秦明星,馬建根，郭青霞

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030801；2.晉中市國(guó)土資源局榆次分局,山西 晉中 030600)

在城市化進(jìn)程中，城市用地明顯地向外擴(kuò)張，這種擴(kuò)張不僅影響城市自身的發(fā)展，還對(duì)城市的土地利用及所處的區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境有著深刻的影響。許多學(xué)者從不同角度對(duì)城市擴(kuò)張及影響進(jìn)行了分析研究。李開(kāi)宇、車前進(jìn)等對(duì)城市空間擴(kuò)展及空間結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了研究[1～3]；曹銀貴、文楓等對(duì)城市土地利用變化及效益評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[4～6]；劉云剛、叢沛桐等對(duì)快速城市化下的城市建設(shè)用地規(guī)模預(yù)測(cè)模型及方法進(jìn)行了研究[7～9]。趙可、王偉武等對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張?zhí)卣骷膀?qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究[10～14]。關(guān)于城市擴(kuò)張及驅(qū)動(dòng)力分析的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市較多，如武漢、廈門(mén)、珠海等地區(qū)。采用的方法和手段多為通過(guò)遙感影像獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、交通等數(shù)據(jù)分析建設(shè)用地變化的驅(qū)動(dòng)因素，但是土地利用有著很強(qiáng)的地域性，不同城市在不同時(shí)段擴(kuò)張速度和驅(qū)動(dòng)機(jī)制大有不同。合理分析城市擴(kuò)張?zhí)卣骷膀?qū)動(dòng)力對(duì)區(qū)域土地利用變化和總體規(guī)劃設(shè)計(jì)有很大的參考意義。

榆次區(qū)作為省會(huì)太原的衛(wèi)星城市，其地理位置十分優(yōu)越。近年來(lái)榆次區(qū)大幅擴(kuò)張，人口急劇增加，住房要求隨之高漲，土地利用情況變化很大。為了實(shí)現(xiàn)榆次區(qū)城市發(fā)展合理調(diào)控以及未來(lái)城區(qū)土地合理利用，對(duì)其城市擴(kuò)張及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性和必要性。本文采用GIS方法研究榆次區(qū)城市空間格局演變，定量分析榆次區(qū)不同時(shí)段的擴(kuò)張過(guò)程、特點(diǎn)及成因，有利于了解榆次區(qū)發(fā)展過(guò)程和制定榆次區(qū)土地利用總體規(guī)劃，為中心城區(qū)用地布局提供重要參考理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

榆次區(qū)地處山西省中部，晉中盆地的東北邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°34′～113°08′，北緯37°23′～37°53′。南與太谷相鄰，西與清徐相鄰，西北與太原南郊相鄰，東北與壽陽(yáng)相鄰，東南與和順、榆社相鄰。境內(nèi)東南部和北部為山地，西部為平川，地勢(shì)由東向西傾斜。轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，310個(gè)行政村，總?cè)丝?2萬(wàn)。素有“省城門(mén)戶”之稱，是山西省交通運(yùn)輸?shù)闹匾獦屑~。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

結(jié)合榆次區(qū)實(shí)際擴(kuò)張情況，選取1990年9月16日、2000年9月19日和2010年9月21日的TM、ETM+影像，時(shí)隔10年，可有效分析其擴(kuò)張規(guī)律。由于大氣輻射、遙感平臺(tái)位置、地球自轉(zhuǎn)等一系列原因，衛(wèi)星影像存在誤差，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括輻射校正和幾何校正。首先對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正，由于衛(wèi)星地面站提供的數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)輻射校正，但大氣和太陽(yáng)光照引起的輻射差異依然存在，所以采用ENVI軟件中FLAASH功能模塊對(duì)影像進(jìn)行輻射校正處理。然后對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，具體采用的校正方法為：以1∶1萬(wàn)地形圖為基準(zhǔn)，在影像上均勻選取30個(gè)明顯地物點(diǎn)；采用UTM投影，WGS84坐標(biāo)系，運(yùn)用多項(xiàng)式變換進(jìn)行校正。對(duì)于重采樣的算法，軟件提供3種常用的算法，最鄰近點(diǎn)法、雙線性內(nèi)插法和3次卷積法。3種方法中三次卷積法有很好的精度，但其亮度值改變費(fèi)時(shí)且數(shù)據(jù)計(jì)算量大。雙線性內(nèi)插法計(jì)算簡(jiǎn)單，并能有很好的亮度連續(xù)和圖像平滑作用，這里采用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣，完成幾何精校正。

1.3 建成區(qū)提取

經(jīng)幾何精校正后的TM影像，以最新的城區(qū)連片建設(shè)用地范圍進(jìn)行裁剪。考慮到城市總體是建成區(qū)擴(kuò)張的，所以采用2010年底的城區(qū)連片建設(shè)用地范圍進(jìn)行裁剪，得出研究范圍的影像。通過(guò)分析典型地物在不同波段上的波譜值，建立模型，找尋其最大差異，進(jìn)而提取所需城市建成區(qū)專題信息。據(jù)實(shí)地調(diào)查，榆次區(qū)城區(qū)的典型地物分為5類：建設(shè)用地，包括工業(yè)企業(yè)用地和居民住宅商鋪用地；耕地，包括城區(qū)內(nèi)水澆地和居民點(diǎn)附近菜地；林地，包括城區(qū)內(nèi)的苗圃、居民自栽的果樹(shù)等；草地和未利用地，其中草地多為荒廢土地，可與未利用土地并為一類。在充分分析研究區(qū)典型地物的波譜值后，發(fā)現(xiàn)高植被覆蓋的耕地和已經(jīng)收割或未種植作物的耕地波譜值變化有很大差異，所以這里將此兩類耕地分開(kāi)采集樣點(diǎn)。將榆次區(qū)城區(qū)典型地物均勻采集樣點(diǎn)，每種地類采集20個(gè)樣點(diǎn)，分析其在不同波段上的變化差異，最后將采樣地物的波譜值求平均值得到5組地物波譜值隨波段變化的地物波譜特征值。由NDBI=(T5-T4)/(T5+T4)可以清楚得出，以NDBI=0為分界線，可以將高植被覆蓋耕地和低植被覆蓋耕地區(qū)分。依此粗劣的將建成區(qū)分為兩大類：建設(shè)用地、低植被覆蓋耕地、草地與未利用地；高植被覆蓋耕地和林地。

由NDVI=(T4-T3)/(T4+T3)得出，以NDVI=0為分界線，大體也可以將有植被覆蓋區(qū)域和無(wú)植被覆蓋區(qū)域區(qū)分。就建成區(qū)來(lái)說(shuō)，分為兩大類：建設(shè)用地；低植被覆蓋耕地、草地與未利用地、高植被覆蓋耕地和林地。

受土壤光譜噪音、表層植被等的影響，以NDVI=0為界限不能很好的區(qū)分有植被覆蓋區(qū)域和無(wú)植被覆蓋區(qū)域。而NDBI取值以0為界限也不能很好的區(qū)分建設(shè)用地和非建設(shè)用地，需要?jiǎng)澏ㄒ粋€(gè)合適的值作為界限進(jìn)行區(qū)分。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，得出NDVI取值為0.15時(shí)得出的分類與實(shí)際面積與分布相似；而NDBI取值為0.18時(shí)得出的分類與實(shí)際面積與分布相似。

在ArcGIS10下對(duì)NDBI和NDVI值求合并運(yùn)算，可以得到無(wú)植被覆蓋并且為建設(shè)用地的城市建成區(qū)范圍。但僅僅靠NDBI、NDVI進(jìn)行分類，得到的分類后建設(shè)用地中仍會(huì)混雜低植被覆蓋的耕地和部分草地與未利用地。為了提高分類精度，更好的將城市建成區(qū)提取，在此基礎(chǔ)上采用最大似然法監(jiān)督分類，以初始感興趣區(qū)分類，然后根據(jù)NDBI和NDVI合并運(yùn)算得出的城市無(wú)植被建成區(qū)圖與先前分類圖疊加運(yùn)算。得出誤分、錯(cuò)分的區(qū)域，然后制作誤差圖，和彩色合成后的原始影像鏈接顯示，采用人機(jī)交互的方式，記錄，修正分類錯(cuò)誤區(qū)域，并以此重新補(bǔ)充感興趣區(qū)，以修正后的感興趣區(qū)繼續(xù)分類，得到新的分類圖。

1.4 精度檢驗(yàn)

分類結(jié)果判定即為精度驗(yàn)證。對(duì)于一般監(jiān)督分類，精度驗(yàn)證分兩類：一類是分類圖與高精度的影像進(jìn)行比對(duì)；一類是實(shí)地核查比對(duì)，計(jì)算分類后的各個(gè)地類與實(shí)際地類之間的相近關(guān)系。

精度評(píng)價(jià)是土地利用遙感分類的重要步驟。目前，衡量分類精度最常見(jiàn)的方法是混淆矩陣法。其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有生產(chǎn)者精度、用戶精度、總體精度和Kappa系數(shù)等。生產(chǎn)者精度是指某一類被正確分類的概率，對(duì)應(yīng)的誤差為漏分誤差；用戶精度是指被分為某一類中的像素被正確分類的比率，與之對(duì)應(yīng)是錯(cuò)分誤差；總體精度是所有分類正確的樣本數(shù)與樣本總數(shù)的比值，反應(yīng)分類結(jié)果總的正確程度；Kappa系數(shù)是一個(gè)反映整個(gè)誤差矩陣的精度系數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中，K為Kappa系數(shù)；r為分類矩陣的行數(shù)；Xii為第i行i列的觀察值；Xi+和X+i分別為分類誤差矩陣的總行數(shù)及總列數(shù)；N為采樣總數(shù)。

對(duì)分類結(jié)果的評(píng)價(jià)一般是以已有的分類圖或更高精度的遙感圖像為參照,而本文研究區(qū)域?yàn)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)，面積較小，而且多為建設(shè)用地，所以采用土地部門(mén)的城區(qū)地籍?dāng)?shù)據(jù)，選擇1990年、2000年、2010年3期的城區(qū)地籍?dāng)?shù)據(jù)等間隔選取樣點(diǎn)，與分類后數(shù)據(jù)對(duì)比。經(jīng)檢驗(yàn)，監(jiān)督分類的總體精度為91.4%，Kappa系數(shù)為89.6%，滿足分類精度要求。

1.5 空間分析

將通過(guò)遙感影像提取的三期城市建成區(qū)進(jìn)行空間疊加分析，可得出城市建成區(qū)疊加圖。以建成區(qū)質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)，將整個(gè)建成區(qū)分成8個(gè)方向，以水平方向零度角為起始邊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為第一、第二、第三等共8個(gè)方向。將建成區(qū)按8個(gè)方向裁剪，計(jì)算得出各個(gè)方向不同時(shí)間段建成區(qū)擴(kuò)張面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市建成區(qū)地類轉(zhuǎn)換特征

由不同年份城區(qū)范圍內(nèi)不同地類土地利用現(xiàn)狀(表1)可以看出，1990年至2010年榆次區(qū)城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地逐年增加，耕地、林地及草地與未利用地則逐年減少。其中， 1990～2000年建設(shè)用地增加了404.2 hm2，年增長(zhǎng)率為1.59%，耕地減少了299.95 hm2，年減少率為2.91%，林地減少了4.85 hm2，年減少率為2.65%，草地與未利用地減少了99.39 hm2，年減少率為3.88%；2000～2010年建設(shè)用地增加了643.81 hm2，年增長(zhǎng)率為2.19%，耕地減少了492.34 hm2，年減少率為6.73%，林地減少了7.11 hm2，年減少率為5.3%，草地與未利用地減少了144.4 hm2，年減少率為9.22%。

表1 不同年份下區(qū)范圍內(nèi)土地利用現(xiàn)狀/hm2

由圖1可見(jiàn)，自1990～2010年20年來(lái)，榆次區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)擴(kuò)張的趨勢(shì)，且明顯擴(kuò)張方向主要集中在北部。正北和西北方向面積都有大幅擴(kuò)張。2000～2010年，主要是西部、北部城區(qū)擴(kuò)張。1990～2010年，北部近似整體平移擴(kuò)張，西部擴(kuò)張巨大。其余方向沒(méi)有大的擴(kuò)張變化，可認(rèn)為榆次區(qū)這20年來(lái)是某些因素導(dǎo)向造成城市建成區(qū)擴(kuò)張。為了更好地說(shuō)明各類用地轉(zhuǎn)移情況，對(duì)用地面積變化進(jìn)行了轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，1990～2010年，城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地共增加1048.01 hm2，而耕地減少792.29 hm2，林地減少11.96 hm2，草地與未利用地減少243.79 hm2。這20年來(lái)，城市建成區(qū)逐步擴(kuò)張，主要是占用耕地，占總增加的75.6%。

圖1 榆次區(qū)1990、2000、2010年建成區(qū)疊加圖Fig.1 The overlay analysis of the land use of yuci during 1990, 2000 and 2010

2.2 城市擴(kuò)張?zhí)卣?/h3>

由圖2可以得出1990～2010年不同方向擴(kuò)張范圍和趨勢(shì)。具體擴(kuò)張面積由表3可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年份段擴(kuò)張面積較多，且擴(kuò)張面積大小接近，說(shuō)明這段時(shí)間榆次區(qū)北部擴(kuò)張空間均勻，有整體平移的感覺(jué)，西部出現(xiàn)框架式擴(kuò)張模式。2000～2010年，第二、五方向擴(kuò)張面積變化尤為明顯。說(shuō)明榆次區(qū)北部區(qū)域此段時(shí)間仍在繼續(xù)擴(kuò)張，第五方向橫向拉伸擴(kuò)張。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年均擴(kuò)張面積較多；可見(jiàn)，1990～2000年，榆次區(qū)北部年均擴(kuò)張比其他方向快，而第五方向年均擴(kuò)張面積高于同期別的方向，但低于2000～2010年的擴(kuò)張面積，說(shuō)明第五方向面積擴(kuò)張?jiān)?990～2000年已經(jīng)開(kāi)始，但仍處于起始階段，并未全面擴(kuò)張。2000～2010年，第二、五方向年均擴(kuò)張面積較多，由此得出2000～2010年北部第二方向依然擴(kuò)張，而第五方向全面擴(kuò)張，且擴(kuò)張速率明顯高出1990～2000年的幅度。

表2 1990至2010年城區(qū)范圍內(nèi)各個(gè)地類面積變化轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

表3 榆次區(qū)各個(gè)方向不同時(shí)間段建成區(qū)擴(kuò)張面積/hm2

圖2 1990、2000、2010年城區(qū)范圍建成區(qū)擴(kuò)張方向示意圖Fig.2 The expansion orientation of build-up in the city area during 1990, 2000 and 2010

2.3 城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力分析

1990～2000年，擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率較高的是第二、三、四、五方向，這個(gè)時(shí)間段，榆次區(qū)的發(fā)展為中心區(qū)域外擴(kuò)，重點(diǎn)發(fā)展迎賓路(榆次區(qū)北部)，并通過(guò)道北街將新華街與迎賓路相連，形成一個(gè)工字型中心區(qū)。很多商家開(kāi)始沿街開(kāi)鋪，使得商業(yè)集中化有了明顯改善。此后隨著廣場(chǎng)的不斷建設(shè)，成片的住宅區(qū)在其周圍建立起來(lái)，使得工人俱樂(lè)部成為城市的娛樂(lè)休閑中心。為適應(yīng)居住區(qū)的遷移，在迎賓路北側(cè)擴(kuò)建校園路，并新建逸夫小學(xué)，使得榆次一中、榆次五中、逸夫小學(xué)成為教育的集中區(qū)。而經(jīng)緯廠、晉華廠(榆次西北部)規(guī)模上升，人口密集，城市建設(shè)擴(kuò)大。這個(gè)時(shí)期，榆次的建設(shè)以北部和西北部為主。2000～2010年，擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率較高的是第二、三、五方向。這個(gè)時(shí)間段，榆次區(qū)北部的烏金山鎮(zhèn)成為重要建設(shè)地段。積極地構(gòu)建北部新城，加快基礎(chǔ)設(shè)施與中心城區(qū)的對(duì)接，瑞光電廠熱電聯(lián)供和智海水泥三期擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，省禁毒基地、清泰安養(yǎng)園的建設(shè)，加快了榆次區(qū)與太原在金融、通訊等方面同城化的步伐，烏金山鎮(zhèn)成為太榆同城化的強(qiáng)力跳板。榆次區(qū)西部，工業(yè)園區(qū)和工業(yè)基地建立，150余家企業(yè)入駐，產(chǎn)值、稅收連年翻番，園區(qū)地段房屋大幅建設(shè)。隨后，榆次區(qū)西部張慶鄉(xiāng)北部整體搬遷，工業(yè)園區(qū)二期開(kāi)發(fā)加速開(kāi)展，地域直接與太原市小店區(qū)汾東新區(qū)對(duì)接。

1990～2010年，擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率最高的是第二、三、五方向。第二、第三方向擴(kuò)張明顯對(duì)應(yīng)“北部新城”的政策。由第二、第三方向擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率最高得出榆次區(qū)北部正大力擴(kuò)張，建成區(qū)面積直線上升。第五方向上擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率高說(shuō)明榆次區(qū)在為構(gòu)建“大太原經(jīng)濟(jì)圈”戰(zhàn)略中積極響應(yīng)和具體運(yùn)作。順應(yīng)省會(huì)太原向東、向南擴(kuò)張的趨勢(shì)，積極引進(jìn)外資，建立工業(yè)園區(qū)，工業(yè)基地。

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口集聚和城市建設(shè)速度的加快，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是必然的結(jié)果。采用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)、結(jié)合RS、GIS技術(shù)，對(duì)榆次區(qū)進(jìn)行城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究和驅(qū)動(dòng)力分析。

1)從1990～2010年，在太原榆次“同城一體化”大趨勢(shì)的引導(dǎo)下，積極發(fā)展工業(yè)政策的推動(dòng)下，榆次區(qū)城市建成區(qū)表現(xiàn)出明顯的空間分布和時(shí)間變化上的方向性。城市建成區(qū)擴(kuò)張，北部和西部擴(kuò)張較為明顯。擴(kuò)張面積貢獻(xiàn)率，第二、三、五方向較高。這與榆次區(qū)優(yōu)越的地理位置和政府大力推進(jìn)“同城一體化”建設(shè)有密切關(guān)系。

2)城市化過(guò)程中，建設(shè)用地占用耕地是該區(qū)域土地利用變化的主要特征。榆次區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張時(shí)空分析顯示，1990～2010年，建設(shè)用地增加了1048.01 hm2，年增長(zhǎng)率達(dá)到4.1%；耕地減少了792.29 hm2，年減少率達(dá)到7.68%。

3)城市化過(guò)程中，土地利用變化受到不同因素的多種驅(qū)動(dòng)力綜合作用。地理位置因素和政策因素是導(dǎo)致榆次區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張的主要原因。

參 考 文 獻(xiàn)

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