基于GIS和RS的滨州市城市扩展研究

摘 要：随着城市化进程的不断加快，必然导致城市建设用地的激增，从而使城市土地利用中的矛盾日趋紧张。本文利用山东省滨州市2000年至2012年间的多时相遥感影像作为研究资料，利用GIS技术提取城市边界，然后进行叠加分析、城市重心迁移分析，在此基础上研究其变化的驱动因素，对滨州市12年来城市扩展的情况进行了深入的研究和探讨。结果表明， 2000-2012年滨州市城市扩展速度快，2012年的城市面积是2000年的4.32倍，但地区差异较明显，城区主要向西偏北方向扩展。

关键词：城市扩展；遥感；GIS；滨州市

城市是人类活动最为剧烈的地区，它具有不断变化的动态特征。城市化指的是人口向城市及其周边地区进行聚集的过程[1]。近年来，随着我国人口增长与城市化进程的不断加快，城市的扩展速度也随之加剧，这就需要我们及时准确地了解城市扩展的规律和趋势。现阶段，GIS和RS技术是进行土地利用数据获取与分析的主要技术手段，运用此技术进行城市扩展分析，对解决生态环境建设、土地利用宏观调控和可持续发展等问题具有重要现实意义。

滨州市位于黄河下游、鲁北平原，地处黄河三角洲腹地，北临渤海，与东营市接壤，南和淄博市毗邻，西同德州市和济南市搭界，东西最大跨径120公里，南北最大跨径175公里，总面积9，444.65平方公里，是山东的北大门。1950年建惠民专区，几经沿革，1992年改称滨州地区，2001年撤地设市。现辖滨城区、惠民县、阳信县、无棣县、沾化县、博兴县、邹平县县一区和经济开发区，版图面积9，600平方公里，人口369万人。自建市以来，滨州市的城市发展取得了一定的成就，但是它的城市化程度、城市发展水平、城市的发展速度以及城市产业结构等方面与发达城市相比还有很大的差距。因此，对滨州市进行城市扩展研究，对提高城市发展水平、完善城市规划、优化资源利用和合理化城市产业结构等方面具有一定的指导意义。

1 数据的选择和预处理

结合滨州市的城市扩展情况以及现有的数据，本文选取了2000年5月2号的ETM+影像、2004年9月9号的ETM+影像、2008年4月14号的ETM+影像和2012年10月18日的ETM+影像。四个时期的遥感影像时间间隔都是4年，这样便于研究城市的扩展随时间的变化规律。此外，本文还利用了滨州市政区图来作为研究区边界范围参考。

首先，将获取的遥感影像进行波段合成。然后，对影像进行几何精校正，利用ERDAS软件，对2000年的影像进行几何精校正，再以校正后的2000年遥感影像为基准，对2004年、2008年和2012年的多波段影像进行几何精校正。在选取控制点时，使控制点尽量多的分布在研究区范围内，并且尽可能使控制点均匀分布。为了增强影像的目视判读结果，还要对影像进行图像增强处理（如增大影像灰度范围，从而增加影像对比度），以便提高解译精度。

2 城市边界提取方法

将城市的建设用地信息从影像中提取出来的主要方法有以下几种：

监督分类法：监督分类要有先验知识，首先需要从研究区域选取有代表性的训练场地作为样本。根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数（如像素亮度均值、方差等），建立判别函数，据此对样本像元进行分类，依据样本类别的特征来识别非样本像元的归属类别，人为影响比较明显。监督分类的步骤一般有：建立模板、评价模板、确定初步分类结果、检验分类结果、分类后处理、分类特征统计、栅格矢量转换[2]。

非监督分类法：非监督分类就是先对分类过程不施加任何先验知识，仅凭像元的光谱特征，运用迭代自组织数据分析（ISODATA）算法，把一组像素按照相似性归成若干类别，此方法多用于对分类区的状况不了解的情况下。因为此方法人为干预的比较少，所以它的自动化程度会比较高。

归一化建筑指数（NDBI）法：NDBI指数的表达式是：

其中P4、P5分别是TM影像数据的第4和第5波段，这样得到的NDBI的值就会在[-1，1]之间[3]。然后通过二值化法将NDBI值为负的像元都赋值为0，将NDBI值为正的像元都赋值为255，这样就会得到一个二值化影像。最后通过矢量化将城市边界提取出来。

矢量化遥感影像法：首先将研究区遥感影像的灰度值进行适当的调整，从而获取较高的图像对比度，以达到提高显示精度、增强遥感影像的判读效果，为后面的矢量化做好准备。做好相关的遥感影像预处理操作后，通过人工判读将城市边界矢量化出来。由于这是人工绘制出来的，所以它的城市边界精度一般会比电脑提取的高。

监督分类法、非监督分类法以及归一化建筑指数法都是人为给予标准，然后电脑根据标准，机械的进行分类，适合进行数据量比较大的分类，但它们的分类精度以及结果受遥感影像质量的影响很大，比较容易产生误差。而根据本文选取的遥感影像质量以及分类处理的数据量比较小等条件，本文选择了矢量化遥感影像法来提取城市边界，这样可以获得精度比较高的城市边界。

在城市扩展动态研究中，城市边界提取的精度高低是整个研究的关键。根据城市用地分类标准，我们将居民用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公用设施用地、绿地、特殊用地（如军事用地等）以及水域和其它用地都归为城市用地。在整个人工绘图过程中，我们要保证城市边界的平滑，非离散。

3 城市扩展分析

3.1 滨州市城市扩展叠加分析

在Arcgis中分别将滨州市2000年、2004年、2008年和2012年的城区图进行叠加分析，从而可以清楚地反映出滨州市的城市扩展过程，具体的叠加分析图如下所示：

图1 滨州市2000-2004年城区扩展图

图1为滨州市2000年和2004年城区叠加分析图，图中上面的蓝色的一层为2000年滨州市城区，下面的红色的一层为2004年滨州市城区图，显露出的红色部分是滨州市2000年至2004年的城市扩展区。

图2 滨州市2004-2008年城区扩展图

图2为滨州市2004年和2008年城区叠加分析图，图中上面的红色的一层为2004年滨州市城区，下面的绿色的一层为2008年滨州市城区图，显露出的绿色部分是滨州市2004年至2008年的城市扩展区。

图3为滨州市2008年和2012年城区叠加分析图，图中上面的绿色的一层为2008年滨州市城区，下面的紫色的一层为2012年滨州市城区图，显露出的紫色部分是滨州市2008年至2012年的城市扩展区。

3.2 扩展数量分析

利用Arcgis计算出滨州市2000年、2004年、2008年和2012年的城区面积，从而可以获得滨州市在此4个阶段的扩展面积，以此从数量上对城市扩展进行研究。通过计算得出2000年滨州市城区面积为27.36平方千米，2004年滨州市城区面积为48.78平方千米，2008年滨州市城区面积为90.50平方千米， 2012年滨州市城区面积为118.30平方千米。

图3 滨州市2008-2012年城区扩展图

土地利用类型变化率可表示为某一区域在一定的时间范围内某种土地利用类型数量的变化，其表达式为：

其中Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某种土地利用类型的数量，T为研究的时间长度。当T为年时，K为某一区域内的某种土地利用类型的年变化率[4]。

表1 城市扩展面积变化

根据表1可知，2000年至2012年滨州市城区扩展总面积为90.94平方千米，城市规模扩展了4.32倍，年均扩展面积为7.58平方千米。2000年至2008年滨州市城区面积呈现逐步增加的趋势，2004-2008年的年变化率要比2000-2004年的年变化率高，说明在此期间滨州市的城市化速度不断加快，城市在进行着高速的扩展。而2008至2012年滨州市城区面积的年变化率比较低，说明在此期间该市的城市化速度有所减缓。

3.3 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。一般表现为以下几个方面。首先它能反映出城市扩展的阻力，即城市四周扩展的同时，城市周围也给城市一个摩擦力。如果哪个方向上的摩擦力较小，那么城市就比较容易在这个方向上扩展，城市的重心迁移轨迹就会向这个方向移动。其次它能够评价城市扩展的动力，即随着城市的扩展，新扩展的区域既包含了如学校住宅医院等的人力资源保障因素，又包含了工商业等的经济因素。研究哪个地方的城市扩展动力高，就是看哪个地方的经济强，哪个地方的人力资源保障好，那么城市在这个地方的扩展力就强。综上所述，城市的扩展就是周边地区对城市扩展的阻力和城市自身的扩展动力的综合作用的结果，而城市重心就是这两个作用力综合作用最好的体现标志。现如今有许多关于城市重心发展规律以及发展预测的研究成果，有些注重研究城市过去的重心迁移轨迹，以此总结经验，有些注重预测未来的城市重心迁移轨迹，从而辅助于城市规划与发展决策。

在进行城市扩展研究的过程中，城市的重心其实就是提取出的城市边界的几何图形的中心，这个重心不仅代表了城市的扩展方向和扩展趋势，而且还包含了城市所承载的住宅、学校、医院、工商业等各个方面，也将随着城市重心的移动而发生改变，可以说，城市的重心就是城市的综合中心。本文对于城市重心迁移的研究，首先是对原始遥感影像进行处理，得到具有较高判读精度的遥感影像后，利用Arcgis软件矢量化出研究区的城市边界，然后通过计算分析得出研究区某一期的城市重心，最后将三期的城市重心连接起来，做成城市重心迁移轨迹图，以此来分析城市的扩展变化。

本文利用Arcgis软件，对研究区的城市重心进行提取，获得了研究区三个时期的重心位置坐标，具体情况如表2所示：

表2 城市重心位置迁移表

图4 2000-2012年城市重心迁移图

4 城市扩展驱动力分析

城市扩展过程就是为了适应经济发展、人口变化等要求，连续的改变、不断的调整城市自身以及城市周边的城郊结合部的土地利用类型的过程，以此来增加城市建设用地，减少其他的非城市建设用地。

4.1 经济因素

城市的扩展是随着经济的发展而发展的，在一定程度上经济的发展水平决定了该地区的城市化水平。与农村第一产业占经济收入大比重的情况不同，城市是一个二三产业高度集中的地区，它跟农村的经济侧重点不同。由于第一产业对经济的贡献率较低以及土地利用的制约，一个城市要想让该地区的经济快速发展就必须要大力发展二三产业，以此来提高本地区的经济水平，促进本地区经济的快速发展。而一个地区的可利用土地是有限的，要想大力发展二三产业，就肯定会占用城市周围的农业用地、林地、水体用地等，将其转变为城市建设用地。这种城乡经济结构差异以及城市对经济发展的需求必然导致城市不断扩展，促进城市化发展。

4.2 人口因素

许多研究表明，城市人口的增长大大促进了城市化的进程，使得城市不断的扩展，而城市的扩展反过来也推进了城市人口的激增，它们二者是相互促进相互发展的关系。城市人口的不断增长对城市扩展的影响有许多，为解决新增人口的衣食住行问题，城市必须给新增人口提供住宅以及相应的生活保障服务如医院、学校、商店等，这就要求城市将周边的非建设用地转变为建设用地，以此来容纳新增的人口，为他们创造生存发展的条件。以此我们可以看出，人口增长对城市扩展有很大的推动作用，它促进了城市化的进程，成为影响城市扩展的一个极为重要的因素。

4.3 政策因素

经济政策、城市规划、行政区划调整等政策因素也是造成城市扩展空间差异的主要原因。2000年6月10日，国务院批准撤销滨州地区和县级滨州市，设立地级滨州市。2000年至2008年滨州市将西部新城区建设作为城市建设的重点，使得城市的扩展重心向西移动。2008年至2012年滨州市政府将旧城区改造作为新的城市建设重点，所以此期间的城市扩展速度有所减缓。诸如此类的政策因素指引着滨州市经济的发展方向，引导了城市扩展的速度与方向。

5 结论

本文运用RS与GIS技术对滨州市2000-2012年的城市扩展情况进行了分析研究，结果表明12年间该地区城市扩展速度较快，截止到2012年，滨州市的城市面积已达到2000年的4.32倍，但城区扩展差异较明显，城区主要向西偏北方向扩展。滨州市当前城区扩展最主要驱动因素是经济、人口、政策等人文因素，城市的发展促进了经济、人口等的发展，相反经济等因素的快速发展也同时进一步促进了城市的扩展。

随着人口的增加和城市发展，城市建设用地的扩张是不可避免的，但必须严格控制城市用地的外延扩展，合理规划建设用地的布局，从而促进土地的集约使用。同时，城市扩展带来的环境等方面的问题，要求我们改善城市的生态环境，对城区内不合理的土地利用结构进行合理的调整，以此提高土地利用的效率，促进该城市的可持续发展。

参考文献：

[1] 许学强，周一星，宇越敏.城市地理学[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2] 党安荣等.Erdas Imagine遥感图像处理方法.北京：清华大学出版.2003，P186.

[3] 徐涵秋.基于谱间特征和归一化指数分析的城市建筑用地信息提取[J].地理研究，2005，24（2）：1-11.

[4] 朱会义，李秀彬，何书金，等.环渤海地区土地利用的时空变化分析[J].地理学报，2001，56（3）：253-260.

[5] Xiao Jieying，ShenYanjun，Ge Jingfeng.Evaluating urban expansion and land use change in Shijiazhuang China by using GIS and remote sensing.Landscape and Urban Planning，2006，（75）： 69-80.

[6] Masek JG，Lindsay F E，Goward S N.Dynamics of Urban Growth in the Washington DC Metropolitan Area，1973-1996，from Landsat observations Int J Remote Sensing 2000， 21（18）：3473-3486.