我国近20年来城市化制图-

1、2012年 第57卷 第16期:1388 1399 中国科学杂志社SCIENCE CHINA PRESS论 文专题: 中国环境变化遥感中国19902010年城市扩张卫星遥感制图王雷, 李丛丛, 应清, 程晓, 王晓昳, 李雪艳, 胡娈运, 梁璐, 俞乐, 黄华兵, 宫鹏* 中国科学院遥感应用研究所, 遥感科学国家重点实验室, 北京 100101; 清华大学地球系统科学研究中心, 地球系统数值模拟教育部重点实验室, 北京 100084; 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院, 北京 100875 * 联系人, E-mail: penggong 2011-12-13收稿, 2012-03-30

2、接受国家自然科学基金(41001275、遥感科学国家重点实验室自由探索/青年人才项目(10QN-04和国家高技术研究发展计划(2008AA121702, 2009AA12200101资助摘要 根据同一数据源的陆地卫星TM 和ETM+影像, 首次从1990, 2000和2010年基准年图像上以人工解译方法为主获得我国所有城市20年间建成区分布范围, 最后由专人按统一标准, 对照三期城市数据逐个修改完成并建立了中国城市扩展数据库. 结果表明我国城市化在过去20年间呈指数增长了2倍多; 我国城市建成区面积由1990年东北较高, 转变为2010年东南沿海的江苏、广东、山东、浙江领先的格局; 我国城市化

3、所占的土地主要来自耕地, 大约有17750 km 2的耕地被城市化, 而且21世纪最初10年比20世纪最后10年增加了近1.5倍; 20年来, 我国城市扩展速度最快的省份是江苏、广东、山东、浙江等. 对2009年超过50万人口的147座城市单位建成区面积的国民经济总产值和人口分析表明, 建成区经济效益高的城市由沿海城市辅以部分资源型内地城市组成, 而人口密度高的城市主要由内地资源型城市组成; 东部沿海省区建成区的经济效益低于中部和广东等省区. 这个数据库将对研究我国城市建成区变化规律及其对耕地和其他用地的转化趋势、模拟城市发展动态、研究城市发展与我国人口增长和迁移的关系以及与碳排放和气候变化的

4、关系、制定国家应对气候变化、国土资源利用以及城市规划与管理政策发挥重要作用.关键词城市扩展 土地利用 耕地转化 建成区面积城市是人类活动最聚集、土地利用强度最高的地表区域. 随着全球人口的不断增长, 大量乡村人口不断涌入城市, 使世界城市化进程不断加速1, 造成城市的不断扩张. 城市扩张在方便人类生活的同时, 也造成环境污染2、交通堵塞以及局部气候改变3, 从而对农业47、水资源8、自然环境9,10造成影响, 并加速疾病传播11,12, 给城市规划和管理带来多重挑战13,14. 因此, 及时掌握城市扩张范围、拥有一致的城市边界定义, 根据统一的标准, 使用同种数据资料获得城市扩张变化信息具有重

5、要的科学和管理意义. 但是, 关于城市的边界至今有多种定义方式15,16, 对于城市边界的提取多使用各种不同来源的资料17、城市提取方法也存在很大不同1824, 而且制图范围多基于单一或某一个区域的城市15,2534. 城市定义不一致性、制图方法差异性、资料和制图区域的时空不一致性等问题严重阻碍了城市扩张数据在气候变化模拟研究、区域和国家土地发展规划以及环境保护和公众健康政策制定中的应用. 因此, 有必要使用相对统一的资料、相对准确的方法、在相对一致的时间断面, 对大范围的城市扩张进行制图.中国自1978年改革开放以来, 经历了先期农村土地改革, 后期大规模城市化的过程. 这是一个农业 138

6、9大国经过农村生产力大发展之后, 走向非农业化过程的必然结果. 中国加速的城市化进程始于邓小平1992年在深圳和上海对城市特区和开发区的提倡. 到21世纪初, 中国的城市化规模达到人类有史以来最大程度, 全球建材生产量的一半以上用于中国的城市建设, 并且有预测认为这个势头将保持到2030年35. 按人口统计, 中国城镇化从1978年的19.7%发展到2010年的49.7%36,37. 与快速的城镇化过程相对应的是我国耕地资源的锐减, 已经威胁到我国的粮食安全问题. 但是, 城市扩张到底增加了多少? 层层上报的数据和直接用卫星观测获得的居住区建设数据有很大的差别21,38.高于100 m 空间分

7、辨率的卫星观测数据能够直观展示城市范围, 据此获得的城市范围数据相对客观. 运用得当, 可以避免在层层上报的数据中可能的主观修改. 因此, 有必要定期使用适当的卫星遥感资料对中国1990年以后全国的城市扩张状况进行制图. 本文收集三期30 m 空间分辨率的陆地卫星TM/ETM+遥感影像数据, 以人工解译城市边界提取方法为主, 对我国在2010年设置的共计663座城市的中心连片城区, 分别以1990, 2000和2010年为基准年进行城市边界制图, 初步分析我国城市扩张的幅度和速度、占用耕地情况以及城市扩张的经济 效益.1 制图方法本文对城市的制图范围设定在该城市政府机关所在地的建成区, 即实际

8、已成片开发建设, 市政公共设施基本具备的区域. 对于城乡结合带, 在不考虑被道路连接的情况下, 把间隔在5个像元(150 m以内的成片居民地划为该城市建成区39.城市用地构成复杂, 一般认为房屋、道路、市内绿化、市内水体、公园等是城市用地的一部分18,40. 在进行大区域城市制图时, 主要的困难如下: (1 遥感影像获取时间存在季节和年度的差异, 难以采用统一标准自动地提取城市土地类型; (2 人造建材种类多、差异大, 导致城市光谱存在很大不确定性, 这些不确定性难以用语言对制图规则进行有效描述, 造成多人联合制图结果的不确定性; (3 城市用地易与其他地物在光谱上混淆, 例如高密度的人造建筑

9、与裸地难以区分, 而低密度房屋建筑又会被其背景地物淹没; (4 一些大城市由于高度城镇化, 常常出现城中有乡村和农地的情况, 边界难以界定.虽然目视图像解译的方法比较耗费人力, 但是由同一组图像解译人员解译, 最后由一人统一审校修正是克服上述困难, 获取城市轮廓信息最准确的方法. 因此, 本次城市制图主要采取该方法. 得到城市的外轮廓之后, 轮廓线内的成片耕地、贯穿城市的河流、以及山体等由解译人员排除在外. 虽然地级以上城市所辖范围内众多的县城、建制镇等可能在规模和功能上与城市的开发区或市辖区相当, 但是由于缺少这些行政区的准确空间位置, 本次制图未包括这些不连片区域.我国城市数量共663个4

10、1,42, 其中包括31个 省、自治区、直辖市的654个以及香港、澳门和台湾省的7座城市. 本次制图, 城市名称依照2009年中国城市统计年鉴, 参考Google Earth 地图数据和中国分省地图册. 所有空间数据的投影及后续制图均采用Albers-Krasovsky 等面积投影.三期遥感数据分别以1990, 2000和2010年为基准年, 收集19861994, 19992002和20082010年陆地卫星Thematic Mapper(TM和Enhanced TM Plus(ETM+影像作为基础数据源. 数据主要来自免费数据共享网站 (

11、:8080/esdi/index.jsp, /NewEarth-Explorer/, 辅以10景 付费数据. 本次制图涉及到的3个时期共计600多景影像, 已经被USGS 或中国遥感卫星地面站进行过精确几何校正. 因此, 本次制图只针对在分析三期城市变化时有明显偏移的影像进行了几何校正, 例如河流明显偏移, 三期数据对应不上的情况, 我们以2000期的ETM+数据作为参考图像, 对存在几何偏差的1990和2010期的TM 数据进行校正, 在城市附近着重选取几何控制点, 选取控制点时在有城市的区域附近多选, 兼顾其他区域, 从而实现控制三期城市

12、的几何上误差在1个像元以内, 确保不影响城市的三期变化分析.目视解译时的工作平台是ESRI ArcMap 9.3.1, 遥感数据的空间分辨率为30 m, 采用543波段假彩色合成, 比例尺控制在1:5万以内. 三期城市的制图最初由3名具有较丰富图像解译经验的操作人员完成. 制图年份的顺序是2010, 2000和1990年. 制图时参照Google Earth 上的高空间分辨率(好于2.5 m影像. 以2010期城市制图结果为基础, 完成2000和2012年6月 第57卷 第16期 13901990期的制图工作. 把位于2010年边界内的主城区、开发区等较大建成区作为城市制图的内容. 为了降低制

13、图结果的不确定性, 由专人对三期城市结果进行汇总核查. 对于每个城市, 结合遥感影像数据查看三期边界, 对于不确定的区域结合Google Earth 高分辨率图像进行了确认并修改.对城市化严重且较复杂的北京、上海和东莞, 采用计算机自动制图的方法实现对居民地信息的提取4345. 由于上述3个城市扩张范围已经不局限在市辖区, 我们对制图范围明确如下: 北京市的制图范围包括北京市辖区、昌平县、顺义区、通州区和大兴区, 位于TM/ETM+影像的123/032和123/033轨道号中; 上海的制图范围包括上海市辖区(不包括岛屿部分 、嘉定区、青浦县、松江区、闵行区和南汇县, 位于118/038和118

14、/039轨道号中; 东莞市的制图范围为东莞市全境, 位于122/044轨道号中. 在分类过程中训练样本选取有4大类, 分别是居民地、水体、裸土和植被, 在4大类的基础上根据地物光谱表现不同进一步划分了一些子类, 每个小类选取3个左右个多边形作为训练样本; 分类方法采用最大似然法监督分类; 根据90 m 的SRTM 高程数据, 计算每个像元的坡度信息, 再重采样到与分类影像相同的分辨率尺度(30 m; 利用分水岭分割算法对影像进行分割, 并合并像元数小于10个的斑块到其最相似的邻近斑块中; 统计斑块内坡度小于5°的像元超过50%的比例, 以及居民地类别超过50%比例的斑块, 认为其为居

15、民地斑块. 我们在上述用到的每景影像中, 分别选取了10片居民地和非居民地区域作为验证区域, 15景中的总体精度90%以上. 在分别完成三期自动制图的基础上, 根据我国城市在19902010年间处于扩张状态的基本假设, 我们利用2010年的结果对2000年和1990年的结果进行限制, 同时利用2000年的结果限制1990年的结果, 减弱自动分类带来的不确 定性.图1显示所使用影像数据的年份分布情况, 柱上数字表示基于该年数据完成制图的城市数量. 理想状况是每年可以有足够数据实现当年的城市制图. 但是, 由于云的影响、获取数据的费用等限制, 无法选用同一年的数据. 因此只能选择基准年最近年份的数

16、据. 663个城市在1990期主要分布年份是19871992年, 共有628个; 2000期图像集中在19992002的4年中; 2010期分布在20082010年, 其中利用2009年进行制图的城市为488个.2 城市制图准确度分析本次制图跨越年代长、空间范围大, 难以对每个城市图像解译结果进行实地验证. 但是, 高分辨率图像目视解译的结果常常被用做实地考察结果的替代品. 参与本次制图的解译人员在对TM 或ETM+图像进行解译时, 已经尽可能参考Google Earth 上的高分辨率影像(空间分辨率优于 2.5 m. 为了更加客观地了解本次制图的质量, 选择没有参与TM 或ETM+图像解译工

17、作的其他人员, 基于有Google Earth 高分辨率图像的区域, 随机抽取5%的城市, 解译出新的城市轮廓. 将解译结果和基于TM 和ETM+的数据进行对比发现, 在对城市范围理解一致的情况下, 面积差异在10%之内. 一般从TM 或ETM+图像上获得的解译结果比在高分辨率Google Earth 影像上解译的面积偏高. 造成这一情况的原因有: (1 混合像元导致的勾绘边界不如高分辨率图像解译结果精确, 造成图1 1990, 2000和2010三期城市制图所用遥感影像的年份统计 1391边界略有扩大; (2 待开发的裸地在TM 或ETM+上由于光谱的混淆, 更易于被解译成建成区; (3 城

18、郊过渡带与城区接近的乡村在TM 或ETM+图像上由于空间分辨率较低的原因更易于被划入城区; (4 在长江三角洲冲积平原上河网密集区由于居民沿水而居, 难于确定城郊边界, 造成一定城区扩大化(图2(d. 图2显示TM 图像解译的呼和浩特、绍兴、深圳、成都边界套在日期相近的Google Earth 高分辨率影像上, 表明解译结果是可信的.3 全国城市制图结果分析图3显示了三期中国城市建成区面积的分省统计结果. 从图中可以看到, 1990年, 全国城市建成区面积最高的5个省市依次是北京、辽宁、山东、江苏、广东; 2000年时, 城市建成区面积排名前5的省份依次是广东、山东、江苏、北京、辽宁; 而到2

19、010年新的城市建成区面积按省排序变成江苏、广东、山东、浙江、北京. 东北老工业基地的城市建设的领先地位, 在20年间逐步让位给东南沿海省份. 全国城市建成区面积在20年间由1990年的12252.9 km 2, 发展到2000年的21847.64 km 2, 再到2010年的40533.8 km 2. 2000期较1990期增长了78.3%, 2010期较2000期增长了85.5%. 这一结果显示我国城市增长保持了指数增长趋势, 我国在19902010年的20年间城市建成区面积增量是我国截止1990期城市建成区面积总和的2.31倍.图46分别显示了1990, 2000和2010三期城市建成区

20、面积分级和分省统计分级结果. 图4中展示1990期时只有4个大于200 km 2面积的城市, 在50200 km 2之间的城市个数是44个, 占全国城市总数7.24%. 当时全国超过1000 km 2建成区面积的省份只有北京, 但北京是几个区域内所有居民地的统计结果. 到2000期时, 全国大于200 km 2面积的城市个数增加到14个, 在50200 km 2之间的城市个数是71个, 占全国城市总数12.82%, 超过1000 km 2建成区面积的省份增加到7个. 到2010期时, 全国大于200 km 2面积的城市个数增加到43个, 在50200 km 2之间的城市个数是129个, 占全国

21、城市总数25.94%, 超过1000 km 2建成区面积的省份增加到13个.图7显示了19902000年和20002010年城市扩张面积和城市扩张占用耕地的分省统计结果, 其中耕地图采用全国1990年土地利用/覆盖数据(1:10万37. 总体来说, 19902000年期间, 城市扩张面积约9601.54 km 2, 其中占用耕地约5130.41 km 2, 约有53.4%的城市扩张占用的是耕地资源. 20002010期间, 城市扩张面积约18376.74 km 2, 其中占用耕地12619.94 km 2, 约有68.7%的城市扩张占用的是耕地资源. 特别从占用耕地绝对量上看, 后10年较前1

22、0年我国城市扩张占用耕地面积增加了 1.46倍. 从分省统计看, 19902000年期间, 城市扩张面积最大的5个省份依次是广东、山东、江苏、浙江和辽宁, 而同期占用耕地最多的依次是广东、山东、江苏、浙江和上海. 而20002010年期间, 城市扩张最大的5个省份依次是江苏、山东、浙江、广东和北京, 而同期占用耕地最多的依次是江苏、山东、浙江、广东和北京. 20年来江苏、山东、广东和浙江城市化增量最高, 占用耕地最多的省份是江苏、山东、广东和浙江等省.19902010年期间, 中国城市的发展速度有很大差别. 永城、慈溪、上虞、晋江、昆山、富阳、张家港、诸暨、即墨等9个城市面积增加了20倍以上,

23、 主要分布在中国东部的江苏、浙江和山东. 东兴、义乌、江阴、福清、宁波、余姚等19个城市扩大了1020倍. 衢州、绍兴、宿迁、常熟、苏州、厦门、上海、南京等66个城市扩大了510倍. 图8显示19902010年的20年间城市扩张的速度分布. 由图可见, 中国高速发展的城市多数集中在江苏、浙江、山东、广东、福建、四川等省. 而我国东北的老工业基地虽然在1990年前城市化程度在全国较高, 但是过去20年间建成区扩展相对较慢. 同样, 除四川省之外, 中部和西北地区城市发展也比较缓慢. 此外, 我国台湾和香港等地区城市扩展速度都比较缓慢.4 城市用地效益分析收集同期城市人口和国民经济总产值(GDP数

24、据, 分析2009年城区人口超过50万人的147个城市(即大型及以上城市的建成区的人口承载力和单位面积GDP 情况. 三期建成区面积、人口和GDP 列入见表S1, 人口和GDP 来源于中国城市统计年鉴和中国城市建设统计年鉴. 将三期人口密度求平均可得, 人口密度从1990年的1.36万人/km 2, 下降到2000年的0.99万人/km 2, 到2009年的0.89万人/km 2. 反映居民拥有的人均建成区面积有所增加, 间接反映人均居住面积的增加, 是居民生活有所改善的一个侧面. 而平均G D P 水平从1990年的 2012年6月第57卷第16期1392 图2 TM图像解译结果套在Goog

25、le Earth图像上的一致性(a 呼和浩特市三期解译结果套在1987年9月15日TM标准假彩色波段组合图像上; (b (a中2010期解译结果(2009年7月25日套在2009年8月31日Google Earth高分辨率影像上. (c 绍兴市三期解译结果套在1991年7月23日TM标准假彩色波段组合图像上; (d (c中2010期解译结果(2009年1月13日 套在2010年1月14日Google Earth高分辨率影像上. (e 深圳市三期解译结果套在1990年10月13日TM 标准假彩色波段组合图像上; (f (e中2010期解译结果(2009年2月3日 套在2010年4月30日Goog

26、le Earth高分辨率影像上. (g 成都市三期解译结果套在1987年9月15日TM 标准假彩色波段组合图像上; (h (g中2010期解译结果(2009年3月24日 套在2008年2月29日Google Earth高分辨率影像上. 在(a, (c, (e, (g图中, 1990, 2000和2010期居民地边界分别用蓝色、绿色、黑色显示, 县界用绿色显示. 呼和浩特市是处于我国经济发展比较滞后省区的省会城市, 20年来城市面积增加了2.58倍. 绍兴市是处于东部沿海的地级市, 20年间城市面积从11 km2扩展到110多平方千米, 增加了9.38倍. 深圳是世界上过去30年发展速度和规模最

27、令人瞩目的城市, 1990年城区面积就从一个渔村发展到62 km2, 19902010的20年间城市面积持续高速增长到692 km2, 增加了10.25倍. 而成都原来就是四川的省会大都市, 1990年城市面积就高达113 km2, 在20世纪最后10年仅增加115 km2, 但是到2010年, 成都市的建成区面积猛增到498 km2 图3 三期中国城市建成区面积分省统计 图4 中国1990期城市建成区大小分布及分省统计面积分级 图5 中国2000期城市建成区大小分布及分省统计面积分级 图6 中国2010期城市建成区大小分布及分省统计面积分级 图7 城市扩张及其占用耕地分省统计情况 图8 中国

28、城市19902010发展速度分布图0.79亿元/km 2, 增加到2000年的2.97亿元/km 2, 到2009年的7.05亿元/km 2. 由于我国20002010年建成区面积增加很快, 但是GDP 增速却没有19902000年增加倍数高, 显示我国单位面积建成区的使用效益后10年不如前10年.图9和10分别显示中国2009年城区人口在50 图9 2009年大型及以上城市单位面积GDP分布及分省统计分布图 图10 2009年大型及以上城市单位建成区面积人口分布及分省统计分布图 万人以上的城市单位建成区面积的GDP和人口分布, 以及按省平均的状况. 单位建成区面积GDP高表示一个城市或省内城

29、市建设用地使用效率高, 单位建成区面积人口多表明该城市或省内城市建设用地相对比较节约. 城市人口密度、GDP和城市生活质量等的关系十分复杂, 本文对此不做研究. 2009年, 每平方千米建成区GDP超过20亿元的城市有攀枝花、鄂尔多斯、佛山、大庆和台州, 每平方千米建成区创造的GDP超过10亿元有21个城市, 分别是惠州、重庆、珠海、枣庄、唐山、常德、泸州、汕头、广州、宜昌、中山、本溪、深圳、杭州、青岛、镇江、岳阳、温州、自贡、南昌, 主要是资源型城市和沿海发达城市.2009年建成区人口密度高于3万人的城市有攀枝花、伊春、天水、汕头、鄂尔多斯和鸡西; 而排在前20名的其他城市有泸州、重庆、台州

30、、南充、自贡、遵义、惠州、本溪、枣庄、益阳、淮南、张家口、衡阳和南昌, 每平方千米人口均在1.65万人以上. 这些城市以欠发达地区城市或资源型老工业城市为主, 少数是现代化城市. 图9和10还表明, 按省统计, 我国城市单位面积建成区经济和人口效益最高的省区在重庆. 而建成区面积最高的东部沿海, 单位城市建成区面积创造的GDP低于中部地区.5 讨论与结论利用人工解译方法首次从1990, 2000和2010年为基准年陆地卫星TM和ETM+影像获得我国所有城市20年间建成区分布及变化. 结果表明我国城市化在过去20年间呈指数增长. 20年间城市建成区面积增量大约超过1990年城市建成区面积的2.3

31、1倍. 20年来, 我国城市建成区面积由1990年前的东北工业化基地为最, 转变成东南沿海江苏、广东、山东、浙江领先的格局. 我国城市化所占的土地主要来自耕地, 大约有17750.4 km2的耕地被城市化. 而且21世纪最初10年比20世纪最后10年增加了1.46倍, 表明这种土地利用转化有加速的趋势. 20年来, 我国城市扩展的速度最快的省份是江苏、广东、山东和浙江等.分析2009年50万人口以上的城市单位建成区面积的人口和国民经济生产总值得出, 我国城市建成区经济效益最高的城市多数是沿海城市和内地资源型城市, 而单位建成区面积人口多的城市多是内地资源型城市. 沿海发达城市, 经济呈多样化发

32、展, 能够在较大的建成区面积上支撑较高的人口密度和高的GDP, 而资源单一型城市以石油、煤炭、钢铁生产为主, 人口结构也比较单一, 居住密度高, 所以一般城市建成区面积较小, 从而形成单位面积高GDP和高人口密度的局面. 那些单位建成区面积高GDP产出而人口密度相对适中的城市, 可能是居民生活质量较好的城市. 排在单位建成区面积GDP最高的前20座城市中, 有7座在广东省, 而没有一座在长江三角洲. 广东省的城市是我国单位建成区面积创造GDP最高的省份. 据表S1推算, 虽然江苏和上海过去10年城市扩张速度高于广东, 但是单位建成区面积创造的GDP比广东低许多. 上海、南京、苏州、无锡、常州等

33、分别排在单位建成区面积创造GDP排序的第27, 72, 81, 90, 112的位置. 北京排在第101位. 这种低经济效率的土地利用现象值得重视. 上海、苏州、昆山、广州、东莞、深圳等城市已经实现发展连片, 规划上应该多市协调, 实现资源优化配置, 提高土地利用效率, 减少居民出行时间. 但是由于多数城市追求大而全的发展, 行政跨省或跨多个地级市, 城市发展规划难以统筹区域需求, 难免有建设项目重复设置, 造成城市建设用地浪费的现象. 但是, 像青岛城区、胶州、即墨等同属一个地级市连片发展的情况更多. 可以预言, 邻近城市连片发展的趋势仍将继续. 城市间规划时, 建设土地资源优化配置跨市统筹

34、规划达到节约土地, 增加建成区使用效率将是中国未来城市规划的重要内容.我国19902010年城市建成区扩张的指数增长趋势, 加速占用耕地的趋势, 与城镇和乡村建成区扩张, 交通用地快速发展等对我国粮食自给的影响已经引起各界高度关注46. 但是, 城市化到底对我国农业、气候和环境产生多少影响, 至今还没有全局性的答案. 本次全国城市建成区制图为回答以上问题提供了一个基础数据库. 它由同一组人使用同样方法, 根据同一数据源, 并由专人按统一标准对照三期城市数据逐个修改完成. 本数据明晰的建成区空间分布特性是城市统计年鉴资料所不具备. 这套数据也为认识我国城市建成区全局性变化规律、模拟城市发展动态趋

35、势、研究城市扩展模式以及单位建成区GDP增长效率、探讨人口迁移格局及环境与健康的关系、制定国土资源发展以及城市规划与管理政策等提供了重要数据源. 但是, 本文描述的数据库, 还不2012年6月 第57卷 第16期 1398能包括所有城市的城市统计年鉴中的社会经济和人口资料. 在城市遥感制图方面, 还需要进一步提高制图精度, 消除因裸地或耕地和高密度建成区光谱混淆等原因造成的误差. 此外, 还应该对城市建成区内部的土地利用类型做进一步的划分. 这些将在后续工作中完成.参考文献1 United Nations. World Urbanization Prospects: The 2007 Revi

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