范紫灵，周 侗，王秋苏，张瑞嘉，盛英豪，钱 振

（南通大学地理科学学院，江苏·南通 226007）

随着苏通大桥的建成通车，南通正式纳入上海一小时都市圈范围[1]，区位优势不断增强，其建成区扩展变化也日趋显著。建成区反映一个区域的城市化范围，通过研究建成区扩展变化，得出建成区扩展速度、扩展方向等结果，对今后南通市的发展规划及政府决策具有重要参考价值。近年来，国内外学者对不同地区的建成区扩展模式及其驱动因素做了大量研究[2-4]；应用GIS和RS技术，以较为宏观的遥感影像为数据源，采用不同测度指标，实时监测建成区的扩展进程及其形态变化；选用城市分维数指标来衡量建成区的分维特征，应用紧凑度指标来分析扩展的合理性，对建成区的扩展情况进行空间形态分析[5]；通过对PALSAR和陆地卫星图像的分析，提出一种识别和映射建成区面积的决策树方法，定量分析复杂的城镇地区的建成区的建筑面积的年变化[6]；利用扩展弹性系数等方式研究建成区扩展的时空变化[7]。本文在文献[8]基础上，利用多时相遥感影像数据对南通市1995-2015年的建成区的扩展速度及扩展方向进行分析，探讨影响南通市建成区的扩展速度及扩展范围的因素。

1 研究区与实验数据

1.1 研究区概况

南通位于江苏省东南部，沿江靠海，与上海隔江相望，“据江海之会、扼南北之喉”，被誉为“北上海”。处于北纬 31˚41'～32˚43'、东经 120˚12'～121˚55'之间。土地面积约8600km2，人口780多万。它是中国的“江海门户”，同时也是最早的14个沿海对外开放城市之一[9]，是长江流域进出物资的转运枢纽和长江三角洲地区的重要港口城市。本文的研究范围如图1所示。

图1 研究区范围Fig.1 Research area

1.2 实验数据

本课题所需遥感数据涉及到1995年Landsat 5、2000年到2013年Landsat 7、2013年到2015年Landsat 8的多时相TM、ETM+和OLI卫星遥感影像，研究过程包括5个时相，时间跨度20年。遥感影像数据表示如表1：

表1 不同年份数据源Table 1 Data sources for diあerent years

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理

对收集的1995、2000、2005、2010、2015年5期质量较高的遥感影像进行大气校正，辐射定标等处理，采用多项式法进行几何精校正，误差在1个像元以内，经图像增强后做分区裁剪处理，得到各年份各区图像。

自归一化差异植被指数（NDVI）被引入以来，已有不少归一化差异性指数被提出，本文主要采用归一化植被指数（NDVI）和归一化建筑指数（NDBI）进行建成区的提取工作。杨山、查勇等人经过研究发现，城镇用地的灰度值在TM4和TM5波段之间与其他的地物呈现相反增长趋势，由此提出了NDBI计算公式[10-11]。

式中，MIR为中红外波段，NIR为近红外波段。在TM影像中，分别为5波段和4波段。从公式（1）可以看出，NDBI值在-1与1之间变化，提取NDBI大于0的值为建成区。但是，建筑用地在TM4和TM5波段之间的反差并不是特别明显，并且存在其他地物类型在5波段的反射率大于4波段反射率的情况，认识到这点， 勇等提出采用NDBI-NDVI的方法来进行建成区的提取。

2.2 研究方法

扩展强度指数是研究城市扩展特征的常用指标，用来表示城市扩张程度和城市扩张速度[12]。根据所提取的南通市近20年建成区面积数据，使用此方法使得各市辖区中不同时期的土地利用扩展能够做定量化比较。本文基于扩展强度指数的方法提出了建成区扩展强度指数指标BEII(Build-up Expand Intensive Index)。

BEII定义为研究区建成区的扩展强度指数，BEIB、BEIA分别为研究末期和初期的建成区面积，TLA为土地总体面积。

扩展强度指数的公式为：

南通市各市辖区建成区的扩展强度指数以及扩展面积如表2：

表2 南通市各市辖区建成区扩展强度指数与面积统计表Table 2 The expansion intensity index and area statistics of built-up districts in Nantong

3 结果分析

3.1 南通市辖区建成区的扩展速度变化

由南通各市辖区根据研究数据得到建成区扩展面积比折线图如图2(a)，南通各市辖区建成区扩展面积均呈增长趋势，变化上存在较大差异。崇川区建成区近20年所占比均高于其他三个区。分析各市辖区建成区扩展强度指数变化（图2(b)），崇川区扩展指数峰值的出现明显早于另三个区，2000-2015年呈现降低趋势，且崇川区建成区面积比达70%，崇川区的建成区建设处于发展成熟期；港闸区和开发区建成区面积增长较为稳定，在2005-2010年建成区面积扩展增幅变大，扩展变化加快，而2010-2015年建成区面积扩展速度变缓，建成区面积所占比接近60%，港闸区和开发区建成区扩展逐渐趋于稳定，处于稳步发展期；通州区扩展面积最大，增长幅度最大，在2005-2010年出现峰值，扩展面积快速增大，而2010-2015年大幅度降低，建成区扩展速度波动剧烈，建成区面积所占比接近50%，处于快速增长期。

图2 南通市辖区面积比(a)及扩展强度指数(b)折线图Fig.2 The broken line diagram of area ratio (a)and expansion strength index (b) of Nantong city

3.2 南通市辖区建成区的扩展方向变化

基于Landsat遥感影像对南通市市辖区建成区扩展方向进行研究，得到了建成区扩展方向变化（图3）。由图3(a)，1995-2000年崇川区建成区扩展主要分布在西北方向，比较集中； 2000-2010年，扩展重心逐渐往南移，南部区域的建成区面积明显增加；2010-2015年，建成区建设往东扩散，开始全面推进建成区的发展；到2015年为止，崇川区已经进入建成区发展的成熟期，城市建成区建设基本完成并逐步完成内部填充。

从图3(b)来看，1995-2005年，由于港闸区与崇川区相邻带动毗邻区域发展，港闸区建成区建设主要分布在西南方向且相对密集；而2005-2015年，港闸区建成区向东北方向扩散，相对南面建成区较分散但区域面积大。如图3(c)所示，开发区在近20年建成区扩展较为集中，1995-2010年开发区建成区建设进入快速发展阶段，主要集中于中西部和南部，并开始向东北部短距离偏移；到2015年为止，开发区北部建成区扩展已经进入相对成熟阶段，紧凑度明显上升。港闸区和开发区处于标准化发展期，由西向东辐射式扩散，扩散相对集中，建成区扩展面积变化显著。

如图3(d)所示，在1995年通州区建成区面积较小且分散，由于众多因素影响，2000-2010年期间，通州区呈双核发散状扩散，主要以金沙镇与平潮镇为扩展中心，向四周扩散，到2010年，通州区南部的建成区相对集中；2010-2015年通州区的建成区重心开始往北推移，主要向北部外延式水平空间扩展[13]，分布较为分散，且面积相对较小。通州区发展速度较为缓慢，处于发展的起步期，建成区扩展呈分散状，相对稀疏，紧凑度不高；而双核周围的建成区相对密集，较其他地区而言发展集中且迅速。

图3 南通市辖区建成区扩展方向专题图Fig.3 Nantong District built-up area expansion direction thematic map

3.3 影响因素

崇川区作为南通市的核心区，配套齐全、交通便捷，是南通市人口最密集，城市化水平最高的区域，相较于其他三个市辖区，崇川区建成区扩展最先到达高潮，城镇化发展成熟最早。港闸区拥有江河岸线资源和便捷的水陆交通网络，逐步形成了船舶修造产业等具有较强竞争力的区域产业。苏通长江大桥建成后，港闸区在时空上实现了与上海的全方位接轨和融合，与外界的沟通联系也更加便捷。自2008年沪通铁路立项至今，通州区平潮镇作为沪通长江大桥的桥头堡和沪通铁路南通枢纽的所在地，优越的交通区位条件吸引了投资开发。开发区投资环境良好，产业基础特色鲜明，成为长江三角洲周边投资引商的优选之地，因而开发区处于平稳发展阶段，并在2010-2015年期间城市扩展趋于成熟。

4 结语

利用归一化建筑指数，对多时相Landsat影像进行自动建成区提取，并对其扩展范围及扩展速度进行研究分析，分析结果表明：1995-2015年间南通市建成区面积不断扩大，扩展速度逐渐加快，尤其自2008年苏通大桥投入运行、2013年沪通铁路项目后，2010-2015年间南通城市发展进入快速扩展时期。因此继续对南通市建成区扩展范围及扩展变化速度的探索，对今后南通市市辖区未来发展方向的定位及建成区的规划具有重大意义，其扩展规律性有待进一步探索。如今南通市城市经济在迅速发展，但是存在城市化发展不平衡，中心城市发展规模不合理等问题，则需要以后研究探索如何更科学地规划城市发展。