侯莉莉，　朱　凌，　胡海燕

(北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院， 北京　100044)

?

京津冀城市擴(kuò)展的遙感研究

侯莉莉，朱凌，胡海燕

(北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院， 北京100044)

摘要：京津冀一體化發(fā)展是國(guó)家一項(xiàng)重大戰(zhàn)略. 以Landsat TM/OLI為數(shù)據(jù)源，通過(guò)引入城市擴(kuò)展強(qiáng)度、城市擴(kuò)展彈性指數(shù)、緊湊度、城市擴(kuò)展速率與年均增長(zhǎng)率來(lái)分析北京、天津、石家莊3個(gè)城市在2010～2015年間的城市擴(kuò)展時(shí)空格局及變化規(guī)律. 結(jié)果表明，在2010～2015年間，3個(gè)城市2015的城市緊湊度年均高于2010年，城市擴(kuò)展朝著穩(wěn)定的方向發(fā)展；天津市城市擴(kuò)展最為強(qiáng)烈，并且城市擴(kuò)展比較合理，而北京與石家莊的人口增長(zhǎng)明顯高于城市建設(shè)面積擴(kuò)展，城市擴(kuò)展不合理化趨于明顯.

關(guān)鍵詞：京津冀； 擴(kuò)展強(qiáng)度； 擴(kuò)展彈性指數(shù)； 緊湊度； 變化規(guī)律

1研究區(qū)域及其經(jīng)濟(jì)、人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

北京是我國(guó)的首都，是全國(guó)的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，位于東經(jīng)115.7°～117.4°，北緯39.4°～41.6°，地處華北平原北部，毗鄰天津市和河北省，總面積達(dá)1.641萬(wàn)km2. 北京的氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥. 北京市2010年全市常住人口為1 961.2萬(wàn)人，GDP為13 777.9億元人民幣. 北京市2015年全市常住人口為2 151.6萬(wàn)人，到2014年年底北京市GDP為21 330.80億元.

天津位于東經(jīng)116°43′～118°04′，北緯38°34′～40°15′之間，地處華北平原海河五大支流匯流處，有”河海要沖和畿輔門戶”之稱，被譽(yù)為“中國(guó)經(jīng)濟(jì)第三增長(zhǎng)極”，總面積達(dá)1.194 6萬(wàn)km2. 天津地處北溫帶位于中緯度亞歐大陸東岸，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候. 天津市2010年全市常住人口約為1 293.8萬(wàn)人，GDP為9 108.83億元人民幣. 2015年天津市全市常住人口約為1 516.8萬(wàn)人，到2014年年底GDP為15 722.47億元人民幣.

石家莊是河北省的省會(huì)，位于河北省西南部，總面積1.584 8萬(wàn)km2，是全國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕獦屑~. 石家莊市地處中低緯度亞歐大陸東緣，臨近太平洋所屬渤海海域，屬于溫帶季風(fēng)氣候. 石家莊市2010年全市常住人口為276.66萬(wàn)人，GDP為3 507.25億元人民幣. 2015年石家莊市全市常住人口約為430.30萬(wàn)人，到2014年年底GDP為5 300.00億元人民幣.

2數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)

本文2010年數(shù)據(jù)采用的Landsat-5 TM，2015年數(shù)據(jù)采用Landsat-8 OLI，景號(hào)分別為123/32、122/33、124/34，并且以2010期的GlobeLand30產(chǎn)品(產(chǎn)品來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心)作為參考.

Landsat-5是NASA于1984年3月發(fā)射的地球觀測(cè)衛(wèi)星，是美國(guó)陸地衛(wèi)星系列的第5顆. Landsat-5衛(wèi)星搭載了專題制圖儀(TM)和多光譜成像儀(MSS)，是迄今為止全球應(yīng)用最為廣泛、成效最顯著的地球資源衛(wèi)星遙感信息源.

Landsat-8于2013年2月發(fā)射，是美國(guó)陸地探測(cè)衛(wèi)星系列的后續(xù)衛(wèi)星，Landsat-8衛(wèi)星裝有陸地成像儀(Operational Land Imager，簡(jiǎn)稱“OLI”)和熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，簡(jiǎn)稱“TIRS”)，OLI有9個(gè)波段的感應(yīng)器，覆蓋了從紅外到可見(jiàn)光的不同波長(zhǎng)范圍，TIRS是有史以來(lái)最先進(jìn)、性能最好的熱紅外傳感器.

GlobeLand30是我國(guó)研制出的世界首套30 m分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集，該產(chǎn)品以Landsat TM/ETM為主要數(shù)據(jù)源，使用和處理了20 000多景遙感影像. 該產(chǎn)品已經(jīng)在全球和區(qū)域環(huán)境變化監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用.

2.2研究方法

2.2.1研究流程

2.2.2提取方法

目前，城市人造覆蓋提取的方法主要有目視解譯法、監(jiān)督分類法、非監(jiān)督分類法、指數(shù)法和面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ? 其中指數(shù)法較為簡(jiǎn)單并且運(yùn)用較為廣泛，而NDBI[1-2]是城市人造覆蓋提取最為重要的一個(gè)指數(shù)，其公式為：

NDBI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR)

(1)

NDBI是查勇等在楊山提出的仿歸一化植被指數(shù)[3]的基礎(chǔ)上提出來(lái)的. 在光譜的中紅外波段和近紅外波段這段區(qū)域，只有人造覆蓋的灰度值不斷增加，而其它地類的灰度值都不斷減小，通過(guò)構(gòu)建NDBI可以很好將人造覆蓋與其他地類信息區(qū)分開(kāi)來(lái). 但是利用NDBI提取人造覆蓋還有一部分植被覆蓋密度較低的區(qū)域也被提取出來(lái)，所以本文引入歸一化植被指數(shù)(NDVI)，其公式為：

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(2)

由于植被在紅光波段的反射率很低，但在近紅外波段有著很強(qiáng)的反射率，通過(guò)NDVI可以很好的反應(yīng)植被信息，因而可以消除NDBI提取人造覆蓋時(shí)含有的低密度植被區(qū)域的噪音[4].

根據(jù)波段之間的運(yùn)算，我們把NDBI大于0的區(qū)域賦值為1，小于0的區(qū)域賦值為0，把NDVI大于0的區(qū)域賦值為0，小于0的區(qū)域賦值為1，將NDBI與NDVI的二值圖進(jìn)行邏輯運(yùn)算進(jìn)行人造覆蓋的提取. 分別在6幅提取結(jié)果圖像中隨機(jī)選取100個(gè)點(diǎn)得到混淆矩陣，經(jīng)計(jì)算得到北京、天津、石家莊兩期影像的精度分別為83.75%、81.65%、82%、81%、82.5%和84.6%.

由于存在異物同譜和同物異譜的影響，提取的人造覆蓋含有少量裸地的信息，同時(shí)也有少量人造覆蓋沒(méi)有被提取出來(lái). 以TM4、TM3、TM2和OLI5、OLI4、OLI3進(jìn)行假彩色合成，對(duì)照合成影像以及 GlobeLand30 2010期數(shù)據(jù)產(chǎn)品在erdas軟件中檢查結(jié)果圖像并對(duì)錯(cuò)提漏提的地方進(jìn)行編輯修改以便進(jìn)行指數(shù)計(jì)算.

3城市擴(kuò)展指標(biāo)

通常使用緊湊度、城市擴(kuò)展速度、城市擴(kuò)展強(qiáng)度、城市擴(kuò)展彈性指數(shù)等來(lái)進(jìn)行城市擴(kuò)展合理性的分析. 本文通過(guò)引入以上指數(shù)來(lái)構(gòu)建北京、天津、石家莊的城市結(jié)構(gòu)、形態(tài)、空間分布等指標(biāo)體系，分析它們城市擴(kuò)展的合理性，并且描述它們城市擴(kuò)展的時(shí)空規(guī)律、形態(tài)特征以及與人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系.

3.1數(shù)量特征

面積：描述城市人造覆蓋范圍面積.

人口密度：城市總?cè)丝谂c人造覆蓋面積的比值.

單位面積產(chǎn)出效益：城市年GDP與人造覆蓋面積的比值.

3.2緊湊度

緊湊度[5]是反應(yīng)人造覆蓋空間形態(tài)和功能布局的一個(gè)主要指標(biāo)，用以衡量人造覆蓋區(qū)域的緊湊與飽滿程度，其公式為：

(3)

式中：c——人造覆蓋空間形態(tài)緊湊度；

A——人造覆蓋斑塊的面積；

P——人造覆蓋輪廓區(qū)的周長(zhǎng).

緊湊度越大，形狀越緊湊；反之則緊湊性越差[6].

3.3空間格局

城市擴(kuò)展速度[7]，表示某一段時(shí)間內(nèi)人造覆蓋平均擴(kuò)展面積，公式為：

Y=(R2015-R2010)/T

(4)

城市擴(kuò)展強(qiáng)度[8-9]公式為:

U={(R2015-R2010)/ R2010}(1/T)×100%

(5)

式中：Y——城市擴(kuò)展速度；U——城市擴(kuò)展強(qiáng)度.

R2015為2015年城市人造覆蓋面積，R2010為2010年城市人造覆蓋面積，T為時(shí)間差為5.

3.4擴(kuò)展彈性指數(shù)

城市擴(kuò)展彈性指數(shù)[10]描述城市擴(kuò)張速度與人口增長(zhǎng)速度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，公式為：

P=A(i)/Pop(i)

(6)

式中：P——城市擴(kuò)展的彈性指數(shù)；

A(i)——城市的面積年均增長(zhǎng)率；

Pop(i)——城市的非農(nóng)業(yè)人口年均增長(zhǎng)率.

城市擴(kuò)展彈性指數(shù)是衡量城市擴(kuò)展合理性的指標(biāo)之一，一般情況下，城市面積增長(zhǎng)速度應(yīng)小于城市人口增長(zhǎng)速度，這樣新增加的城市人口就不必重新建設(shè)一個(gè)完整的城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，但是考慮到我國(guó)人口密度大，城市人均基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)低，我國(guó)城市增長(zhǎng)率應(yīng)略高于城市人口增長(zhǎng)率，以滿足城市建設(shè)和環(huán)保的要求[10]. 根據(jù)中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院對(duì)中國(guó)歷年城市化過(guò)程的分析，此系數(shù)為1.12[11]較為合理，取名為城市擴(kuò)展的合理性系數(shù)，高于1.12表示城市擴(kuò)展面積速度過(guò)快，反之則表示城市人口擴(kuò)展速度過(guò)快.

4結(jié)果與分析

4.1北京市人造覆蓋提取結(jié)果及擴(kuò)展分析

從圖2、表1的對(duì)比中我們可以看出從2010～2015年北京市人造覆蓋面積增加了149.426 1 km2，且人造覆蓋面積擴(kuò)張的速度低于人口增長(zhǎng)速度，所以人口密度有所增加，并且單位面積產(chǎn)出效益大幅度提高；北京的城市緊湊度指數(shù)略微提高，城市建設(shè)主要以向周邊團(tuán)塊擴(kuò)張為主，城市形態(tài)變化朝著穩(wěn)定的方向發(fā)展，但是城市彈性擴(kuò)展指數(shù)偏離合理值，說(shuō)明北京城市發(fā)展不合理性較為明顯，表現(xiàn)為建筑面積的增長(zhǎng)速度低于人口增長(zhǎng)的速度，導(dǎo)致人口密度增大，城市交通、環(huán)境、就業(yè)等壓力增大. 因此必須及時(shí)采取措施疏解北京非首都功能，將資源密集型、人口密集型等產(chǎn)業(yè)外遷.

4.2天津市人造覆蓋提取結(jié)果及擴(kuò)展分析

從圖3、表2的對(duì)比中可以看出從2010～2015年天津市人造覆蓋面積258.295 5 km2，且人造覆蓋擴(kuò)張速度大于人口增長(zhǎng)速度，人口密度略微下降，但單位面積產(chǎn)出效益明顯提高；城市緊湊度指數(shù)有所提高，期間城市建設(shè)主要在周邊擴(kuò)展，城市形態(tài)變化趨于穩(wěn)定，并且城市擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)比較合理.

4.3石家莊市人造覆蓋提取結(jié)果及擴(kuò)展分析

數(shù)據(jù)表明，從2010～2015年間，石家莊市人造覆蓋面積小幅提高，人口密度略微增長(zhǎng)，并且單位面積產(chǎn)出效益大幅度提高，城市緊湊度指數(shù)明顯提高，期間城市建設(shè)主要在周邊擴(kuò)展，城市形態(tài)變化趨于穩(wěn)定. 從彈性指數(shù)看，石家莊市擴(kuò)展彈性指數(shù)偏高，說(shuō)明石家莊市建筑面積增長(zhǎng)速度低于人口增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致人口密度加大，城市的交通、環(huán)境、就業(yè)壓力也隨之增大，需要采取相應(yīng)措施緩解壓力.

4.4對(duì)比分析

2010～2015年間，北京、天津、石家莊城市擴(kuò)展各指數(shù)如表4所示：

表3　石家莊市2010～2015年城市擴(kuò)展指數(shù)

表4　北京、天津、石家莊城市擴(kuò)展各指數(shù)對(duì)比表

緊湊度代表的城市人造覆蓋的緊湊程度，2010年與2015年，均是石家莊的緊湊度最高，天津次之，而北京的緊湊度最差，北京與天津應(yīng)致力于建設(shè)緊湊型城市，加強(qiáng)城市內(nèi)各個(gè)區(qū)的緊密聯(lián)系，以提高城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效率.

對(duì)于城市擴(kuò)展強(qiáng)度，天津的最高，石家莊次之，北京最小. 天津在2010～2015年間城市擴(kuò)展較為強(qiáng)烈，主要因?yàn)闉I海新區(qū)的發(fā)展較為明顯. 而北京與石家莊擴(kuò)展較為平穩(wěn)，擴(kuò)展特征以填充為主，表現(xiàn)為城市人造覆蓋密度的增加，向外擴(kuò)張的特征不明顯.

對(duì)于城市擴(kuò)展彈性指數(shù)，天津以比較合理的速度進(jìn)行擴(kuò)展發(fā)展，而北京與石家莊擴(kuò)展彈性指數(shù)較合理值低，人口增長(zhǎng)速度明顯高于城市擴(kuò)展速度，出現(xiàn)城市擴(kuò)展速度與人口增長(zhǎng)速度之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采取措施避免因人口增長(zhǎng)速度過(guò)快制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)象出現(xiàn).

5結(jié)論

本文研究了北京、天津、石家莊城市擴(kuò)展的城市結(jié)構(gòu)、形態(tài)、空間格局等規(guī)律及與人口增長(zhǎng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系.

1) 北京、天津、石家莊3個(gè)城市建筑面積逐年增加，緊湊度逐漸增大，說(shuō)明城市的擴(kuò)展以向周邊團(tuán)狀擴(kuò)展為主，人造覆蓋密度逐年加大.

2) 隨著北京、天津、石家莊城市擴(kuò)展的發(fā)展，單位面積產(chǎn)出效益逐年提高.

3) 通過(guò)對(duì)比分析各城市擴(kuò)展指數(shù)，天津的城市擴(kuò)展較為合理，城市建筑面積擴(kuò)張速度與人口增長(zhǎng)速度維持在合理的范圍內(nèi)，而北京與石家莊人口增長(zhǎng)速度明顯高于城市面積增長(zhǎng)速度，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施改善由人口增長(zhǎng)過(guò)快帶來(lái)的一系列問(wèn)題，尤其是北京，隨著近幾年來(lái)的發(fā)展，北京人口以飛快的速度增長(zhǎng)，北京的交通、環(huán)境承受著越來(lái)越大的壓力，緩解北京非首都功能尤為迫切.

4) 京津冀一體化發(fā)展是一項(xiàng)重大的國(guó)家戰(zhàn)略，包括北京、天津以及河北省的石家莊、保定、唐山、邢臺(tái)、秦皇島、邯鄲、邢臺(tái)、衡水、滄州、廊坊、張家口和承德，涉及到京津和河北省11個(gè)地級(jí)市. 本文僅以北京、天津、石家莊為研究?jī)?nèi)容探討了城市擴(kuò)展的時(shí)空規(guī)律，3個(gè)城市發(fā)展擴(kuò)展各有優(yōu)缺點(diǎn)，在京津冀一體化發(fā)展的進(jìn)程中，必能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互利共贏，走出一條科學(xué)持續(xù)的系統(tǒng)發(fā)展道路[12].

參考文獻(xiàn)：

[1]查勇,倪紹祥,楊山. 一種利用TM圖像自動(dòng)提取城鎮(zhèn)用地信息的有效方法[J]. 遙感學(xué)報(bào),2003(1):37-40

[2]陳志強(qiáng),陳健飛. 基于NDBI指數(shù)法的城鎮(zhèn)用地影像識(shí)別分析與制圖[J]. 地球信息科學(xué),2006(2):137-140

[3]楊山. 發(fā)達(dá)地區(qū)城鄉(xiāng)聚落形態(tài)的信息提取與分形研究——以無(wú)錫市為例[J]. 地理學(xué)報(bào),2000(6):671-678

[4]戴建光,蔡海良. 基于TM影像的城市建筑用地信息提取方法研究[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪,2008(6):34-36

[5]方創(chuàng)琳,祁巍鋒,宋吉濤.中國(guó)城市群緊湊度的綜合測(cè)度分析[J].地理學(xué)報(bào),2008(10):1011-1021

[6]何丹,蔡建明,周璟. 天津城市用地時(shí)空擴(kuò)展研究[J]. 水土保持通報(bào),2009(3):56-60

[7]趙昕,胡召玲. 遙感技術(shù)在城市擴(kuò)展中的應(yīng)用研究——以江蘇省徐州市為例[J]. 徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006(2):67-70

[8]賈鐵飛,倪少春,鄭辛酉.快速城市化地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化及城市化空間進(jìn)程分析[J].國(guó)土資源遙感,2006(1):36-39

[9]薛東前,王傳勝. 無(wú)錫城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征與趨勢(shì)分析[J]. 資源科學(xué),2003(1):9-14

[10]王茜,張?jiān)鱿?易玲,等.南京城市擴(kuò)展的遙感研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2007(5):554-559

[11]蕭篤寧. 城市化進(jìn)程與土地資源的可持續(xù)利用[J]. 云南地理環(huán)境研究,1997(1):34-39

[12]郭巖峰,王曉利. 京津冀區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展戰(zhàn)略思考[J]. 特區(qū)經(jīng)濟(jì),2011(11):66-67

[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Research on Urban Expansion in Beijing-Tianjin-Hebei

Hou Lili, Zhu Ling， Hu Haiyan

(School of Geomatics and Urban Information, Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044)

Abstract:The Beijing-Tianjin-Hebei integration is a major national strategy. Taking Landsat TM/OLI satellite remote sensing image as data source, the urban expansion intensity, urban expansion elasticity index, compactness, average annual growth and the rate of urban expansion are introduced to analyse the temporal and spatial variation in Beijing, Tianjin and Shijiazhuang from 2010 to 2015. Results show that between 2010 and 2015, the compactness of the three cities in 2015 is higher than that of three cities in 2010 and Beijing, Tianjin and Shijiazhuang are expanding toward a stable direction. The urban expansion in Tianjin is the most intense and reasonable among the three cities, while the rate of the growth of the population in Beijing and Shijiazhuang is significantly higher than the rate of the urban construction area expansion, and the irrationality of urban expansion is becoming more and more obvious.

Key words:Beijing-Tianjin-Hebei; expansion intensity; expansion elasticity index; compactness; variation

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：侯莉莉(1987—)，女，碩士研究生，研究方向：攝影測(cè)量與遙感.

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(20131202NZ)

收稿日期：2015-09-10

文章編號(hào)：1004-6011(2016)01-0022-05