苏_锡_常建成区遥感方法提取及城市扩展分析

ScienceofSurveyingandMapping

Vol.36No.2

Mar.苏、锡、常建成区遥感方法提取及城市扩展分析

张雪峰①②，杨晏立①②，何政伟①②③，王

锐①，张东辉②

(①成都理工大学地球科学学院，成都610059;②成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059;③首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京100037)【摘要】将苏州、无锡、常州三市作为研究区域，详细介绍了借助遥感技术快速获取城市建成区的新方法和技术路线。将TM3、TM2两个波段移植于归一化建筑指数(NDBI)法，并同NDBI相结合提取城市建设用地，再通过制定的适于遥感划分建成区的界定方法，筛选出符合要求的建设用地得到三座城市的建成区范围。利用简单的统计方法和叠加分析方法，对苏、锡、常三市城市扩展空间进程进行分析和描述。研究方法可以高效获取城市建成区的具体范围，实时监测不同城市任何年份间城市扩展的变化动态。【关键词】建成区;提取;遥感;归一化建筑指数;扩展;苏锡常【中图分类号】TP751.1;TU984.1【文献标识码】A【文章编号】1009-2307(2011)02-0113-03

1引言

改革开放以来区域土地利用结构发生了翻天覆地的变化，越来越多的人口迁向城市，城市城区迅速扩张，土地

［1］

资源利用已成为当今社会最活跃的资源配置方式。建成区标志着城市不同发展时期建设用地的状况，对其准确提取是研究城市扩展变化和城市驱动力分析的关键。遥感具有快速、宏观、综合获取城市用地状况及其变化数据的优［2］

势，同时GIS又具有丰富的数据分析处理功能，运用这些技术获取不同时相城市建成区的准确信息，将对实时监测城市规模，科学规划城市发展，合理开发城市用地提供科学的技术支持。利用提取的阶段性城市建成区扩展数据，进行不同城市间城市扩展的对比和讨论，能反映出各城市阶段性发展的具体情况，及时发现城市规划中存在的问题，城市间取长补短，共谋可持续发展战略。

2研究区域与研究数据

长三角是我国近20年来城市化最为剧烈的地区，苏州、无锡、常州位于长三角经济区的核心部位，地处上海、南京、杭州三大中心城市之间，襟长江，濒太湖。伴随经济的腾飞，苏、锡、常三市土地利用结构不断革新，城镇与乡村空间结构和形态都发生了巨大变化，主要表现为空

［3］

间填充和空间蔓延，其城市发展具有一定代表性，它们

［4］

的发展方向、规模能代表国内众多城市的发展趋势。对建成区提取和分析的研究范围限定在三市的市辖区，不包括下属县级行政单位所辖区域。

苏、锡、常三市市辖区范围均位于同一景Landsat卫星影像上，利用1995、2001年两景不同时相的影像数据，依托RS和GIS技术对苏、锡、常三市建成区进行提取和扩展对比分析。

［5］

具备公用设施，它是城市行政范围内实际建成或正在建成的、相对集中分布的建设用地，包括分散到近郊内、但与城市有着密切联系的建设用地，涵盖房屋建筑物、交通用地、工矿用地、水利设施等一系列生产生活设施。

借鉴徐强等在杭州中心城区界定建成区的实践，确定

2

更为简单易行的划定方法:以建设用地中面积≥60hm，最为集中、连片的建成区域为中心，将其周边相距不超过1000m且面积≥4hm2的飞地(飞地是指脱离城市集中连片建设范围而单独发展的有一定规模的用地)一同划分为建

2

成区。60hm的标准规模可以保证达到较完整的公共设施和基础设施配置，并在景观形态上具备一定的城市化面貌，4hm2的面积指标是取一般街区4hm2-6hm2范围的下限而定

的，1000m的范围大小是按人的最适合步行距离的上限而

［5］

定的，即步行条件下可以达到的最大距离。此法在充分考虑城市建成区辐射影响范围的同时，避免了过多零散地块的出现，保持了建成区统计范围的连续性。3.2典型地物光谱结构特征分析

结合区域特点，选择城镇、河流、湖泊、池塘、林地、田地、滩地、道路八种典型地物，城镇和道路代表了建设用地的光谱特征。城镇和道路在提取过程中易受到时间维上植被变化的影响，窄于10m宽的道路在TM影像上一般

［6］

难以识别，除非道路周围长满了很好的植被。研究的两期遥感数据均为夏季获取，将植被的影响尽量减小。

在ENVI中用ROI尽可能多地圈定各类地物的纯净像元，统计各采样光谱灰度值的均值，各地物光谱响应曲线如图1所示。

3

3.1

建成区提取方法研究

建成区界定方法

根据《城市规划法》和《城市规划基本术语》可知，城市建成区必须具备三大条件:连片开发、具备基础设施、

)，男，吉林作者简介:张雪峰(1979-延吉人，成都理工大学地球科学学院博

士研究生，主要研究方向为遥感技术应用。E-mail:rainbowyaa@163.com

12-17收稿日期:2009-基金项目:国家自然科学基金(40972225);

国家科技支撑计划项目(2008BAK49B02)

图1典型地物光谱响应曲线(2001年)

对各地物在各波段上的灰度均值大小排序，以分析地物之间在各波段上的光谱差异:

城镇:TM6＞TM1＞TM3＞TM2＞TM5＞TM7＞TM4河流:TM6＞TM1＞TM2＞TM3＞TM4＞TM5＞TM7湖泊:TM6＞TM1＞TM2＞TM3＞TM4＞TM5＞TM7

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测绘科学第36卷

池塘:TM6＞TM1＞TM2＞TM3＞TM4＞TM5＞TM7林地:TM6＞TM4＞TM5＞TM1＞TM2＞TM3＞TM7田地:TM6＞TM4＞TM1＞TM5＞TM2＞TM3＞TM7滩地:TM6＞TM1＞TM2＞TM3＞TM5＞TM4＞TM7道路:TM6＞TM1＞TM5＞TM3＞TM2＞TM7＞TM4

两期遥感图像灰度均值统计略有细微差异，但在城镇、道路、滩地上均体现出TM5＞TM4的特点;另外，只有城镇和道路表现出TM3＞TM2，而非建设用地恰好相反。在TM6上，城镇要大于其他所有地物。3.3建设用地提取方法

ZhaY等利用城镇灰度值在TM4、TM5两个波段间和其他地物的可分离性，提出了归一化建筑指数(NDBI)，通过阈值分割实现城镇居民地的提取，理论上NDBI＞0的是城镇

［7］

用地，NDBI≤0的是非城镇用地。其基本原理是在多光谱波段内，寻找出所要提取地物的最强反射波段和最弱反射波段，将强者置于分子，弱者置于分母，通过比值运算，进一步扩大二者的差距，使所要提取的地物在生成的影像上得到

［8］

明显的亮度增强，而其他背景地物受到普遍的抑制。

由于滩地在TM4、TM5波段上也表现出上升趋势，导致NDBI法易将部分滩地误划分为建设用地，这在做阈值分割时凭目视解译可以察觉。邓文胜等也指出单一使用NDBI

［9］

法对于复杂的大面积区域效果不是太好。考虑到城镇和道路在TM3、TM2上具有与TM5、TM4相同特点的可分性，因此利用TM3和TM2两个波段按归一化建筑指数进行运

TM2)/(TM3+TM2)，同样的方法做阈值分算，即(TM3-割后再与NDBI法计算的结果求交。由此得到的建成区消除

了部分非建设用地的误提。3.4城镇和道路的区分

城镇和道路同属建设用地，但根据建成区的界定方法推测，道路的存在势必将造成建成区与乡镇、集村相连，从而导致实际操作中将远离城市建成区的大量乡镇、集村(主要是与道路相连或较近的乡村)一同被划分入建成区。因此需要先将城镇和道路区分开来。

TM6上，城镇灰度均值大于道路，但TM6分辨率不高，分割效果并不理想。韩丛丛等借用形状指数从烟台市

［10］［11］

居民地中剔除了道路，形状指数公式如下:

k=槡A/P(1)

式中A为面积，P为周长。道路这类线性物体的形状指数较小，而居民地的形状多为团状、带状，其形状指数较大，将形状指数以0.1为分割点可区分居民地和道路。

试验中，面积较大的城镇(包括主建成区)由于与道路相连，其形状指数也会因此降低，从而被错误地划分为道路。研究发现形状指数法对于不与道路相连的集村的提取还是非常有效的，因此决定综合运用形状指数法和TM6阈值分割法，将误分为道路的城镇区分出来。最终提取出的道路主要是连接建成区和乡镇的路，这些路的两侧因为植被覆盖较好而易于识别。3.5建成区的划分

以之前确定的建成区界定方法为依据，在城镇用地中

2

筛选大于等于60hm的中心建成区，以及符合要求的飞地(≥4hm2)，将距离中心建成区1000m以内的飞地和中心建成区1000m缓冲区掩膜的道路，同中心建成区一起组成城市建成区，提取结果如图2所示。

4城市扩展分析

对不同时相遥感影像上不同城市采用相同的方法获取的建成区面积具有可比性，上述方法提取的建成区对于三个城市是公平的，这是进行城市扩展对比分析的前提。4.1建成区扩展幅度和扩展速度

土地利用数量的变化主要表现在幅度和速度两个方［1］

面，苏、锡、常三市建成区面积统计及年均扩展幅度和年均扩展速度见表1。4.2建成区相对变化率

［1］

土地利用相对变化率的计算公式为:

(Ub－Ua)/Ua

R=(2)

(Cb－Ca)Ca

式中Ua、Ub表1建成区面积统计及年均

扩展幅度、速度分别为某区域某一

1995年2001年年均扩展年均扩展特定土地利用类型

(km2)(km2)幅度(km2)速度(%)研究期初及研究期

8.669.31末的面积，Ca、Cb苏州市73.55125.49

分别代表整个研究无锡市84.62120.846.046.12区某一特定土地利

90.404.456.01常州市63.69

用类型研究期初及研究期末的面积。

若│R│＞1，表示该区域土地利用变化大于整体水平，若│R│＜1，则反之。

1995-2001年间，苏、锡、常三市建成区相对变化率依

次为1.36、0.83、0.81，苏州市建成区相对变化率显著高于后两者，远远大于三者整体水平。4.3建成区扩展的空间分析

:“圈层式”、建成区用地空间扩展主要有三种类型

［12］

“辐射式”、“跳跃式”，1995-2001年间三座城市的发展主要以后两种形式为主。结合图1具体来说，苏州市的“辐射式”发展呈现明显的西向性，新建成区主要集中在虎丘区和吴中区，其中吴中区的“跳跃式”扩展尤为显著;无锡市朝各个方向都有不同程度的“辐射式”扩展，东南方向新区的大面积扩容是为了集约用地而产业集聚的结果;常州市的城市扩展以南、北两端的武进和新北区为主。

“九五”期间，苏、锡、常三市开始进入快速发展阶段，城镇化水平提高，工矿企业增多，交通基础设施不断完善，城市化扩展呈现高速度、多层次，开发区建设成为城市建设的核心，同时也成为城市发展的新增长点。但建成区的快速扩张，居民地、工业用地的急剧膨胀，同样带来了耕地锐减、建成区无序蔓延等问题，在三大城市集聚与扩散的关键时期，相关规划部门应该实时掌握建成区扩展动态，通过科学合理的城市规划减少土地资源浪费，改善建成区边缘空间环境，解决建成区高速蔓延带来的种种社会和生态问题。

5结束语

图21995年、2001年苏、锡、常建成区提取结果

运用现代遥感技术对覆盖苏、锡、常三市的两期Landsat卫星影像进行建成区的提取与最终划分，并以此对三座城市六年间建成区的拓展作了简单统计与对比分析，具体来说:

①以建成区定义的基本概念为基础，制定了适于遥感方法提取的建成区界定方法;②在充分分析典型地物光谱特征后，将TM3、TM2两个波段移植于归一化建筑指数法，并与归一化建筑指数结合提取出城镇和道路信息，此法可操作性强、客观公正，是用不同时相遥感影像进行建成区对比分析的前提条件，同时也是对运用NDBI提取城市建成区方法理论的进一步完善;③通过对两个时相建成区进行叠加对比，可以清晰看出苏、锡、常三市六年间城市的发展动态，其中苏州市的建成区扩展势头相对较猛，城市化速度相对更快。

研究中存在几个亟待探讨的问题:

①对于被建成区包围的非建设用地，如面积较小的自

第2期张雪峰等苏、锡、常建成区遥感方法提取及城市扩展分析

［3］

115

然风景保护区、集中水面、林地等，由于兼具景观功能，

可考虑通过适当的标准归并入建成区;②研究中未考虑1995年之后行政区划的变更情况(锡山市于2000年12月划归无锡市，吴县市于2001年2月划归苏州市，武进市于2002年4月划归常州市)，而是完全从遥感方法提取的结果和制定的建成区界定方法划分建成区范围;③为缓解用地紧张，城市建筑物高度逐年攀升，城市空间形态不仅表现在用地面积的变化上，同时体现在厚度上。基于三维空间对建成区大小进行定量测定显得更为科学可信，对于例如苏、锡、常三市开发区、老城区等低密度建成区可在高度维上赋予较低的权重。

为了满足新时期经济增长和人口膨胀的需要，我国城市化进程加速，建成区的跳跃式扩张愈发普遍，借用遥感监测建成区扩展动态的优势也将愈发显著。如何更高效地利用遥感影像提取建成区信息，如何更合理地制定建成区界定的统一标准，如何更科学地规划城市发展，是国人长期探索和研究的方向。

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Built-upareaextractionbyRSandurbanexpansionanalysisofSuzhou，WuxiandChangzhou

Abstract:Anewmethodandtechnicalflowtoextracturbanbuilt-upareawithremotesensingtechnologyweredetailedbasedon

twodifferentperiodsofLandsatremotesensingimageswhichcoverthreecitiesofSuzhou，WuxiandChangzhou．ThetwobandsofTM3andTM2weretransplantedintoNormalizedDifferenceBuilt-upIndex(NDBI)，andcombinedwithNDBI，toextracturbanconstruc-tionland．Thescopeofthethreecities’built-upareawasgainedwiththemethodofbuilt-upareadefinitionwhichissuitableforremotesensingdivision．Thesimplestatisticalmethodandoverlayanalysiswereutilizedtoanalyzeanddescribetheprocessofurbanexpansion

WuxiandChangzhou．Theresearchmethodcouldgainthespecificscopeofurbanbuilt-upareaefficiently，andmoni-spaceofSuzhou，

torthedynamicsofdifferentcities’expansionreal-timely．Itwouldprovideareferenceforthemechanismstudyoftheurbanizationprocess．

Keywords:built-uparea;extraction;RS;NDBI;expansion;Su-Xi-Chang

①②①②①②③

ZHANGXue-feng，YANGYan-li，HEZheng-wei，WANGRui①，ZHANGDong-hui②(①CollegeofEarthScience，

ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China;②StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China;③BeijingMunicipalKeyLaboratoryforResourceEnviron-mentandGeographicInformationSystem，CapitalNormalUniversity，Beijing100037，China)

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿(上接第120页)［2］XuZhou，YuRen，XuezengPan.WatermarkEmbed-dedinPolygonalLineforCopyrightProtectionofContour

Map［J］.InternationalJournalofComputerScienceandNetworkSecurity，2006，6(7B).

［3］GerritSchulz，VoigtM.AHighCapacityWatermarking

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王忠军，等.一种鲁棒的矢量地图数字水印算法［J］.测绘科学，2008，33(4).

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［5］

Asolutionresearchonmultiplewatermarkembedding

Abstract:Thevectormapdataiseasytoduplicateanddistribute，itsproductioncostandthesafetyrequirementsarehigh，soprotectingthevectormapdatawithdigitalwatermarktechnologybecomesanewimportantresearchdirection．Thisarticlestudiedtheproblemofmultiplewatermarkembeddingofthevectormapdata，proposedamultiplewatermarkembeddingsolutionthroughthegener-ationofadditionalinformationwhenwatermarkembedding，andcarriedoutanexperimentthroughanti-Douglasalgorithm，andfinallyachievedgoodresults.

Keywords:vectormapdata;multiplewatermark;embedding;solutionLIQiang①②，MINLian-quan①，HEHong-zhi②，YANGYong-qiang②(①InstituteofSurveyingandMapping，InformationEngi-neeringUniversity，Zhengzhou450052，China;②Troops69027，Urumchi830006，China)