基于TM影像的北京城市扩展研究

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1、基金项目基金项目：北京地区三维绿量测定及其数字模型与虚拟现实表达（09D0297） 第一作者第一作者：李雪瑞，硕士生。 主要研究方向： 3S 技术应用。 电话：010-62348904，13810413871 Email: 地址：100083 北京林业大学 111 信箱。 通讯作者通讯作者：王秀兰， 副教授，硕士生导师。主要研究方向：资源环境监测评价，土地利用/土地覆盖变化研究。 电话：010- 62337963 Email: 地址：100083 北京林业大学 111 信箱。基于TM影像的北京城市扩展研究李雪瑞，王秀兰，冯仲科 （北京林业大学测绘与3S技术中心 北京林业大学111信箱 10

2、0083）摘要：摘要：准确判别城市扩展规律，剖析演化过程，对于预测城市未来演化趋势，制定合理的调控政策具有重要的意义。遥感对地观测技术可以提供丰富的城市扩展变化数据，成为城市扩展监测的主要手段。本文以1988、1996、2004年TM遥感影像为依据，应用遥感、地理信息系统技术与信息熵原理提取了北京市城市实体边界，分析了北京市1988-2004年间城市扩展的面积、方向、扩展类型以及城市扩展的导向规律。研究结果表明，北京市近20年一直处于城市扩展的快速发展阶段，并受地形、环境、卫星城、交通干线及政府等方面导向的影响。关键字：关键字：城市实体;城市扩展;遥感;信息熵;北京1 引 言 城市化，或称城镇

3、化(Urbanization)，指的是人口向城市集中的过程，这一过程包含 了社会、人口、空间和经济转换等多方面的内容。城市化是社会经济发展的必然结果，也 是社会经济发展的有机组成部分和有力的推动器。城市化除了表现在城市人口增长，城市 非农业人口比重增加以外,城市空间区域的扩展也是一个重要的衡量指标1。城市土地作为 人类活动最频繁的区域，其不断演化的动态特征深刻反映了城市化进程及城市空间结构的 变化规律及矛盾2。目前，城市用地的空间扩展日益成为土地利用变化的主要特征及衡量 城市化水平的重要测度指标3。因此，准确判别城市扩展规律，剖析演化过程，对于预测 城市未来演化趋势，制定合理的调控政策具有重要

4、的意义。 研究城市扩展，必然要涉及到关于城乡结合部地域范围确定及城乡结合部范围变化的 研究。城镇边界的准确提取是进行扩展研究的前提4。迄今为止，国内对城市土地利用格 局变换研究中涉及到的“城乡结合部”尚未形成很完整的理论体系57，因而对城乡结合 部地域范围进行量化难度较大。由于城乡结合部反映出城市与乡村的双重特点，随着城乡 交互作用日益激烈，城乡结合部的地域范围也处于不断变动中，依靠原始统计方法已经难 以收集到适时、准确的城乡结合部信息和数据，因而也无法准确地表达城市土地利用格局 的变化89。遥感技术动态、快速、适时获取数据的特点，使得遥感技术在城市土地利用 格局变化研究中将发挥积极的作用；信

5、息熵模型为城乡结合部范围的界定提供了理论依据； 而地理信息系统强大的空间分析功能也为城市土地利用格局变换研究提供了技术保障。 因此，本文选择城市扩展规模较大的首都北京作为研究对象，利用遥感技术作为信息 获取的手段，利用地理信息系统技术作为信息处理的手段，同时引入表征景观混乱度的信 息熵模型模型作为理论依据，研究1988-2004年北京市城市扩展规模最快的近20年的土地利 用格局的时空变化，确定各个时期北京市城乡结合部的范围，进一步研究北京市城市扩展 的导向规律。 2 数据源及数据处理 本研究所采用的数据源包括北京市1988年、1996年和2004年的TM影像，1：5万北京市 地形图，北京市行政

6、区划图以及相关统计资料。本研究对遥感图像的处理包括遥感影像的 预处理、遥感影像分类和裁剪等方面。 2.1 TM 遥感影像预处理 对遥感数据的预处理包括地形图的配准、遥感影像纠正、遥感影像增强处理等工作10。本研究所使用的 TM 影像均已经过辐射校正和几何粗校正，所以只需进行以地面控制点为依 据的几何精校正。分别以 1：5 万北京市地形图为参考底图，利用 ERDAS IMAGINE 9.0 软件 对图像进行校正。校正时采用二次多项式变换模型、键盘输入控制点坐标模式，均匀选取 50 个控制点（GCP）,控制点配准精度小于 0.4 个象元，利用最小邻近值算法对影像进行重 采样。因为本研究主要进行土地

7、利用类型的提取，所以采用经典的 5、4、3 波段进行假彩 色合成，以利于目视解译。利于 ERDAS IMAGINE 9.0 系统模块对遥感影像进行增强处理， 经试验比较选取线性拉伸的方法。经过预处理后的遥感影像如图 1 所示。图 1 2004 年北京市遥感影像图Fig. 1 Imagine of Beijing in 2004 2.2 TM 遥感影像分类 遥感图像解译分为两种：一种是目视解译，是指专业人员通过直接观察或借助判读仪 器在遥感影像上获取特定目标地物信息的过程；另一种是遥感影像的计算机解译，其基本 工作是遥感影像的计算机自动分类11。为保证数据的准确性和有效性，本研究采用目视解 译为

8、主、计算机自动解译为辅的方法进行遥感影像的解译工作。 本研究采用的土地利用分类系统，参照国家土地利用分类方法结合本次研究的实际要 求，将土地利用类型归结为6个一级分类，即耕地、林地、草地、建设用地、水域及未利用 地12，并对6类进行编码。 2.3 TM 遥感影像的裁剪 根据分类结果图和北京地区的实际城乡分布结构分别初步确定出 3 个年份的包含城乡 结合部的部分（务必确保城乡结合部处在该区域范围内） 。应用 ERDAS Imagine 图像处理 软件的裁剪功能分别对分类结果图按照坐标进行裁剪。为了研究问题的需要，将裁剪后的 区域按坐标进一步进行裁剪，从而得到大小为 2km*2km 栅格影像，并分

9、别按行列号进行编 号存储。 3 研究方法 土地利用状况综合反映了一个地区的城市和乡村景观，故可以将其作为界定城乡结合 部范围的主要依据13。由于城乡结合部最大的特点就是因土地利用类型的多样性而导致的 景观的紊乱度的不同，因此，本文将从土地利用类型多样性方面，引入表征景观混乱度的 信息熵模型，探讨北京城乡结合部范围界定的方法，进一步界定城市实体边界。 3.1 表征景观混乱度的信息熵模型 由于城市边缘带最大的特点就是因土地利用类型的多样性而导致的景观的紊乱度。景 观紊乱度的计量，可借助 C .E.香思提出的信息熵原理来完成14，其表达式为： （公式 1）1lnnii iHpp 式中：为信息熵,单位

10、为比特,其大小反映地物类型的多少和各地物类型面积分布H的均匀程度，PI为某区域各职能土地类型占总用地面积的百分比，i为城市土地利用类型数 量，i=1，2，3，n。 信息熵的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高，表明不同职能的土地利 用类型数越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡。当城市各用地类型的面积 相等，即P1=P2=Pn=1/n(n为用地类型数量)，熵值达到最大，则表明城市土地利用达到了 均衡状态。 3.2 城市实体边界 城市实体边界的准确提取是进行城市扩展研究的前提。城市边界，通常是指城市的行 政界限；在这里，为了表达分类结果，引入城市实体边界这一概念。对城市实体15，

11、我们 做如下界定：具有城市(聚落)景观特点的空间上连续分布的地域实体。具体地说：城市实 体包括城市建成区及与城市建成区相连的城市边缘带(即城乡结合部)。城市内部的水体及 城市绿地，也是城市实体的组成部分。因此，城市实体的外边缘，就是城市实体的边界。 3.3 城市实体边界的提取 本研究应用信息熵理论界定北京城市边缘带范围即即城市实体的边界的具体方法和步 骤为： （1）确定各职能土地类型在每个判别单元 (2KM*2KM) 内所占面积比重； （2）根据信息熵函数，计算每个判别单元的熵值； （3）参照北京遥感图像解译结果，同时结合外业调查数据，确定符合城乡结合部范围 的信息熵的阈值，本文选取信息熵值大

12、于 0.65 的判别单元为城乡结合部的范围，最终得到 城市实体边界。 本研究利用 ARCGIS 软件的屏幕数字化功能建立面状矢量图层，将通过信息熵原理提取 的城市建城区和城乡结合部进行数字化，勾画出城市边界，最终得到 1988 年、1996 年和 2004 年的城市专题信息。 3.4 空间叠加分析 空间分析是研究城镇土地利用变化的重要方面，叠加分析是其中的一个重要手段，包 括栅格数据矢量数据的叠加分析、栅格数据栅格数据的叠加分析等。叠加分析应 用于城市扩展研究中可以定性、定量地分析城市扩展情况。 本研究主要利用GIS软件将各种数据源融合在一起，通过对遥感数据源矢量化后的矢量 数据的叠加处理和统

13、计分析，实现空间数据和属性数据的互相查询功能16，利用定时更新 的遥感数据的对比，获得北京市1988-2004年近20年城市扩展的走势，以对其进行动态监测 （图2）。1988年 1996年2004年 1988-2004年图2 北京市1988、1996、2004年三个时相的城市扩展图Fig.2Fig.2 ThreeThree temporaltemporal fromfrom 1988,1988, 19961996 andand 20042004 urbanurban expansionexpansion mapmap inin BeijingBeijing citycity 研究结果显示：城市

14、扩展区域主要处在海淀区西北部、昌平区中南部、顺义区中西部、 通州区西北部和中部、大兴区北部、房山区东北部、丰台区西部、石景山区西部及门头沟 区东部一小部分。 4 城市扩展的空间变化分析 4.1 城市实体扩展的面积及速率 利用三个时相的遥感图像对城市实体的面积进行统计，结果见表1。从中可以看出，城 市实体的面积在16年中扩大了2950.54km2。表1 各年份城市面积及扩展百分比(面积单位：km2)TABLETABLE 1 1 UrbanUrban areaarea andand extendedextended percentagepercentage inin eacheach yearye

15、ar (area(area unit:unit: kmkm2 2) )项目1988年1996年2004年城市实体面积1634.722925.484585.26比上一基准年扩展面积1290.761659.78比上一基准年扩展百分比78.96%56.74%4.2 城市实体扩展的形状系数分析 城市实体的扩展取决于不断增长的城市体量与有限实体间的矛盾，但受离心力、向心力、地形阻力等多方面的综合作用，必然形成各种形状13。对于多边形边界的描述，最常 用的指标包括多边形长、短轴之比，周长面积比，面积长度比等。其中绝大多数指标是基 于面积和周长的。通常认为圆形地物既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数r为：（公式 2）A2Pr其中P为地物周长，A为面积。如果r1为膨胀型。 1988、1996、2004年城市实体的形状系数如表2所示。表2 各年份城市实体形状系数TABLETABLE 2 2 ShapeShape factorfactor ofof urbanurban entityentity inin eacheach yearyear 年份面积（km2）周长（km）形状系数1988年1634.72425.742.97 1996年2925.48462.932.41 2004年4585.26411.941.72通过对城市实体扩展面积及其形状指数的分析，可以得