京津冀城市扩展的遥感研究

侯莉莉，　朱　凌，　胡海燕

(北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院， 北京　100044)



京津冀城市扩展的遥感研究

侯莉莉，朱凌，胡海燕

(北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院， 北京100044)

摘要：京津冀一体化发展是国家一项重大战略. 以Landsat TM/OLI为数据源，通过引入城市扩展强度、城市扩展弹性指数、紧凑度、城市扩展速率与年均增长率来分析北京、天津、石家庄3个城市在2010～2015年间的城市扩展时空格局及变化规律. 结果表明，在2010～2015年间，3个城市2015的城市紧凑度年均高于2010年，城市扩展朝着稳定的方向发展；天津市城市扩展最为强烈，并且城市扩展比较合理，而北京与石家庄的人口增长明显高于城市建设面积扩展，城市扩展不合理化趋于明显.

关键词：京津冀； 扩展强度； 扩展弹性指数； 紧凑度； 变化规律

1研究区域及其经济、人口数据统计

北京是我国的首都，是全国的政治经济文化中心，位于东经115.7°～117.4°，北纬39.4°～41.6°，地处华北平原北部，毗邻天津市和河北省，总面积达1.641万km2. 北京的气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥. 北京市2010年全市常住人口为1 961.2万人，GDP为13 777.9亿元人民币. 北京市2015年全市常住人口为2 151.6万人，到2014年年底北京市GDP为21 330.80亿元.

天津位于东经116°43′～118°04′，北纬38°34′～40°15′之间，地处华北平原海河五大支流汇流处，有”河海要冲和畿辅门户”之称，被誉为“中国经济第三增长极”，总面积达1.194 6万km2. 天津地处北温带位于中纬度亚欧大陆东岸，属暖温带半湿润季风性气候. 天津市2010年全市常住人口约为1 293.8万人，GDP为9 108.83亿元人民币. 2015年天津市全市常住人口约为1 516.8万人，到2014年年底GDP为15 722.47亿元人民币.

石家庄是河北省的省会，位于河北省西南部，总面积1.584 8万km2，是全国铁路运输的主要枢纽. 石家庄市地处中低纬度亚欧大陆东缘，临近太平洋所属渤海海域，属于温带季风气候. 石家庄市2010年全市常住人口为276.66万人，GDP为3 507.25亿元人民币. 2015年石家庄市全市常住人口约为430.30万人，到2014年年底GDP为5 300.00亿元人民币.

2数据与研究方法

2.1数据

本文2010年数据采用的Landsat-5 TM，2015年数据采用Landsat-8 OLI，景号分别为123/32、122/33、124/34，并且以2010期的GlobeLand30产品(产品来自国家基础地理信息中心)作为参考.

Landsat-5是NASA于1984年3月发射的地球观测卫星，是美国陆地卫星系列的第5颗. Landsat-5卫星搭载了专题制图仪(TM)和多光谱成像仪(MSS)，是迄今为止全球应用最为广泛、成效最显著的地球资源卫星遥感信息源.

Landsat-8于2013年2月发射，是美国陆地探测卫星系列的后续卫星，Landsat-8卫星装有陆地成像仪(Operational Land Imager，简称“OLI”)和热红外传感器(Thermal Infrared Sensor，简称“TIRS”)，OLI有9个波段的感应器，覆盖了从红外到可见光的不同波长范围，TIRS是有史以来最先进、性能最好的热红外传感器.

GlobeLand30是我国研制出的世界首套30 m分辨率全球地表覆盖数据集，该产品以Landsat TM/ETM为主要数据源，使用和处理了20 000多景遥感影像. 该产品已经在全球和区域环境变化监测等方面发挥重要作用.

2.2研究方法

2.2.1研究流程

2.2.2提取方法

目前，城市人造覆盖提取的方法主要有目视解译法、监督分类法、非监督分类法、指数法和面向对象的分类方法等. 其中指数法较为简单并且运用较为广泛，而NDBI[1-2]是城市人造覆盖提取最为重要的一个指数，其公式为：

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

(1)

NDBI是查勇等在杨山提出的仿归一化植被指数[3]的基础上提出来的. 在光谱的中红外波段和近红外波段这段区域，只有人造覆盖的灰度值不断增加，而其它地类的灰度值都不断减小，通过构建NDBI可以很好将人造覆盖与其他地类信息区分开来. 但是利用NDBI提取人造覆盖还有一部分植被覆盖密度较低的区域也被提取出来，所以本文引入归一化植被指数(NDVI)，其公式为：

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

(2)

由于植被在红光波段的反射率很低，但在近红外波段有着很强的反射率，通过NDVI可以很好的反应植被信息，因而可以消除NDBI提取人造覆盖时含有的低密度植被区域的噪音[4].

根据波段之间的运算，我们把NDBI大于0的区域赋值为1，小于0的区域赋值为0，把NDVI大于0的区域赋值为0，小于0的区域赋值为1，将NDBI与NDVI的二值图进行逻辑运算进行人造覆盖的提取. 分别在6幅提取结果图像中随机选取100个点得到混淆矩阵，经计算得到北京、天津、石家庄两期影像的精度分别为83.75%、81.65%、82%、81%、82.5%和84.6%.

由于存在异物同谱和同物异谱的影响，提取的人造覆盖含有少量裸地的信息，同时也有少量人造覆盖没有被提取出来. 以TM4、TM3、TM2和OLI5、OLI4、OLI3进行假彩色合成，对照合成影像以及 GlobeLand30 2010期数据产品在erdas软件中检查结果图像并对错提漏提的地方进行编辑修改以便进行指数计算.

3城市扩展指标

通常使用紧凑度、城市扩展速度、城市扩展强度、城市扩展弹性指数等来进行城市扩展合理性的分析. 本文通过引入以上指数来构建北京、天津、石家庄的城市结构、形态、空间分布等指标体系，分析它们城市扩展的合理性，并且描述它们城市扩展的时空规律、形态特征以及与人口增长的协调关系.

3.1数量特征

面积：描述城市人造覆盖范围面积.

人口密度：城市总人口与人造覆盖面积的比值.

单位面积产出效益：城市年GDP与人造覆盖面积的比值.

3.2紧凑度

紧凑度[5]是反应人造覆盖空间形态和功能布局的一个主要指标，用以衡量人造覆盖区域的紧凑与饱满程度，其公式为：

(3)

式中：c——人造覆盖空间形态紧凑度；

A——人造覆盖斑块的面积；

P——人造覆盖轮廓区的周长.

紧凑度越大，形状越紧凑；反之则紧凑性越差[6].

3.3空间格局

城市扩展速度[7]，表示某一段时间内人造覆盖平均扩展面积，公式为：

Y=(R2015-R2010)/T

(4)

城市扩展强度[8-9]公式为:

U={(R2015-R2010)/ R2010}(1/T)×100%

(5)

式中：Y——城市扩展速度；U——城市扩展强度.

R2015为2015年城市人造覆盖面积，R2010为2010年城市人造覆盖面积，T为时间差为5.

3.4扩展弹性指数

城市扩展弹性指数[10]描述城市扩张速度与人口增长速度之间的协调关系，公式为：

P=A(i)/Pop(i)

(6)

式中：P——城市扩展的弹性指数；

A(i)——城市的面积年均增长率；

Pop(i)——城市的非农业人口年均增长率.

城市扩展弹性指数是衡量城市扩展合理性的指标之一，一般情况下，城市面积增长速度应小于城市人口增长速度，这样新增加的城市人口就不必重新建设一个完整的城市基础设施系统，但是考虑到我国人口密度大，城市人均基础设施建设低，我国城市增长率应略高于城市人口增长率，以满足城市建设和环保的要求[10]. 根据中国城市规划设计院对中国历年城市化过程的分析，此系数为1.12[11]较为合理，取名为城市扩展的合理性系数，高于1.12表示城市扩展面积速度过快，反之则表示城市人口扩展速度过快.

4结果与分析

4.1北京市人造覆盖提取结果及扩展分析

从图2、表1的对比中我们可以看出从2010～2015年北京市人造覆盖面积增加了149.426 1 km2，且人造覆盖面积扩张的速度低于人口增长速度，所以人口密度有所增加，并且单位面积产出效益大幅度提高；北京的城市紧凑度指数略微提高，城市建设主要以向周边团块扩张为主，城市形态变化朝着稳定的方向发展，但是城市弹性扩展指数偏离合理值，说明北京城市发展不合理性较为明显，表现为建筑面积的增长速度低于人口增长的速度，导致人口密度增大，城市交通、环境、就业等压力增大. 因此必须及时采取措施疏解北京非首都功能，将资源密集型、人口密集型等产业外迁.

4.2天津市人造覆盖提取结果及扩展分析

从图3、表2的对比中可以看出从2010～2015年天津市人造覆盖面积258.295 5 km2，且人造覆盖扩张速度大于人口增长速度，人口密度略微下降，但单位面积产出效益明显提高；城市紧凑度指数有所提高，期间城市建设主要在周边扩展，城市形态变化趋于稳定，并且城市扩展状态比较合理.

4.3石家庄市人造覆盖提取结果及扩展分析

数据表明，从2010～2015年间，石家庄市人造覆盖面积小幅提高，人口密度略微增长，并且单位面积产出效益大幅度提高，城市紧凑度指数明显提高，期间城市建设主要在周边扩展，城市形态变化趋于稳定. 从弹性指数看，石家庄市扩展弹性指数偏高，说明石家庄市建筑面积增长速度低于人口增长速度，导致人口密度加大，城市的交通、环境、就业压力也随之增大，需要采取相应措施缓解压力.

4.4对比分析

2010～2015年间，北京、天津、石家庄城市扩展各指数如表4所示：

表3　石家庄市2010～2015年城市扩展指数

表4　北京、天津、石家庄城市扩展各指数对比表

紧凑度代表的城市人造覆盖的紧凑程度，2010年与2015年，均是石家庄的紧凑度最高，天津次之，而北京的紧凑度最差，北京与天津应致力于建设紧凑型城市，加强城市内各个区的紧密联系，以提高城市社会经济环境效率.

对于城市扩展强度，天津的最高，石家庄次之，北京最小. 天津在2010～2015年间城市扩展较为强烈，主要因为滨海新区的发展较为明显. 而北京与石家庄扩展较为平稳，扩展特征以填充为主，表现为城市人造覆盖密度的增加，向外扩张的特征不明显.

对于城市扩展弹性指数，天津以比较合理的速度进行扩展发展，而北京与石家庄扩展弹性指数较合理值低，人口增长速度明显高于城市扩展速度，出现城市扩展速度与人口增长速度之间的不协调现象，应及时采取措施避免因人口增长速度过快制约城市经济发展的现象出现.

5结论

本文研究了北京、天津、石家庄城市扩展的城市结构、形态、空间格局等规律及与人口增长之间的协调关系.

1) 北京、天津、石家庄3个城市建筑面积逐年增加，紧凑度逐渐增大，说明城市的扩展以向周边团状扩展为主，人造覆盖密度逐年加大.

2) 随着北京、天津、石家庄城市扩展的发展，单位面积产出效益逐年提高.

3) 通过对比分析各城市扩展指数，天津的城市扩展较为合理，城市建筑面积扩张速度与人口增长速度维持在合理的范围内，而北京与石家庄人口增长速度明显高于城市面积增长速度，应及时采取相应措施改善由人口增长过快带来的一系列问题，尤其是北京，随着近几年来的发展，北京人口以飞快的速度增长，北京的交通、环境承受着越来越大的压力，缓解北京非首都功能尤为迫切.

4) 京津冀一体化发展是一项重大的国家战略，包括北京、天津以及河北省的石家庄、保定、唐山、邢台、秦皇岛、邯郸、邢台、衡水、沧州、廊坊、张家口和承德，涉及到京津和河北省11个地级市. 本文仅以北京、天津、石家庄为研究内容探讨了城市扩展的时空规律，3个城市发展扩展各有优缺点，在京津冀一体化发展的进程中，必能优势互补、互利共赢，走出一条科学持续的系统发展道路[12].

参考文献：

[1]查勇,倪绍祥,杨山. 一种利用TM图像自动提取城镇用地信息的有效方法[J]. 遥感学报,2003(1):37-40

[2]陈志强,陈健飞. 基于NDBI指数法的城镇用地影像识别分析与制图[J]. 地球信息科学,2006(2):137-140

[3]杨山. 发达地区城乡聚落形态的信息提取与分形研究——以无锡市为例[J]. 地理学报,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]. 现代测绘,2008(6):34-36

[5]方创琳,祁巍锋,宋吉涛.中国城市群紧凑度的综合测度分析[J].地理学报,2008(10):1011-1021

[6]何丹,蔡建明,周璟. 天津城市用地时空扩展研究[J]. 水土保持通报,2009(3):56-60

[7]赵昕,胡召玲. 遥感技术在城市扩展中的应用研究——以江苏省徐州市为例[J]. 徐州师范大学学报:自然科学版,2006(2):67-70

[8]贾铁飞,倪少春,郑辛酉.快速城市化地区土地利用动态变化及城市化空间进程分析[J].国土资源遥感,2006(1):36-39

[9]薛东前,王传胜. 无锡城市用地扩展的时空特征与趋势分析[J]. 资源科学,2003(1):9-14

[10]王茜,张增祥,易玲,等.南京城市扩展的遥感研究[J].长江流域资源与环境,2007(5):554-559

[11]萧笃宁. 城市化进程与土地资源的可持续利用[J]. 云南地理环境研究,1997(1):34-39

[12]郭岩峰,王晓利. 京津冀区域经济一体化发展战略思考[J]. 特区经济,2011(11):66-67

[责任编辑：佟启巾]

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

中图分类号：P237

文献标志码：A

作者简介：侯莉莉(1987—)，女，硕士研究生，研究方向：摄影测量与遥感.

基金项目：现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室开放课题(20131202NZ)

收稿日期：2015-09-10

文章编号：1004-6011(2016)01-0022-05