上海城市发展与土地利用多时相遥感研究

上海城市发展与土地利用多时相遥感研究_巡天察地梅安

上海城市发展与土地利用多时相遥感研究

梅安新　廖邦固

摘　要：在研究的过程中，以1947年以来至21世纪初的9个时相的航空和卫星图像作为资料源，对上海城市的发展和土地利用的变化作了详细的解译，在解译的过程中，采用了统一的分类体系、统一的行政边界和统一的制图比例尺，进行土地利用制图，经过野外抽样验证，对解译图作修改，得到了50多年的城市范围各行政区的各类土地利用资料。在此基础上，对不同时期的土地利用空间布局和数量结构特点进行分析；对其中具有指示性标志的类型分别进行剖析；提出城市化另一个测度——土地城市化指数概念，并对城市空间发展的模式提出了看法。最后，把研究的成果通过二次开发，建立土地利用遥感资料库、资讯系统和城市建成区扩展进行动态类比。研究结果表明，基于土地利用和土地覆盖遥感解译还可以为城市区域生态遥感评价、水文下垫面类型制图进而估算径流系数、面源水污染负荷定量估测等方面奠定基础。

关键字：上海城市发展，多时相遥感，土地利用

一、前　言

上海是中国最大的城市，自从鸦片战争以来，上海代表了中国城市发展的一个侧面。研究上海城市的发展有助于对中国城市发展轨迹的了解。遥感技术提供了从空间角度研究城市发展态势的有力技术途径。

近十多年来，国内外已有一些对上海城市的相关遥感研究，但所用的遥感资料一般以Landsat等中解析度影像为主，分类精度受到限制，不能得到相应的各类用地的详细资料，也缺乏长时期的系统比较。我们收集了自1947年至1993年期间上海历次航空遥感影像，自1988年开始应用了航天遥感影像与航空遥感影像相结合进行解译，自2002年以后则以高解析度的航天遥感影像资料为主进行土地利用制图。

通过多时相土地利用遥感制图，获得了各类用地的资料，在此基础上对上海城市土地利用的时空变化、发展趋向和规律进行分析。

二、数　据　源

航空遥感资料：20世纪40年代中期，上海就已经进行了航空摄影，但这些航摄影像不够系统，不适宜于用来制图，自1947年开始，上海有了比较系统的航摄资料，在研究过程中，我们应用了1947、1958、1964、1979、1984、1988、1993和1994等8个年份的航空遥感影像，作为解译的主要依据。其中，1958年收集到的部分航空摄影影像，没有飞行时间，仅作为部分地区变化检测。另外，我们还应用了1994年的部分1∶2 000的B/W航空影像作参考。

航天遥感资料：20世纪主要应用Landsat和SPOT资料。70年代至80年代中，Landsat的MSS共有10余时相，TM资料自80年代开始，几乎每年都有；自1986年开始，获得SPOT资料，至2002年，我们使用了3个年份；2002年使用了SPOT5和Quick Bird资料，2005年使用了ALOS资料，现在正在进行的2007年资料整合和更新，也使用了ALOS资料。

由于遥感影像在不同的年代形成，具有不同的比例尺，而且在半个多世纪时间里，上海的行政区划进行过多次调整，为了便于资料的对比，在研究的过程中我们确定“三个统一”，即：统一的制图比例尺、统一的土地利用分类标准、统一的行政区划，对各种比例尺的基础地理底图和遥感图像进行归一化处理。全市以1993年的1∶25 000地形图作为解译的地理底图，中心城区采用1∶2 000的电子地图为基础底图。

三、遥感解译

各类遥感图像的解译主要在电脑上通过人机交互解译，并在电子地图上成图。在解译完成后，1996年和2002年经实地随机抽样验证，对错分的地类进行改正。其工作流程如图1所示。

历史时期的各年份解译成果，则无法实地验证，只能采取两种办法：其一，与历史底图进行抽样验证，这是很粗略的；其二采用倒查法，即以经过实地验证的1996年为基础，与历史时期同一地块进行比较，当该地块用地性质和边界与1996年不一致时，再查看该年份影像验证，如一致，则予通过，其流程如图1所示。

分类标准：我们在解译中采用建设部《城市用地分类与规划建设用地标准》（GBJ 137—1990）。该标准虽然没有考虑遥感特点，但它是在城市建设中最常用的标准。分类系统共9个大类、46个中类、73个小类。实际工作中我们先按中类解译，全市范围（这里指建成区）按大类进行归并统计，各个区的土地利用图仍按中类统计制图。另外，根据上海城市建设实际情况，在分类中作了少量修改：①增加了大类“O”类（在建和待建工地），使大类达到10类，在“O”大类下，分为3个中级类，即O1——已封顶的建筑工地，O2——正在施工而尚未封顶的建筑工地，O3——尚未施工的待建用地；②由于上海没有天然或人工的放牧草地，我们把E5——牧草地改名为“畜牧用地”，主要是指上海郊区的“禽畜饲养场”。

通过遥感解译，获得不同年份的土地利用图并求得各类用地的面积资料。图2为1947年土地利用图，图3为2002年土地利用图。

四、上海市中心城区土地利用动态分析

20世纪90年代前，上海市区以1988年的280.45km²面积计算，1947—1996年8个年份各类土地面积及所占百分比如表1所示。

图1　解译流程图

图2　上海中心城区1947年土地利用图

图3　上海中心城区2002年土地利用图

2002年，上海市区以外环线为界，面积667.8km²，其用地结构如表2所示。

表2　2002年上海市区各类用地面积面积　　　单位：km²

五、城市用地数量结构变化分析

1.住宅用地

1947—2002年上海市建成区居住用地面积变化如图4所示。1947年为32.71km²，至1996年增至85.67km²，增加2.6倍；2002年增至188.06km²，较1947年增加5.7倍。其增长速率可分为4个时期：1947—1964年是稳步增长期；1964—1979年为零增长期；1979—1993年增长速率加快；1996—2002年步入高速增长期。在建成区内住宅用地的总量随着建成区的扩展几乎翻了一番，从85.67km²增加到158.88km²。但在建成区内的比例却有所下降，从34.2%下降至29.38%。

图4　1947—2002年上海市建成区居住用地面积变化

从居住用地占城市用地的比例来看，有起有伏，1947年为35.7%，1958年比例最高，达36.4%，1958—1979年为比例下降期，1979年最低为29.2%，以后逐渐回升，至1996年为34.2%，其增长趋势形成“马鞍状”（见图5）。

图5　居住用地面积占城市用地面积比例变化

人均居住用地变化与居住用地比例变化情况相似，自1947年至1958年为增长期，1958年人均居住面积为8.02m²，1964年降至7.64m²，1984年以后开始回升，至1996与2002年分别达到13.45m²/人与22.12m²/人（见图6）。

图6　建成区人均居住用地面积变化

2.工业用地

上海中心城区工业用地面积1947—1993年一直在不断地增长。从1947年的11.5km²增至1993年的55.54km²。1996年开始随着市区一些污染大厂的外迁，面积减少至51.30km²（见表1）。工业用地占城市用地的比重，自1947—1988年呈现上升趋势，最高点为1988年，达24.9%，以后回落，1993年为23.1%，1996年为20.5%，2002年却又升至21.8%（见图7）。这是因为一方面工厂从内环线以内往外迁时，并没有迁远，大部都迁到内、外环线之间；另外，在内、外环之间新发展了许多工业区，如金桥、张江工业区等。但第三类工业（M3）已大为减少。要使上海土地结构接近世界发达国家同类大城市水准，该类用地比例尚须下降10个百分点。

图7　工业用地比例变化

另外，从市中心的工业空间布局来看，1947年时工业用地沿当时的城市边缘分布，与城市形态一样呈“σ”形。1964年开始向外伸出“触角”，如闸北区北部共和新路一带，从中山西路以西至北新泾苏州河上游两侧，以及沿军工路向北浦江西岸等，经1979—1984年的发展这几个方向已形成明显的发展轴。

3.道路用地

在20世纪，上海城市道路广场用地面积一直在缓慢的增长，其中1947—1958年增长较多，从19.3km²增加到27.9km²。此后，在中心城区内道路面积变化不大，至1996年时也仅为30.2km²，比1958年只增加了2.3km²。但从1996年至2002年，从30.21km²增加到58.90km²，6年间增加了28.69km²，几乎增加了一倍。而道路广场用地占城市用地的比例直至1996年仍在减少。1947年时道路广场用地占城市用地的比重为21.1%，以后逐年下降，至1996年仅占城市用地的12.1%，至2002年更下降到8.82%。

人均占有道路广场的面积直至1996年仍基本未变。1947年为4.3m²/人，至1996年仅为4.75m²/人。与国外大城市比较，差距很大。如1989年东京人均道路面积为12.3m²，大阪为12.0m²，分别为上海1996年的2.6倍和2.65倍。至2002年上海城市人均占有道路广场的面积6.93m²，跟不上城市发展的需求。

4.在建、待建工地（O类），维持在1500～1600hm²左右，标志着上海中心城区每年平均施工面积在1 500亩。

六、上海城市土地利用空间布局变化

上海城市的几个主要用地类型的空间布局，随着城市的扩展其空间结构也随之发生了变化。

1.1947年和50年代初期

当时，上海市区划分为20个行政区，总面积仅86.66km²，城市建成区（含浦东）的面积为91.58km²，其中浦西82.9km²，占90.6%。浦东建成区8.6km²，占9.4%，主要集中在沿江狭长地带内，一般宽仅0.5km。以工厂、码头为主，其中夹杂着棚户、简屋区。

图8　1947年时上海城市边缘工厂与棚户简屋呈“镶嵌”分布

＊图中深色斑块为工厂区，浅色斑块为棚户简屋区

上海城市以居住、道路、交通及公共设施等用地为主，城市形态像“σ”形（见图8）。当时上海的工业用地主要分散地分布在城市的边缘，把城市镶上一个“花边”，有几个比较相对集中的工业区，如杨浦工业区、普陀工业区和南市工业区，互不相连，整个中心城区以居住用地为主。

2.50年代初至70年代中晚期

在“变消费性城市为生产性城市”的思想指导下，50年代初至1964年期间，上海大力发展工业，在今内环线以内兴建了1 800多家工厂，使得原先互不连续工厂区形成了连绵的工业带。在工业带附近出现了简屋、棚户类居民地与工厂区相互穿插，呈“镶嵌”分布，功能严重混杂。

至1979年时，上海的城市用地在空间上形成了明显的圈层结构。其核心部分是CBD和CCD区（以商业、居住、市政、公用设施用地为主）；其外，形成了工厂带和简屋棚户带；再向外是居民新村和菜地相间分布的城乡结合部带（见图9）。

图9　1979年中心城区工厂与棚户简屋严重混杂连绵成带

3.80年代初期以后

随着城市的扩展，近郊菜地被城市用地所替代，在内环线以外，出现了大片工厂、新村“相间”的空间结构。它比起工厂和居民区的“镶嵌”结构要合理些；此外，沿交通线向外突出的城市用地和它们之间的菜地也形成了另一种“相间”的格局（见图10）。

图10　工厂区与居住区呈“相间”布局，功能分区较明确

七、上海城市建成区的扩展

建成区是连成一片的城市化区域，用它可以表示一定空间的城市化建设水准。它以土地城市化系数S_u来表达，即单位面积内建成区面积S_ui与总面积S之比：

式中：S_u——土地城市化系数，%；

　　　S_ui——各类城市用地面积总和，即建成区面积，km²；

　　　S——区域总面积，km²。

1947年时上海市的建成区范围与当时行政上的市区20个区的范围比较接近，建成区面积还略大于行政区（市行政区面积86.7km²，建成区的面积91.5km²），至1996年，建成区面积250.6km²，2002年达540.8km²。以上海外环线作为中心城区范围，其各年份的建成区面积和城市化率见表3。

表3　1947—2002年上海市区城市化面积与城市化系数

图11　上海城市化区域面积增长

从表3和图11来看，可以反映出1947—2002年间上海城市扩展随时间变化的情况。

1947—1979年期间，共32年，上海建成区面积增加78km²，平均增长速率为2.43km²/年，其中，1947—1964年平均增长速率为3.43km²/年，1964—1979年的15年时间里建成区面积仅增加19.7km²，平均增长速率仅1.31km²/年，是增长速率最慢时期，这也从一个侧面反映出“文化大革命”的影响。

从1979年起，上海和全国一样进入经济建设快速发展时期，1979—1984年的5年时间，建成区面积增加18.9km²，几乎相当于前15年增长量的总和，其增长率为3.78km²/年。1984—1993年的9年时间里，其增长率为5.87km²/年，开始显示出快速增长的势头。

上海城市空间真正快速增长是在1993年以后，1993—1996年的3年里，建城区扩大了40.97km²，平均年增长10.33km²。

1996—2002年的6年时间是上海市建成区面积超常增长时期，上海市外环线以内建成区的面积增长了270.1km²，是20世纪50年代初期上海市建成区面积（相当于内环线以内面积——114.2km²）的2.37倍，比1996年的建成区面积翻了一番，平均每年增加建成区面积45km²。

八、半个多世纪来上海城市空间扩展规律分析

在遥感图像上可较准确地作出建成区的边界，不同年份建成区经空间叠加可以清楚地显示各部分增长的不均匀性和浦东浦西的分异。

1947年上海建成区的范围，绝大部分在浦西，浦东只有沿黄浦江形成一条狭长的码头、工厂带，宽度仅约0.5km（见图10）。整个建成区的轮廓除在苏州河周家桥一带略向外突出外，其余部分都较平滑、完整，城乡结合部不明显。建成区面积91.5km²。

图12　1947年建成区范围

图13　1958年建成区范围

图14　1947—1958年建成区范围

1958年建成区的范围有了明显的扩展。东北部，沿邯郸路、四平路北伸，把市区与五角场连成一片；另外，沿苏州河、曹阳新村方向向西发展，龙华一带沿黄浦江向南发展，建成区面积增加到127.3km²，今内环线以内均已成为建成区（见图13、图14）。

1964年上海市建成区面积已达149.8km²，比1958年增加了22.5km²。有3处地方发展较快：一是杨浦区的黄兴路以东，二是大柏树至江湾一带，三是沿苏州河向西（见图15、图16），浦东仍然基本未变。

图15　1964年建成区范围

图16　1958—1964年建成区范围

图17　1979年建成区范围

1979年，经过15年的建成区面积增加了19.7km²，年平均仅增加1.31km²，达169.5km²，城市主要沿对外交通线和工业区伸展（见图17、图18）。

1984年建成区面积达188.4km²，比1979年增加18.9km²，5年的增长量几乎与前15年相当，对前一时期伸出的“触角”之间进行填充，浦东略有增长（见图19、图20）。

图18　1964—1979年建成区范围

图19　1984年建成区范围

图20　1979—1984年建成区范围

1988年建成区面积达到215.7km²，4年增加了27.3km²，大于以往各时段增加值。反映了改革开放给城市发展和城市面貌的变化带来新的活力。这时建成区的扩展几乎是全方位的，同时，更明显地沿几条陆上对外交通干线外伸（见图21、图22）。

图21　1988年建成区范围

图22　1984—1988年建成区范围

图23　1993年建成区范围

至1993年底，在原城区280km²范围内，建成区面积已达241.2km²，实际上建成区面积要大于此数，许多地方已超出城区范围。浦东新区杨高路以西已基本城市化，长宁区向西与虹桥机场连成一片（见图23）。

1996年，浦西北部吴淞地区与市区已融为一体，沿对外交通干线外伸的“触角”更为明显（见图24、图25、图26）。

图24　1988—1993年建成区范围

图25　1996年建成区范围

图26　1993—1996年建成区范围

图27　上海城市空间扩展示意图

浦东和浦西的发展方式不同。浦西总的是属于“辐射填充”式，1947—1958年期间，向外扩展比较均匀，1958年以后，有几个轴往往率先发展，形成向外突出的“辐射线”（触角）。这些辐射线是一些陆上对外的交通要道，在“辐射线”之间伸展速度较慢，是一种“填充”方式发展，并且不断以“辐射—填充—再辐射—再填充”的发展形势，使城市不断向外扩展（见图27）。

上海建成区的空间扩展规律和模式，有不同的看法，大部分倾向于上海城市以较均匀方式或曰“摊大饼”的方式向外扩展。从多时相的遥感解译表明，上海建成区扩展，时间和空间均不均匀。

浦东部分，在开发开放之前，建成区呈均匀地缓慢向外扩展，1989年开始，非常明显地以功能开发区为核心发展，这些地区原先并没有与建成区相连，由于快速发展，呈“跳跃式”。从时间上来看，在发展较慢和相对平稳时期，是以“填充”方式为主，其边界比较完整；在扩展快速时期，边界比较破碎，辐射线（触角）向外伸展突出，城乡土地犬牙交错，城乡结合部呈比较复杂的锯齿形。

九、结　束　语

城市多时相遥感研究，不仅能为城市提供土地利用现状资料，还能恢复某一历史时期的城市空间布局面貌，可以挖掘更多的资讯，扩大应用范围，特别是对城市规划监测、城市生态评价、房屋类型调查等方面都有广泛的用途。随着更多的高解析度遥感卫星的发射，为城市遥感动态监测提供了有利的条件，可直接用于建筑密度、建筑容积率制图、违章建筑监控、发现违章固体废弃物倾倒、建筑工程进展跟踪和提高遥感估测人口的精度等。

参考文献

［1］戴昌达，唐伶俐，陈刚，等.卫星遥感监测城市扩展与环境变化研究.环境遥感，1995，1：1－8.

［2］胡德瑞，何建清.城市生长的分析研究——兼论历史文化名城漳州的产生和发展.天津：天津大学出版社，1990.

［3］廖邦固，徐建刚，宣国富，祁毅，梅安新.1947—2000年上海中心城区居住空间结构演变［J］.地理学报，2008，63（2）：195－206.

［4］梅安新，等.上海市真如镇地区城市化过程多时相航空遥感动态研究.华东师范大学学报，遥感专辑（一），1992：84－92.

［5］孙天纵，周建华，等.城市遥感.上海：上海科技文献出版社，1994.

［6］虞蔚.城市环境地域分异研究——以上海中心城区为例［J］.城市规划汇刊，1987，（2）：54－62.

［7］严网林.地理资讯系统和遥感技术在城市解析中的应用——以上海为例.上海：上海科学技术出版社，1996.

［8］M.A.Gomarasca，P.A.Brivio and F.Pagnoni.One century of land use change in the metropolitan area of Milia（Italy），Int.J.Remote Sensing，1993，vol.14，No.2，211－223.

［9］Rudolph，R.，Brade，I.Moscow：Processes of restructuring in the post－soviet metropolitan periphery［J］.Cities，2005，22（2）：135－150.