周利軍，張淑花，，張雪萍

(1.綏化學(xué)院旅游與資源管理系，黑龍江綏化152061;2.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025)

城市邊緣區(qū)是城市化最活躍，土地利用結(jié)構(gòu)變化速度最快，郊區(qū)農(nóng)業(yè)景觀向城郊結(jié)合景觀和城市景觀演替最為顯著的城市外緣地帶，因而也被稱為快速城市化地帶[1]。城市邊緣區(qū)作為城市地域結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，在城市郊區(qū)化和鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化的雙重作用下，城市邊緣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，成為土地利用/土地覆被變化最為激烈的地區(qū)之一。因此，對(duì)城市擴(kuò)張空間特征及影響因素的研究已經(jīng)成為城市地理、土地利用等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[2-3]。

目前我國學(xué)者利用GIS和RS技術(shù)已經(jīng)對(duì)北京[4]、長春[5]和西安[6]等城市開展了城市擴(kuò)展的時(shí)空特征研究，并結(jié)合各城市的發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析;還有的學(xué)者從景觀生態(tài)學(xué)的角度分析了城市邊緣區(qū)景觀結(jié)構(gòu)及其演化情況[7-8]。哈爾濱作為東北老工業(yè)基地的典型重工業(yè)城市，近年來城市擴(kuò)張的速度明顯加快，但目前關(guān)于哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地空間擴(kuò)展的相關(guān)研究卻不多見。為此，本文基于多時(shí)相的遙感影像數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，對(duì)1976—2007年哈爾濱市邊緣區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征進(jìn)行了研究，旨在為哈爾濱市城市發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，以期為城市建設(shè)與發(fā)展政策的制定提供參考。

1 研究區(qū)范圍

關(guān)于哈爾濱市城市邊緣區(qū)的確定，本研究在借鑒前人理論的基礎(chǔ)上，采用定性的方法，參照行政邊界，對(duì)哈爾濱市邊緣區(qū)的范圍進(jìn)行界定和劃分。根據(jù)不同時(shí)段(1976，1989，2001和 2007年)遙感影像解譯的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以1976年哈爾濱主城區(qū)為基礎(chǔ)，以1989—2007年哈爾濱周邊地區(qū)建設(shè)用地發(fā)展變化最快的區(qū)域?yàn)樽畲蠓秶?，劃分出大致的邊界，即南至平房區(qū)，北至利民開發(fā)區(qū)，東西分別以繞城高速公路兩側(cè)各2 km的范圍，在此基礎(chǔ)上根據(jù)以下原則進(jìn)一步調(diào)整邊緣區(qū)的范圍:首先在空間上與建成區(qū)緊密相鄰的，其次分布于集中連片的城市建筑景觀(建成區(qū))外側(cè)，第三農(nóng)田面積比平均小于60%的區(qū)域，最后要考慮行政邊界的完整性，獲得了哈爾濱市城市邊緣區(qū)的大致范圍(圖1)。研究區(qū)東西寬31 km，南北長 42 km ，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 126°25′—126°52′，北緯45°32′—45°57′。

圖1 1976—2007年哈爾濱市城市邊緣區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展過程

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要以 1976年8月，1989年 9月，2001年9月美國Landsat-MSS，TM 影像和2007年6月的CBERS(中巴資源衛(wèi)星)為數(shù)據(jù)源，MSS/TM 影像選用TM4，3，2波段進(jìn)行假彩色合成，CBERS最高空間分辨率為19.5 m，CCD(電荷耦合相機(jī))光譜段的設(shè)計(jì)與美國Landsat TM 影像相似，因此也選擇4，3，2波段組合。所有遙感圖像經(jīng)過增強(qiáng)、糾正、鑲嵌等處理后，根據(jù)影像特征，在參考其它相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，建立居民工礦用地的判讀標(biāo)志并進(jìn)行人機(jī)交互解譯。人工解譯完成后，利用GPS的定位功能進(jìn)行實(shí)地效驗(yàn)，修改后建立哈爾濱市邊緣區(qū)不同時(shí)期居住建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)庫，以此數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)。

2.2 研究方法

為全面反映哈爾濱市邊緣地區(qū)城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征，本文選擇城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)和景觀指數(shù)來反映不同時(shí)段城市建設(shè)用地的擴(kuò)展進(jìn)度及其斑塊結(jié)構(gòu)特征;同時(shí)利用地理信息系統(tǒng)的緩沖區(qū)分析和疊加分析功能分析4個(gè)時(shí)段城市擴(kuò)張數(shù)量與城市中心距離的關(guān)系;最后利用象限方位分析法[9]分析不同時(shí)期城市擴(kuò)展的主導(dǎo)方向。

2.2.1 城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù) 城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)土地面積變化的幅度，是反映城市擴(kuò)張空間變化的一個(gè)重要指標(biāo)，通過分析城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可定量地比較城市擴(kuò)張的程度及速度，其表達(dá)式為:

式中:M——城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù);U——城市用地增加的數(shù)量;A——研究時(shí)段內(nèi)初期城市用地的數(shù)量;Δ t——變化的時(shí)間(a)。

2.2.2 景觀指數(shù) 景觀生態(tài)學(xué)方法可以很好地描述城市建設(shè)用地的大小、形狀及分布狀況，特別是景觀指數(shù)，作為景觀空間分析的方法，能夠高度濃縮景觀格局信息，并定量地反映城鎮(zhèn)的空間配置和結(jié)構(gòu)組成等方面的特征，為此，本文選擇斑塊個(gè)數(shù)(NP)、平均斑塊面積(MPS)、最大城鎮(zhèn)斑塊指數(shù)(LPI)和修正的緊湊度指數(shù)(CI′)4個(gè)景觀指數(shù)來表達(dá)城鎮(zhèn)斑塊結(jié)構(gòu)特征及其動(dòng)態(tài)變化，以揭示哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地景觀變化過程。其中最大城鎮(zhèn)斑塊指數(shù)(LPI)主要反映城鎮(zhèn)景觀中最大斑塊面積占城鎮(zhèn)景觀總面積的比例，指數(shù)越大說明城鎮(zhèn)建設(shè)用地的規(guī)模越大;修正的緊湊度指數(shù)(CI′)反映城鎮(zhèn)景觀格局的緊湊程度，其具體計(jì)算公式可參考相關(guān)參考文獻(xiàn)[10-11]。

2.2.3 擴(kuò)展方位比重指數(shù) 該指數(shù)反映了城市建設(shè)用地在某段時(shí)間某一方位上發(fā)展的概率，即城市建設(shè)用地在某一方位上增長的可能性大小，公式為:

式中:OP——t2-t1時(shí)段的方位比重;dist1，dist2——di方位上t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的建設(shè)用地面積;st2，st1——t2時(shí)刻和t1時(shí)刻的區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地的總面積。

3 哈爾濱市邊緣區(qū)城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征

3.1 城市擴(kuò)展的數(shù)量特征

利用地理信息系統(tǒng)的空間統(tǒng)計(jì)功能，將遙感圖像解譯的結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，獲得哈爾濱市邊緣區(qū)不同時(shí)間建設(shè)用地的數(shù)量特征。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1976年研究區(qū)域內(nèi)共有建設(shè)用地 237塊，總面積195.82km2，占研究區(qū)域的18.92%;到 2001年建設(shè)用地增加到296塊，總面積增加到246.43 km2，占研究區(qū)域的23.81%;到2007年建設(shè)用地減少到228塊，總面積卻增加到 333.65 km2，占研究區(qū)域的32.24%?？傮w上哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地的面積在持續(xù)增加，而斑塊數(shù)量則是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。利用公式(1)計(jì)算哈爾濱市邊緣區(qū)城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表 1。從表 1可以看出，1976—2007年31 a間哈爾濱市邊緣區(qū)城市建設(shè)用地共擴(kuò)展了137.83 km2，其中2001—2007年 6 a擴(kuò)展的面積占總擴(kuò)展面積的63.28%，其擴(kuò)展速度是1976—1989年的10.5倍，是 1989—2001年的 5.3倍，是 3個(gè)時(shí)段中增長最快的。從擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)來看，1976—1989年的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為0.71%，屬于非常緩慢擴(kuò)展階段，而 1989—2001年的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為1.27%，屬于緩慢擴(kuò)展階段，到2001年以后，其擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)則達(dá)到5.90%，屬于快速擴(kuò)展階段。

表1 1976—2007年哈爾濱市城市用地?cái)U(kuò)展情況

3.2 城市建設(shè)用地的景觀格局特征

為了分析哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)展過程，將4期城市建設(shè)用地矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格地圖(grid)，運(yùn)用景觀分析軟件FRAGSTATS計(jì)算出各景觀分析指數(shù)，具體見表2。從斑塊數(shù)量和斑塊平均面積來看，二者的變化趨勢(shì)正好相反，1976—2001年，斑塊數(shù)量在持續(xù)增加，而平均斑塊面積在逐漸減小，這主要是因?yàn)樵谥鞒菂^(qū)的周邊增加一些面積較小的居住建設(shè)用地;到2007年斑塊數(shù)迅速減小，而斑塊平均面積卻在增大，這主要是因?yàn)樗杀眳^(qū)、利民開發(fā)區(qū)和平房區(qū)原來小面積的居住建設(shè)用地逐漸擴(kuò)大合并為面積較大的居住建設(shè)用地所致。從最大斑塊指數(shù)來看，整個(gè)研究時(shí)段呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這主要是由于整個(gè)區(qū)域建設(shè)用地都在擴(kuò)大，但主城區(qū)向外擴(kuò)展的速度沒有邊緣地區(qū)新增建設(shè)用地的速度快，導(dǎo)致最大城鎮(zhèn)建設(shè)用地斑塊面積在總面積中的比重逐漸減小。從修正的緊湊度指數(shù)來看，前3個(gè)時(shí)段在逐漸減小，說明哈爾濱市城市邊緣區(qū)建設(shè)用地在2001年以前是逐漸趨于分散的，而從2001年開始該指數(shù)逐漸增大，到2007年達(dá)到3.314，表明哈爾濱市城市邊緣區(qū)建設(shè)用地緊湊度在增大，這與斑塊數(shù)量和平均斑塊面積的變化趨勢(shì)是一致的。

表2 哈爾濱市城市邊緣區(qū)建設(shè)用地景觀格局指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

3.3 城市擴(kuò)展的空間特征

城市擴(kuò)展的空間特征也是衡量城市化的一個(gè)重要指標(biāo)。為了分析哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地的空間擴(kuò)展特征，本文以1976年研究區(qū)域的建設(shè)用地為基礎(chǔ)，利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能計(jì)算出1976年建設(shè)用地的重心，以該重心為原點(diǎn)，建立距離為1 km的緩沖區(qū)，共生成25個(gè)緩沖區(qū)，將該緩沖區(qū)與研究區(qū)域的建設(shè)用地分布圖相疊加，分別統(tǒng)計(jì)不同緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的數(shù)量，進(jìn)而分析不同時(shí)段城市擴(kuò)張和城市中心距離之間的關(guān)系(圖2)。

圖2 1976—2007年哈爾濱市城市用地?cái)U(kuò)展和距離的關(guān)系

從圖2可以看出，在1976—1989年間，城市用地?cái)U(kuò)展速度較為緩慢，只是在距原點(diǎn)6 km和8～10 km處有2個(gè)峰值，峰值并不高，在200 hm2左右。在1989—2001年間，城市建設(shè)用地增長的速度明顯高于前一個(gè)時(shí)段。在距原點(diǎn)4 km和7～16 km也出現(xiàn)了2個(gè)峰值，其最大值達(dá)到300 hm2左右，說明在1989—2001年間，哈爾濱市主城區(qū)在擴(kuò)展的同時(shí)，其邊緣區(qū)的城市建設(shè)用地也在擴(kuò)展，擴(kuò)展的范圍都明顯大于前一時(shí)段。在2001—2007年間，距離原點(diǎn)5 km的范圍內(nèi)，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展緩慢，而過5 km的范圍內(nèi)，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展速度非?？?，最高值可以到達(dá)900 hm2，同時(shí)擴(kuò)展的范圍也明顯變大，達(dá)到距原點(diǎn)23 km的范圍，在此范圍內(nèi)的平均擴(kuò)展面積為537.2 hm2。

為了分析哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展在不同方位的情況，以1976年哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地的重心為原點(diǎn)，將研究區(qū)域平均分為8個(gè)象限，與不同時(shí)期城市邊緣區(qū)建設(shè)用地分布圖疊加，利用公式(2)分別計(jì)算不同象限內(nèi)城市建設(shè)用地的擴(kuò)展方位比重指數(shù)(圖3)。從圖3中可以看出，1976—1989年間正東方向擴(kuò)展方位比重指數(shù)最大，其次為正南方向，再次為東北和東南方向，且擴(kuò)展比例相當(dāng)，而其它方位擴(kuò)展比重指數(shù)較小。1989—2001年間擴(kuò)展比重指數(shù)與前一時(shí)段相比較，除正東、東南和西北減小外，其它方位均比上個(gè)時(shí)段有所增加，其中增加最大的為西南和正北方向。2001—2007年間，正北和西北方向的擴(kuò)展指數(shù)突然增大，而其它方向上的擴(kuò)展比重指數(shù)都比上個(gè)時(shí)段減小?？傮w上看，在1976—1989年間哈爾濱市城市用地的擴(kuò)展以正東、正南方向?yàn)橹鳎?989—2001年間則以東北、西南和正南方向?yàn)橹鳎?001—2007年間則以西北和正北方向?yàn)橹鳌?/p>

圖3 1976—2007年哈爾濱市城市用地?cái)U(kuò)展演變矢量圖注:中心為原點(diǎn)，每個(gè)刻度為5%，最大值為30%

4 結(jié)論

由于遙感具有多源性，周期性、綜合性等特點(diǎn)，因此與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合探討城鎮(zhèn)擴(kuò)展，可以準(zhǔn)確、快速地掌握城市擴(kuò)展變化的規(guī)律。本文利用1976，1989，2001和2007年的遙感影像分析了哈爾濱市城市邊緣區(qū)建設(shè)用地時(shí)空擴(kuò)展過程，結(jié)果表明:

(1)1976—2007年31 a間哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)展了137.83 km2，從擴(kuò)展面積來看，1976—1989年間建設(shè)用地?cái)U(kuò)展速度最慢，而2001—2007年擴(kuò)展速度最快，6 a擴(kuò)展的面積占總面積的63.28%;從擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)來看，2001—2007年6 a的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為5.90%，是3個(gè)時(shí)段中最大的，說明2001年以來，哈爾濱城市化進(jìn)入加速期。

(2)建設(shè)用地的景觀格局特征具體表現(xiàn)為:1976—2001年以斑塊數(shù)增加，緊湊度減小的分散擴(kuò)展為主，2001年后以斑塊數(shù)減少，緊湊度增大的擴(kuò)展模式為主;從整個(gè)研究時(shí)段來看，哈爾濱市主城區(qū)所占研究區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的比重在逐漸減小。

(3)1976—2007年31 a間哈爾濱市邊緣區(qū)建設(shè)用地空間擴(kuò)展明顯，其中在2001—2007年則表現(xiàn)的最明顯，主要為距市中心5～22 km的距離范圍內(nèi)擴(kuò)展規(guī)模明顯擴(kuò)大，在不同的時(shí)段，還表現(xiàn)出不同的空間分異特征，其中在1976—1989年間主要以向正東和正南為主，在1989—2001以東北、西南和正南方向?yàn)橹?，?001—2007年間則以西北和正北方向?yàn)橹鳌?/p>

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