利用遥感影像进行城市建成区扩张的调查以南京为例

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1、2013届毕业设计(论文) 学生姓名： 徐国强 学 号： 1802090122 所在学院： 测绘学院 专 业： 测绘工程 论文题目： 利用遥感影像进行城市建成区扩张的调查 指导教师： 马文波 摘要利用遥感影像进行城市建成区扩张的调查摘 要城市空间扩张明确地反映了城市化过程，在宏观上它是城市用地规模的扩大、城市外部轮廓的扩展，微观上则是不同类型、不同性质的城市非建设用地向城市建设用地的转化。那么如何科学的解释并直观的呈现这种过程和变化，定性且定量的表述这一过程，则是目前的研究所要处理的内容。本文首先对相关课题国内外研究的的现状进行简单阐述，并介绍相关概念、数据源情况、研究区域概述和本文主要技术方

2、法；第二是用相关软件处理南京五个时相的遥感影像图，提取南京城市建成区边界；第三利用得到的建成区边界图和数据资料进行分析南京城市扩张的特征和驱动机制。关键词：遥感 城市建成区 城市扩张The use of remote sensing images for urban built-up area expansion surveyABSTRACTUrban space expansion clearly reflected in the process of urbanization , which is at the macro expansion of urban land , urban e

3、xpansion outside contour, micro is the different types and nature of urban construction land converted to urban construction land .So how scientific explanation and visual rendering of such processes and changes in the qualitative and quantitative representation of this process, it is the current co

4、ntent to be processed institute. Firstly, domestic and international research on related topics briefly discusses the current situation ,and introduces the concepts, data sources, case studies and regional overview paper mainly technical methods; second is related software Nanjing five phase of remo

5、te sensing image ,Nanjing urban built-up area boundary extraction;Third Utilization of the built-up area boundary map and the data is analyzed the characteristics of Nanjing urban sprawl and drive mechanism.Key Words: Remote sensing ; Images urban ; Built-up areas of urban sprawlIII目录目 录摘 要IABSTRACT

6、II第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究的目的和意义11.3 国内外研究现状21.3.1 基于遥感影像的城市空间扩张研究21.3.2 基于遥感影像的城市建成区边界提取方法21.4 研究内容和结构安排3第二章 实验区及研究方法42.1 相关概念42.1.1 城市建成区的概念42.1.2 建成区在遥感影像中的特征52.2 数据源情况62.3 实验区概述62.4 总体技术方法92.5 关键技术102.6 本章小结10第三章 遥感影像数据处理113.1 选用软件113.2 遥感影像几何校正113.3 遥感图像的裁剪133.4 影像波段组合143.5 图像增强143.6 影像分类163.7 建成

7、区边界提取163.8 本章小结18第四章 南京城市建成区空间扩张特征194.1 城市空间扩张强度分析194.2 城市空间扩张规模分析214.3 城市空间扩张合理性分析214.4 本章小结22第五章 城市空间扩张驱动机制235.1 自然地理环境的基础作用235.2 经济社会条件的主导作用235.3 交通建设的指向作用245.4 政策与规划的调控作用25第六章 结论与展望276.1 内容总结276.2 需要进一步研究的问题27参考文献28致 谢30南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 研究背景 近年来，伴随着经济全球化和市场经济化，我国加快了城市化进程。中国城市出现了历史上少有的大

8、发展时期。当前，中国城市化进程已经进入全新的阶段，中国经济社会也进入转型期，快速城市化已经成为其重要特征之一。城市扩张特征之一是城市面积的变化，尤其是城市土地利用性质的变化。城市空间扩展的主要特征之一就是城市用地的向外延伸以及非建设用地向建设用地的转化，这将直接导致城市内部的人口、就业岗位和服务业由城市中心向外围迁移。城市内部空间结构重组则有更为复杂的表征，包括城市密度空间的变化、城市内部功能空间的频繁演替与不断外溢以及新产业空间的边缘化布局等。土地资源作是人类赖以生存和发展的基础，为人类进行生产和其它活动提供场所，是经济发展不可替代的基本生产要素，越来越引起人们的高度重视。在我国，由于地域分

9、布的限制和人口分布的不合理，使得土地使用和人口分布之间的矛盾非常突出。一方面，从中国的国情来看， 中国作为一个人口大国，耕地总面积少且人均占地和土地利用率低，要用占世界总量7%的耕地养活占世界19%的人口的吃住问题，这是这是切实存在且非常严峻的问题；此外，中国的土地资源分布和人口分布状况与经济发展水平极不协调。大量的人口集中在经济相对发达的东南沿海地区，这对土地的需求量极大；另一方面，土地的需求量会随着人口的增长和经济发展不断增加，在中国的许多城市，特别在经济发达的沿海城市，逐渐出现城市规模盲目扩大，大量占用耕地等阻碍城市化发展进程的现象，使城市的发展与农业的稳定，经济的繁荣与生态的平衡之间的

10、矛盾日益激化。因此，如何增加城市土地供给与减少耕地占用，以及实现建设用地的集约型利用，从而转变城市空间扩展策略，已经成为当前我国人口基数宏大、城市化进程加快背景下的重大课题，也决定了城市空间扩展研究的紧迫性、重要性。1.2 研究的目的和意义 从现实意义上讲，城市作为人类文明的中心，在创造巨大财富的同时，也在不断破坏生态环境的平衡，建设用地和农用地在满足人类生活需求的同时，它们的供需矛盾正在不断激化，怎样合理的利用每一寸土地，提高土地利用效益，迫切需要对整个系统局面和影响机制做到全面合理的掌控，避免规划工作陷入主观和随意，使城市化的进程可以合理有序地进行，将负面影响降到最低点，特别是对于我国这样

11、一个人均土地资源稀缺的国家，这一点尤为重要。1.3 国内外研究现状1.3.1 基于遥感影像的城市空间扩张研究 城市地域空间扩展是衡量城市化水平的主要指标。随着航天技术的发展，传感器的时空分辩率和光谱分辩率不断提高，卫星遥感影像逐渐成为城市扩展研究的主要来源。国外的许多学者在这一领域开展了研究。J.G.Masek等(在对华盛顿地区进行城市扩展动态监测时，利用1973、1985、1990、1996年的MSS影像和TM影像，采用NDVI差值法，利用空间纹理信息设定一定的限制条件剔除了农业用地变化信息，准确提取出19731996年城市扩展的区域。 国内对城市扩展的研究起步晚，但发展很快，迄今已有很多学

12、者对国内许多城市进行过研究。卢晓峰（2008）以1988年和2001年的TM/ETM+遥感影像作为主要数据源，将RS与GIS技术相结合，对郑州市城市扩展进行了分析。但是，城市是一个复合体，具有很多不确定性，每个城市都有其特点，针对一个城市的研究结论很难适合于另一城市。另外，建成区的准确提取仍是一个世界性技术难题，需要进一步的研究与探索。1.3.2 基于遥感影像的城市建成区边界提取方法目前研究城市建成区边界提取方法主要有：目视解译方法、非监督分类、监督分类法、人工神经网络分类法、归一化建筑指数(NDBI)法、三指数合成法、主成分分析法、基于光谱知识的信息提取模型法；其中两种方法：（1）目视解译方

13、法具体解译过程包括：获取影像，分辨和检测影像信息，确定影像上物体的属性或特征，对影像进行识别，描述影像上的各种关系，根据影像上的属性、类别和关系作系统的解释。这种方法由于加入了人的知识，判读精度较高，但工作较繁琐，效率低下，同时需要解译人员有较高的遥感解译知识与经验。（2）非监督分类非监督分类的前提是假定遥感影像上同类物体在同样条件下具有相同的光谱特征信息。非监督分类方法不必对影像地物获取先验知识，仅靠影像上不同类地物光谱信息（或纹理信息）进行特征提取，再通过统计特征的差别来达到分类目的，最后对已分出的各个类别的实际属性进行确认。1.4 研究内容和结构安排本文主要包括两个方面的内容：（1）对城

14、市建成区的遥感影像进行边界提取。利用多时相的遥感影像，从建成区在遥感影像的特征出发，进行城市建成区的边界提取。（2） 完成城市建成区的扩张调查。在利用遥感影像得到建成区范围后，计算面积，借助统计资料就可以研究城市扩展的特征以及驱动力机制。文章结构：第一章 绪论 介绍研究背景，进而提出研究目的和意义，总结国内外基于遥感影像的城市扩张的研究现状，最后介绍本文的主要内容和组织结构。第二章 实验区及研究方法 介绍相关概念，数据源情况，实验区的概况。第三章 遥感影像处理 介绍本文处理遥感影像的数据处理的方法以及成果。第四章 南京城市建成区空间扩张特征调查 对南京市历史时段(19852007年)的空间扩展

15、状况展幵综合分析，进而揭示南京城市空间扩张的时空演化规律。第五章 南京城市建成区扩张驱动机制 利用相关数据资料研究城市扩张驱动机制。第二章 实验区概况及研究方法2.1 相关概念2.1.1 城市建成区的概念中国城市统计年鉴中，城市建成区是指市政区范围内经过征用的土地并实际建设发展起来的非农业的生产建设地段，包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系、具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地（如机场、污水处理厂、通讯电台）。中国的城市建成区一般不包括市区内面积较大的农田和不适宜建设的地段。从城市建成区定义可以看出，在如何准确界定建成区边界方面可操作性并不强，因此，目前我国各城市在建成

16、区的界定方法上存在较大差异，如南京市建成区界定考虑与城市的自然地形(河流、湖岸、丘陵、山地等)和基层行政界线保持一致；郑州市主要按照城市外围主要道路的边界来界定；上海市认为以居委会、街道(乡、镇)为最小单元，建设用地在居委会所占比例大于50%的应整体纳入建成区范围，否则将整体排除，从而给城市统计部门数据统计带来困难，得到的结果缺乏可比性。 国外对城市地域的划分侧重于根据人口密度、房地产密度等反映城市聚集度的指标和人口构成等反映城市化程度的指标进行判定，缺乏与我国建成区一致的统计概念与界定方法。例如，英国利用卫星影像资料按照房地产密度分布情况划定城市集聚区，美国采用以人口密度为主要指标界定城市化

17、地区，日本以人口密度为主要指标界定城市建成区，称为“人口集中区”。他们的这些概念与方法随着城市化进程逐渐完善，在界定城市范围时具有很强的操作性。根据中国城市建成区的定义，建成区一般具有以下特点：（1）具有提供生活生产服务的功能，满足城市发展建设的要求，并由城市管理机构给予统一整体的管理。（2）是城市市政公用设施和公共设施完备的区域，外在表现形式具备城市空间形态的特性，呈现出已开发建设所形成的城市面貌和特色。（3）城市建成区的发展一般是由内向外延续性地扩张（4）建成区是一个动态的、不断扩张变化的区域。2.1.2 建成区在遥感影像中的特征城市是一类复杂的组合目标，不同城市的组合方式也不一样，因此，

18、精确地描述城市建成区是不现实的。但从高分辨率遥感影像上观察，绝大多数城市建成区具有相同的特征：（1）建成区是一类面积较大的组合型目标群体；（2）内部由建筑物、街道、广场、植被、水域等组成；（3）建筑物的数量多，一般以群的形式出现，并且彼此之间离的很近，在小范围内排列一般较为整齐，建筑物屋顶的样式多种多样，其灰度值一般比背景高；（4）街道纵横交错，有主次之分，将城区分隔成若干个街区；（5）周围一般是田野、山地以及分布稀疏的居民区，城市通过公路或铁路与外界连接。从遥感影像波谱特性的角度分析，城市建成区在遥感影像中有下面的特征：（1）城市建成区内的建筑物、街道、广场一般为水泥表面，即“不透水面”在遥

19、感影像中的光谱特性相同。（2）城市区域的影像灰度变化一般比较剧烈，而周围区域的影像灰度变化比较平缓。一般城市区域内部相邻像素之间的灰度变化显著。而城市的周围一般是田野、空地和稀疏的房屋，它们在遥感影像上的灰度分布比较平稳。当然，在城市内部也存在少量的空地、植被、水域等，它们的灰度分布也是比较平稳的。（3）建筑物在遥感影像中只有几个像素，它们的边缘大多形成短直线。考虑到城市居民地内建筑物分布一般比较整齐，走向基本一致，而建筑物的相邻轮廓线之间常常是垂直的，因此，组成建筑物的短直线在局部范围内一般有两个方向，而且这两个方向相差90。在利用遥感影像提取城市建成区边界时，应充分考虑这些特性。同时，根据

20、建成区的定义，还应遵循以下原则：保持城市空间上的连续性，将城市内部较小的非城市用地的地块以及城市内部的水体都划到城市实体内，较大的其它地块（如林地）则予以排除。2.2 数据源情况 遥感影像数据包括：成像时间为1985年的L45MSS多光谱遥感影像；成像时间为1989年的LANDSAT5遥感卫星影像，空间分辨率为30m；成像时间为1999、2003年的LANDSAT7多光谱卫星影像，包含15m分辨率的全色波段和30m分辨率的多光谱数据；成像时间为2007年的LANDSAT5卫星影像，空间分辨率为30m。辅助资料包括：南京市域城镇体系规划、都市区中心体系规划图、南京市土地规划图、都市区空间布局结构

21、图、南京市中心城市行政区域图、南京都市区发展规划；南京市年鉴统计资料。2.3 实验区概述（1）自然条件 南京简称宁，地处长江下游，北纬31143237，东经1182211914之间，西靠安徽省，南丘陵，南部太湖水网密集，北部江淮平原平坦开阔；长江穿越市域，距中国第一大城市上海距离较近。南京地貌特征属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主，低山占土地总面积的3.5%，丘陵占4.3%，岗地占53%，原、桂地及河流湖泊占土地总面积的39.2%。低山、丘陵、岗地、平原、桂地及河流湖泊等地貌类型多样，决定了全市土地利用方式的多样性、多宜性。全市森林覆盖率达24.9%。全市湖泊棋布，河流网织，水域面积达11%以上

22、。图2-1显示了南京市的地理位置分布图。图2-1南京市地理位置分布图南京作为江苏省省会，城市规划区跨长江两岸，现辖玄武、白下、建鄄、鼓楼、秦淮、下关、雨花台、栖霞、江宁、六合、浦口11个区和漂水、高淳2个县。辖区总面积6587.02平方公里，市区面积4733.13平方公里。全市户籍总人口636.36万人，其中市区人口480.35万人。由于自然条件的限制，南京城市空间扩展表现出自身固有的特征。表2-2的各项指标显示了南京城市的发展规模。表2-2 2011年南京市的经济指标南京市市区市区所占比例总人口（万人）636.36510.5580.23行政区域土地面积（Km）6587.024377.1266

23、.45地区生产总值（亿元）6145.525538.9390.12工业生产总值（亿元）2390.512093.9287.59第三产业生产总值（亿元）3220.413026.5893.98注：表中第四列数据由市区数据/南京市数据得到。资料来源:表中数据均来自2011年南京市统计年鉴（2） 社会经济条件 在民国时期，南京作为国民政府的首都，其城市建设、经济发展状况是相对较好的，这兴建过一批有一定影响的企业。到了新中国成立以后，南京失去都城地位，其城市建设、经济发展相对缓慢，发展势头受阻，但其重化工业规模仍居江苏省首位。正是由于南京经济以国营企业为主。模式单一，经济增值受阻。1988年3月国务院批准南

24、京为沿海经济开放区，南京对外开放的海、陆、空港口岸设施曰臻完善，经济发展突飞猛进。从南京被批准作为沿海经济开放区至今，市地区生产总值达6145.52亿元，居江苏省第三位，人均地区生产总值为65273元，位居全省第四位。同时，随着区域经济的不断发展，南京市产业结构不断优化，涌现出许多国内外驰名的知名企业，主要有苏宁环球、苏宁电器、雨润、熊猫电子、扬子石化、太平洋建设、五星电器、金陵石化、跃进汽车、江南光电、宏图三胞等。2010年，江宁开发区升级为国家级经济技术开发区。实际利用外资超过28亿美元，外贸出口总额248.85亿美元，全市经济发展的后劲和优势日益增强。（3） 城市空间发展状况改革开放以来

25、，南京城市用地发展速度不断上升，特别是1988年全国房地产热的兴起，以及国家允许土地使用权有偿转让的政策颁布以后，南京城市建设得到进一步发展，到1997年主城面积己由建国初期的32Km激增至167Km。19952002年南京市进行了行政区划调整，其中1995、1998、2000是行政地域的调整，原有的10区5县布局并未改变，只是各个区和县域原有的土地面积有所变更。2000年以前南京市区面积占南京市土地总面积不到20%，2003年经过行政区划调整以后南京市区面积达到了南京市土地总面积的70%之多，此时，南京城市空间发展处于极度扩张期。2002年南京确定了“一城三区”的发展战略，秉持特大城市应按照

26、“多中心、开敞式、组团发展”的规划理念，防止城市无序蔓延，推崇城市土地的集约化利用，从而形成功能混合的一体化独立单元。但在实际的空间扩展过程中仍然出现了一系列需要及时解决的问题，如城市“摊大饼”式蔓延依然存在，空间拓展过分注重速度；二是就业与居住相互分离，新区产业发展相对滞后，等等。2011年南京市对以前的规划做出调整，南京“一城三区”将变“一主城三副城八新城”；为了保持规划的延续性，东山、仙林、江北将继续保持其新区的地位，只不过不叫以前的“新市区”，而是叫做“副城”。此外，还有龙潭、乔林、板桥、滨江、汤山、禄口、永阳、淳溪八个新城，“一主城三副城八新城”合称为“都市区”，这显然要比以前的南京

27、城大大地扩容了。图2-3显示了南京都市区的空间布局结构图图2-3 南京都市区空间布局结构2.4 总体技术方法背景研究相关研究综述研究背景意义 理论基础城市空间扩展一般过程城市空间扩张研究框架地形图、行政区划图遥感影像土地现状图、城市规划图数据准备相关文献统计资料边界提取遥感影像处理实证研究南京城市空间扩张特征南京城市空间扩张动力机制交通建设政策驱动图数量特征规模特征自然地理环境社会经济因素结论与展望2.5 关键技术 本文主要关键技术有Landsat遥感影像处理，城市建成区边界提取并计算面积，利用相关数据和模型进行建成区扩张数量、规模、合理性分析，结合自然地理环境、社会经济条件、交通建设、政策与

28、规划的作用研究城市空间驱动力机制。2.6 本章小结文章依据城市建成区的概念、城市建成区在遥感影像中的特征，结合南京相关遥感数据和资料提出了本文的研究路线，认为从数量、规模、合理性三个方面对19852007年南京城市建成区进行分析，完成对南京城市扩张规模的调查。第三章 遥感影像数据处理3.1 选用软件 遥感影像处理以软件ERDAS IMAGINE 9.2为主，Photoshop CS4.0、美图秀秀、相关截图软件为辅；矢量图件处理使用 ArcGIS9.3 软件。3.2 遥感影像几何校正 本文使用的L45MSS、LANDSAT5、LANDSAT7卫星影像分辨率不同、成像日期不同，因此需要对其进行几

29、何校正和配准，以便使同一区域的影像能够叠加到一起，并与行政图进行裁切。南京属于岗地和平原的复合地区地区，地势并不平坦，由地形起伏造成的图像几何畸变较大，因此采用多项式校正的方法进行几何校正。 以2007年的LANDSAT5影像和2005年的LANDSAT7影像的校正过程为例，介绍在ERDAS IMAGINE 9.2软件中影像校正过程。(1)显示文件：打开2007年的LANDSAT5影像和2005年的LANDSAT7影像，分别设为窗口Viewer#3，窗口Viewer#2。(2)启动几何校正模块：在Viewer#3菜单条，单击RsterGeometric Correction命令，打开Set G

30、eometric对话框选择多项式几何校正计算模型为Polynomial点击OK按钮同时打开Geo Correction Tools对话框和Polynomal Model Properties窗口，在Polynomial Model Properties 窗口中，定义多项式模型参数及投影参数定义多项式次方为2定义投影参数单击Close按钮关闭打开GCP Tool Reference Setup对话框(3)启动控制点工具：选择Existing Viewer单选按钮单击OK打开Viewer Selection Instructions指示器单击参考图像Viewer#2打开Reference Map

31、Information提示框单击OK进入控制点采集状态（如图3-1）图3-1 影像控制点分布示意图(4) 添加控制点：将两个窗口的影像十字线焦点对准到自己认为是同一地物的地方单击添加控制点，点击Show list显示GCP列表，如图3-2所示：图3-2 匹配控制点GCP列表 影像几何校正中，选取控制点的目的在于建立两种影像的对应关系。在选取控制点时应选取基准图与待校正影像上易分辨且较精细的特征点，如道路、河流的交汇点、拐弯点、湖泊边缘、典型建筑物边缘等。影像边缘部分一定要选取控制点，以避免外推。此外，应使采集的控制点均匀分布于整个遥感影像上，以保证几何校正的精度。（5） 使用同样的方法，将遥感

32、影像图与南京市行政区域图进行校正，以便使用行政图将南京区域在遥感影像的区域裁剪出来（图3-3）图3-3 遥感影像图与南京市行政区域图进行校正（6） 同样将1985、1989、1999、2003、2007年的遥感影像校正保存3.3 遥感图像的裁剪 为了各个时期遥感影像的用地信息具有可比性，需要裁剪影像。裁剪的目的是将研究之外的区域去除，常用的是按照行政区划边界或自然区划边界进行图像的分幅裁剪。 在本研究中，把南京市行政区域边界图在ArcGIS中数字化，保存为shp矢量图层，将该图层坐标由原来的xian80坐标转换为与IMG图像坐标一致的WGS-84坐标系，使用Toolbox-spatial an

33、alysis-Extact by Mask，对遥感影像进行裁剪结果如图3-4所示。（由于南京北部三个镇不在条带号为120，行编号38的遥感影像图上，对比南京行政图可以知道，南京北部的竹镇镇、冶山镇、马集镇，为非城市建成区，故可以忽略该区域）图3-4 将遥感图像与行政区域图进行对比3.4 影像波段组合 波段组合的选择通常考虑以下三个原则：波段或波段组合信息含量要大；各波段间相关性要小；目标地物与其它地物的光谱差异要大。近红外、红色和短波红外波段组合是建成区解译的最佳波段组合。本文选用123波段进行组合，如图3-5所示：图3-5 Landsat5遥感影像原图（左）与波段123假彩色合成图（右）进行

34、对比对比两幅图，发现组合后的图像颜色对比更加明显、清晰，建成区颜色更加突出，利于边界提取。3.5 图像增强（1） 锐化增强处理建成区的反射率比较高，即建成区在图像上的亮度比较大，采用化锐化可以增强建成区的亮度，区分城区与周围农用地，从而到达很好的增强效果。Landsat5遥感影像是多光谱波段，在ERDAS中，单击Interpreter图标 | Spatial Enhancement | Crisp命令，设置好参数，执行锐化增强处理，锐化后结果如图3-6所示图3-6 Landsat5遥感影像原图（左）与锐化后图像（右）进行对比对比发现锐化后城市建成区在遥感影像中更加突出，更加的方便边界提取。（2

35、） 色彩变换（RGB-HSV）亮度值的变化可以改善图像的质量，但就人眼对图像的观察能力而言，一般正常人眼只能分辨20级左右的亮度级，而对彩色的分辨能力则达到100多种。彩色变换（RGB-HSV）就是将3波段红、绿、蓝图像组成的彩色空间转换到以色度（H）、饱和度（S）、颜色亮度值（V）作为定位参数的彩色空间，使不同亮度值的地物以不同的颜色表示出来。在ERDAS单击Interpreter图标 | Spactral Enhancement | RGB to HIS，打开对话框，设置参数，执行RGB to HIS 变换。如图3-7所示图3-7 色彩变换（左）与遥感原图对比对比两图，可知道，色彩变换后，

36、建成区与周边农田、河流、山体等对比更加明显，更加的方便边界的提取。（3） 直方图均衡化对比度拉伸直方图拉伸是通过对比度拉伸对直方图进行调整，从而扩大前景和背景灰度的差别，以达到增强对比度的目的。单击Interpreter 图标 | Image Interperter | Radiometric Enhancement | Histogram Equalization 命令，打开对话框，设置参数，执行直方图均衡化拉伸处理。所得结果如图3-8所示图3-8 彩色变换图与彩图直方图拉伸对比对比可知道，彩色变换图锐化后，建成区与非建成区对比更加明显。通过以上三种图像增强处理方法的应用，改善了图像的可视效

37、果，使建成区与周围地物区分更加明显，便于进行遥感影像的分类和建成区边界的提取。3.6 影像分类针对城市建成区解译的遥感影像分类方法很多，本文尝试采用非监督分类进行处理。由于人工干预少，非监督分类的自动化程度较高。本文研究对象是城市建成区，所以需要从宏观上把握土地利用类型的空间分布特征，不需要将土地类型的划分太细。根据研究需要，将土地利用类型分为建设用地、非建设用地，分类结果如图3-9：图3-9 非监督分类提取后3.7 建成区边界提取本文采用目视判读法提取建成区边界。在ArcGIS软件中打开遥感影像，建立一个新矢量图层。结合土地利用规划图、各个时期的GoogleEarth地图、各时相遥感影像图，

38、在遥感影像上通过目视判读勾勒出建成区的边界，最后保存为矢量文件，软件能够自动计算出建成区的面积。在边界提取时，根据建成区的定义，应遵循以下原则：城市实体保持空间上的连续性，将城市内部较小的、非城市用地的地块以及城市内部的水体都划到城市实体内，较大的其它地块则予以排除并舍去周围乡村的建设用地。提取结果如图3-101985年南京市建成区 1989年南京市建成区1999年南京市建成区 2003年南京市建成区2007年南京市建成区 历年南京市建成区叠加图图3-10 建成区提取结果图以及叠加图表3-11 1985、1989、1999、2003、2007南京城市建成区面积年份198519891999200

39、32007建成区面积（Km）105143179447573由图3-10和表3-11可见，19852007年南京建成区面积和边界发生了巨大的变化，随着经济的发展城市规模扩张迅速，建成区面积由1985年的105Km增长到2007年的573Km，扩张了五倍多，框架也不断拉大，坚定了南京作为江苏省会的地位。3.8 本章小结利用遥感影像处理软件将南京城市建成区的边界提取出来，计算面积，叠加后结合数据资料分析发现，南京二十年来城市建成区面积扩大了五倍多，框架页不断拉大。第四章 南京城市建成区空间扩张特征 城市的空间扩展是城市的时空演变过程。为了反映南京市空间扩展规律、特征，本文将从城市扩展强度特征、规模特

40、征对南京市历史时段(19852007年)的空间扩展状况进行简单分析，进而揭示南京城市空间扩张的时空变化的规律。4.1 城市空间扩张强度分析在研究期的各个时期，南京城市扩展强度有明显的非均衡性的特征，扩展方式不断变化。南京市城市空间在某一时段的变化特点就是南京城市空间扩展的时间特征，可以通过变化速率来体现，也由此来反映南京在不同时期的扩展强度。而一个城市的建设用地扩展速率表示该城市单位时间内土地面积变化的幅度，其计算公式为： （4-1)式中，R年均变化率，为研究初期城市用地面积，为研究末期城市用地面积，T为时间间隔。表4-2 1985年2007年南京市人口和建成区面积(单位:万人，km2)年份1

41、9851989199920032007市区人口（万人）224.98246.90282.28489.75534.39建成区面积（Km）131143179447573由表4-2可知，1985年以来，南京市区建成区面积增长迅速，建成区面积由1985年的105平方公里，增加到2007年的573平方公里，在20多年的时间里，扩展了4.3倍。为了更清楚的看到南京城市空间扩展的年度变化，根据公式4-1可测算出各时段建设用地年均扩展速率，见表4-3表4-3 1985年2007年南京市区建设用地各时段年均扩展速率时段19851989198919991999200320032007年均扩张速率%2.32.5237

42、.437.05图4-4 南京市建成区扩张速率注解：1999-2003年间建成区数据的大幅增大，其原因是南京行政区划的调整，江宁县改为郊区，江浦、六合改为郊区后被合并到浦口区和大厂区，此时统计的建成区面积不仅仅包括原有的六城区，还包括江宁、浦口、六合被归为郊区后的城镇建设用地的面积。由图4-4可知，南京市建设用地扩展呈现明显的波动。在不同时段，城市扩展的数量和强度存在明显差异，呈现出不均衡特点。19881998年间，城市建成区面积有所增加，但增量不大，产生变化的区域也很少；从1995年往后南京开始了行政区划的调整(1995-2002年是南京市行政区划频繁调整的七年，在1995、1998、2000

43、、2001、2002五个年份，行政区划均作了调整)，即原有的10区5县格局并未改变，只是各个区和县域土地面积有所变化，短短几年内，市区面积大约扩大一倍左右。根据对以往研究的总结，为了连续显示研究期的城市空间扩展状况，此时，建成区的统计范围不再仅仅局限于六城区，还包括郊区的建设用地。因此，反映在统计图表上就表现为建设用地的剧烈增加长;这一阶段，老城区周围仍然保持着一定的外延扩展，县改郊区后其建设用地跳跃式扩展明显，而且老城区与新区之间的连接式扩展也开始凸显，因此，成为这一时段的主导扩展模式。2003年以后，城市扩展强度逐渐趋缓，并有逐渐减弱的趋势。由于前一阶段城市扩展较为剧烈，该阶段则在上一时期

44、跳跃式增长过后，城市扩展以填充为主，外延特征不明显，城市向外扩展逐渐趋于理性，内部空间结构优化取得成效，城市处于理性扩展期。4.2 城市空间扩张规模分析 19852007年间，南京城市空间规模日益扩大，扩展框架进一步拉开，城市发展模式逐步转向多中心的都市发展区模式。二十多年来，南京城市规模不断扩大，边缘不断外扩，秦淮河以西、雨花台以南、中山门外、迈阜桥等地区随着城市化的推进、城市道路的延伸等，农村用地逐渐转变为城市用地，城市地域不断扩大。南京经过行政区划调整之后，城市空间经历了一次跨越式扩展，东山、仙林、江北地区位于主城外围，这些地区的发展不仅可以分散主城的人口压力、就业压力，而且逐渐地接受主

45、城功能的扩散，慢慢发展为南京市的副中心，与主城共同承担区域中心职能。随着南京市经济水平的进一步提高、城市化的不断推进以及新一轮城市规划政策的指导，这些地区也将发展成为集商业、现代服务业和就业、居住于一体的新兴城市，具有独特城市功能和很强独立性的大城市。 目前，南京城市人口和基础设施等生产要素主要集中在中心城区，呈现从中心外围递减的趋势。城市生产要素的空间布局是城市空间结构的静态反映。根据空间经济学的“集聚经济”理论，非均衡的空间经济活动分布状态达到一定程度(相当大的非均衡)时，这种非均衡的空间经济活动分布将会带来成本异常昂贵的城市集聚。许多世界城市如东京大都市圈、纽约大都市区的形成和出现都表明

46、，随着人口的增长和经济集聚活动的加剧，城市的发展模式也必将随之改变。人口的空间重构、制造业自发的空间转移、中心城区和郊区空间结构的内在调整要求都将城市空间要素从中心城区逐步向外围转移和扩散，迫切要求南京从目前单中心的城市发展模式转向以都市发展区为主要空间的多中心发展模式。南京沿江主轴和南北次轴的交汇地区，是南京城镇分布最密集的地区，从各时相遥感影像中也可以看出，此处颜色也是最深的，城镇信息最丰富。这里是市域内人口、产业、信息、技术和交通基础设施高度集中、城市化水平最高、经济发展程度最高的发展区域，同时也是未来南京城市化的重点地域南京都市区空间布局结构(图2-3所示)。4.3 城市空间扩张合理性

47、分析城市扩张合理性分析有城市面积-人口弹性系数和异速生长模型两种方法，本文使用城市面积-人口弹性系数对南京城市扩张合理性进行分析。城市面积-人口弹性系数描述了城市扩展速度与城市人口增长速度之间的关系，是用来评价城市扩展合理性的指标之一。其数学表达式为： (4-5)式中R（i）为第i时段建成区扩展弹性系数，Pop（i）为第i时段市区人口平均增长率，A（i）为第i时段建成区面积平均增长率。我国学者通过对中国历年城市化过程的综合分析，认为R（i）为1.12时较为合理，即城市人口每增加1个百分点，建成区面积应增加1.12个百分点左右。此值过小，会导致城市建设用地紧张；此值过大，势必造成城市建设占地过多

48、、土地利用效率过低的现象。表4-6 19852007年各时期南京建成区扩展弹性指数（%）时期19851989198919991999200320032007建成区年均增长率2.32.5237.437.05市区人口年均增长率2.41.418.42.3R（i）0.961.82.03.1从表中看出，19851989年间南京市建成区面积-人口弹性系数低于经验值，城市扩张低于人口增长，显得相对的拥挤；1989年后，扩张弹性指数高于经验值1.12，特别是20032007，达到3.1，表明南京建成区的扩展明显快于人口增长速度，建设用地过多，利用率低。4.4 本章小结本章主要分析南京城市扩张的数量特征、规模特

49、征、合理性，得出南京二十年来城市面积规模扩张了五倍，边缘不断外扩，秦淮河以西、雨花台以南、中山门外、迈阜桥等地区随着城市化的推进、城市道路的延伸等，农村用地逐渐转变为城市用地，城市地域不断扩大，但是人口增长速度没有建成区面积增长快，扩张不合理，建设用地过多，利用率低。第五章 城市空间扩张驱动机制5.1 自然地理环境的基础作用 由于地理环境在经济建设和城市建设的特殊作用，自然环境是影响城市发展的首要因素。首先，长江的存在阻碍南京向北扩张，两岸交通的不便致使江北地区城市发展长期滞后，新老城区发展不均衡；其次，1976年前的城市建设主要在集中在紫金山以西，城市向东扩展受到山体阻隔，而后紫金山东部经过

50、道路交通等建设，基础设施条件改善，吸引人口、企业向东扩散且在此集聚，城市逐渐突破此阻碍，绕过紫金山，向东部扩展。这种自然的山水阻隔导致南京城市空间扩展不能平原地区的遵循圈层式的扩展模式，而是逐渐形成以长江为轴线的、沿东北一西南方向向两翼发展的扩展模式（图5-1）。而南京江南主城的东南、西南以及南部地区地势均较平坦，适合城市建设，因此这几个方位扩展强度较大，仍然是未来建设用地扩展的主要方向。图5-1 2030年南京市域城镇体系规划图5.2 经济社会条件的主导作用 城市发展和经济增长相互依赖。城市空间扩展是城市经济发展的需求和体现，经济发展出现波动必然会导致城市扩展速率的变化。世界各国的实践表明，

51、当经济处于高速发展阶段时，城市实际收入水平提高，城市建设投资总量增加，促使城市空间的加速扩展，城市空间扩展的速度所表现出来的周期性与经济发展速度的周期性相吻合。南京城市空间扩展过程受经济因素影响很大，经济快速发展时期也是南京城市扩展加速增长期，反之则城市扩展缓慢，二者呈现出极高的相关性。 从本质上说，城市空间扩展是农村地域景观转变为城市地域景观的过程，是城市化进程的一个方面。在工业化时期，规模效益和集聚效益不断显现出优势，促使各类生产要素从分散状态逐渐走向集中，最后转移到城市或其他有利区位（以后也发展为城市）并在此聚集。同时，随着生产规模的扩大以及工业门类的增多，产业集聚所占用的空间也不断扩大

52、，城市的规模扩大和空间外延扩展现象相应而生。进入后工业化时期，生产型的城市功能逐渐转向管理型和服务型，城市服务业得到蓬勃发展。城区工业由于受级差地租的影响，城区工业纷纷迁往郊区，城区内部第三产业用地逐渐取代工业用地，成为城市进一步发展的驱动力。同时，随着城区工业迁往郊区，与其相配套的基础设施、居住区也在这里发展起来，从而带来郊区城市化，掀起城市空间扩展的又一次高潮。南京城市空间扩展同样遵循这一规律。5.3 交通建设的指向作用城市作为区域的中心，与区域内外的物质联系主要依靠内外部交通来实现。因此，交通的发展促进了城市空间扩展并改变了城市外部形态，从而牵动着城市空间的扩展，对城市空间扩展具有指向性

53、作用。最初，城市对外联系的主要方式是水运，因此城市多沿河流呈带状发展或在水域要道交叉点附近集聚发展，城市空间扩展方向几乎全沿河道方向。之后，随着铁路等陆上交通工具的出现，缩短了远距离运输的时间，使城市对外联系更加便捷，从而改变了城市沿河单一方向的扩展方式，新的货流集散中心、城市建设中心逐渐在车站的周围和枢纽地带发展起来，引导城市空间定向扩展。随着经济、科技的迅速发展，汽车的使用越来越普及，远近交通更加便捷，城市空间扩展转向沿路扩展，以及沿河、沿铁路和沿公路多方向的扩展方式，空间扩展更具灵活性。交通运输速度的提高、运输时间成本的下降以及快速便捷的交通网络的建立，不仅加快了城市空间扩展的速度，而且

54、使分散的城市空间联合成为一个有机整体，这样，城市更易于突破原有发展空间，减缓由城市集中而产生的压力，促使城市由集中走向分散、由市中心化走向郊区化，从而在更大、更广的区域范围内实现城市功能扩散。 在市区内道路交通方面，南京市到2003年就已经基本形成了“经五纬九”的城市干道网、“一环两纵”的城市快速干道系统，这一日趋便利的交通体系不断推动着城市经济发展和空间建设，从而构建了城市未来扩展趋势框架。2001年市区内地铁一号线的开工建设，使远郊的空间可达性得到增强，同时带来沿线房地产开发热潮，居住用地在郊区出现沿地铁线路扩展的趋势；2001年长江二桥通车与2003年长江三桥开工建设为进一步连通长江南北

55、、带动北岸城市发展提供支撑。其次，对于市域内的交通体系，有沪宁、宁合、宁杭等多条高速公路过境，且数十条国道和省道连接本市同我国其他区域。市域四通八达的交通体系不仅连通了主城区与新区加强了区域联系，而且也促进沿线土地开发，带动相关产业发展，从而扩大城市范围。5.4 政策与规划的调控作用 对于南京市，其政策与规划的调控途径主要体现在以下几个方面：（1）城市发展策略规划对城市开发的控制和引导都是对城市空间扩展的促进和对用地结构的优化，二者是一个彼此适应、相互作用、相互影响的关系。1991一2010年“南京市总体规划”提出“以长江为主轴，东进南延，南北响应；以主城为核心，结构多元，间隔分布”的城市发展

56、战略，到2001年经过调整后，开始提倡“多中心”的发展模式，即除主城外，鼓励江宁区东山镇、仙西和江北3个次区域中心的发展。此次调整，加大了新城区基础设施建设投资，进一步促进了城市经济和社会发展，并推动城市继续向东扩展以及南北呼应。（2）城市土地政策1988年，随着“土地的使用权可以依照法律的规定转让”的宪法修正案的通过以及中华人民共和国城镇国有土地使用权出让和转让的暂行条例的颁布实施，南京市也响应国家政策，把相关按法律法规落到了实处，同时，也依此制定出一系列相关的适应自身城市发展的地方法令、法规。因而，土地使用权可以流通于市场之间且土地必须有偿使用，城市土地的区位优势由此才真正得到了体现；土地

57、的级差地租的产生，就有可能导致土地使用性质的置换，城市土地利用效率大大提高，城市土地利用结构和空间结构日益优化；同时城市建设资金短缺的问题也通过土地使用权的出让和有偿使用在很大程度上得到缓解，这也为旧城改造、新区建设以及基础设施投建所需的资金提供了来源。（3） 行政区划调整 行政区划调整主要通过两个方面对城市扩展产生影响第一，城市扩展的方向在一定程度上是受到行政界线的限制的；第二，行政区之间的边界地带，由于管理方面存在不足，存在用地浪费的现象。因此行政区划调整对城市扩展能够起到一定的调节作用。自2000年以来，南京市先后有3次较大的行政区划调整，调整的对象均位于长江两岸，通过调整使得在南北两个

58、方向上拓宽了城市发展框架，使得城市扩展的限制边界得以消除，为城市扩展提供了更加广阔的空间。第六章 结论与展望6.1 内容总结 在前人研究的基础上，本文首先借助南京各时相城市上地利用信息，结合统计年鉴等辅助性属性资料，分析了历史时期城市空间演变规律，并研究其动力机制。现将本文研究的主要结论总结如下:（1）利用软件获取南京五个年份的城市建成区的边界计算面积，并叠加显示，从叠加图得出南京城市扩张的方向。（2）借助统计资料，研究了南京市19852007年城市空间扩展的规模、强度，并在此基础上探讨了城市扩张的合理性，研究表明，1989年来城市扩张速率大于人口增长速率，土地利用率偏低。（3）结合地理环境、

59、社会经济、交通建设、政策与规划分析城市扩张的动力机制。研究表明早期南京城市扩张受长江和紫金山限制较大，只能沿着长江扩张和紫金山西部扩张，随着交通设施的完善，城市扩张突破了限制。随着东部沿海城市经济的飞速发展，南京城市扩张速率不断加大，在打破了行政边界后，城市迎来了广阔的发展前景。6.2 需要进一步研究的问题1本文从宏观角度研究了城市扩张问题，没有考虑微观的土地类型转化问题，譬如哪些地类转化为城市用地，各占多大比例等，这些是需要继续做的工作。2本文在利用遥感影像提取建成区边界时，采用了目视解译的方法，有一定主观性。怎样设计合理的算法实现自动化提取，是需要继续研究的问题。3在进行城市空间扩张特征和

60、驱动力分析时，由于计算模型、数据资料的限制，未能更加全面的分析南京的扩张特征，需要继续完善。总体上看，本文的研究仅仅涉及了城市建成区扩张与扩张特征、驱动力机制的一些基本和初步的课题。限于作者的学识水平、研究时间以及许多数据获取的困难性，应该说，论文的论述是相当粗浅的、不完善的，对许多重要和高深的课题还只是浅尝辄止甚至没有触及。如果本文的研究工作能对同行学者的研究起到一定的参考作用，那将是作者最大的欣慰。参考文献1 储金龙.城市空间形态定量分析研究M.东南大学出版社,2007.2 马塞克JG,林赛FE,Goward S N.动态华盛顿大都市地区的城市增长,1973-1996年,从陆地卫星观测J.

61、国际遥感学报,2000,21（18）：3473-3486.3 卢晓峰.基于RS和GIS的郑州市城市扩展研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2008,27(2)：182-187.4 胡忆东,吴志华,熊伟,等城市建成区界定方法研究以武汉市为例J .城市规划, 2008,4：015.5 陈亮.基于不透水面的城市建成区提取及其空间扩展过程分析D.河海大学,2008,6：5-6.6 文贡坚,李德仁,叶芬.从卫星遥感全色图像中自动提取城市目标J .武汉大学学报:信息科学版,2003,28(2)： 212-218.7 吕宪军,王梅.行政区划调整与城市扩张研究以南京市为例J.现代城市研究, 2006,1：67-72.8 邹建平.关于又好又快推进南京新一轮城市建设的思考J.中共南京市委党校学报, 2009,1：108-112.9 李飞雪,李满春,刘永学等.建国以来南京城市扩展研究J.自然资源学报,2007,22(4) .10 李百浩,熊浩近代南京城市转型与城市规划的历史研究J .城市规划,2003,27(10)：4.11 喻定权.城市空间形态与动态预测系统研究M.湖南大学