years by using normalized difference build-up index（NDBI） and supervised classification with the help of remote sensing software ENVI4.8，finally analyses the spatial-temporal characteristics of urban expansion of Jiangjin.The result shows：the expansion of Jiangjin′s urban built-up area nearly eighteen years is prominent，and annual expanding rate，expanding area and expanding intensity index are 8.14%，147.43km2 and 11.34 respectively，as a whole， Jiangjin′s urban expansion is in a status of high-speed expansion;the compactness indexs of Jiangjin′s urban built-up area of every year show a decreasing trend year by year，the general trend of Jiangjin′s urban development is changing from relative concentration to dispersion.

Key words：Expansion of urban built-up area;GIS;Envi;Jiangjin district

隨著新型城鎮化戰略的提出，城市化的發展水平逐漸演化成為了衡量一個國家或地區社會、經濟、科技以及文化發展程度的重要標尺[1]，而城市化最重要的標志是城市的邊界不斷向外擴張[2]。城市用地的擴張，往往受政策的影響較大，且多數以改變其他土地利用的類型來實現的。自改革開放以來，我國城市化進程迅速，大中小城市邊界在空間上不斷地增長或消亡[3]。因此，如何有效地提取城市擴張邊界，已成為了業界研究的熱點問題。遙感Envi技術和GIS技術的不斷發展，為國內外學者研究城市邊界的變化以及驅動機制等方面提供了諸多的便利。例如，Mohammad Paydar[4]利用德爾菲法和層次分析法建立了評價指標體系，并且對伊朗南部城市Shiraz的城市擴張程度進行了研究;Kevin McGarigal[5]等建立了城市增長模型，并借此模擬美國東北部2010—2080年的城市擴張非穩定性變化，研究了其對生態環境的影響;戴云哲[6]運用InVEST模型分析了長沙都市區20年的年生態環境質量，并且對長沙都市區城市擴張的空間格局及其與生態環境的相互關系進行了研究;李嘉譯[7]等借助Landsat TM/OLI影像，分析了近30年（1986—2016年）長江經濟帶7個城市的建設用地的時空變化模式及其生態效應。

本研究以重慶市江津區為對象，選取江津區1995年、2001年、2007年、2013年的Landsat影像資料，利用Envi軟件提取城市建成區邊界信息，分析了江津區城市擴張的規律及其趨勢，對合理管理土地資源、指導城市規劃以及保護生態環境和耕地資源都有著重要的意義[8]。

1 研究區概況

江津區地處重慶西南角，坐落于東經105°49′～106°36′，北緯28°28′～29°28′之間，屬長江中上游區域，位于三峽庫區的尾端。江津東與巴南區、綦江區相鄰，向南與貴州習水相接，西走與永川區、四川合江縣相依，北連璧山區和九龍坡區，在重慶市5大功能區劃分中屬城市發展新區。江津區境內四面高山環抱，丘陵起伏，地貌多以丘陵低山為主，氣候屬亞熱帶季風氣候，光照、雨量充沛。全區幅員面積321779.89km2，轄5個街道、25個鎮、3個經濟組團。

2 數據來源及處理

2.1 數據來源 本研究采用的Landsat影像數據來源于地理空間數據云服務平臺，選用為江津區1995年、2001年、2007年、2013年的云量均低于15%的遙感影像;非遙感數據主要包括江津區歷年社會經濟發展統計公報、統計年鑒;其他數據包含江津區研究年份的土地利用現狀圖和土地利用變更數據表，部分河流地貌圖，水文水系圖和野外考察點等。

2.2 數據預處理 本研究使用的源影像數含云量較少，且包含了整個研究區域，因此對遙感源數據的預處理主要包括輻射校正和圖像裁剪，輻射校正主要包括傳感器校正、大氣校正以及太陽高度角和地形校正，最后利用Arcgis對研究區域進行裁剪，裁剪結果如圖1。

2.3 建成區提取 國內外在提取城市建成區的方法上有諸多的研究，有的是基于對象分類方法和利用土地類型信息來實現對城市建城區邊界的提取[9]，有的則是將Landsat TM/ETM+光學遙感影像與DMSP/OLS夜光數據相結合來提取建成區信息[10]。考慮到研究區域的實際概況以及數據質量，本研究以“城區建成區”為提取目標，將監督分類和歸一化建筑指數（NDBI）相結合提取江津區城市建成區，覆蓋其行政區內的3個經濟組團，分別是幾江組團、德感組團和雙福組團，提取對象為該3個經濟組團范圍內集中連片的部分以及分散在郊區的建設用地。最后，利用Arcgis的Intersect功能，將NDBI的二值化結果和監督分類結果進行疊加取其交集，獲得江津區1995—2013年的建成區分布（見圖2）。

3 江津區建成區擴張時空特征分析

3.1 建成區面積 將Arcgis疊加分析處理后的1995—2013年的城市建成區數據導入并生成城市建成區演變圖;再利用軟件的統計計算功能，計算得出各組團建成區面積及其占比等，結果如表1所示。

3.2 建成區面積時空演變分析 為了動態地反映出江津區城市建成區的變化，江津區建成區時間演變將從建成區擴張面積、建成區面積擴張速率、建成區擴張強度指數3個方面進行時間分析，從城市緊湊度[11]指數、城市空間分形維數[12]2個方面進行空間分析。計算公式如下：

建成區擴張面積表達式為：

[ΔA=Ab-Aa] （1）

建成區面積擴張速率表達式為：

[ν（%）=Ab-AaAaT×100] （2）

建成區擴張強度指數表達式為：

[R（%）=Ab-AaTA×1T×100] （3）

緊湊度指數表達式：

[C=2πA/P] （4）

城市空間分形維數表達式：

[D=2lnP4lnA] （5）

式1、2、3中，[ΔA]、[ν]、[R]分別代表建成區擴張面積、建成區面積擴張率、建成區面積擴張速率、建成區擴張強度指數。[Ab]為研究期末的城市建成區面積，[Aa]為研究期初的城市建成區面積，[TA]為研究區土地總面積，[T]為時間間隔。根據學者劉盛和的研究，城市擴張強度指數從高到低可以分為以下5種類型：高速擴張（>2.05）、快速擴張（1.07～2.05）、中速擴張（0.55～1.07）、低速擴張（0.22～0.55）和緩慢擴張（0～0.22）[13]。式4、5中，[C]為緊湊度指數，[A]為城市面積，[P]為城市周長。[C]值越大，表明城市分布較為緊湊，不分散;分維數[D]值越大，表示城市形狀的不規則程度越大。將建成區數據應用到上述5個模型，計算結果如表2、表3、表4所示。

3.2.1 江津區建成區擴張時間 總體來看，江津區經過18年發展，城市建成區由1995年的253.56km2增加到2013年的3202.12km2，面積為研究初期的12.63倍，總體增加2948.56km2。年均擴張速率、擴張面積分別為58.14%、147.43km2，擴展強度指數為11.34，總體處于高速擴張的狀態。分組團來看，幾江組團城市建成區面積擴張439.35km2，擴張強度指數為7.22，年均擴張速率為11.98%;德感組團擴張1043.17km2，年均擴張速率為74.32%，擴張強度指數為8.14;雙福組團是2007成立的，面積總體擴張1287.96km2，擴張強度指數為20.60，超過所有區域的擴張強度。

3.2.2 江津區建成區擴張空間 在ArcGIS軟件支持下，將前文所提取到的江津區1995—2013年城市建成區邊界圖進行疊加，以此獲得江津區1995—2013年城市建成區變化（圖3）。由圖3可知，全區城市建成區緊湊度指數表現為逐年下降的趨勢，由1995年的0.23下降到2013年的0.02，說明江津總體城市發展趨勢是由相對集中走向分散;相應地，全區城區分形維數由1995年的1.184逐步增加到2013年的1.266，說明隨著江津區城區發展的離散程度的增高，江津區城市發展的不規則程度越來越高。受全區和組團自身發展需要以及江津區區域地形地貌的影響，各個組團均在原有基礎上向外不規則擴張，另外雙福組團在空間上與原有城區存在一定距離，導致城市空間緊湊度降低。

3.3 江津區城市發展特點及建議 綜合上述分析可以看出，江津區經過近20年的發展，城市建成區由沿江非常狹小的1塊逐漸擴張到囊括了3個經濟組團的核心部分，擴張具體表現為以下幾個特點：

3.3.1 建成區分布由集中走向分散 幾江組團和德感組團是江津區較早建立的城市區域，二者僅一江之隔且距離較近，后雙福組團被劃為城區，且以較快的速度發展，城區的分布開始變得分散。總體來看，2007年之前江津城區分布在較為集中，受區域發展政策影響而后變得分散。

3.3.2 組團式發展態勢明顯 受地形地貌水文的影響，在江津3大經濟組團中，幾江組團依傍幾江半島為中心向東南方向擴張;德感組團受到西邊山脈影響則沿山向西南方向擴展;雙福組團北接重慶主城核心區，城區主要向東北方向擴展。

3.3.3 城市發展受自然條件影響較大 江津區全區以低山丘陵為主，水文地貌特征對城市擴張方向的影響較大。幾江組團內地勢南高北低，城南依靠艾坪山，因此幾江城區的建設主要是圍繞艾坪山靠長江沿線發展;德感城區受南北走向的縉云山影響，城區沿江分布特征顯著;雙福城區背靠縉云山脈，城區發展主要基于平坦的津馬要塞，塊狀分布明顯。

3.3.4 未來集中發展趨勢明顯 近年來，雙福新區的建立使得江津區的城市建設有了飛速的發展，但也同時產生了城市過于分散和不規則的問題，老城區與新區之間存在較多的空白待開發區域，雖然暫時降低了使城市的聚集力與輻射能力，但也意味著江津城市的發展還有著巨大的潛力。根據最新的規劃方案，這片空白待開發區域未來將規劃為濱江新城，濱江新城的建設，將江津幾江城區、雙福新區、德感工業園區串聯起來，有利于促進各個經濟組團之間的融合和互補。

4 小結與討論

本研究主要利用遙感和GIS相結合的技術手段，以江津區1995年、2001年、2007年、2013年的遙感圖像為數據源，對江津區18年間城區建成區擴張演變情況進行了時空分析。結果表明，江津區近18年來城市建成區擴張顯著，城市建成區研究末期的面積為研究初期的12.63倍，總體增加2948.56km2，處于高速擴張狀態，且有加強的趨勢。從擴張形態上來看，受自然地形和政策的影響，江津總體城市發展組團式格局明顯，城市擴張是由相對集中走向分散，且城市發展的不規則程度越來越高。但隨著政策的引導以及經濟的發展，城市空間分布將更加緊湊，城區組團之間的聯系將會愈來愈強。

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（責編：張宏民）