摘 要

城市扩张是社会、经济等各种因素在地理空间上的综合作用结果。对于城市扩张过程的信息化和动态化监测是城市相关研究的重要课题，也是规划实施结果的重要反馈，对城市可持续发展具有重要意义。本文以中科院版全球夜光高清数据集为数据源，采用周长突变检测法对城市化区域进行提取，并用水系分布数据进行误差校正。运用重心转移、标准差椭圆、城市扩张强度、综合夜间灯光指数和紧凑度指数对2013—2017年武汉市城市化区域扩张时空扩张情况进行综合分析。结果表明随着西部新城群组的国家级食品工业园区和北部新城组群的天河机场三期扩建，五年里武汉市城市化区域扩张重心逐渐向西北部转移；武汉市城市化区域扩张主轴与扩张次轴基本与长江和汉水流向一致，城市扩张轴偏离度逐渐下降，表明武汉市扩张模式为极核发展；武汉市城市化进程已经由加速阶段逐渐减速进入到稳定阶段，步入城市化后期；武汉市城市扩张模式处于极核式发展向扩散发展的过渡阶段；随着六大新城组群的建设完善，中心城区的人口、功能开始向外围疏解，武汉市城市扩张的驱动力将来源于卫星城市的发展。

关键词：夜间灯光；城市扩张；重心演变；武汉市

Abstract

Urban expansion is the result of the combination of various factors, such as society and economy on geography. The informationization and dynamic monitoring of the urban expansion process is an important topic of urban research, and also an important feedback of the implementation results of the urban planning, which is of great significance to the sustainable development of the city. In this paper, the global luminous HD dataset of the Chinese Academy of Sciences is used as the data source. The urbanization area is extracted by the perimeter mutation detection method, and the water distribution data is used for error correction. Using the center of gravity shift, standard deviation ellipse (SDE), urban expansion intensity, integrated night light index (CNLI) and compactness index, a comprehensive analysis of the spatial and temporal expansion of urbanization in Wuhan from 2013 to 2017 was conducted. The results show that with the expansion of the third phase of the Tianhe Airport in the National Food Industrial Park in the Western New Town Group and the Northern New City Group, the focus of urbanization in Wuhan has gradually shifted to the northwest in five years; the main axis of urbanization in Wuhan The secondary axis of expansion is basically consistent with the flow of the Yangtze River and Han River, and the deviation of urban expansion axis is gradually decreasing, indicating that the expansion mode of Wuhan is the development of polar nuclear; the urbanization process of Wuhan has gradually slowed down from the acceleration phase to the stable phase, and entered the urbanization. In the later period; the urban expansion mode of Wuhan is in the transitional stage from the development of extreme nuclear development to the development of diffusion; with the construction of the six new urban groups perfected, the population and functions of the central urban area begin to be diverted to the periphery. And the development of the satellite cities is the driving force for urban expansion in Wuhan.

Key words: Night lights; urban expansion; center of gravity evolution; Wuhan

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究内容、路线及意义 1

1.2.1研究内容与技术路线 1

1.2.2研究意义 3

1.3国内外研究进展 4

1.3.1国外城市扩张研究研究进展 4

1.3.2国内城市扩张研究进展 5

1.3.3文献述评 6

1.4研究方法 6

第二章 研究区概况与数据预处理 7

2.1研究区域概况 7

2.2数据来源 7

2.2.1夜间灯光数据 7

2.2.2武汉市建成区数据 8

2.2.3其他辅助数据 8

2.3数据预处理 8

第三章 城市化区域扩张研究 10

3.1基于突变检测法的城市化区域提取 10

3.2基于阈值二分法的城市建成区面积提取 10

3.3基于平均中心方法的城市扩张重心提取 11

3.4基于欧式距离方法的城市重心转移距离与方向角计算 11

3.5基于标准差椭圆（SDE）方法的城市扩张轴线计算 12

3.6城市扩张强度指数计算 13

3.7综合夜间灯光指数计算 13

3.8城市紧凑度指数计算 14

第四章 结果与分析 15

4.1城市化区域与城市建成区提取分析 15

4.2城市扩张重心分析 16

4.3城市扩张轴线分析 17

4.4城市扩张强度分析 18

4.5夜间综合灯光指数（CNLI）分析 19

4.6城市紧凑度指数分析 20

第五章 展望与建议 21

5.1武汉市城市化区域扩张的空间特征 21

5.1.1武汉市城市化区域的基本情况 21

5.1.2武汉市城市化区域扩张模式 21

5.1.3武汉市城市化区域5年夜间灯光变化分析 22

5.2武汉市城市化区域扩张与规划决策偏差分析 23

5.3武汉市城市化区域发展的展望与建议 24

参考文献 26

致 谢 29

第一章 绪论

1.1研究背景

城市是地区的经济、政治、文化的中心。尽管城市总面积只有地表总面积的0.5%^[1]，但它却是人类生产活动强度最高的区域。对城市的发展进行监测是研究人类活动的重要途径也是城市扩张研究的基础。

城市化是外延城市化与内涵城市化的综合作用结果。外延城市化中的土地利用类型的转化是城市化最显著、最普遍也是最具特征的现象，其最终结果表现为城市建成区的形成。一个国家或地区的城市化水平直接反映了当地经济、文化、社会、科技等的发达程度。

随着改革开放的发展和市场经济体制的完善，我国城市化进程不断加快，城市化水平从1978年的17.9%发展到2017年的58.52%^[2]，城市化进程进入快速发展期，城市的区域联合发展、内部空间结构、功能产业定位、城市规划、城市管理等各个方面都将进入新的发展阶段，面临新的挑战。

2013年开展的第一次全国地理国情普查工作，以省为单位，将城市用地空间分布作为重要的人文地理要素纳入了考察标准。至此，城市扩张监测、分析城市扩张的时空演变特征已经成为地理国情普查工作的重要部分。

武汉市是中国中部的中心城市，2016年被列为超大城市。在此背景下，对武汉市城市化区域扩张进行研究。

1.2研究内容、路线及意义

1.2.1研究内容与技术路线

（1）武汉市城市化区域与城市建成区的提取

对2013—2017年5景夜间灯光遥感数据进行矫正，并用武汉市行政区划边界裁剪出武汉市夜间灯光数据。通过城市外围轮廓周长突变检测法确定最适阈值，提取武汉市城市化区域；通过阈值二分法确定最适阈值，提取武汉市建成区面积。利用全国水系分布基础地理信息剔除武汉市内的主要水系，减少因“像元晕染”产生的误差。夜间灯光数据的预处理流程如图1所示。

图 1 武汉市城市化区域提取流程图

（2）武汉市城市扩张时空动态演变过程分析

通过对武汉市城市化区域各项指标模型的应用，采用加权平均中心方法计算城市扩张重心坐标、重心转移距离和重心转移方位角，分析城市扩张重心转移的时空特征；采用标准差椭圆方法计算城市化区域的扩张主轴和扩张次轴相对于重心的偏离度及扩张主轴、扩张次轴的方向的时空演变特征；采用城市扩张强度指数和夜间综合灯光指数分析武汉市城市化区域的扩张模式和城市化进程；采用紧凑度指数分析武汉市城市化区域的紧凑发展程度。武汉市城市化区域扩张的时空动态演变分析流程如图2所示。

图 2 武汉市城市扩张时空演变特征分析流程图

（3）武汉市城市化区域扩张与城市规划决策的偏差分析

在对武汉市城市扩张情况进行定量、定性分析后，结合武汉市相关城市规划文本，对比当前城市规划决策与实际扩张情况，对其中产生偏差的部分进行分析。并针对超出当前规划决策预期结果的部分，提出相应的意见与建议。

1.2.2研究意义

（1）学术意义

传统的城市规划研究主要依赖于统计数据和高分辨率遥感影像数据。而传统的统计方法由于统计口径不一致、空间分辨率低等原因使大尺度人口和社会经济指标的研究面临很大困难，且高分辨率遥感影像的获取周期长、连续性差、价格昂贵，为城市规划工作的进行带来难题。

夜间灯光数据与其他社会经济数据之间具有很强的相关关系^[3]。 黄先梅等^[4]的研究表明，GDP与灯光强度的线性拟合优度很高，R²均大于0.9，为宏观尺度下的社会经济研究提供了数据基础。同时，较其他遥感数据相比，夜间灯光的获取成本更低、获取途径更容易、获取周期更短、图像连续性更好。夜间灯光数据作为反映人类活动的良好数据集，为城市相关研究提供了全新的视角，也为城市规划工作开辟了新的思路。

学术界目前有关城市扩张的研究主要集中在城市扩张驱动因素、动态模拟、系统开发以及城乡统筹和经济发展、生态保护等。多为提高城市质量、预测城市扩张结果而开展，而对于我国城市规划预测与城市扩张结果一致性的研究则不多见。对于城市扩张的研究，不少文章提及到政策驱动影响的现象，也有文章针城市扩张的影响因素进行了具体分析，并建立了影响因素指标体系，但并没有对城市扩张结果与规划预测不匹配现象加以关注，多从定性的角度进行说明。因此论文选题针对武汉市城市规划与城市扩张实际情况进行研究，从城市扩张重心偏移的角度切入，通过中科院版全球夜光数据集进行武汉市城市化区域提取，然后通过各种指标模型分析其城市化区域扩张的时空特征与城市化区域的空间分布形态，为城市扩张研究提供了一个新视角，对于城市规划的研究与编制工作具有一定的学术意义。

（2）现实意义

将城市化区域扩张的时空演变特征与城市规划放在一起研究，具有很强的现实意义。在快速城市化的阶段中，城市扩张受到规划决策和市场经济的双重影响，并反过来影响则下一轮规划决策目标和市场经济发展。为有效控制城市无序蔓延，保证城市健康、可持续发展，研究城市化区域扩张对于城市规划决策与实施、经济与社会建设目标制定具有一定的借鉴意义。

武汉市作为典型的劳动力输入地，是社会经济发展速度较快、发展程度较高的地区。武汉市发展早期的城市化与城市扩张的速度很快，在城市化进程中存在的城市爆发性扩张、规划决策失灵、城市无序蔓延等问题很具代表性。选取武汉市作为研究对象，分析城市化区域扩张的时空演变特征，对于指导该区域之后的城市问题研究及城市规划工作具有很强的现实意义。

1.3国内外研究进展

1.3.1国外城市扩张研究研究进展

综合考查各国学者的研究成果，国外关于城市扩张的研究主题主要包括：

（1）城市建成区面积提取

Marc L. Imhoff提出了一种阈值化技术，基于DMSP/OLS夜光遥感数据对城市建成区面积提取，并针对海岸线附近的“像元晕染”现象提出了一种矫正方法^[5]。Smith. SJ等^[6]提出了一种利用夜间灯光数据提取1km分辨率全球范围城市化区域的方法，对全球城市化进程进行了时间序列分析。

（2）城市扩张模式

Kantakumar. Lakshmi N 等^[7]利用Landsat数据集评估了1992、2001、2013年三年的土地覆盖类型以研究印度浦那的城市扩张模式及其过程。发现浦那地区城市扩张模式总体上为“扩散—合并”模式，包括城市核心区合并、郊区扩散、边际成长三个阶段。Shukla. Anugya等^[8]建立一个可持续发展模型来评价印度地区的城市蔓延现象，并将其划分为填充型、扩展型、跳跃型和连绵型四种蔓延模式。

（3）城市扩张驱动力研究

Broitman.Dani等^[9]针对荷兰地区住宅密度高速增长问题，结合土地利用数据与土地政策，研究旧住宅区改造（高密度化）与新住宅区开发（城市扩张）之间的动态平衡。Azhdari. Abolghasem等^[10]通过研究环境、政策、社区、通达性等因素与城市扩张的关系，探讨了伊朗南部城市设拉子的社会经济隔离与城市扩张的空间驱动力之间的联系。

（4）城市扩张效应研究

Van Doren, BM等^[11]从生态保护的角度，研究了城市灯光对昼夜迁徙鸟类行为模式的影响。Elshorbagy, A等^[12]利用土地利用遥感影像和夜光遥感影像，以加拿大为研究区域，开发出了适用于大规模区域分析洪水风险决策系统。

（5）城市扩张建模

Jokar Arsanjani. J等^[13]针对发展中国家由于环境数据和社会经济数据缺乏导致城市扩张预测模型失效的问题，提出了一种不受数据限制的基于城市边缘时空动态预测城市扩张的形态学方法，并以伊朗德黑兰地区为例评估了模型的性能，取得了较高的精度。Bakker. Martha M等^[14]针对二元对数回归模型中的固定系数不能反映城市扩张时空异质性的问题，提出了基于元胞自动机的变权模型，利用2000—2007年南京市土地利用数据对模型进行校准，并用2007—2013年数据进行验证，模拟结果的精度得到了明显提高。

1.3.2国内城市扩张研究进展

随着城市化进程加速，土地资源与城市发展之间的矛盾日益突出，引导城市可持续发展成为研究热点，城市扩张研究因此成为城市相关研究的重点。目前对于城市扩张问题，我国学术界从不同的角度进行了深入的探究。

城市扩张的驱动因子分析是城市扩张研究的重点。如杜金华等^[15]通过整理全国282个地级市的统计数据，构建了土地政策依赖与城市扩张之间的计量模型，分析其相关关系。发现土地政策依赖能够明显促进城市建成区的扩张；冯严超等^[16]则重点分析了在城市扩张过程中土地财政和金融发展的作用。研究结果显示：土地财政对周围城市扩张存在着正向“溢出效应”，而金融发展对周围城市扩张存在着“虹吸效应”，且二者都随时间呈波动上升的趋势。

随着遥感技术的提高和普及，利用遥感影像分析城市扩张成为城市研究的热点之一。如汪韬阳等^[17]利用DMSP/OLS夜光遥感数据提取了城市建成区面积，通过引入计量经济模型，研究地级市主政官员的政治周期与地级市城市建成区扩张之间的关系。吴小君等人^[18]利用Landsat遥感数据对合肥市城市建成区面积变化、空间形态变化和城市重心迁移进行了研究。

在城市扩张模型构建方面，张亦汉等^[19]构建了广州市城市扩张CA模型,从采样、邻域结构和微观元胞尺度等方面研究了CA模型的敏感性。米媛等^[20]利用SLEUTH模型对鄂尔多斯市城市扩张时空演变模式进行模拟分析，研究发现其扩张态势大致经历了“平稳—快速急剧—低速”的发展阶段。

在城市扩张效应对生态、社会的影响方面，李嘉译等^[21]对长江经济带的城市化时空特征进行量化识别，印证了建设用地扩张与植被覆盖度之间具有时空关联性。柯新利等^[22]采用GIS空间分析方法和InVEST模型定量评估了2000年—2015年湖北省城市扩张与耕地保护耦合度对陆地生态系统碳储量的影响。