基于多時相遙感數據的連云港城市擴展監測
——以新浦區為例

王晶，劉錦

(1.中國礦業大學(徐州)環境與測繪學院，江蘇徐州 221008； 2.淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港 222005)

基于多時相遙感數據的連云港城市擴展監測
——以新浦區為例

王晶1，2?，劉錦2

(1.中國礦業大學(徐州)環境與測繪學院，江蘇徐州 221008； 2.淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港 222005)

利用多時相TM/ETM＋影像，提取不同時期連云港市新浦區城市邊界，借助GIS技術對新浦區城市擴展動態特征進行分析。結果表明，1989年～2007年間，新浦區城市用地面積持續增加，擴展強度總體增強，2001年～2007年間的城市擴展規模最大；新浦區城市擴展具有明顯的空間分異特征，城市中心總體向東北方向偏移；緊湊度逐漸減小，分形維數逐漸增大，城市空間形態日益復雜。

城市擴展；城市邊界提取；遙感圖像；連云港市

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

連云港在東經118°24′～119°48′和北緯34°～35° 07′之間。東西長129 km，南北寬約132 km，水域面積1 759.4 km2。連云港東瀕黃海，素有亞歐大陸橋東方橋頭堡之稱；轄東海、灌云、贛榆、灌南四縣和新浦、海州、連云三區及國家級經濟技術開發區。連云港市整個地勢自西北向東南傾斜，境內平原、海洋、高山齊全，河湖、丘陵、灘涂俱備。連云港市新浦區是全市的政治、經濟、文化中心。新浦區位于東經119°10′和北緯34°36′，處于薔薇河下游，南與灌云縣接壤，西與東海縣交界，西南與海州區為鄰。全區地形呈菱形，東南部為南云臺山地區，西部為河流與海積共同作用形成的海積平原。地貌形態有山地、山前平原、平地、微傾斜平地、洼地、古海道、海漫淤和低平地等。土質除山區外，多為粉砂淤泥，鹽漬化較嚴重，粘性大。

1.2 數據來源

衛星遙感對地觀測技術的不斷發展使得遙感影像成為研究城市在時間序列擴展變化的最佳數據。Landsat衛星影像可以較好地識別不同地物特征，特別是建筑物、構筑物等組成的城鎮建成區，因此被廣泛地用來研究城市空間的擴展[1]。研究中使用了4幅美國陸地衛星影像即TM(1989年3月10日、1995年4月20日和2007年5月7日)和ETM＋(2001年3月8日)。其他的數據源包括連云港市1∶5萬地形圖。

2 遙感圖像預處理

2.1 影像幾何精校正

在遙感影像上均勻的選取28個控制點，控制點一般選取在道路的交叉口、水壩、橋梁、河流拐彎處及河岸的角點、湖泊的中心等位置。本文采用二次多項式校正法進行精校正，采用雙線性內插法進行灰度重采樣，先對1995年的遙感影像進行幾何精校正，總的RMS誤差控制在0.5個像元內，然后再以校正好的1995年遙感影像為基準，分別對其他影像進行影像到影像的幾何配準，控制點的總RMS控制在0.5個像元內。這樣經過幾何精校正和幾何配準，4個時相的遙感影像不但消除了幾何畸變，還具有相同的投影信息和地理空間坐標。

近年來，我國的建筑業得到了廣闊的長期發展。現場施工管理問題得到了更多關注與重視，現場施工管理質量關乎到整體工程的穩定性與安全性。工程施工現場管理工作應該運用科學合理的信息化管理模式，確保工程質量的同時為施工企業節省經濟資本，使施工企業獲得社會效益與經濟效益雙豐收。所以，總結現階段施工現場信息化管理過程中的優點，創新信息化管理意識與相關落實措施，為以后我國的建筑工程現場施工質量的提高奠定有力的基礎保障。

2.2 遙感影像增強處理

圖像空間增強—銳化增強處理和圖像輻射增強—查找表拉伸處理，通過該處理突出感興趣的圖像信息，使圖像更清晰。圖1為遙感影像增強處理前后的對比。

圖1 增強處理前后局部影像對比(左為處理前影像，右為處理后影像)

3 城市邊界提取

城市邊界空間變化情況對城市擴展研究非常重要。這里城市邊界不是通常意義上的城市行政單元，而是指城市行政區內實際已成片開發建設、市政公用設施和公共設施基本具備的地區，而非通常概念上的城市行政邊界。本文采取人工目視判讀方法提取城市邊界。在Erdas中提取出連云港市新浦區1989年、1995年、2001年和2007年的新浦區城市邊界，并將邊界導入ArcGIS中，查看屬性獲取邊界區域面積。在進行城市邊界提取時，遵循以下原則:城市實體保持空間上的連續性，將城市內部較小的、非城市用地的地塊以及城市內部的水體都劃到城市實體內，較大的其他地塊(如林地)則予以排除。有爭議邊界則需要進行外野調繪。

為了研究城市擴展的變化情況，需要對不同時期的邊界信息進行疊加分析。疊加分析是研究土地利用變化的一個重要手段，疊加分析應用于城市擴展研究中可以定性、定量地分析城市擴展情況和變化規律[2]。因此，應用疊加分析技術，將連云港市新浦區4個時期的城市邊界在ArcGIS中制作城市擴展疊加分析專題地圖，如圖2。

圖2 連云港市新浦區城市擴展疊加分析專題地圖

4 城市擴展動態特征分析

4.1 城市擴展數量分析

根據1989年、1995年、2001年、2007年4個時相的遙感影像，對連云港新浦區的遙感監測分析發現，新浦區擴展速度較快如圖3所示，1989年～2007年間城市面積擴展了52.664 km2，平均每年擴展2.926 km2，年均擴展速率為11.7%。

圖3 連云港市新浦區1989年～2007城市面積變化情況

4.2 城市擴展空間變化分析

為全面反映連云港市新浦區城市擴展的空間變化特征，本文選擇城市空間擴展研究中常用的指標，城市擴展強度、城市中心坐標、緊湊度指數和城市用地分形維數對新浦區城市擴展進行綜合分析，進而揭示城市擴展的空間演變規律[3]。

(1)城市擴展強度指數

城市擴展強度指數是指單位時間內土地面積變化的幅度，是反映城市擴張空間變化的一個重要指標。通過分析城市擴展強度指數可定量地比較城市擴張的程度及速度，其表達式為:

式中:R為研究末期城市擴展強度；Ub為研究末期城市用地面積(km2)；Ua為研究初期城市用地面積(km2)；T為間隔時間(a)[4]。不同時期連云港市新浦區城市擴展強度指數如表1所示。

不同時期連云港市新浦區城市擴展強度指數 表1

(2)城市中心坐標

城市中心坐標是指通過研究不同時期城市中心的遷移情況，可分析城市空間變化規律。通過ArcGIS 9.3可以方便的獲取城市區域中心坐標。不同時期連云港市新浦區城市中心坐標變化情況如表2所示。

不同時期連云港市新浦區城市中心坐標變化情況 表2

(3)城市緊湊度指數

緊湊度是反映地物形狀的參數，緊湊度的變化可表征城市用地擴展的空間特征，其表達式為:

式中:C為緊湊度；At、Pt分別為第t年城市用地面積(km2)和周長(km)。C值在0～1，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好，反之越差，圓是形態最緊湊的圖形，其緊湊度為1[3]。不同時期連云港市新浦區城市緊湊度指數如表3所示。

不同時期連云港市新浦區城市緊湊度指數 表3

(4)城市用地分形維數

城市用地分形維數用來描述城市邊界形狀的曲折性和復雜性，它反映土地利用形狀的變化及土地利用受干擾的程度，計算公式如下:

式中:St為第t年城市用地區域的分形度；At、Pt分別為第t年城市用地面積(km2)和周長(km)。分形維數值的理論范圍在1～2，維數越大表示圖形形狀越復雜，當維數小于1.5時，說明圖形趨于簡單；當維數等于1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態，越接近于該值，穩定性越差；當維數大于1.5時，則圖形趨于復雜[3]。不同時期連云港市新浦區城市分形維度變化情況如表4所示。

不同時期連云港市新浦區城市分形維度變化情況 表4

5 結 論

通過上述指標的分析和統計，從表1可以看出，連云港市新浦區總體來說擴展強度是增大的，特別是2001年～2007年間，城市高速發展。而利用表2中的城市中心坐標，制作不同時期城市中心變化情況專題地圖可以看出城市中心的變化情況，城市中心逐步向東北方向偏移。表3、表4表明，連云港市新浦區城市緊湊度隨時間不斷減小，分形維數隨時間不斷增大。這說明新浦區雖然城市空間形態日益復雜，但總體趨于簡單，穩定性較差。今后，應發展補齊邊界區域，減小分形維數、增加緊湊度，從而在一定程度上提高城市服務職能的效率。

由圖2連云港市新浦區城市擴展疊加分析專題地圖可知，新浦區在1989年～2007年這18年間，向各個空間方位均有所擴展，但擴展程度不同。向北擴展面積最多，速度最快。向南擴展其次，在其他空間方位上雖有擴展，但擴展面積都不多。有很少部分越過薔薇河向西發展，也有一小部分向云臺山系擴展。城市擴展主要沿著交通干道和河流的延伸方向推進，城市增長呈南北走向。

[1] 趙昕，胡召玲.感技術在城市擴展中的應用研究——以蘇徐州市為例[J].徐州師范大學學報.2006(6):67～70

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[3] 王厚軍，李小玉，張祖陸.1979－2006年沈陽市城市空間擴展過程分析[J].應用生態學報，2008，19(12):2673～2679

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[5] Wang Xinsheng，Liu Jiyuan，Zhuang Dafang.Spatial－temporal changes of urban spatial morphology in China[J].Acta Geographica Sinica，2005，60(3):392～400

[6] Cai Bofeng，Zhang Zengxiang，Liu Bin.Spatial－temporal changes of Tianjin urban spatial morphology from 1978 to 2004[J].Journal of Geographical Sciences，2008，26(2):500～510

Dynamic of Urban Expansion in Lianyungang City Based on the Multi－time－phase Remote Sensing Images:a Case Study of Xinpu District

Wang Jing1，2，Liu Jin2
(1.China University of Mining and Technology，School of Environment and Spatial Informatics，XuZhou 221008，China；2.Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005，China)

Based on the Multi－time－phase TM/ETM＋remote sensing images，the urban border of Xinpu district of Lianyungang in different periods was extracted by RS method，and the urban expansion dynamic characteristics of Xinpu district was analyzed by the GIS technique.The result revealed the urban build－up area was on the increase.Meanwhile，the expansion rate in Xinpu district was increased during 1989 and 2007，The urban expansion obviously showed the spatial heterogeneity，with the city center moving to the northeast.At the same time，the compact index was decreasing，while the fractal index was increasing.This situation implied the urban spatial configuration has become more and more compliable.

urban expansion；extract of urban border；RS；GIS；the city of Lianyungang

1672－8262(2011)01－81－03

P237

A

2010—10—15

王晶(1978—)，女，教師，在讀研究生，主要從事遙感及攝影測量應用研究。

國家自然科學基金(41004003)