基于RS和GIS的重庆市北碚区城市扩展规律研究与预测

摘 要：文以不同时相的遥感影像数据作为主要的数据源，采用监督分类和人工目视解译相结合的方法，提取北碚区城市建成区范围，并运用GIS空间分析方法和数理统计方法，分析北碚区2004―2014年城市建成区变化的数量特征和空间特征。结果表明：在2004―2014年10年间，北碚区城市建成区面积增加了91.2%，2004―2007年扩展2.85 km2，年均增长0.95 km2，扩展速度较快；2007―2010年扩展了1.57 km2，年平均增长0.52 km2，扩展速度缓慢；2010―2014年扩展了3.85 km2，年均增长1.28 km2，增长速度较快。北碚区城市扩展受到缙云山脉和中梁山脉的阻隔，城市扩展沿着缙云山脉和中梁山脉中间的槽谷地带分别向歇马镇、东阳镇方向扩展。通过对北碚区城市扩展驱动力研究表明：地形因素对北碚区城市扩展方向及形态起着限制性作用，经济发展和城市人口的增长是北碚区城市扩展的主要动力，交通基础设施建设、固定资产投资以及政策等因素也对北碚区城市扩展起着一定的影响。通过建立多元线性回归模型，对北碚区2020年城市建成区面积进行预测表明：北碚区2020年城市建成区面积将达到23.08 km2。

关键词：城市扩展 驱动力 RS和GIS 北碚区

中图分类号：S15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（c）-0057-09

A Research and Forecast On Urban Expansion Law in Beibei Based On Remote Sense and Geographical Information System

Luo Gang Wang Cheng Meng Congwu Li Jinpin

（School of Geographical Sciences， Southwest University， Chongqing， 400715， China）

Abstract：This paper used different times of remote sensing images as data source， applied the method of supervised classification combined with artificial vision imagery understanding， to extract the urban built-up area， and adopted GIS spatial analysis and statistical methods to analysis the quantity feature and spatial feature of changes in the built-up area of Beibei. Results show that： during the 10 years from 2004 to 2014， the urban built-up area of Beibei increased 91.2%， during the period from 2004 to 2007， the urban built-up area of Beibei expanded 2.85 km2， average annual growth of 0.95 km2， the speed of expansion is relatively fast； during the period from 2007 to 2010， the urban built-up area of Beibei expanded 1.57 km2， average annual growth of 0.52 km2， the speed of expansion is relatively slow； during the period from 2010 to 2014， the urban built-up area of Beibei expanded 3.85 km2， average annual growth of 1.28 km2， the speed of expansion is relatively fast. The urban expansion of Beibei is cut off by JinYun Mountain and ZhongLiang Mountain. The urban built-up area expands along the valley between JinYun Mountain and ZhongLiang Mountain to the direction of XieMa town and DongYang town. Through the research on the driving forces of urban expansion in Beibei show that： terrain plays a limited role on the propagation of the built-up area， population growth and society economic growth are the main driver of extension， the traffic infrastructure construction， fixed assets investment and policy also play a certain influence on the urban expansion. By establishing a multiple linear regression model， the urban built-up area of Beibei in 2020 was predicted， which showed that the urban built-up area of Beibei District in 2020 will reach 23.08 km2.

Key Words：Urban expansion； Driving force； S and S； Beibei District

城市是人类文明的集中地，是人类生活的重要场所之一，也是地表各类物质、信息、能量等交换的场所。城市化过程是指由于社会生产力的发展而引起的城市空间增长，城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程[1]。改革开放至今，我国城镇化水平不断提高，从1978年的19.7%提高到2014年的54.77%，增长十分显著。据研究表明，从1952年至1997年，我国所有城市的建成区面积都增长10%以上，部分城市达到50%，城市的发展呈现出平面扩展势态[2]。20世纪90年代以来，我国城市建设用地的速度以年4%的增长率快速扩展，远远高于世界平均水平1.2%[3]。近年恚国内外众多学者对城市扩展模式和驱动力进行了大量的研究[6-10]，加拿大学者Pierce在1981年对加拿大境内的城镇扩展现象进行研究，他认为城市扩展的动力包括城市人口的增长、该地区的经济发展水平、城市所在地区域、城市周围农田的肥沃程度等[11]。国内学者刘盛和对西方学者在城市扩展驱动力研究上的成果进行了全面总结，他认为城市扩展的动力机制总体上可以分为以下几大类：动力因素、“自然”机制、社会价值机制、市场机制、政治权力机制[12]。顾朝林等则从系统动力学的角度研究城市扩展驱动力，他认为城市土地利用是城市内部与外部社会、政治、经济、技术等多种因素作用的结果[13]。目前对城市扩展驱动力研究多为定性分析，对城市扩展驱动力的定量分析不足，该研究将采取定性与定量相结合的方式对城市扩展驱动力进行研究。

1 研究区概况

北碚区位于东经106°18′14″至106°56′53″、北纬29°30′41″至30°11′21″，幅员面积754.21 km2，东接渝北区，南连沙坪坝区，西界璧山区，北邻合川区，如图1所示。北碚区属亚热带季风湿润气候，雨量充沛，有春早、夏热、秋短、冬迟特征。最高气温44.3 ℃。最低气温-3.1 ℃，年平均气温18.2 ℃。重庆市北碚区，以浓郁的文化氛围、著名的风景名胜、雄厚的科技实力、秀丽的花园而被称为“重庆的后花园”，是重庆市重要的风景旅游区和智力型清洁工业基地。1997年，北碚区被命名为国家级社会发展综合实验区和重庆市第一个山水园林城区，它还是国家卫生区、国家环境保护模范城区，并于2006年获联合国迪拜最佳人居范例奖。

2 数据源与研究方法

2.1 数据获取

由于此研究的重点是获取城市扩展的总体特征，因此对遥感影像的精度要求较低，只需要30 m及其以上空间分辨率的遥感影像来对研究区城市扩展进行研究。此研究选取2004年的IKONOS影像数据、2007年WorldView影像数据以及2010年和2014年Landsat TM影像数据。4期不同时相的遥感影像，具有一定的时间间隔，基本上能满足城市扩展研究数据源实时、准确的要求。对北碚区城市扩展进行驱动力分析，文章选取了北碚区地区生产总值、三大产业产值、固定资产投资、总人口、城镇人口、非农人口、地方财政收入、城镇居民人均可支配收入、城镇居民人均消费支出等社会经济基础数据。这些数据来源于北碚区统计年鉴、北碚区统计公报、重庆市统计年鉴、北碚区人民政府官网等，统计数据真实性可靠。

2.2 数据处理与分析

首先对研究区遥感影像数据进行了辐射校正、几何校正、遥感影像图像增强处理、遥感影像兴趣区裁剪等预处理。然后根据研究目的的需要，采用监督分类结合人工目视解译的方法，将研究区土地利用分为城市用地、水体、非城市用地、林地4种类型。分类后对分类结果进行分类后处理，获取了理想的分类效果。此研究主要运用GIS分析命令Clump和Eliminate完成小斑去除。结合人工目视解译，对错误分类进行修正。根据遥感影像分类结果，运用ArcGIS软件制作2004年、2007年、2010年、2014年北碚区城市范围图并运用ArcGIS空间分析功能，获取2004―2014年北碚区城市扩展图，如图2所示。

2.3 研究方法

（1）城市扩展指标选取。为了更好地对北碚区城市扩展进行分析，从而揭示北碚区城市扩展的时空规律，文章选取了以下3个指标。

①城市扩展重心。

通过对城市不同时期的重心转移研究，分析城市空间扩展规律。

城市空间重心坐标（，）：

（1）

式（1）中：，分别为第t年城市分布重心的经、纬度；为第t年第i块矢量图的图斑面积（km2）；，分别为第i块矢量图斑的几何中心的经、纬度坐标[14]。

空间重心转移距离：

（2）

式（2）中：为从t到t+1时期地理单元空间重心转移距离。

②城市扩展强度。

城市扩展强度指数是用来表示单位时间内土地面积变化的幅度，是反映城市扩张空间变化的一个指标，通过对城市扩展强度的分析可以定量地比较城市扩展的程度和速度[14]，其表达式为：

（3）

式（3）中：R为研究末期的城市扩展强度；Ua为研究初期城市用地的面积（km2）；Ub为研究末期城市用地的面积（km2）；T为时间间隔（年）。

③城市空间紧凑度。

城市轮廓形态的紧凑度可以反映城市空间的形态特征，它反映了土地利用受干扰的程度。形态紧凑度计算公式为[14]：

（4）

式（4）中：c为城市紧凑度；At、Pt分别为第t年城市板块的面积（km2）和周长（km）。值在0～1之间变化，其值越大，表明地物的形状紧凑性越好；反之，地物的形状紧凑性越差。

（2）提取城市扩展信息的方法。采用监督分类和人工目视解译修正相结合的方法。运用ERDAS IMAGINE 9.2软件确定遥感影像分类模板，然后进行监督分类。根据研究区地形图、土地利用现状图，人工目视判读对分类结果进行修正，提高分类精度。