遥感技术在城市扩展中的应用

摘 要 主要应用遥感图像处理软件ERDAS IMAGINE及地理信息系统软件ArcGIS，以不同时期（1990、2002、2006年）南宁市的遥感图像为数据源，利用遥感影像处理软件ERDAS对遥感图像进行图像配准、裁剪、分类以及提取边界等步骤，得到南宁市3个时期的城市建成区遥感影像分类图。把分类后的图像导入ArcGIS软件，进行矢量化处理；用ArcGIS软件的测量工具测量3个时期建成区的面积；把3个时期的矢量图划分成八个方向（东、东北、北、西北、西、西南、南和东南），并测量各个时期各个方向的建成区面积。统计南宁市1990、2002、2006年的建成区面积及其各个方向的建成区面积，计算和分析南宁市扩展速度和扩展方向；结合南宁市的其他方面信息，对未来南宁市扩展情况做简单的预测。

关键词 遥感；城市扩展；空间分析；广西南宁市

中图分类号：P237；F299.27 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）33--03

遥感技术[1]指以电磁波为信息载体，与目标地物保持相当距离，通过一个技术系统获取地球表面的信息分布状况，并以图像方式进行记录的技术。遥感提取信息的原理就在于地物电磁辐射差异在遥感影像上反映出不同地物影像特征。遥感技术具有快速、准确、实时、经济和周期性短等优点而广泛应用城市扩展监测等方面。地理信息系统简称GIS，是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统[2]。其具有强大的空间分析能力，对图形数据和属性数据进行一体化管理等特点。

遥感提供动态的、周期性的地表信息数据，而地理信息系统则能很好的处理、管理和分析地理数据。二者结合分析，可以清晰地反映城市时序和空间结构的动态变化，且具有高精度、高效率、低费用等特点。

本论文以南宁市市区为研究对象，以南宁市多时相（1990、2002、2006年）卫星遥感数据为基础，提取南宁市3个时期的建成区面积，结合ArcGIS进行数据分析，对南宁市1990-2006年来城市扩展变化情况进行监测和分析，为城市的规划设计提供科学依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

南宁市阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，夏长冬短，年平均气温在21.6 ℃，素来被形容为“半城绿树半城楼”，是一个非常适合人居住的城市。南宁市毗邻粤港澳，背靠大西南，面向东南亚，是连接东南沿海与西南内陆的重要枢纽，也是西部重要的省会城市。同时，是国家级经济区—北部湾经济区建设的核心城市，拥有沿海城市待遇和税收等多项优惠待遇。南宁被海内外誉为中国通往东南亚的“黄金走廊”，这也代表了国际社会对南宁的国际地位的认可，以及体现了南宁在中国的发展建设中重要的经济地位和战略地位。

1.2 数据源

研究使用的是南宁市3个时相的卫星遥感影像，成像时间分别为1990、2002、2006年。

（1）1990年的遥感影像图是一景TM影像图，相应于185 km×185 km地面面积；从可见光到红外波长范围，有7个波段：TM1～3为可见光波段主要反映一定的水体和植被信息，TM4～7属于红外波段范围主要反映水体、温度、地质信息，TM6主要的反映地物的热信息，TM1～5，7波段空间分辨率为30 m，TM6空间分辨率为120 m。因研究的目的主要是城区的扩展变化，不涉及到地物热信息，所以预处理时选择的波段为TM1～5，7。

（2）2002年的遥感影像图是由Spot-5卫星采用高性能的遥感器HRV拍摄而得到的图像。其包含有4个波段，其中3个为10 m分辨率的多光谱波段（B1、B2、B3）；最后一个（B4）为中红外波段，分辨率为20 m。

（3）2006年的遥感影像图采用的是ETM+传感器，比TM灵敏度高，ETM+1～5，7波段的空间分辨率为30 m，ETM+6波段的空间分辨率提高到60 m，本文用到的是ETM1～5，7这六个波段。

（4）南宁地区1∶5万的地形图。

2 技术路线及数据处理

技术路线分析如下。使用的主要软件是ERDAS 9.1和ArcGIS 9.2软件。采用的基本技术路线是利用ERDAS 9.1软件进行遥感影像图的处理：配准，裁剪，分类，提取不同时相遥感影像中的南宁市区建筑用地即建成区区域边界，以获得南宁市3个时期的遥感分类图。将分类后遥感图导入地理信息系统中，进行矢量化处理，叠加分析，研究南宁城市各个时期动态变化扩展规律。具体流程见图1。

图1 技术线路流程

3 南宁市空间扩展数据分析

3.1 建成区扩展的扩展强度分析

不同时期研究区城市用地扩展的强弱和快慢进行度量，其实质就是用各空间单元的土地面积对其年平均扩展速度进行标准化处理，使不同时期城市土地利用扩展的速度具有可比性，扩展强度指数的表达式为[3]：

M=U×100/（A×t）

式中：U为城区扩展面积；A为分析区域总面积；t为变化的时间，以年为单位。根据公式计算出南宁市城区的扩展强度指数表和图。

由表1和图2可以看出，在1990-2006年，南宁市城区一直是处于扩展状态，1990-2002年的扩展强度指数为4.67，而2002-2006年的扩展强度指数为10.79，扩展强度指数是1990-2002年的2倍还多。

图2 南宁市1990-2006年城区扩展强度指数

3.2 空间分析

描述城市扩展方向最常用的方法是比较分析城市扩展速度在不同空间方位上的差异。扩展贡献率，是指某空间单元在研究时期内建成区扩展面积占同期整个城市建成区扩展总面积的百分比[4]。因此，分别计算各个象限扩展的面积，以及各个象限扩展面积的扩展贡献率。各个象限的建筑面积统计情况见表2。

由表2可以看出，3个监测时间段内，建成区面积都有不同程度的增加，但年均增长的面积和速度不同。

1990-2006年，南宁市一共扩展了225.71 km2，年扩展速率为14.11 km2/a。在8个方向中，向东和向西方向扩展为主要扩展方向，两个方向扩展相当，向东方向扩展面积为45.07 km2，扩展贡献率最高，达19.97%，年扩展速率为2.82 km2/a；向西的扩展面积为42.89 km2，扩展贡献率高达19.00%，年扩展速率也最大为2.68 km2/a，为第二大的扩展方向；接着扩展方向是向西南方向，扩展了29.51 km2，扩展贡献率为13.08%，年扩展速率为1.84 km2/a；向东北方向扩展与西南方向相近，扩展贡献率为12.74%，扩展面积为28.75 km2；其他方向的扩展面积由大到小排序为向南、向北、向西北、向东南方向。见图3和图4。

4 结论与预测

4.1 结论

本研究利用多时相陆地卫星TM/ETM+/SPOT影像对南宁市城区扩展进行了动态监测，地理信息系统的进行统计分析，对本研究区的动态扩展变化规律进行分析，主要得到以下结论。

（1）南宁2006年的城市建筑面积达到300.88 km2，是1990年的4倍还多。南宁市城区范围迅速扩展的主要方向为向东方向和向西方向，其他方向的扩展大小由大到小排序为西南、东北、南、北、西南、东南方向。向东南方向最不明显。

（2）城市空间扩展主要有3种类型，即“圈层式”“辐射式”“跳跃式”扩展模式[5]。南宁市城市空间扩展主要表现为前两种模式。

（3）南宁市的城市空间形态发展同国内许多城市发展具有基本相同的规律，是由社会、经济、科学、技术等的发展历史综合因素所决定的。南宁市建成区空间形态发展经历了早期的集约式发展-辐射式发展-“圈层式”发展-“多中心、组团式”发展。

4.2 南宁市扩展预测

未来南宁市的城市扩展主要是沿对外交通轴线带状扩展模式进行，向东延伸至玉林和廣东；依托北部湾经济区向南辐射。南宁市在现有的格局下，以跳跃式成组团扩展模式和低密度连续蔓延模式，渐形成城区建设用地范围与各开发区之间的填充式扩展，使主城与新区连为一体，构成大面积的片状发展区，具体的趋势是：因北部湾经济区的开发，南宁市将重视和保持城市重点向南、西南和东南方向发展的政策连续性。

目前，南宁市中心城区建设用地向南和西南方向的扩展主要是良庆区和邕宁区。其中邕宁区位于南宁市中心的东南方向，高速公路环线约有总长的1/4从邕宁境内穿过，极大地方便了邕宁与南宁市中心城的联系。大沙田地区与南宁中心城的江南区已经连成一体，柳沙南、良庆镇与新城区仅一江之隔。沿海经济走廊开发区地处南宁至北海二级公路两旁的带状区域，北端距南宁中心城仅5 km。向南将是连接北部湾经济区的必然选择和趋势。

参考文献

[1]严泰来.资源环境信息技术概论[M].北京：中国林业出版社，2004：41-47.

[2]范文义，周洪泽.资源与环境地理信息系统[M].北京：科学出版社，2003：4-22.

[3]汤君友，杨桂山.基于RS与GIS的无锡市城镇建设用地扩展时空特征分析[J].长江流域资源与环境，2004，13（5）：2-5.

[4]董芳.基于陆地卫星TM/ETM+和GIS的济南城区扩展动态监测研究[D].济南：山东农业大学，2003.

[5]韦亮英.南宁城市空间扩展及其生态环境效应研究[J].规划师，2008，12（24）：31-34.

（责任编辑：刘昀）

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