基于Landsat的南通市建成區擴展研究

范紫靈，周 侗，王秋蘇，張瑞嘉，盛英豪，錢 振

（南通大學地理科學學院，江蘇·南通 226007）

隨著蘇通大橋的建成通車，南通正式納入上海一小時都市圈范圍[1]，區位優勢不斷增強，其建成區擴展變化也日趨顯著。建成區反映一個區域的城市化范圍，通過研究建成區擴展變化，得出建成區擴展速度、擴展方向等結果，對今后南通市的發展規劃及政府決策具有重要參考價值。近年來，國內外學者對不同地區的建成區擴展模式及其驅動因素做了大量研究[2-4]；應用GIS和RS技術，以較為宏觀的遙感影像為數據源，采用不同測度指標，實時監測建成區的擴展進程及其形態變化；選用城市分維數指標來衡量建成區的分維特征，應用緊湊度指標來分析擴展的合理性，對建成區的擴展情況進行空間形態分析[5]；通過對PALSAR和陸地衛星圖像的分析，提出一種識別和映射建成區面積的決策樹方法，定量分析復雜的城鎮地區的建成區的建筑面積的年變化[6]；利用擴展彈性系數等方式研究建成區擴展的時空變化[7]。本文在文獻[8]基礎上，利用多時相遙感影像數據對南通市1995-2015年的建成區的擴展速度及擴展方向進行分析，探討影響南通市建成區的擴展速度及擴展范圍的因素。

1 研究區與實驗數據

1.1 研究區概況

南通位于江蘇省東南部，沿江靠海，與上海隔江相望，“據江海之會、扼南北之喉”，被譽為“北上?！?。處于北緯 31?41'～32?43'、東經 120?12'～121?55'之間。土地面積約8600km2，人口780多萬。它是中國的“江海門戶”，同時也是最早的14個沿海對外開放城市之一[9]，是長江流域進出物資的轉運樞紐和長江三角洲地區的重要港口城市。本文的研究范圍如圖1所示。

圖1 研究區范圍Fig.1 Research area

1.2 實驗數據

本課題所需遙感數據涉及到1995年Landsat 5、2000年到2013年Landsat 7、2013年到2015年Landsat 8的多時相TM、ETM+和OLI衛星遙感影像，研究過程包括5個時相，時間跨度20年。遙感影像數據表示如表1：

表1 不同年份數據源Table 1 Data sources for diあerent years

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理

對收集的1995、2000、2005、2010、2015年5期質量較高的遙感影像進行大氣校正，輻射定標等處理，采用多項式法進行幾何精校正，誤差在1個像元以內，經圖像增強后做分區裁剪處理，得到各年份各區圖像。

自歸一化差異植被指數（NDVI）被引入以來，已有不少歸一化差異性指數被提出，本文主要采用歸一化植被指數（NDVI）和歸一化建筑指數（NDBI）進行建成區的提取工作。楊山、查勇等人經過研究發現，城鎮用地的灰度值在TM4和TM5波段之間與其他的地物呈現相反增長趨勢，由此提出了NDBI計算公式[10-11]。

式中，MIR為中紅外波段，NIR為近紅外波段。在TM影像中，分別為5波段和4波段。從公式（1）可以看出，NDBI值在-1與1之間變化，提取NDBI大于0的值為建成區。但是，建筑用地在TM4和TM5波段之間的反差并不是特別明顯，并且存在其他地物類型在5波段的反射率大于4波段反射率的情況，認識到這點， 勇等提出采用NDBI-NDVI的方法來進行建成區的提取。

2.2 研究方法

擴展強度指數是研究城市擴展特征的常用指標，用來表示城市擴張程度和城市擴張速度[12]。根據所提取的南通市近20年建成區面積數據，使用此方法使得各市轄區中不同時期的土地利用擴展能夠做定量化比較。本文基于擴展強度指數的方法提出了建成區擴展強度指數指標BEII(Build-up Expand Intensive Index)。

BEII定義為研究區建成區的擴展強度指數，BEIB、BEIA分別為研究末期和初期的建成區面積，TLA為土地總體面積。

擴展強度指數的公式為：

南通市各市轄區建成區的擴展強度指數以及擴展面積如表2：

表2 南通市各市轄區建成區擴展強度指數與面積統計表Table 2 The expansion intensity index and area statistics of built-up districts in Nantong

3 結果分析

3.1 南通市轄區建成區的擴展速度變化

由南通各市轄區根據研究數據得到建成區擴展面積比折線圖如圖2(a)，南通各市轄區建成區擴展面積均呈增長趨勢，變化上存在較大差異。崇川區建成區近20年所占比均高于其他三個區。分析各市轄區建成區擴展強度指數變化（圖2(b)），崇川區擴展指數峰值的出現明顯早于另三個區，2000-2015年呈現降低趨勢，且崇川區建成區面積比達70%，崇川區的建成區建設處于發展成熟期；港閘區和開發區建成區面積增長較為穩定，在2005-2010年建成區面積擴展增幅變大，擴展變化加快，而2010-2015年建成區面積擴展速度變緩，建成區面積所占比接近60%，港閘區和開發區建成區擴展逐漸趨于穩定，處于穩步發展期；通州區擴展面積最大，增長幅度最大，在2005-2010年出現峰值，擴展面積快速增大，而2010-2015年大幅度降低，建成區擴展速度波動劇烈，建成區面積所占比接近50%，處于快速增長期。

圖2 南通市轄區面積比(a)及擴展強度指數(b)折線圖Fig.2 The broken line diagram of area ratio (a)and expansion strength index (b) of Nantong city

3.2 南通市轄區建成區的擴展方向變化

基于Landsat遙感影像對南通市市轄區建成區擴展方向進行研究，得到了建成區擴展方向變化（圖3）。由圖3(a)，1995-2000年崇川區建成區擴展主要分布在西北方向，比較集中； 2000-2010年，擴展重心逐漸往南移，南部區域的建成區面積明顯增加；2010-2015年，建成區建設往東擴散，開始全面推進建成區的發展；到2015年為止，崇川區已經進入建成區發展的成熟期，城市建成區建設基本完成并逐步完成內部填充。

從圖3(b)來看，1995-2005年，由于港閘區與崇川區相鄰帶動毗鄰區域發展，港閘區建成區建設主要分布在西南方向且相對密集；而2005-2015年，港閘區建成區向東北方向擴散，相對南面建成區較分散但區域面積大。如圖3(c)所示，開發區在近20年建成區擴展較為集中，1995-2010年開發區建成區建設進入快速發展階段，主要集中于中西部和南部，并開始向東北部短距離偏移；到2015年為止，開發區北部建成區擴展已經進入相對成熟階段，緊湊度明顯上升。港閘區和開發區處于標準化發展期，由西向東輻射式擴散，擴散相對集中，建成區擴展面積變化顯著。

如圖3(d)所示，在1995年通州區建成區面積較小且分散，由于眾多因素影響，2000-2010年期間，通州區呈雙核發散狀擴散，主要以金沙鎮與平潮鎮為擴展中心，向四周擴散，到2010年，通州區南部的建成區相對集中；2010-2015年通州區的建成區重心開始往北推移，主要向北部外延式水平空間擴展[13]，分布較為分散，且面積相對較小。通州區發展速度較為緩慢，處于發展的起步期，建成區擴展呈分散狀，相對稀疏，緊湊度不高；而雙核周圍的建成區相對密集，較其他地區而言發展集中且迅速。

圖3 南通市轄區建成區擴展方向專題圖Fig.3 Nantong District built-up area expansion direction thematic map

3.3 影響因素

崇川區作為南通市的核心區，配套齊全、交通便捷，是南通市人口最密集，城市化水平最高的區域，相較于其他三個市轄區，崇川區建成區擴展最先到達高潮，城鎮化發展成熟最早。港閘區擁有江河岸線資源和便捷的水陸交通網絡，逐步形成了船舶修造產業等具有較強競爭力的區域產業。蘇通長江大橋建成后，港閘區在時空上實現了與上海的全方位接軌和融合，與外界的溝通聯系也更加便捷。自2008年滬通鐵路立項至今，通州區平潮鎮作為滬通長江大橋的橋頭堡和滬通鐵路南通樞紐的所在地，優越的交通區位條件吸引了投資開發。開發區投資環境良好，產業基礎特色鮮明，成為長江三角洲周邊投資引商的優選之地，因而開發區處于平穩發展階段，并在2010-2015年期間城市擴展趨于成熟。

4 結語

利用歸一化建筑指數，對多時相Landsat影像進行自動建成區提取，并對其擴展范圍及擴展速度進行研究分析，分析結果表明：1995-2015年間南通市建成區面積不斷擴大，擴展速度逐漸加快，尤其自2008年蘇通大橋投入運行、2013年滬通鐵路項目后，2010-2015年間南通城市發展進入快速擴展時期。因此繼續對南通市建成區擴展范圍及擴展變化速度的探索，對今后南通市市轄區未來發展方向的定位及建成區的規劃具有重大意義，其擴展規律性有待進一步探索。如今南通市城市經濟在迅速發展，但是存在城市化發展不平衡，中心城市發展規模不合理等問題，則需要以后研究探索如何更科學地規劃城市發展。