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基于RS与GIS的城镇化进程的动态研究


基于 RS 与 GIS 的城镇化进程的动态研究
摘要:改革开放以来,我国社会生产力取得了巨大进步。尤其在东部沿海地 区,随着产业结构调整和工业化进程加快,一方面,大批乡村人口涌向城镇,使 得原有城镇规模不断扩大;另一方面,通过县改市、乡改镇的途径,新设了一大 批市、镇。这种人口向城镇集聚和乡村变为城镇、城市范围不断扩大的过程称为 城市化。城市化的首要表现就是城市的空间扩展现象,城市的空间扩展是城市化 发展的直接体现 ,通过对城市扩展的分析研究 ,可以加深对城市化本质的理解 ,并 为城市可持续发展提供有效的空间决策支持。本文以遥感影像为主要信息源,基 于 RS 与 GIS 技术, 对研究区城市土地利用变化及其驱动力与生态环境效应进行 深入分析,分析城市的土地利用的现状,城市扩张,进行分析必将对改善城市生 态环境为城市土地资源的规划和治理,区域可持续发展具有重要价值。以我国城 镇化问题突出的典型区域北京市作为案例,运用 RS 与 GIS 技术,对北京市的城 镇化进程进行动态研究。 关键词:城镇化进程;城镇化进程的动态研究;北京市 Abstract: Since the reform and opening up, China has made tremendous social productivity advances. Especially in the eastern coastal areas, with the adjustment of industrial structure and accelerate the process of industrialization, on the one hand, a large number of rural population flock to cities and towns, making the original town expanding; on the other hand, through the county to the city, township to the town of ways, new set up a large number of city and town. This demographic changes to the urban agglomeration and rural towns, expanding the city limits is called urbanization. Urbanization is the primary performance space phenomenon of urban expansion, urban space expansion is directly reflected in the development of urbanization, through the analysis on urban expansion, can deepen understanding of the nature of urbanization, and to provide effective sustainable urban development spatial decision support. In this paper, remote sensing image as the primary source of information, based on RS and GIS technology, the study of Urban Land Use Change and Driving Force and Ecological and Environmental Effects in-depth analysis, analysis of the current situation of urban land use, urban expansion, is bound to be analyzed improve the urban ecological environment planning and management of urban land resources, sustainable development of the region has an important value. A typical problem area to highlight China's urbanization in Beijing as a case, using RS and GIS technology, the process of urbanization in Beijing dynamic research. Keywords: urbanization process; dynamics of the urbanization process; Beijing 1 引言 城市,作为人类生存与发展的高密度带,是人口、资源、环境和社会经济要 素高度密集的综合体,还是一个与外界进行能量、物质交流的开放系统。越来越 多地受到人们的关注,特别是随着工业革命的推进,世界城市化进程逐步加快, 极大地推动了社会进步,促进了社会经济发展,使城市成为了社会政治、经济、 文化科技和对外交流的中心,促进了人类文明的发展,但同时城市空间地扩展,

城市土地用地不断演化, 城市人口急剧增加又造成城市规模急剧扩大、城市内部 出现城市病和城乡发展失衡等一系列问题。因此,城市扩展的研究一直都是城市 研究的主要领域,人们试图藉此分析、揭示城市扩展形态、扩展效率和城市用地 形成和演化的内在和外在驱动机制,比较不同类型城市扩展的特征差异,并针对 城市扩展所带来的问题采取相应的措施。城镇化是社会经济发展的必然结果,而 我国正处在城市化快速发展的时期,一些大城市边缘区土地开发失控,建设用地 盲目蔓延情况严重, 北京市是我国城市扩展问题突出的典型区域。中国加入世界 贸易组织和北京成功申办 2008 年奥运会等重大事件将对北京及其周边地区的土 地利用及格局演变产生重大影响,城镇体系的空间分布、交通网的分布格局以及 上地利用方式等都发生了很大的变化。本文以北京为例,城市扩展动态监测的目 的在于定期或不定期地了解城市土地利用的动态变化趋势, 对北京市的土地利用 的现状进行分析必将对改善首都城市生态环境为城市土地资源的规划和治理、 区 域可持续发展具有重要价值。 2 相关概念与定义 2.1 城镇化 城镇化是随着生产力的发展而导致的人们的生产方式、 生活方式和行为方式 变化的过程。其内涵在于,它不仅是简单的城乡人口结构的转化,更重要的,它 是一种产业结构及其空间分布结构的转化,是传统生产方式!生活方式和行为方 式向现代化生产方式、生活方式和行为方式的转化。城镇化分为三个阶段,初级 阶段,由于科学技术不太发达,第一产业所能提供的生活资料不够丰富,国民经 济总体实力薄弱; 第二产业发展所需要的社会资本短缺,所以城镇化的发展速度 比较缓慢。 城镇化中级阶段, 随着科学技术的进步, 农业的劳动生产率大为提高, 释放出大量的农村剩余劳动力, 城镇化自上而下的推力较前坚实;国民经济和社 会资本的增长使工业化规模扩大,城市可提供更多的就业机会,城市自上而下的 吸力较前增强,所以促成了城镇化的高速发展。城镇化的高级阶段,由于可转移 的农村剩余劳动力已基本被城市吸收,城市的发展主要靠其自身的增长,所以城 镇化发展速度有所回落,进入平稳阶段。 2.2 城镇化进程的动态监测概述 我国从 50 年代后期开始就有大量的研究进行,其中包括城市形态分类、演 变阶段、城市扩展方式和速度、城市扩展的主要影响因素,城市扩展预测和模拟 等,早期采用的主要方法有:比较法、历史法、考古分析法和访问调查法。在这 些方法中,城市形态和城市的信息主要来源其一是城市地图,如罗海江(2000)利 用历史地形图和历史资料记载勾勒出北京和天津的城市核心区范围, 进而求得城 市面积,通过不同时期城市面积的比较来探讨城市扩展;二是通过传统的野外测 量及地面调查方法获取[1]如:王晓栋,崔伟宏(1998)利用 GPS(全球定位系统)在 土地利用动态监测中准确地定位和量化土地利用变化区域的双重作用和技术, 来 分析对土地利用变化类型[2]由于受城市地图和土地利用图更新周期的限制,采 用这些方法进行城市扩展和城市边缘带土地利用变化的研究越来越不能满足研 究对数据源的实时、准确的要求,使定量进行城市形态、结构和城市扩展规律及 扩展机制的研究很难进行。 3 国内外相关研究

遥感是 20 世纪发展最迅速的科学技术之一,主要利用航空航天技术,宏观 地研究地球,综合评价地球资源,进行资源调查与开发管理的一种技术手段。遥 感技术是以遥感图像的方式提供给我们地表的真实信息, 一幅图像能够包含数千 文字所表达的信息,图像能够表示物体的位置、大小以及相互关系。随着科学技 术的发展,遥感技术与 GIS 技术的日新月异,对土地利用/土地覆盖的调查与制 图工作起到极大的推动作用, 特别是遥感可以在大范围、 短时间获得更高精度的 成果以及事件序列数据, 而且节省人力物力,对研究城镇化进程起到极大的推动 作用,也为全球变化研究注入了新的活力[3]。 经过几十年的科学积累,遥感 RS 和 GIS 新技术的研究得到广泛应用,利用 遥感基于遥感与 GIS 的北京市城镇化进程的动态研究(RS)和地理信息系统(GIS)等 空间信息技术进行城市时空扩展监测和动态模拟分析是城市遥感的主要应用方 向,贾维花,杨锋杰等(2005)利用多时相陆地卫星 TM 影像和航测地形图对济宁 市城区扩展进行了动态监测,,发挥遥感的快速。周期性等特点,利用地理信息 系统 GIS 的统计性等功能,对济宁市城区的动态扩展变化规律进行分析,取得较 好的效果[4]。陈素蜜(2005)综合应用遥感和地理信息系统技术、以厦门市 1988 年,2000 年 TM 遥感影像为基础,试验了多种两个时相影像的复合变换方案, 生成厦门城市拓展图;既而,引入分维度,圆度,构造了接边指数等,从格局与 数量两个角度定量分析了厦门城市拓展的图斑特征[4]。 4 案例分析——以北京为例 4.1 北京市简介 北京位于华北平原的西北部,南北长约 176 公里,东西宽约 160 公里。全市 总面积为 16808 平方公里,其中山区面积 10421 平方公里,约占 62%,平原区面 积 6387 平方公里,约占 38%,山区主要分布于房山、门头沟、昌平、延庆、怀 柔、 密云和平谷 7 个远郊区县。 北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气 候,由于背山面海的地形条件,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。年 平均气温 10-12 度。极端最低-27.4 度,极端最高 42 度以上。年平均降雨量 600 多毫米,为华北地区降雨最多的地区之一。北京的地貌条件,北部,东北部及西 部被山地环绕,而中部及东南部为坦荡平原,地势呈西北高,东南低,形成由中 山、低山、丘陵过渡到冲洪积台地,冲积扇地及冲积平原的地貌组合。 4.2 研究方法和过程 边缘带是城市发展到特定阶段所形成紧靠城区的一种不连续的地域实体, 是 处于城乡之间,城市和乡村的社会、经济等要素激烈转换地带。为研究方便,边 缘带应有一个相对稳定的区域边界。城镇边缘带的地域范围,从理论上讲,其内 边界应以城市建成区基本行政区单位一街道为界,外边界以城市物质要素(如工 业、居住、交通、绿地等)扩散范围为限,将这一城乡互相包含、互有飞地和交 错的地域划为城镇边缘带、 因此案例中对北京市城镇边缘带地域范围界定中遵循 的基本原则: ①综合反映城镇边缘带内部的基本特征及其与外部城市和乡村之间 的差异性;②在地域上明显地城市、乡村分开,实现边缘带连续性和整体性;③ 可分析性强。 ULI 提取的城镇用地信息精度较高。所以本文采用 ULI 建筑指数的方法,提 取北京城市边缘带,城镇用地在 ULI 图上得到了最大的亮度增强,其他地物则普

遍受到压抑, 其 NDBI 值为 0—1。 用专家分类(Knowledgengineer)将 ULI 图二值化。 将 NDBI 值大于 0 的赋值为 1。以红色显示,代表城镇用地;其它的赋值为 O, 以黑色显示,代表非城镇用地。通过与大气校正后的 LandsatTM 影像对比低密度 植被覆盖区也被提取出来了。 但是, 由于建筑地类间的光谱曲线走势反差在 TM4 与 TMS 波段之间的表现没有植被在 TM3 与 TM4 波段之间表现得明显, 容易把其 他地类误认为是城镇用地, 主要是把一些裸地误认为是城镇用地,这在目视解译 原始图像与提取建成区信息对比中也可以体现。因此,采用设定阈值法来剔出误 分的信息,经过多次在影像上实际操作提取,最终确定阈值。 (图 1) 依据 1988 年一 2004 年的 TM 遥感数据, 经过监督分类和目视解译的人机交 互分类,建立规则的公里格网,计算每个格网中建设用地的占地率,再结合历年 来对于北京市城镇扩展研究的经验和分析,经过不断的调试,选取适当的阑值, 依次分析出 1998 年、1991 年、1996 年、1999 年到 2004 年期间的北京城镇边缘 带,直观对比的分析了北京市近 20 年来城镇化的进程,对比分析如图 1、图 2。 通过对比分析得出: 北京城市边缘带大致呈环状区域,由中心从内向外逐渐 推移,沿着近郊外缘与远郊区县接合地带方向,逐步扩展,西南和东北方向扩张 量较大,城市中心以圆心为基准逐步扩大半径,呈圈层式扩张模式,城镇建设用 地增加幅度随着不同经济发展阶段有所增减, 增加的用地主要分布在城区与周围 城镇及卫星城市之间,使这些分散的“边缘集团”与城区有连成一体的趋势,的 来说, 从 1988 年—2004 年期间, 北京城市边缘带无论从扩张速度还是扩张量上, 都具有明显的趋势。

图1

UIL 边界图

图 1 京市近 20 年来城镇化

图 2 城镇边缘带变化趋势图 通过通经分析原理确定影响因素,建立驱动因子的通经模型,运用主成分分 析的方法, 定性分析北京市城镇建设用地扩展的驱动因子分析的基础上,分析在 城市人口数量增长、第二、三产业在总产值中所占的比例、交通道路四个因子在 城镇化进程中的主要驱动因子分析。 应用 SPSS 软件进行统计,得出相关系数矩阵、 特征值、主成分贡献率和累计贡献率。

4.3 研究结论 本案例基于 1988 年、1991 年、1996 年、1999 年、2004 年五期的北京市 TM 遥 感影像图,分析了北京市近 20 年来城镇化扩张的情况。得到以下结论: (1)通过对基于土地利用程度、信息嫡理论以及建筑指数法提取城市边缘带的三 种方法对比分析,得出适合本研究的利用 UL 工建筑指数法提取城镇建设用地, 主要采用了 NDB 工的城镇用地信息的提取法和 NDVI 的植被指数提取法相结合, 两者进行求交运算, 提取了北京市城市边缘带,以此获得了该地区的城镇扩展信 息。得到结果表明,北京市从 1988 年—2004 年城镇建设用地由 78591.4hmZ 上 升为 158232.4hmZ, 年平均递增 6788.58hm2, 年平均递增率达到 8.6%, 其中 1999 年以后北京城镇扩张比较迅速,年增长率达 20%。 (2)在北京市城镇扩展空间分异模式分析中得出,南部的近郊区,丰台区、朝阳 区和海淀区是城镇用地扩展的活跃区与集中区, 镇用地扩展中心从内向外渐进推 移,中速级别的扩展类型主要集中分布在昌平区、房山区和大兴区,东西部方向 多为弱扩展类型,如通州区、顺义区和石景山区、而处在最西部的门头沟区则扩 展缓慢,城镇建设用地扩展的时空模式呈显著的圈层式结构。 (3)北京市城镇化扩展的方向、速度、模式等受到第二产业和第三产业发展、人 口、交通等因素的直接制约,社会经济条件(GDP、消费需求!固定投资等)的间接 影响,其中交通和第三产业的发展,成为北京市城镇化进程的主要驱动因子,影 响着城镇扩展的数量和速度, 社会经济状况又进一步对北京市城镇化建设起到了 重要的推动作用。 5 结论和展望 应用遥感和 GIS 技术对城市扩展进行动态分析,是一种的高效实用的技术方法。 归一化植被指数 NDVI 和以此为基础衍生出来的建筑指数 NDBI 的结合应用,大提 高了城镇边缘带的提取速度,究所用的 TM 卫星影像的地面分辨率有限,对小范 围内较详细的土地利用现状调查其精度就受到一定限制,并且研究只做到了 2004 年,没能体现出最近期的北京城镇化进程的现状。今后可运用较高分辨率 的遥感影像、 实时到动态地对城市空间格局进行研究,进行城市空间格局演变对 合理规划城市建设、 促进城市土地资源的规划和治理、区域可持续发展具有重要 的指导意义, 对城市市的生态恢复也具有重要的指导价值,是实现城市可持续发 展的前提和保证。

参考文献:
[1]. 罗海江 , 二十世纪上半叶北京和天津城市土地利用扩展的对比研究 . 人文地理 , 2000(04): 第34-37页. [2]. 党安荣, 毛其智与王晓栋, 基于GIS空间分析的北京城市空间发展. 清华大学学报(自然科学 版), 2002. 42(6): 第814-817页. [3]. 戴昌达与雷莉萍, TM图像的光谱信息特征与最佳波段组合. 环境遥感, 1989(04): 第282-292 页.

[4]. 贾维花等, 基于RS和GIS的济宁市城区扩展动态变化研究. 山东科技大学学报(自然科学版), 2005(02): 第35-37页. [5]. 陈素蜜, 遥感与地理信息系统相结合的城市空间扩展研究 . 地理空间信息, 2005. 3(1): 第 33-36页.


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