上海市真如镇地区城市化过程多时相航空遥感动态研究
梅安新 朱 敏 徐建刚
摘 要：本文应用1947、1964、1979、1984和1988年的多时相航空遥感影像，作出了真如镇地区的5个年份的1∶5 000土地利用图，通过计算机制图和图形的叠置分析，量算出土地利用各类别的面积，在此基础上，对该地区城市化过程与特点进行动态分析，提出了“土地城市化系数”Su作为城市化测度，可以弥补人口城市化测度的不足。多时相航空遥感与地理信息系统（GIS）相结合进行城市化过程的动态监测具有广阔的前景。
关键词：多时相航空遥感，土地城市化系数，地理信息系统
城市是一个规模庞大、结构复杂、不断发展的动态体系，它的发展变化和城市化过程，不仅表现在人口的增加、经济的发展、功能的变化上，而且也表现在城市空间结构的变化上。城市化边缘地区在城市化的过程中，是发展变化最大的部分。
城市化所涉及的范围很广，通常所用的城市化测度主要是人口比例测度。人口数据容易通过统计部门获得，缺点是只能按行政单位取数，也不能在两次人口普查（或抽样统计）之间取得较为精确的数据，有些城市边缘地区的土地早已用作工业、商业或城镇居民的居住用地，居民也大部分早已弃农从工从商，但由于仍然保留农村户口，在人口统计中仍按农村人口计算，这就不能反映这些地区城市化的真实情况，今天随着遥感技术的发展，多时相遥感信息的应用，使我们能够从城市土地利用空间结构变化这一测度来研究城市化的过程。一个地区的土地利用结构，能较好地反映其各行业、各部门的发展规模，更客观、真实、及时地反映一个地区城市化的状况，从而弥补了人口测度的缺陷，更有利于城市过程的动态监测。近几年来，地理信息系统（GIS）技术的发展，为空间数据的快速处理分析提供了新的方法途径。通过数据、图形的输入、管理、分析与输出软件，我们可以实现多时相遥感的土地利用信息复合分析、面积量测等定量研究。
真如镇地区，位于上海市西部边缘，原来是嘉定县的一个普通的农村居民点，新中国成立后发展迅速，1965年3月正式成立建制镇，1984年划归上海市区。其城市化过程在上海市边缘地区有一定代表性。
在研究过程中，我们以航空遥感影像作为主要信息源进行土地利用解译，以上海市测绘部门提供的1∶5 000地形图作为基础底图，编制了5个不同年份的土地利用图，通过图形数字化仪输入计算机进行面积量算为主，并进行多时图形复合，检测空间变化范围和变化量，最后对各时期土地利用特征及城市化过程进行定性定量分析，其工作流程如图1所示。
图1 工作流程图
一、信息源
从1947年至1988年，我们共收集到5个时相航空影像（见表1）。由于上海市测绘局有1980年代初期现成的1∶5 000地形图，并考虑到原航片比例尺经放大以后的可解译性，因而选择了1∶5 000比例尺作为成图比例尺。原航片比例尺相近的可直接解译和转绘，原航片比例尺与成图比例尺相差较大的，则放大至1∶5 000或相近比例尺。
表1 航空影像种类
1980年代初的地形图与现状有一定的差距，我们根据1988年航片进行补充，修改后，作为基础地理底图。
二、土地利用分类系统
由于全国统一的城市土地利用分类系统尚未公布，所以，必须根据遥感的特点及当地土地利用的特点建立土地利用分类的原则和分类系统及制图系统。
（1）分类原则
在拟定真如地区土地利用分类时，我们考虑下列原则：
①城乡兼顾
城市边缘地区是城乡的过渡地带，城乡的土地利用类型兼而有之，在同一地区不仅呈镶嵌状分布，而且互相包裹。因此，在分类系统中兼顾到两者的特点。
②兼顾1940年代到1980年代后期的变化特点
1940年来，这地区土地利用变化较大，有些类型原先有的后来消失（如成片林地），有的类型后来才出现，两者在分类系统中都应包括。
③分类系统应符合科学性、系统性，注重实用性
土地利用图应是有关部门进行规划、研究和建设工程的科学依据，因此，分类系统必须反映该地区的土地利用的实际情况和特点，科学地、准确地给各类型定义和区分标准；分类要有严格的逻辑系统和明确的从属关系。同时，有些类型航片上解译有困难，可以通过其他方法确定。考虑到实用性，在分类系统中仍有所反映。
④尽可能地与现有常用土地分类系统相衔接
为使土地利用图及有关数据具有可比性，分类系统应尽可能与城市建设、规划和土地部门常用分类系统衔接，以便有关部门使用。
⑤考虑到1∶5 000航片的可解译性及地图的可读性
有些类型在1∶5 000航片上难以解译的不予列入，如果可以通过直接或间接解译的尽可能详细。有些类型虽然可解译，但图斑小于4mm2，予以综合，在分类系统中也不予反映。
（2）分类系统
根据以上原则，我们建立了真如地区的土地利用分类系统（见表2）。一级按结构特征及部门归属分8大类；二级共22类。
表2 真如地区土地利用分类系统
（续表）
三、影像解译
在影像的解译过程中，我们根据不同类型航空影像的光谱特征与几何特征，并参照了部分地形图和结合实地调查，建立了不同土地利用类型解译标志。
解译时，由近及远地按不同年份分别作出土地利用图，即先解译1988年影像，作出土地利用图，然后按年份逐步向前推，最后解译1947年影像。
我们以修改过的1∶5 000地形图作为地理基础底图，解译前，先将透明薄膜蒙在地理底图上，描下主要地理要素，再蒙到影像上解译，得到解译草图，至实地验证草图，再至室内修改草图，然后转绘到地理底图上。由于5个年代均使用统一的底图，所以，可以进行动态对比分析。
地理信息系统技术方法的一个显著特点是交互图形处理。我们以IBM PC－AT微机、手扶跟踪数字化仪和自动绘图仪为硬件环境支持，首先通过MAPEDIT图形输入软件完成了各个时期的土地利用底图的数字化处理，然后进行地理信息系统分析处理。系统的分析功能与工作流程见图1。其方法主要特点如下：
（1）图形数据的获取
MAPEDIT软件对面状图形采用了“实体型—多边型”数据结构，并通过多个数据文件来存储图形数据，针对动态分析中土地类型组合特点，我们设计了一种层次分明的数据组织方法进行数字化操作：
①对一种类型的图斑同一批数字化，并尽量装入一个文件。
②图斑多边形编码采用时相代码与土地类型码相结合的数字编码。
③数据文件名采用图名加土地类型代码名组织形式。
④建立了一个共用的区域边界数据文件（以线段表示）。
（2）屏幕制图软件的实现
根据计算机图形原理，我们利用Color－400 640×400高分辨率彩色图形显示方法研制了地理图形色彩充填软件GR，该软件的核心算法为自行创立的扫描相消法，该方法吸取了扫描排序法和正负相消法两者的优点，协调了两个方法的“时空”矛盾，实现了多边形内色彩的快速充填。
在GR软件中，还提供了汉字图名与图例设计，其实现方法是通过调用等线体矢量汉字库HANG（100×100点阵），将其转换为MAPEDIT线段数据，再按需要以不同颜色和大小显示汉字于屏幕上。
利用真如地区5个时相的土地利用图数字化图形数据，再编辑相应的图例。汉字注释数据文件，执行GR程序。绘制了高质量真如地区土地利用屏幕地图。
（3）土地专题类型动态变化的图形复合分析功能
在GR软件中，设计了通过对不同时相、同一土地类型图形数据文件的组合，而实现了土地专题类型的动态变化分析功能。其设计原理是：由于计算机图形显示器的色彩是采用三原色色光叠加原理，因而可以将两个时相的某一类土地类型诸如：道路、农田、住宅等按相同的比例显示在同一屏幕区，只要将两时相类型以不同的原色彩表示，则两图形叠合部分出现原色的补色色彩。这样获得的复合图形可以反映该类型地在这两个时相时期中，一部分消失，一部分继续保留，此外增加了一部分，从而实现了土地类型的动态监测。
（4）面积量算功能
针对真如地区土地利用图形数据文件特点，我们设计了面积量算程序AGAREA，该程序采用了原理简明的梯形求面积算法，其求单个面积公式为：
其中：（Xi＋1，Yi＋1），（Xi，Yi）分别为相邻数字化点的坐标。Xi＝1，2，…，n为该多边形的所有的坐标点序列，其首尾相等。在AGAREA软件中，根据应用不同，还设计了单一数据文件、组合数据文件、单一结构多边形、复合结构多边形等面积求解选择，输出结果包括类型名、代码、面积百分比、分类面积和总面积等数据表格（见表3）。如需要还可以输出每一地块的面积，我们使用的HIPAD数字化仪的几何分辨率达到0.01mm，从而保证了面积的量算精度。
表3 真如镇地区土地利用结构变化
（5）成图精度及面积量算的精度检测
①成图精度
1947、1964、1979、1984、1988年5个时相土地利用图完成之后，我们在图中抽取了20个图斑进行解译成图精度的检测。由于我们解译时经过“影像－地图”互检，室内解译与野外调查互相印证，经过实地查验，图斑类型判对率达100%，与此同时丈量其面积，并与图上量算的面积进行比较，算出相对误差。计算公式如下：
式中：σ——相对误差；
Sm——图上面积；
St——为实地面积。
误差、计算结果如表4所示。表上的误差主要是在描图和图斑转绘过程中产生的人工误差。其最大相对误差为0.16%，在“土地利用现状调查规程”所规定的允许误差范围以内，说明有较高的成图精度。
②面积量算精度
为了计算面积量算测精度，我们取5张图中量得的总面积的平均数作为各面积量算的控制面积，计算出各时期总面积允许绝对误差为±166.65m2。
表4所示各时期总面积的绝对误差均在允许范围内。
除总面积精度之外，我们仍用上述20个图斑为样本对图斑面积精度进行检测。经两次量算的结果表明平均，相对误差σ＝0.905%，最大相对误差σmax＝1.22%，均远小于允许范围（当图斑面积平均值S＜2 500m2时，允许相对误差σ（%）＜3.33%；当S≥2 500m2时，σ（%）≤2%）。无论是网格法或计算机量算都能满足精度要求。
四
真如镇地区从1940年代晚期到1980年代晚期的40年期间内，由郊区小村庄——集镇——大城市边缘的发展过程，在土地利用结构上发生了明显的变化。
（1）各类用地结构的变化
①农业用地不断地缩小，林地消失
1947年时，农业用地占土地总面积的79.05%，其中耕地占土地总面积的72.85%。农业用地是这里土地利用的主要构成。到1964年时，耕地面积所占比重迅速锐减至40.40%；本区东南部大片耕地转化为城镇用地；1979年进一步降至28.96%；1984年为16.24%；1988年耕地面积仅占土地总面积的10.29%。与目前城乡结合部相比，1964年时真如地区耕地比重已少于现城乡结合部耕地平均比重55.14%（34.16%～66.21%）。特别应该指出的是，1947年时，真如地区桃浦以西及东南部等地共有林地45 861.4m2，占土地总面积的6.2%，至1964年时即已全部消失，整个区域内已没有一片林地。
②道路发展，河湖变迁
城市的发展，往往以交通、道路为先导。真如地区1947年时，交通用地的面积占总面积的4.6%；1964年即翻了一番，达9.61%；1979年为12.5%，以后稳步发展，1984年为12.85%，1988年为13.19%。与1947年相比，增加了2.9倍。1947年时，真如地区主干道路仅东部边缘的曹杨路通过，1964年时，南面曹安路已开通，中部兰溪路通达真如镇，大大改善了交通条件，促进城市化的发展。
本区水体的面积没有大的变化，1947—1988年水域占土地总面积为：4.9%（1947年），5.52%（1964年），5.81%（1979年），4.45%（1984年），4.56%（1988年）。总的变幅不大，略有下降。尽管如此，水体面貌仍有明显变化。具体表现在桃浦、梨园浜等骨干河道拓宽，坑塘、小河浜填没和水利设施的改善。
③工业、仓储用地的增长和变化
真如地区工业从无到有，发展速度较快。1947年仅有一处工业建筑工地，占总面积的0.03%（注：此处建筑工地列入“工业用地”中进行统计），其中1984年是基本建设的高潮，工业用地占总面积14.15%（建筑工地约占一半面积，为总面积的7.27%）。至1988年则略有下降，工业用地占总面积的9.4%，这主要是建筑工地面积的下降，工业规模趋向稳定。
仓储用地的变化，与工业用地的情况类似。1947年时，本区无仓储用地。以后，至1979年，仓储用地占土地总面积2.07%，1988年则下降至1.4%。这就表明，大城市的仓储主要设在近郊的城乡结合部，随着城市向外扩展，仓储用地也向外推移。靠近城市部分的仓储用地所占面积随城市化的发展反而下降，而让位于利用价值更高的其他城市用地。
④居住用地迅速增长
1947年的真如，作为一个小村庄，居住用地占土地总面积的8.9%，以后，比例直线上升。至1964年已占24.04%，高于目前上海城乡结合部的任何一个乡（目前上海城乡结合部居住用地比例最大的是严桥乡，占该乡总面积20.46%，邻近真如镇的长征乡仅占10.15%），1979年居住用地占总面积的34.32%，1988年为40.04%，至1988年达47.03%，几乎占土地总面积的一半，而且仍有继续增长之势。
值得提出的是，在居住用地中，建筑物与居住区空地的比例发生有规律的变化，1947年，在居住用地中77.53%是房屋建筑，房屋间的空地很少，房屋大都为面积小、建筑密度大的矮平房。1964年影像上出现的新住宅区，每幢房屋面积大，但建筑密度降低，并注意留出房屋之间的空地，因而建筑物在居住区中所占面积的比例下降至45.47%，1979年、1984年和1988年所占面积的比例相应为38.90%、38.56%和37.15%，稳定在35%～40%。
从上面各类土地利用结构的变化发展来看，1947年以来，真如镇地区的土地利用从以农业占绝对优势，发展到以居住用地为主，工商、交通等合理配置的土地利用结构。
（2）城市化的发展
为了表示城市化程度，我们以土地城市化系数（Su）作为城市化的测度。
Su＝Sut/S
式中：Sut——城镇用地面积；
S——区域内土地总面积；
Su——介于0～1之间。
Sut＝Si＋Ss＋Sp＋XrSr＋XtSr
式中：Si、Ss，Sp、Sr、St分别代表工业用地、仓储用地、公共设施用地、居住用地和交通用地面积；Xr、Xt为待定系数，在这里Xr采用0.87（根据城乡结合部航空遥感调查，该地区范围内，农宅平均面积所占比例为12.35%，小于13%）。本区Xt采用0.50。各年份的土地城市化系数见表4。
由此可见，1979年时，真如镇地区的城市化系数已达0.53，城镇用地面积已超过农村用地面积。
表4 真如镇地区土地城市化系数的变化
（3）城镇平面形态的变化
城市化在土地利用中的表现，不仅在于其各类土地结构的变化，而且也表现在城镇平面形态的发展变化。
新中国成立以前，真如地区是上海郊区的一个典型的农村聚落，可以1947年为代表。当时的真如作为一个村庄，农民沿着桃浦和梨园浜两岸依水而居，航空影像上可以看到它完全是农村聚落的自然形态。每幢房屋小而低矮，建筑密度大，村庄周围除两条骨干河道外，小河浜零星分布，南面及桃浦河两岸有成片林地。近80%的土地为农业用地，居住用地仅占8.9%，在公共设施中主要是“监狱”和沿街小商店，工业、仓储等用地几乎没有。
新中国成立以来，真如镇地区的城市化迅速发展。大致可分以下阶段：
第一阶段，新中国成立初期至“文革”前，可以1964年为代表。与新中国成立前比较，这一时期经济建设迅速发展，真如镇地区的住房、工业、公共设施和交通用地都有较大幅度增加。1965年真如成立建制镇，标志着这一地区已由普通村庄演变为近郊的集镇。这一阶段农业用地占土地总面积从1947年的79.05%下降至1965年的40.40%，土地的城市化系数达0.36。城市、农村用地所占比例大体相当。土地城市化系数增长率为3.47%/年。真如镇的平面形态向东南方向扩展，农田主要分布在桃浦以西和梨园浜以北地区。另外，沿着曹杨路西侧和曹安路北侧首先出现新村住宅区——曹杨八村，标志着上海市区交通干道向西北方向延伸，真如镇向市区靠拢。这一时期可以认为是向东南扩展（向市中心扩展）阶段，相当于城乡结合部阶段，该时期末，未利用土地竟达土地总面积的1/10。这是一种特殊现象，其主要原因是农田被征用后，而城市建设尚未动工，出现大量空闲土地。
第二阶段，大体与十年“文革”相当，航空影像以1979年为代表。
对比1979年与1964年土地利用图可以看出，这一阶段市镇形态变化不明显。居民新村内房屋建筑密度增加，原空闲土地被居民自建零星房屋所占。农田继续进一步缩小，农业用地仅占土地总面积的28.96%。土地城市化系数达0.53，城市化系数增长率为1.13%/年。这时不仅城市用地已超过农业用地，而且仅居住用地一项也已超过农业用地（占总面积34.32%）。总的说来，这一阶段，除公用设施发展较快外，其余变化缓慢，城市仍向东南微微“膨胀”，是集镇向大城市过渡阶段。
第三阶段，1970年代末到1980年代晚期，是真如地区城市发展最快的阶段，居住区面积已达土地总面积的47.03%，且向西向北大幅度的推进，老式的农舍和小而密的低矮居民住宅已大部被改造成新村房屋。桃浦河以西部分变化更大，大片农田由整齐的新居民区所代替。耕地退缩至北部边缘一隅，至1988年，农业用地仅占土地总面积的10.29%，土地城市化增长率为1.89%/年。尤其是1979—1984年城市化增长率达2.8%/年，1988年真如镇地区划入上海市区，正是反映真如地区已与上海市区融为一体，成为市区不可分割的一部分。
总之，真如镇地区平面形态40年的发展，先是向心，后向外，即先是集镇向中心靠拢，继之市区整体向外扩展。
从1988年真如镇地区土地利用总的结构来看，它的主要功能是作为居住区，相对而言，这里的交通、工业还不发达，地价较低，住房亦较市区宽敞些。另外，老居民区还保留有农舍形态，北部仍有耕地，这些都是农村残留痕迹，也是城市边缘的特征。
五、结束语
（1）应用多时相、大比例尺航空遥感影像进行城市边缘的动态研究是行之有效的技术手段。由航空遥感影像为基本信息源，编制不同年份土地利用图，精度高，可靠性强。它不仅能反映土地利用现状，而且还能追溯过去土地利用状况，对于研究城市化发展过程非常有用。
（2）在遥感解译的基础上进行计算机专题制图和借助信息系统进行信息存储、管理、自动生成图件、量算面积和信息复合分析，使动态分析建立在定量的基础上，促进了遥感与地理信息系统（GIS）的结合，推动遥感应用的深入发展。
（3）40年来真如镇地区由普通村庄演变为大城市的一部分。经历了三个历史阶段，其城市化过程，不仅表现在平面形态的变化上，而且还表现在土地利用数量结构的变化上。
（4）通过遥感制图，可以求出不同时期一个区域土地城市化系数Su，以此作为城市化的测度之一，它比人口比重测度更为客观和灵敏，且有利于应用遥感监测城市化进程。
六、鸣 谢
本项研究工作，得到上海市遥感办、上海市测绘院、中国人民解放军南京军区83404部队的大力帮助，并得到华东师范大学益建芳、陆卫国、陈芸、李慰慈、郑宇源等老师的帮助，在此一并表示感谢。
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