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摘 要：通过选取重庆城市发展新区的典型区域——江津区作为研究区域，以江津区1995年、2001年、2007年、2013年的遥感影像作为基础资料，借助遥感软件ENVI4.8，利用归一化建筑指数（NDBI）模型，并结合监督分类提取江津区4年的城市建成区信息，对江津区建成区扩张的时空特征进行了研究。结果表明：江津区近18年来城市建成区扩张显著，年均扩张速率、扩张面积分别为58.14%、147.43km2，扩展强度指数为11.34，总体处于高速扩张的状态;全区城市建成区的紧凑度指数表现为逐年下降的趋势，城市发展的总体趋势为由相对集中走向分散。
关键词：建成区扩张;GIS;Envi;江津区
中图分类号 P237 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）19-0150-04
The Study on the Expansion of Urban Built-up Area based on Envi
——A Case Study of Jiangjin District of Chongqing City
Liu Ying
Abstrat：The paper takes Jiangjin district，trend of new urban development district in Chongqing，as the object of study，and uses remote-sensing images of the year 1995，2001，2007 and 2013 as data source，then extracts Jiangjin′s urban built-up area of the 4 years by using normalized difference build-up index（NDBI） and supervised classification with the help of remote sensing software ENVI4.8，finally analyses the spatial-temporal characteristics of urban expansion of Jiangjin.The result shows：the expansion of Jiangjin′s urban built-up area nearly eighteen years is prominent，and annual expanding rate，expanding area and expanding intensity index are 8.14%，147.43km2 and 11.34 respectively，as a whole， Jiangjin′s urban expansion is in a status of high-speed expansion;the compactness indexs of Jiangjin′s urban built-up area of every year show a decreasing trend year by year，the general trend of Jiangjin′s urban development is changing from relative concentration to dispersion.
Key words：Expansion of urban built-up area;GIS;Envi;Jiangjin district
隨着新型城镇化战略的提出，城市化的发展水平逐渐演化成为了衡量一个国家或地区社会、经济、科技以及文化发展程度的重要标尺[1]，而城市化最重要的标志是城市的边界不断向外扩张[2]。城市用地的扩张，往往受政策的影响较大，且多数以改变其他土地利用的类型来实现的。自改革开放以来，我国城市化进程迅速，大中小城市边界在空间上不断地增长或消亡[3]。因此，如何有效地提取城市扩张边界，已成为了业界研究的热点问题。遥感Envi技术和GIS技术的不断发展，为国内外学者研究城市边界的变化以及驱动机制等方面提供了诸多的便利。例如，Mohammad Paydar[4]利用德尔菲法和层次分析法建立了评价指标体系，并且对伊朗南部城市Shiraz的城市扩张程度进行了研究;Kevin McGarigal[5]等建立了城市增长模型，并借此模拟美国东北部2010—2080年的城市扩张非稳定性变化，研究了其对生态环境的影响;戴云哲[6]运用InVEST模型分析了长沙都市区20年的年生态环境质量，并且对长沙都市区城市扩张的空间格局及其与生态环境的相互关系进行了研究;李嘉译[7]等借助Landsat TM/OLI影像，分析了近30年（1986—2016年）长江经济带7个城市的建设用地的时空变化模式及其生态效应。
本研究以重庆市江津区为对象，选取江津区1995年、2001年、2007年、2013年的Landsat影像资料，利用Envi软件提取城市建成区边界信息，分析了江津区城市扩张的规律及其趋势，对合理管理土地资源、指导城市规划以及保护生态环境和耕地资源都有着重要的意义[8]。
1 研究区概况
江津区地处重庆西南角，坐落于东经105°49′～106°36′，北纬28°28′～29°28′之间，属长江中上游区域，位于三峡库区的尾端。江津东与巴南区、綦江区相邻，向南与贵州习水相接，西走与永川区、四川合江县相依，北连璧山区和九龙坡区，在重庆市5大功能区划分中属城市发展新区。江津区境内四面高山环抱，丘陵起伏，地貌多以丘陵低山为主，气候属亚热带季风气候，光照、雨量充沛。全区幅员面积321779.89km2，辖5个街道、25个镇、3个经济组团。 2 数据来源及处理
2.1 数据来源 本研究采用的Landsat影像数据来源于地理空间数据云服务平台，选用为江津区1995年、2001年、2007年、2013年的云量均低于15%的遥感影像;非遥感数据主要包括江津区历年社会经济发展统计公报、统计年鉴;其他数据包含江津区研究年份的土地利用现状图和土地利用变更数据表，部分河流地貌图，水文水系图和野外考察点等。
2.2 数据预处理 本研究使用的源影像数含云量较少，且包含了整个研究区域，因此对遥感源数据的预处理主要包括辐射校正和图像裁剪，辐射校正主要包括传感器校正、大气校正以及太阳高度角和地形校正，最后利用Arcgis对研究区域进行裁剪，裁剪结果如图1。
2.3 建成区提取 国内外在提取城市建成区的方法上有诸多的研究，有的是基于对象分类方法和利用土地类型信息来实现对城市建城区边界的提取[9]，有的则是将Landsat TM/ETM+光学遥感影像与DMSP/OLS夜光数据相结合来提取建成区信息[10]。考虑到研究区域的实际概况以及数据质量，本研究以“城区建成区”为提取目标，将监督分类和归一化建筑指数（NDBI）相结合提取江津区城市建成区，覆盖其行政区内的3个经济组团，分别是几江组团、德感组团和双福组团，提取对象为该3个经济组团范围内集中连片的部分以及分散在郊区的建设用地。最后，利用Arcgis的Intersect功能，将NDBI的二值化结果和监督分类结果进行叠加取其交集，获得江津区1995—2013年的建成区分布（见图2）。
3 江津区建成区扩张时空特征分析
3.1 建成区面积 将Arcgis叠加分析处理后的1995—2013年的城市建成区数据导入并生成城市建成区演变图;再利用软件的统计计算功能，计算得出各组团建成区面积及其占比等，结果如表1所示。
3.2 建成区面积时空演变分析 为了动态地反映出江津区城市建成区的变化，江津区建成区时间演变将从建成区扩张面积、建成区面积扩张速率、建成区扩张强度指数3个方面进行时间分析，从城市紧凑度[11]指数、城市空间分形维数[12]2个方面进行空间分析。计算公式如下：
建成区扩张面积表达式为：
[ΔA=Ab-Aa] （1）
建成区面积扩张速率表达式为：
[ν（%）=Ab-AaAaT×100] （2）
建成区扩张强度指数表达式为：
[R（%）=Ab-AaTA×1T×100] （3）
紧凑度指数表达式：
[C=2πA/P] （4）
城市空间分形维数表达式：
[D=2lnP4lnA] （5）
式1、2、3中，[ΔA]、[ν]、[R]分别代表建成区扩张面积、建成区面积扩张率、建成区面积扩张速率、建成区扩张强度指数。[Ab]为研究期末的城市建成區面积，[Aa]为研究期初的城市建成区面积，[TA]为研究区土地总面积，[T]为时间间隔。根据学者刘盛和的研究，城市扩张强度指数从高到低可以分为以下5种类型：高速扩张（>2.05）、快速扩张（1.07～2.05）、中速扩张（0.55～1.07）、低速扩张（0.22～0.55）和缓慢扩张（0～0.22）[13]。式4、5中，[C]为紧凑度指数，[A]为城市面积，[P]为城市周长。[C]值越大，表明城市分布较为紧凑，不分散;分维数[D]值越大，表示城市形状的不规则程度越大。将建成区数据应用到上述5个模型，计算结果如表2、表3、表4所示。
3.2.1 江津区建成区扩张时间 总体来看，江津区经过18年发展，城市建成区由1995年的253.56km2增加到2013年的3202.12km2，面积为研究初期的12.63倍，总体增加2948.56km2。年均扩张速率、扩张面积分别为58.14%、147.43km2，扩展强度指数为11.34，总体处于高速扩张的状态。分组团来看，几江组团城市建成区面积扩张439.35km2，扩张强度指数为7.22，年均扩张速率为11.98%;德感组团扩张1043.17km2，年均扩张速率为74.32%，扩张强度指数为8.14;双福组团是2007成立的，面积总体扩张1287.96km2，扩张强度指数为20.60，超过所有区域的扩张强度。
3.2.2 江津区建成区扩张空间 在ArcGIS软件支持下，将前文所提取到的江津区1995—2013年城市建成区边界图进行叠加，以此获得江津区1995—2013年城市建成区变化（图3）。由图3可知，全区城市建成区紧凑度指数表现为逐年下降的趋势，由1995年的0.23下降到2013年的0.02，说明江津总体城市发展趋势是由相对集中走向分散;相应地，全区城区分形维数由1995年的1.184逐步增加到2013年的1.266，说明随着江津区城区发展的离散程度的增高，江津区城市发展的不规则程度越来越高。受全区和组团自身发展需要以及江津区区域地形地貌的影响，各个组团均在原有基础上向外不规则扩张，另外双福组团在空间上与原有城区存在一定距离，导致城市空间紧凑度降低。
3.3 江津区城市发展特点及建议 综合上述分析可以看出，江津区经过近20年的发展，城市建成区由沿江非常狭小的1块逐渐扩张到囊括了3个经济组团的核心部分，扩张具体表现为以下几个特点：
3.3.1 建成区分布由集中走向分散 几江组团和德感组团是江津区较早建立的城市区域，二者仅一江之隔且距离较近，后双福组团被划为城区，且以较快的速度发展，城区的分布开始变得分散。总体来看，2007年之前江津城区分布在较为集中，受区域发展政策影响而后变得分散。
3.3.2 组团式发展态势明显 受地形地貌水文的影响，在江津3大经济组团中，几江组团依傍几江半岛为中心向东南方向扩张;德感组团受到西边山脉影响则沿山向西南方向扩展;双福组团北接重庆主城核心区，城区主要向东北方向扩展。
关键词：建成区扩张;GIS;Envi;江津区
中图分类号 P237 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）19-0150-04
The Study on the Expansion of Urban Built-up Area based on Envi
——A Case Study of Jiangjin District of Chongqing City
Liu Ying
Abstrat：The paper takes Jiangjin district，trend of new urban development district in Chongqing，as the object of study，and uses remote-sensing images of the year 1995，2001，2007 and 2013 as data source，then extracts Jiangjin′s urban built-up area of the 4 years by using normalized difference build-up index（NDBI） and supervised classification with the help of remote sensing software ENVI4.8，finally analyses the spatial-temporal characteristics of urban expansion of Jiangjin.The result shows：the expansion of Jiangjin′s urban built-up area nearly eighteen years is prominent，and annual expanding rate，expanding area and expanding intensity index are 8.14%，147.43km2 and 11.34 respectively，as a whole， Jiangjin′s urban expansion is in a status of high-speed expansion;the compactness indexs of Jiangjin′s urban built-up area of every year show a decreasing trend year by year，the general trend of Jiangjin′s urban development is changing from relative concentration to dispersion.
Key words：Expansion of urban built-up area;GIS;Envi;Jiangjin district
隨着新型城镇化战略的提出，城市化的发展水平逐渐演化成为了衡量一个国家或地区社会、经济、科技以及文化发展程度的重要标尺[1]，而城市化最重要的标志是城市的边界不断向外扩张[2]。城市用地的扩张，往往受政策的影响较大，且多数以改变其他土地利用的类型来实现的。自改革开放以来，我国城市化进程迅速，大中小城市边界在空间上不断地增长或消亡[3]。因此，如何有效地提取城市扩张边界，已成为了业界研究的热点问题。遥感Envi技术和GIS技术的不断发展，为国内外学者研究城市边界的变化以及驱动机制等方面提供了诸多的便利。例如，Mohammad Paydar[4]利用德尔菲法和层次分析法建立了评价指标体系，并且对伊朗南部城市Shiraz的城市扩张程度进行了研究;Kevin McGarigal[5]等建立了城市增长模型，并借此模拟美国东北部2010—2080年的城市扩张非稳定性变化，研究了其对生态环境的影响;戴云哲[6]运用InVEST模型分析了长沙都市区20年的年生态环境质量，并且对长沙都市区城市扩张的空间格局及其与生态环境的相互关系进行了研究;李嘉译[7]等借助Landsat TM/OLI影像，分析了近30年（1986—2016年）长江经济带7个城市的建设用地的时空变化模式及其生态效应。
本研究以重庆市江津区为对象，选取江津区1995年、2001年、2007年、2013年的Landsat影像资料，利用Envi软件提取城市建成区边界信息，分析了江津区城市扩张的规律及其趋势，对合理管理土地资源、指导城市规划以及保护生态环境和耕地资源都有着重要的意义[8]。
1 研究区概况
江津区地处重庆西南角，坐落于东经105°49′～106°36′，北纬28°28′～29°28′之间，属长江中上游区域，位于三峡库区的尾端。江津东与巴南区、綦江区相邻，向南与贵州习水相接，西走与永川区、四川合江县相依，北连璧山区和九龙坡区，在重庆市5大功能区划分中属城市发展新区。江津区境内四面高山环抱，丘陵起伏，地貌多以丘陵低山为主，气候属亚热带季风气候，光照、雨量充沛。全区幅员面积321779.89km2，辖5个街道、25个镇、3个经济组团。 2 数据来源及处理
2.1 数据来源 本研究采用的Landsat影像数据来源于地理空间数据云服务平台，选用为江津区1995年、2001年、2007年、2013年的云量均低于15%的遥感影像;非遥感数据主要包括江津区历年社会经济发展统计公报、统计年鉴;其他数据包含江津区研究年份的土地利用现状图和土地利用变更数据表，部分河流地貌图，水文水系图和野外考察点等。
2.2 数据预处理 本研究使用的源影像数含云量较少，且包含了整个研究区域，因此对遥感源数据的预处理主要包括辐射校正和图像裁剪，辐射校正主要包括传感器校正、大气校正以及太阳高度角和地形校正，最后利用Arcgis对研究区域进行裁剪，裁剪结果如图1。
2.3 建成区提取 国内外在提取城市建成区的方法上有诸多的研究，有的是基于对象分类方法和利用土地类型信息来实现对城市建城区边界的提取[9]，有的则是将Landsat TM/ETM+光学遥感影像与DMSP/OLS夜光数据相结合来提取建成区信息[10]。考虑到研究区域的实际概况以及数据质量，本研究以“城区建成区”为提取目标，将监督分类和归一化建筑指数（NDBI）相结合提取江津区城市建成区，覆盖其行政区内的3个经济组团，分别是几江组团、德感组团和双福组团，提取对象为该3个经济组团范围内集中连片的部分以及分散在郊区的建设用地。最后，利用Arcgis的Intersect功能，将NDBI的二值化结果和监督分类结果进行叠加取其交集，获得江津区1995—2013年的建成区分布（见图2）。
3 江津区建成区扩张时空特征分析
3.1 建成区面积 将Arcgis叠加分析处理后的1995—2013年的城市建成区数据导入并生成城市建成区演变图;再利用软件的统计计算功能，计算得出各组团建成区面积及其占比等，结果如表1所示。
3.2 建成区面积时空演变分析 为了动态地反映出江津区城市建成区的变化，江津区建成区时间演变将从建成区扩张面积、建成区面积扩张速率、建成区扩张强度指数3个方面进行时间分析，从城市紧凑度[11]指数、城市空间分形维数[12]2个方面进行空间分析。计算公式如下：
建成区扩张面积表达式为：
[ΔA=Ab-Aa] （1）
建成区面积扩张速率表达式为：
[ν（%）=Ab-AaAaT×100] （2）
建成区扩张强度指数表达式为：
[R（%）=Ab-AaTA×1T×100] （3）
紧凑度指数表达式：
[C=2πA/P] （4）
城市空间分形维数表达式：
[D=2lnP4lnA] （5）
式1、2、3中，[ΔA]、[ν]、[R]分别代表建成区扩张面积、建成区面积扩张率、建成区面积扩张速率、建成区扩张强度指数。[Ab]为研究期末的城市建成區面积，[Aa]为研究期初的城市建成区面积，[TA]为研究区土地总面积，[T]为时间间隔。根据学者刘盛和的研究，城市扩张强度指数从高到低可以分为以下5种类型：高速扩张（>2.05）、快速扩张（1.07～2.05）、中速扩张（0.55～1.07）、低速扩张（0.22～0.55）和缓慢扩张（0～0.22）[13]。式4、5中，[C]为紧凑度指数，[A]为城市面积，[P]为城市周长。[C]值越大，表明城市分布较为紧凑，不分散;分维数[D]值越大，表示城市形状的不规则程度越大。将建成区数据应用到上述5个模型，计算结果如表2、表3、表4所示。
3.2.1 江津区建成区扩张时间 总体来看，江津区经过18年发展，城市建成区由1995年的253.56km2增加到2013年的3202.12km2，面积为研究初期的12.63倍，总体增加2948.56km2。年均扩张速率、扩张面积分别为58.14%、147.43km2，扩展强度指数为11.34，总体处于高速扩张的状态。分组团来看，几江组团城市建成区面积扩张439.35km2，扩张强度指数为7.22，年均扩张速率为11.98%;德感组团扩张1043.17km2，年均扩张速率为74.32%，扩张强度指数为8.14;双福组团是2007成立的，面积总体扩张1287.96km2，扩张强度指数为20.60，超过所有区域的扩张强度。
3.2.2 江津区建成区扩张空间 在ArcGIS软件支持下，将前文所提取到的江津区1995—2013年城市建成区边界图进行叠加，以此获得江津区1995—2013年城市建成区变化（图3）。由图3可知，全区城市建成区紧凑度指数表现为逐年下降的趋势，由1995年的0.23下降到2013年的0.02，说明江津总体城市发展趋势是由相对集中走向分散;相应地，全区城区分形维数由1995年的1.184逐步增加到2013年的1.266，说明随着江津区城区发展的离散程度的增高，江津区城市发展的不规则程度越来越高。受全区和组团自身发展需要以及江津区区域地形地貌的影响，各个组团均在原有基础上向外不规则扩张，另外双福组团在空间上与原有城区存在一定距离，导致城市空间紧凑度降低。
3.3 江津区城市发展特点及建议 综合上述分析可以看出，江津区经过近20年的发展，城市建成区由沿江非常狭小的1块逐渐扩张到囊括了3个经济组团的核心部分，扩张具体表现为以下几个特点：
3.3.1 建成区分布由集中走向分散 几江组团和德感组团是江津区较早建立的城市区域，二者仅一江之隔且距离较近，后双福组团被划为城区，且以较快的速度发展，城区的分布开始变得分散。总体来看，2007年之前江津城区分布在较为集中，受区域发展政策影响而后变得分散。
3.3.2 组团式发展态势明显 受地形地貌水文的影响，在江津3大经济组团中，几江组团依傍几江半岛为中心向东南方向扩张;德感组团受到西边山脉影响则沿山向西南方向扩展;双福组团北接重庆主城核心区，城区主要向东北方向扩展。