（地图学与地理信息系统专业论文）基于rs和gis城市扩展动态研究.pdf

摘要 摘要 城市是人口、资源、环境和社会经济等要素高度密集的综合体，因此城 市的发展变化是人地关系的焦点。工业化的进程正蒸蒸日上，经济快速发 展，城市中人口剧增以及非城市人口大量涌入，而且人们生活水平不断提 高，并同时追求着物质文明与精神文明的东西，这一切都促使城市逐渐增 大，并向外不断扩张。 伴随着城市的扩张，各种资源被急剧消耗，土地作为一种基本的自然资 源，受城市扩张的直接影响，特别是在城市边缘地带的各种土地利用类型都 随着城市的扩大以各种方式逐渐转化为城市用地。为了探讨这种转化过程及 其内在驱动力因素，本文以上海市嘉定区为研究对象，选取该区1 9 8 9 年、 1 9 9 5 年、2 0 0 1 年和2 0 0 6 年四个时相的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像作为主 要的数据源，以遥感分类提取为主要的获取信息的手段，通过对土地利用分 类结果图像进行叠加统计分析，定量地分析了嘉定区从1 9 8 9 年- - 2 0 0 6 年问 土地利用的变化及土地利用类型转换情况。运用四期遥感影像分类的结果图 像和仿植被指数方法入机交互地提取嘉定区城镇用地的图斑，进而统计出城 镇用地面积，并将城镇用地图像两两叠加分析统计得到1 9 8 9 年一1 9 9 5 年、 1 9 9 5 年- - 2 0 0 1 年以及2 0 0 1 年- - 2 0 0 6 年三个年份段间嘉定区城镇用地扩展 数量变化以及空间分布变化规律。最后结合嘉定区的经济、人口等统计数 据，分析了该区域在1 9 8 9 年- - 2 0 0 6 年间城市扩展的驱动力因素。 本文着重探讨了遥感影像分类提取各种土地利用类型的方法及过程，在 与传统的遥感分类方法相比较的基础上，采用了遗传算法优化神经网络方法 用于遥感分类，其中改进了遗传算法编码和遗传进化方法，在神经网络的训 练过程中运用本文的遗传算法优化网络结构和参数，最后得到的最优神经网 络用于遥感影像分类，获得了较好的分类效果。文章还详细分析了土地利用 变化检测的方法和过程，并用这一方法统计出嘉定区各种土地类型相互转化 的数量与方式，并详尽分析了1 9 8 9 年一1 9 9 5 年、1 9 9 5 年- - 2 0 0 1 年以及 2 0 0 1 年- - 2 0 0 6 年问嘉定区各土地利用类型变化情况。最后利用嘉定区城镇 用地栅格图像和嘉定区矢量多边形边界图叠加统计了嘉定区各行政区划在 摘要 1 9 8 9 年一1 9 9 5 年、1 9 9 5 年- - 2 0 0 1 年以及2 0 0 1 年一2 0 0 6 年三个年份段间城 镇用地面积及其空问分布的变化情况，由此进行城市空间扩展分析。 关键词；嘉定区，城市扩展，土地利用，变化检测，遥感分类，人工神经 臃络，遗传算法 a b s t r a c t _ t h ed e v e l o p m e n to fu r b a ni st h ef o c u so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh u m a na n d l a n db e c a u s eu r b a ni st h ed e n s d ys y n t h e s i sf o rp o p u l a t i o n ，r e s o u r c e , e n v i r o n m e n t a n ds o c i a le c o n o m ye l e m e n t s t h ec o u r s eo fi n d u s t r i a l i z a t i o ng r o w ss t e a d i l y , e c o n o m yd e v e l o p sr a p i d l y , al a r g ea m o u n to f p o p u l a t i o ni n c r e a s e sb a s e do nu r b a n i t s e l fa n df l o o di n t of r o ms u b u r b a na n dr u r a l ，t h el i v i n gs t a n d a r do fp e o p l e i m p r o v e sc o n t i n u o u s l y , a n dp e o p l ea s p i r ea f t e rc r e a t u r ec o m f o r ta n da d v a n c e d s p i r a lc i v i l i z a t i o na tt h es a m et i m e a l lo ft h e s eh a v eu r g e du r b a nt oe x p a n d g r a d u a l l ya n da r ea b o u tt ou r g e w i t ht h eu r b a ne x p a n s i o n ，v a r i o u sr e s o u r c e sa r ee x p e n d e dr a p i d l y a sak i n do f f u n d a m e n t a la n de s s e n t i a ln a t u r er e s o u r c e s ，l a n di sd i r e c t l ya f f e c t e db yu r b a n e x p a n s i o n , e s p e c i a l l yi nt h ee d g ea r e ao fu r b a na r e a , a l lt y p e so fl a n d st r a n s f o r m i n t ou r b a na r e ai nv a r i o u sw a y sa st h eu r b a ne x p a n s i o n t os t u d yt h ep r o c e s so f t h et r a n s f o r m a t i o na n di t sd r i v i n gf o r c ee l e m e n t s ，j i a d i n gd i s t r i c to fs h a n g h a i w a st a k e na sa ne x p e r i m e n ta r e ai nt h ec a s es t u d y f o u rl a n d s a tt mo re t m + i m a g e so fj i a d i n gd i s t r i c tw f f r ec h o s e na sd a t as o u r c ef o rr e m o t es e n s i n g c l a s s i f i c a t i o nt og e tl a n du s ei n f o r m a t i o n t h ec h a n g ea n dt h et r a n s f o r m a t i o no f t y p e so fl a n du s ei nj i a d i n gd i s t r i c tf r o m1 9 8 9t o2 0 0 6h a v eq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e di nt h et h e s i st h r o u g ht h es t a t i s t i ca n a l y s i sa f t e ro v e r l a y i n gt h ei m a g e s f r o mc l a s s i f i c a t i o nf o rj i a d i n gd i s t r i c t t h r o u g hg e t t i n gt h er e s u l t sf r o m c l a s s i f i c a t i o n a n dn d b i m o r m a l i z e dd i f f e r e n c eb a r r e ni n d e x ) t o g e t h e r , t h em a p p l o t so fu r b a nl a n du s eo fj i a d i n gd i s t r i c th a r eb e e nd i s t i l l e d ，a n dt h e nt h e i r a c r e a g ew e r ea n a l y z e da n dt h ec h a n g e si nq u a n t i t yo fu r b a ne x p a n s i o na n dt h e p a t t e r no ft h ec h a n g e si ns p a t i a ld i s t r i b u t i o ni nt h ey e a ri n t e r v a l sf r o m1 9 8 9t o 1 9 9 5 ，f r o m1 9 9 5t o2 0 0 1a n df r o m2 0 0 1t o2 0 0 6w e r ea l s ok n o w nu n d e rt h e s t a t i s t i ca n a l y s i si nt h i st h e s i s t h em a i nd r i v i n gf o r c e sc a u s i n gu r b a ne x p a n s i o n i nj i a d i n gd i s t r i c tf r o m1 9 8 9t o2 0 0 6w e r ef i n a l l ya n a l y z e dw i t ht h ed a t aa b o u t 1 1 1 d i s t r i c t se c o n o m y , p o p u l a t i o ne t c t h em e t h o d sa n dp r o c e s s e so fg e t t i n gv a r i o u st y p e so fl a n du s eb yr e m o t e s e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nh a v eb e e ne m p h a s i z e d b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t i e sw h i c h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sb a s e do ns t a t i s t i c a lp r i n c i p l eh a v ei nd i s t i n g u i s h i n gt h e o b j e c t sw i t hs i m i l a rs p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so nt h er e m o t es e n s i n gi m a g e r y c l a s s i f i c a t i o n ，a n db e c a u s eo ft h es h o r t a g e sw h i c ht h eb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r km e t h o dh a si ns u f f i c i e n c ya n dc o n v e r g e n c e ，an e wm e t h o db a s e do n n e u r a ln e t w o r kw i t ho p t i m i z a t i o nb yg e n e t i ca l g o r i t h m sf o rr e m o t es e n s i n g i m a g e r yc l a s s i f i c a t i o nh a sb e e np r o p o s e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h eb p n e u r mn e t w o r kc l a s s i f i c a t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o n so fo p t i m i z i n gb yg e n e t i c a l g o r i t h m st h a tt h en u m b e ro fn e r v en o d e so fb pn e u r a ln e t w o r k sh i d el a y e r , t h e t h r e s h o l d so fa l ln e r v en o d e sa n dt h ec o n n e c t i o nw e j i g h t sb e t w e e nn e r v en o d e s h a v ee l a b o r a t e di nt h et h e s i s w i t ha l t e r a t i v el e n g t ho ff l o a tc o d ef o rg e n e t i c a l g o r i t h m s ，t h ea p p r o a c ho fg e n e r a t i o nh a sa p p r o v e dt oo b t a i nb e s tb pn e u r a l n e t w o r k a f t e rt h a t b e t t e rr e s u l t sf r o mc l a s s i f y i n gb yt h eb e s tb pn e u r a ln e t w o r k h a v eb e e ng o t t e n t h ep r o c e s sa st h em e t h o do fd e t e c t i n gc h a n g e so fl a n du s e w e r ea l s ol a b o r e di nt h i st h e s i s ，a n dw i t ht h i sm e t h o d ，t h en u m b e r sa n dt h ew a y s o ft r a n s f o r m a t i o n sb e t w e e na l lt y p e so fl a n du s eo fj i a d i n gd i s t r i c tw e r e o b t a i n e db ys t a t i s t i ca n a l y s i s t h ec o n d i t i o n so ft h ec h a n g ea n dt r a n s f o r m a t i o no f a 1 1t y p e so fl a n du s ei nj i a d i n gd i s t r i c tf r o m1 9 8 9t o1 9 9 5 ，f r o m1 9 9 5t o2 0 0 1 ， a n df r o m2 0 0 1t o2 0 0 6w e r ed e t a i l e d t h ec h a n g eo ft h ea c r e a g ea n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o no f u r b a nl a n du s ef r o m1 9 8 9t o2 0 0 6h a sb e e nr e g i o n a l l ya n a l y z e dt o s t u d yu r b a ns p a t i a le x p a n s i o nt h r o u g ho v e r l a y i n gb e t w e e nr a s t e ri m a g eo fu r b a n l a n du s ea n dv e c t o rm a po fv e r g ep o l y g o no fj i a d i n gd i s t r i c t k e y w o r d s ：j i a d i n gd i s t r i c t ，u r b a ne x p a n s i o n ，l a n du s e ，c h a n g ed e t e c t i o n ，t h e r e m o t es e n s ec l a s s i f i c a t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m s i v y 1 0 3 1 6 2 5 申请同济大学理学硕士学位论文 基于r s 和g i s 城市扩展动态研究 ( 国家自然科学基金资助编号：4 9 9 7 1 0 3 1 雨j4 0 3 0 1 0 4 3 ) 培养单位：土木工程学院 测量与国土信息工程系 一级学科：地理学 二级学科：地图学与地理信息系统 研究生：张学 指导教师：刘妙龙教授 童小华教授 二o o 七年一月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 筠墨筠萨窿k 寺7 年；月细 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学雠文储躲瓤 可刁年 月j ， 日 第1 章绪论 i i 研究背景和意义 第1 章绪论 城市是人口、资源、环境和社会经济要素高度密集的综合体，其中心聚集 作用使其本身具有强大的生命力，并不断向四周扩大发展。这种扩大发展是一 时问上的动态过程，体现在它的自然、经济、人文等要素上的发展具有时间上 的阶段性、顺序性和不可逆性。同时城市的扩展表现为在某一发展阶段空间格 局的变化，有其特殊的空间性。而所谓的城市化即是城市由于社会生产力的发 展而引起的城市空间增长、城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程【l 】。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，而城市空间是指城市占有的地域空间，更多地属于地理概念而非行政 概念，是以非农业用地和非农业经济活动为主体的建成区【2 j 。 1 8 世纪中叶以来，随着工业革命的推进，世界城市化进程逐步加快，极大 地推动了社会进步，促进了社会经济发展，使城市成为了社会政治、经济、文 化科技和对外交流动中心，成为了促进人类文明发展的主要动力；另一方面， 城市化又造成城市规模急剧扩大、城市内部出现城市病和城乡发展失衡等一系 列问题。城市化的发展必然造成城市空间扩展，城市用地扩张，城市人口增 加，同时，城市的协调发展问题又加深了人们对城市空间生长扩展规律的认 识。也就是因为这些问题，城市扩展特别是城市边缘区土地利用，土地覆盖变化 过程、交通状况、人口分布、经济产业格局机制，成为国际城市地理、土地利 用等研究领域的热点问题之一。 城市扩展研究一直都是城市研究的主要领域，人们试图藉此分析、揭示城 市用地形成和演化的内在和外在驱动机制，比较不同类型城市扩展的特征差 异。我国从8 0 年代后期开始就有大量的研究进行，其中包括城市形态分类、 演变阶段、城市扩展方式和速度、城市扩展的主要影响因素，城市扩展预测和 模拟等。目前，国内外对城市扩展的研究主要集中在以下三个方面：一是研究 城市扩展的规律及形式；二是城市扩展的驱动力机制的分析研究，即分析推动 第1 章绪论 城市地域扩展的原因是什么；三是针对城市扩展所应采取的措施p 】。 关于城市扩展模式，杨荣南、张雪莲【4 】认为城市空间扩展的模式有四种， 即同心圆式、带状式、跳跃式和低密度连续蔓延式；顾朝林，陈振光【3 】则认为 应是圈层式、飞地式、轴问填充式和带形扩展式，扩展形式则为轴向扩展和外 向扩展。有关城市扩展的主要影响因子方面，史培军 5 1 等采用缓冲区的方法研 究城市扩展与交通干线的关系，并通过逐步回归分析，解释影响城市扩展的内 在因素的作用机制：用缓冲区的方法探讨城市扩展是一种比较理想的方法，但 它只限于模式研究，要定量化还得借助其他方法。 在城市扩展机制研究上，国外对城市扩展的驱动力机制的研究较多。美国 的c l u m pb 和f i n n i et w 1 6 早在1 9 6 7 年就利用两个试验区域来研究城市扩展 的动力因素，一个是一般服务区，一个是都市服务区，结论认为城市以其优越 的教育、医疗、交通、就业等条件吸引着人口的进入，而都市越大这种吸引力 越大，最后造成城市的循环递进扩张。加拿大的p i e r c e 【7 j 经对加拿大境内人 口在2 5 0 0 0 人以上的城市扩展现象进行研究，认为城市扩展的动力包括城市人 口的增长、该地区的经济发展水平、城市所在地区域、城市周围农田的肥沃程 度等。持类似观点的学者还有美国的m e e o n n e l l i 酊，b r u e e k n e r t 9 】和日本的a k i h i s a n i n o m i y a 1 0 1 等人，其中a k i h i s an i n o m i y a 在对雅加达、马尼拉、汉城、东京等 几座城市研究发现一个共同的特征，认为城市扩展与该城市经济发展水平、城 市的优越的地理位置有关。国内对城市扩展的动力机制众说纷纭，有人认为产 业集聚产生韵乘数效应，为城市提供了巨大的就业机会，吸引了大批人口，从 而导致各类用地的增加，并致使城市在平面上表现为空间蔓延【l ”；有人认为交 通的发展促进了城市空间扩展并改变了城市的外部形态，是城市空间扩展的牵 引力1 1 2 1 ；也有人觉得政策与规划对城市扩展的影响也不容忽视【1 3 l ，但普遍认为 我国城市扩展的机制是“工业导向型”，针对不同城市的边缘带其具体机制又 不相同。 土地利用动态监测是城市扩展遥感研究中最重要、最基础的一部分，也是 深入研究城市各个方面必不可少的环节。对于土地利用动态监测和宏观或区域 性的城市扩展研究，实时可靠的土地利用变化信息是非常重要的，通过经常性 地获取大量详细的区域土地利用变化数据，可以对区域土地利用的变化范围、 大小、时间、速度、特征和趋势等基本参数进行细致分析，这是城市扩展研究 和土地利用动态监测的重要基础。在研究城市扩展过程中，早期采用的主要方 第1 章绪论 法有：比较法、历史法、考古分析法和访问调查法。在这些方法中，城市形态 和城市扩展的信息主要来源其一是城市地图，如罗海江【1 4 1 利用历史地形图和历 史资料记载勾勒出北京和天津的城市核心区范围，进而求得城市面积，通过不 同时期城市面积的比较来探讨城市扩展；二是通过传统的野外测量及地面调查 方法获取。由于受城市地图和土地利用图更新周期的限制，采用这些方法进行 城市扩展和城市边缘带土地利用变化的研究越来越不能满足研究对数据源的实 时、准确的要求，使定量进行城市形态、结构和城市扩展规律及扩展机制的研 究很难进行。 近年来，随着地理信息技术、卫星遥感技术、空间定位技术、测绘和数据 处理技术等一系列的空问数据和信息采集、量测、处理、分析、管理、存储技 术的不断发展，有关土地利用变化动态监测的基础数据来源多样化趋势越来越 明显，所获得的数据的分辨率、精确度和可靠性不断增强，处理和管理手段日 渐先进。 现在对城市边缘区和城市扩展进行研究主要是采用遥感数据进行的，包括 航天遥感和航空遥感数据。航天遥感可以提供不同空间分辨率和时间分辨率的 遥感数据，从而可进行不同空间和时间尺度的变化监测。已有很多研究是应用 遥感数据进行城市扩展和城市边缘带土地利用变化进行的。关于遥感在城市扩 展方面的应用研究将在接下来两节中展开介绍。 1 2 城市遥感技术发展 遥感作为一门综合性技术，虽然是上世纪6 0 年代提出来的，但已渗透到 国民经济建设的各个领域，发挥着越来越重要的作用。随着传感器技术、遥感 平台技术、数据通信等相关技术的发展，现代遥感技术已经进入了一个能够动 态、快速、准确、多手段提供对地观测数据的新阶段，同时遥感信息处理的理 论研究也有了重要的进展。国际上相继推出一批高水平的遥感影像处理商用软 件，所有这些都为遥感技术的应用奠定了坚实的基础。目前，遥感技术已经被 广泛地应用于土地利用、作物估产、资源调查、环境监测以及区域分析等研究 领域。 遥感技术作为一种快速获取城市现状基础资料的重要手段，已经在城市调 查、监测、城市规划与管理中占有重要地位。遥感应用于城市环境研究最早是 第1 章绪论 从1 9 5 8 年法国用装载在气球上的相机拍摄了巴黎市的像片开始的。到上世纪 8 0 年代，随着传感技术和航天技术的发展，应用航空像片和卫星影像进行城市 专题研究也日趋成熟。大量彩色、热红外遥感技术被应用于城市扩展分析、城 市环境监测与评价以及城市化进程评估等诸多方面。我国从上世纪7 0 年代末 到8 0 年代初，有些城市就开始谋求应用航空遥感技术监测环境，调查土地资 源和进行城市规划管理的尝试。1 9 8 0 年天津市在环境遥感监测中对大气、水 体、土壤、交通、植被、土地利用等多方面进行了比较系统的分析、评价，并 且初版了环境质量地图集，为天津市政建设、防治海河污染、规划公路立交 桥、检查绿化植被成活率、监测海港淤积和沿海开发等诸多市政工程问题，提 供了遥感图件等数据。1 9 8 3 年，北京市组织了规模宏大的航空遥感综合调查 ( 8 3 0 1i 程) ，遥感结果成功地被应用于旅游和土地资源调查监测等方面。从 1 9 8 5 1 9 9 5 年之间，太原、沈阳、广州等9 0 多个大中城市都陆续进行了彩红 外航空遥感，对城市化与生态、环境问题进行了比较深入的调查研究。上海市 利用多时相t m 卫星影像分析了城市土地利用变化、热岛效应和绿化率。洛 阳、宜昌和常州等中型城市也得到了世界银行的资助，利用航空遥感及s p o t 卫星影像数据，为城市规划和基础设施建设提供了参考图件和数据。1 9 9 9 年国 土资源部对全国6 6 个城市的土地利用覆盖进行了动态监测，了解了各城市的 土地利用覆盖状况以及由于城市扩展而被侵占地耕地数量，为今后我国城市的 发展提供了有力的参考。总体上看，上世纪9 0 年代以后，中国城市遥感开始 向纵深发展。其趋势是追溯城市化的过程和演变历史，探索城市发展的动向， 为制定城市发展规划提供科学依据1 1 ”。 1 3 城市扩展动态监测的遥感研究 城市地域空间扩展是衡量城市化水平的主要测度指标【i 】。利用遥感( r s ) 和地理信息系统( g i s ) 等空间信息技术进行城市时空扩展监测和动态模拟分 析是城市遥感的主要应用方向【l “。许多城市早期利用航空遥感资料进行解译， 这种方法虽然较常规方法在资料准备和可比性上有较大进步，但仍耗资巨大。 随着航天遥感技术的发展，传感器的时空分辨率和光谱分辨率的不断提高，卫 星遥感影像逐渐成为城市扩展和城市化研究的主要资料来源。利用遥感数据进 行城市扩展的研究，主要是利用遥感影像分类提取城市各城镇土地利用类型信 第1 章绪论 息，得到分类图像，将分类图像进行图层叠加和比较，量算出城市面积，根据 城市面积的变化来研究城市扩展。在城市土地利用动态监测的基础上，结合经 济、人口等多方面的辅助信息作为参考进行城市扩展分析和城市化研究是目前 最主要也是最有效的方法之一。 国内外的许多城市都已经利用遥感技术进行城市扩展动态监测和城市化进 程等方面的研究。戴昌达【l - q 等利用t m 遥感数据对北京市采用遥感影像分类与 目视判读相结合的方法提取不同时期的城市边界，然后进行叠合嵌套得到城市 扩展信息；潘卫华【i s l 等也通过对泉州1 9 8 9 年和2 0 0 0 年t m e t m + 影像的遥感监 测，利用仿归一化植被指数和计算机监督分类提取了泉州在1 1 年中的城区空间 扩展信息，并分析出泉州市的扩展方式是低密度蔓延和沿条带状扩展相结合 的：盛蝌例等人对不同时相的t m 图像进行非监督的变化检测，得到二值化变 化专题图，然后利用原始资料和调查数据对第二个时相的图像作监督分类，最 后利用变化专题图与分类专题图叠加分析获取城市扩展情况；万从容【2 0 】利用多 源数据融合的技术方法，结合城市发展态势图对上海城市边缘界定及城市发展 速度进行了分析：黎夏等 2 1 1 利用卫星遥感技术有效地监测量珠江三角洲的城市 扩张过程，并通过熵的计算定量地描述了城市扩张的空问规律和扩散过程；汪 小钦【捌采用遥感和地理信息系统一体化技术，以福清市为例，对城市时空扩展 进行动态监测和模拟，并结合区域社会经济统计数据，展开城市扩展特征分布 和动力机制分析；程效东【2 3 】等以马鞍山市城区为例来研究城市用地扩展规律， 运用r s 与g i s 集成方法获取过去不同时相的城市实体范围和面积，分析不同时 段的城市扩展过程；李晓文【2 4 】等基于多时段t m 遥感影像资料，对上海地区城 市扩展总体的空间行为特征进行了分析，同时运用缓冲分析法对上海市区及周 边主要区镇城市用地扩展的时空特征进行了分析和比较；此外，陈素型2 5 】综合 应用遥感和地理信息系统技术，以厦门市1 9 8 8 年、2 0 0 0 年t m 遥感影像为基 础，试验了多种两个时相影像的复合变换方案，生成厦门城市拓展图，既而引 入分维度、圆度，构造了接边指数等，从格局与数量两个角度定量分析了厦门 城市拓展的图斑特征。m u n d i ac n 【2 6 】和t a r a b z o u n i l 2 7 】运用三个不同时相的遥感 影像和社会经济数据分析奈洛比市的土地利用覆盖动态变化和城市扩展的过 程，并结合使用地形、地质和土壤信息，利用g i s 方法分析土地利用变化可能 的时空动态因素；m a s e k ，l i n d s a y 和g o w a r d i 2 s 】在利用n d v i 差值法对华盛顿区 进行城市扩展研究过程中利用了空问纹理信息和通过设定一定的限制条件剔除 第1 章绪论 农业用地的变化信息，准确地提取出城市扩展区域。 目前，研究城市扩展常用的变化信息提取方法主要有：一是目视解译方 法，如陈宁强【2 9 】等利用两时相的t m 影像对苏州、无锡、常州三市土地利用进 行动态监测，利用人机交互式方法解译遥感图像，并将多时相遥感图像进行叠 加，最后利用地理信息系统软件进行各种分析和图件输出。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，同时需要解译人员有较高的遥感 解译知识与经验。再者就是有分类后对比法，分类后对比法是对各时相遥感影 像分别进行分类，对分类结果进行比较分析，获取土地利用变化信息，这是一 种目前为止最为常用的方法，国外也有很多学者基于这种方法进行了众多的研 究【3 0 1 1 3 。国内的戴昌达、唐伶俐应用北京地区1 9 8 7 年到1 9 9 2 年4 景t m 影像，获 取试验区8 年间的城镇用地等方面的动态变化情况，并快速制出城市扩展变化 的系列图件。范作江等采用遥感与地理信息系统相结合的技术方法，以北京十 年城市扩展为例，研究城市扩展，采用分类后对比法，获得城市实体扩展范 围，并与同时期的城市专题图叠加，研究了不同时间城市扩展的特点。在对绍 兴市城镇用地扩展的研究中，沙晋吲”】等针对不同城区，采用不同的图像处理 技术，获取不同时期的城镇边界范围，从而监测了1 9 8 9 1 9 9 6 年城镇用地扩展情 况。分类后对比法可以直观的检测出变化区域的土地利用类型与范围，但多次 单独分类的误差形成累积误差，使得监测总精度受到一定的影响。 此外，随着数据源的增加、应用范围越来越广和高分辨率遥感影像的出 现，人们探索出多种方法用于城市扩展动态监测研究，譬如影像比值，差值法 3 3 1 、主成分分析法【蚓【”1 、影像融合法( 光谱特征变异法) f 3 6 1 、植被指数法等。 用于城市扩展动态监测研究的遥感数据也有多种形式，如l a n d s a tm s s 、 l a n d s a tt m e t m + 、s p o t 、q u i c k s i r d 、i k o n o s 、l i d a r 或者多种数据相结合。 其中l a n d s a tt m e t m + 和s p o t 因其具有较高的空间分辨率( 分别为3 0 m 和1 0 m ) 和相对低的成本而被广泛应用于城市土地利用计算机分类。遥感影像的分类方 法多种多样，关于遥感分类方法方面的介绍，本文的第3 、4 两章将会详细的阐 述。 1 4 本文主要内容 本文以上海市嘉定区整个区域为研究对象，以遥感分类提取为主要的获取 第1 章绪论 数据的手段，结合嘉定区的人口、经济等统计信息，定量地分析嘉定区从1 9 8 9 年2 0 0 6 年土地利用的变化情况，分析该区域城市扩展进程的规律。文章着重 介绍了土地利用信息的遥感分类提取方法，并利用分类提取的数据结合其它统 计数据分析研究区城市扩展情况。内容包括以下几个部分： 1 本文第一章首先介绍城市扩展的研究背景，包括城市扩展研究的意义 和国内外对城市扩展模式、驱动力机制和城市扩展分析方法的研究情况，然后 在介绍用于城市研究的遥感技术之后，文章将论述遥感技术应用于城市扩展和 土地利用变化动态监测的一些方法。 2 本文第二章从研究区的自然、人文、经济等方面介绍上海市嘉定区的概 况，然后介绍研究所需数据准备，包括遥感影像分类提取前影像数据的准备和 其它数据的准备，说明本文研究使用到哪些数据。 3 本文第三章将着重介绍遥感影像的分类方法。首先介绍遥感影像分类 的常规方法，包括非监督分类和监督分类方法等基于统计原理的分类方法，而 后针对传统的统计分类方法难以分辨波谱特征相似的地物等方面的不足，本文 将运用人工神经网络方法进行遥感影像的分类。由于神经网络存在收敛速度 慢、局部收敛等收敛性问题，本章在介绍神经网络遥感分类原理后，接着将介 绍一些神经网络的该进方法，并运用遗传算法优化神经网络，本章将着重阐述 运用遗传算法优化神经网络用于遥感分类的原理、实现方法和步骤。 4 本文第四章先以研究区某一时相的遥感影像分类作为试验分类，通过 分类精度评价和结果数据的统计分析，证实本文所采用的遗传算法优化神经网 络的分类方法相对于基于统计原理的传统分类方法和一般的b p 神经网络分类 方法有更高的分类精度和可靠性，接着基于这些优势，采用该方法对研究区不 同时相的遥感影像进行分类，然后检测和详细分析了研究区在所研究的时间段 内土地利用动态变化情况。 5 本文第五章运用遥感影像分类所得结果和仿归一化植被指数法提取城 镇用地图，结合g i s 矢量图详细分析了研究时段内研究区城镇用地扩展的数量 变化情况和空间结构变化情况，然后结合嘉定入口、经济等方面的统计数据分 析城市扩展变化的驱动因素，以及这些变化所带来的影响和相应的对策建议。 6 本文最后总结全文，包括研究过程中从遥感分类、土地利用变化检测 到城市扩展模式及驱动力因素等方面得出的一些结论和受到的启发，并提出一 些展望。 第2 章研究区概况和数据准备 第2 章研究区概况和数据准备 本文的城市扩展研究以上海市嘉定区为研究区域，以嘉定区4 个不同时相 的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像为主要的数据源，利用对遥感影像的计算机分类 提取获得嘉定区土地利用变化分类信息，以嘉定区的行政区划图、区镇边界等 专题数据作为辅助，结合嘉定区经济、人口等统计数据，分析近2 0 年来嘉定 区土地利用的变化规律，探讨其城市扩展演化模式及其驱动因素。在本章将要 介绍嘉定区的自然、人文、经济等概况和本文的研究所需做的数据准备。 2 1 嘉定区自然、人文、经济概况。 2 1 1 自然地理状况 嘉定区位于长江口南岸、上海市的西北部，中心位置北纬3 l o2 3 ，东经 1 2 1 。1 5 。东与宝山、普陀两区接壤，西与江苏省昆山市毗连，南襟苏州河， 与闵行、长宁、青浦三区相望，北依浏河，与江苏省太仓市为邻。全区总面积 4 6 3 9 平方公里，占上海市总面积的7 3 。嘉定全境地势平坦，东北略高，西 南稍低，平均海拔3 9 米。全区河道总长1 8 0 0 多公里，平均河网密度每平方公 里3 9 公里。市、区级河道藻浜、练祁塘、娄塘河横卧东西，向东流经宝山区 直通长江和黄浦江；盐铁塘、横沥、新槎浦纵贯南北，与吴淞江、浏河相连。 2 1 2 人文地理与交通状况 嘉定区前身为嘉定县。秦代属会稽郡娄县，隋唐时属苏州昆山县。宋嘉定 十年十二月( 1 2 1 8 年1 月) ，析两浙西路平江府昆山县东境的临江、平乐、安 亭、醋塘、春申5 乡置嘉定县，以年号为名，设治于练祁市( 今嘉定镇) 。嘉 定十一年八月，上述5 乡依次易名为依仁、循义、服礼、乐智、守信。今上海 大陆地区吴淞江( 故道) 以北为该时县境。建县以后几易隶属，曾隶苏州府、 太仓州、境域亦屡有变动。1 9 5 8 年1 月起由江苏省改隶上海市。1 9 9 2 年l o 月 。原始资料来源于上海市嘉定区统计局统计信息网( h t t p ：t j j j i a d i n g g o v c n ) - 8 - 第2 章研究区概况和数据准各 1 1 日，国务院批准撤销嘉定县，设立嘉定区，以原嘉定县的行政区域为嘉定区 的行政区域。1 9 9 3 年4 月撤县建区工作完成。至2 0 0 5 年底，全区共设8 个镇 ( 南翔镇、安亭镇、马陆镇、徐行镇、华亭镇、外冈镇、黄渡镇、江桥镇) ，3 个街道( 嘉定镇街道、新成路街道、真新街道) ，1 个工业区( 嘉定工业区) ，1 个新区( 菊园新区) 二f 设9 2 个居委会，1 6 7 个村委会，2 1 3 8 个村民小组。 至2 0 0 5 年，全区拥有户籍人口5 2 7 l 万人，其中：男性2 6 2 5 万人，女性 2 6 4 6 万人；非农业人口4 0 6 6 万人。现有总户数1 8 0 万户。人口密度( 按户 籍人口) 为每平方公里1 1 3 6 人。 嘉定区交通便捷。嘉定镇离上海市中心的人民广场3 0 公里，距虹桥国际 机场、上海火车站、张华浜国际集装箱码头均在2 5 公里左右。有铁路沪宁 线、沪杭外环线过境。南翔站是全国铁路特等编组站，也是上海铁路枢纽的心 脏，其综合自动化程度为国内一流。境内公路总长1 0 0 0 多公里。主要公路沪 宁高速公路( a 1 1 ) 、沪嘉浏高速公路( a 1 2 ) 、沪宜公路( 属2 0 4 国道) 、曹安公 路( 属3 1 2 国道) 和宝安公路和嘉松北路( 均为市道) 等。有内河航道2 0 条，通航里程2 1 3 公里，其中境内市级航道蕴藻浜长1 7 7 公里。 2 1 3 经济概况 嘉定区国民经济连年持续、快速发展，经济结构调整不断深化，两且保持 着活跃的增长势头。据2 0 0 5 年统计数据，嘉定实现国民经济增加值4 1 0 7 亿 元，按可比价格计算，比2 0 0 4 年增长1 9 1 。其中：第一产业实现增加值2 5 亿元，比2 0 0 4 年下降1 8 o ；第二产业实现增加值2 8 0 9 亿元，比2 0 0 4 年增 长1 9 1 ，其中实现工业增加值2 6 5 4 亿元，增长1 9 o ；第三产业实现增加值 1 2 7 3 亿元，比2 0 0 4 年增长2 0 3 。各项经济指标在全市1 9 个区县位居上游水 平，见表2 1 、表2 2 所示： 表2 12 0 0 5 年嘉定经济在市郊区县的排位 区县级财工业总社会消费品城乡居民 单位增加值合同外资 政收入产值零售总额储蓄存款 嘉定 3 43 32 4 宝山 4172 7 2 松江 23l446 闵行 l221 l l 青浦 554757 南汇 6665 3 3 釜! 童墼窒暨堡堡塑垫堡堡鱼 ( 续表) 区县级财工业总社会消费品城乡居民 单位增加值合同外资 政收入产值零售总额 储蓄存款 奉贤 775865 金山 888688 崇明 999 999 表2 22 0 0 5 年市郊区县主要经济指标 区县级财政社会消费品零城乡居民储蓄 增加值工业总产值合同外资 收入售总额存款 单位亿元 士 亿元 士 亿元 士 亿元 士 亿美元 士 亿元 士 嘉定 4 1 0 7 1 9 1 5 7 8 3 9 41 3 2 2 32 0 11 4 2 o2 0 19 - 31 7 52 6 7 41 8 2 宝山 3 2 1 92 0 16 1 91 4 86 3 2 22 0 71 5 2 31 6 63 41 54 6 0 82 0 9 松江4 5 6 42 9 15 9 25 5 3 2 1 3 0 33 8 21 3 0 12 1 o9 12 0 31 7 8 62 7 3 闵行 4 6 1 42 2 96 1 91 4 81 5 0 8 84 5 51