王 榮，劉曉曼，劉世鋒

（1.天水師范學院 資源與環(huán)境工程學院，甘肅 天水 741001；2.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100101）

建設(shè)用地演變是城市化的一個重要標志，城市化過程對社會、經(jīng)濟和環(huán)境產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響，成為重點關(guān)注的問題.而建設(shè)用地的空間擴展作為衡量城市化水平的重要測度指標，[1]成為經(jīng)濟地理研究的熱點.要解決城市擴展帶來的相關(guān)問題，首先必須深入分析城市建設(shè)用地擴展的具體特征，從而揭示城市擴張的演變規(guī)律.目前國外對不同地區(qū)的建設(shè)用地擴張模式及動力機制等問題進行了大量的研究，主要采用RS與GIS技術(shù)、數(shù)學方法、空間模型等綜合集成技術(shù)來進行城市擴張?zhí)卣鞯亩炕治?、動態(tài)監(jiān)測及模擬和預(yù)測.[2-9]在中國快速城市化的背景下，對城市土地擴張的時空特征、模式及其影響機制方面有大量研究.特別是北京、上海、廣州、西安等大都市區(qū)由于城市規(guī)模大、功能強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其研究成果具代表性.][10-22平原地區(qū)城市的空間擴張不同于西部河谷型城市，雖有一些研究，但成果不多，其中賀振等對鄭州這個典型的平原型城市的研究比較深入.[23-26]

興平市作為以大中城市——關(guān)中中部為依托的“衛(wèi)星城”，近年來城市化進程逐漸加快，特別是2009年關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)批復(fù)通過后，是我國西部發(fā)達的城市群和產(chǎn)業(yè)集聚帶，國家“十一五”西部大開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃提出的重點經(jīng)濟建設(shè)區(qū).經(jīng)濟區(qū)的建設(shè)帶動了西北地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展.因此，本文以不同時期的興平市行政區(qū)劃邊界及多時相TM遙感影像為基礎(chǔ)，基于eCognition、GIS等空間分析軟件平臺，運用緩沖區(qū)分析方法，提取城市建設(shè)用地信息，并利用年均擴展強度指數(shù)、年均擴張率、城市用地擴展彈性等特征指數(shù)指標進行定量分析，為咸陽興平市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、空間規(guī)劃及功能分區(qū)提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

興平市地處陜西關(guān)中平原腹地、咸陽市西部，渭河北岸，界于34°11′51″N～35°32′N，107°38′E～109°10′E，是以大中城市為依托，國家“十一五”西部大開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃提出的重點經(jīng)濟建設(shè)區(qū).興平市地區(qū)差異不大，渭河一級階地比黃土臺原多30mm，市西略大于市東；該市屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年均氣溫13.1℃，≥10℃活動積溫4269.5℃，年平均日照平均數(shù)為2065.2h，≥10℃期間的日照時數(shù)為1253.4h，占年總數(shù)的62%；年平均降水量584.7mm，降水年際變化大.現(xiàn)轄5個街道辦事處(東城街道辦、西城街道辦、店張938街道辦、馬嵬街道辦、西吳街道辦)及8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(莊頭鎮(zhèn)、桑鎮(zhèn)、南位鎮(zhèn)、南市鎮(zhèn)、趙村鎮(zhèn)、湯坊鎮(zhèn)、豐儀鎮(zhèn)、阜寨鎮(zhèn))、2個工業(yè)區(qū)，總面積510km2，2013年總?cè)丝?1.13萬人，其中非農(nóng)業(yè)人口13萬人；研究區(qū)以城市建設(shè)中心區(qū)為中心，西寶高速公路橫穿東西，西蘭高速縱貫?zāi)媳?，形成“一核兩軸”的空間布局體系.

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文以1999年、2004年、2009年和2014年的四期Landsat TM遙感影像、興平市行政區(qū)劃圖、地形圖(1：10萬)及相關(guān)統(tǒng)計年鑒為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，首先，利用ENVI4.8對地形圖進行幾何校正，然后利用校正后的地形圖幾何糾正四期TM影像，誤差控制在0.5個象元內(nèi)，并進行圖像增強等處理，然后利用面向?qū)ο缶C合考慮紋理、形狀、上下語義關(guān)系等空間及光譜信息的eCognition軟件，提取四期關(guān)中-天水經(jīng)濟區(qū)城市建設(shè)用地信息，最后，通過1：10萬地形圖和實地調(diào)查進行檢核.利用arcgis10將四期城市用地數(shù)據(jù)層空間數(shù)據(jù)疊置分析，得到1999～2014年興平市城市用地擴展進程圖（圖1）：

圖1 1999～2014年興平市城市用地擴展進程圖

1.3 研究方法

1.3.1 城市用地擴展強度指數(shù)

城市用地擴展強度指數(shù)指標是指研究單元在研究時間內(nèi)城市土地利用擴展面積占土地總面積的百分比，即城市用地年均擴展速度的標準化處理指標，使得不同單元的城市用地擴展強度具有可比性，[27]城市擴展強度指數(shù)指標公式：

注：I(i，t+n)為城市用地擴展強度指數(shù)；A(i，t+n)為第i個研究單元、第t+n年的城市用地面積；A(i，t)為第i個研究單元、第t年的城市用地面積；pi為第i個研究單元總面積；n為研究時段的時間間隔.

1.3.2 城市用地擴展規(guī)模彈性系數(shù)

城市用地擴展是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程，為分析城市用地擴展的合理性，國內(nèi)外學者一般采用城市擴展規(guī)模彈性系數(shù)來衡量城市擴展的合理性.根據(jù)中國城市規(guī)劃設(shè)計院對我國歷史城市化進程的研究表明：該彈性指數(shù)指標為1.12時較為合理，即城市人口每增加1個百分點，城市用地面積增加1.12個百分點，城市用地擴展規(guī)模彈性系數(shù)小于1.12時，會導致城市用地緊張；大于1.12時，則可能造成城市用地擴展過快，導致土地利用效率低下；[27]城市用地擴展規(guī)模彈性系數(shù)指標公式：

注：Ri為時間間隔內(nèi)城市用地擴展彈性系數(shù)；Ci為時間間隔內(nèi)城市用地面積年均增長速度；Pi為時間間隔內(nèi)改成是人口年均增長速度.

1.3.3 城市用地空間擴展分析

以研究區(qū)1999年中心城區(qū)為核心，向外每1km間隔做16個等距離緩沖帶，然后將個緩沖帶分別于各期城市用地分布圖及擴展強度分布圖進行空間疊加分析，利用GIS的相關(guān)統(tǒng)計分析功能計算出各緩沖帶內(nèi)不同時段城市用地擴展面積、擴展強度等特征，再以各緩沖帶位研究單元，利用等級分類法對各時段城市用地擴張強度進行聚類分析，依次劃分為高速擴展、快速擴展、中速擴展、低速擴展及緩慢擴展五個等級，獲取各時段內(nèi)興平市城市用地擴張的空間分異圖.

2 結(jié)果分析

2.1 城市用地規(guī)模彈性特征分析

城市用地規(guī)模彈性系數(shù)指標是城市用地擴展合理性與否的重要衡量指標，根據(jù)中國城市規(guī)劃設(shè)計院對歷年城市化進程的分析，該彈性指數(shù)指標為1.12時較為合適，城市用地規(guī)模彈性系數(shù)等于城市用地增長率與城市人口增長率之比.1999～2004年興平市城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為0.76，2004～2009減小到0.55，2009～2014年城市用地規(guī)模彈性系數(shù)降低至0.08，遠遠低于1.12的合理水平；說明隨著關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)、十一五及十二五規(guī)劃進行，興平市工業(yè)化、城市化水平的不斷提高，興平市城市用地越來越緊張.

2.2 城市用地擴展面積空間分異特征

圖2 1999～2014年城市用地擴展面積統(tǒng)計圖

圖3 1999～2014年各緩沖區(qū)城市用地擴展面積統(tǒng)計圖

1999～2014年興平市城市用地面積逐年均有所增加，但不同時段不同緩沖帶空間范圍內(nèi)其擴展規(guī)模和強度均有較大的差異.興平市城市用地由1999年32.23 km2增加到2014年的155.28km2，擴展了123.05km2，平均每年擴展了8.2km2（見表1、圖2）.且擴展面積在個緩沖帶空間分異明顯，總體上呈現(xiàn)距中心城區(qū)的近郊圈層擴展面積變化較大，在距中心城區(qū)8km處達到最大，具有較強的空間集中性和中心鄰近性；在遠郊圈層擴展面積逐漸減小，整體呈明顯的“圈層式”擴展模式（見圖3）.其中，第一時段（1999～2004年）為緩慢擴展階段，該時段的擴展區(qū)域比較集中，主要分布在核心建成區(qū)周圍，擴展量不大，擴展區(qū)域比較直觀、明顯，擴展面積峰值在距中心城區(qū)8km處，緩沖區(qū)8km之外的圈層，擴展面積依次逐漸減小；第二時段（2004～2009年）為平穩(wěn)擴展階段，與第一時段相比，興平市城市用地有所擴展，總擴展面積為33.31，但擴展速率較慢，年均擴展速率為0.23，年均擴展面積比第一階段增加了0.21，各緩沖區(qū)擴展面積統(tǒng)計曲線表明：第二階段擴展面積峰值分別出現(xiàn)在1km、5km、8km處，且峰值處擴展面積相差不大；第三時段（2009～2014年）為快速擴展階段，由興平市城市用地擴展面積統(tǒng)計圖可知，該階段擴展面積統(tǒng)計曲線斜率明顯增大，即擴展面積迅速擴大，總擴展面積為155.28km2，占研究區(qū)總面積的30.44%，年均擴展面積31.05km2；由興平市城市用地擴展空間分布圖（圖4）D圖與C圖對比可知：該階段城市用地空間擴展主要分布在在兩條交通主干道軸線所分象限的第I、III象限，第III象限城市用地擴展主要發(fā)生在興平市與縣市的交界邊際處；興平城市用地擴展面積統(tǒng)計分析圖表明：與前兩時段相比，該時段擴展主要表現(xiàn)為距中心城區(qū)4km以內(nèi)，第三時段城市用地擴展面積介于第一與第二時段之間，城市用地擴展面積峰值為17.77km2，8km緩沖帶圈層以外，城市用地面積各圈層呈逐漸衰減趨勢.

圖4 1999～2014年興平市城市用地擴展空間分布

2.3 城市用地擴展強度空間分異

1999～2014年興平市城市用地擴展擴展指數(shù)指標統(tǒng)計分析表(表1)：

表1 1999～2014年興平市城市用地擴展特征指數(shù)統(tǒng)計分析表

1999～2014年興平市城市用地擴展強度及擴展率統(tǒng)計圖（圖5）、擴展強度隨距中心城區(qū)距離變化圖（圖6）表明：

圖5 1999～2014年年均擴展強度及擴展率統(tǒng)計圖

圖6 1999～2014年擴展強度隨距中心城區(qū)距離變化圖

1999～2004年、2004～2009年興平市城市擴展年均擴展強度統(tǒng)計曲線基本保持水平，年均擴展強度指數(shù)Ei由1.26增長到1.30，后期與前期相比，僅增長了0.04，因此，與1999～2004年相比，2004～2009年興平市城市擴張年均擴展強度保持平穩(wěn)過渡；但2009～2014年年均擴張強度指數(shù)迅速增加，增長了4.78；與之不同的是：與1999～2004年、2004～2009年相比，2009～2014年城市用地擴展的年均擴展率有所減小，但整體上基本保持不變.不同時段興平市城市用地擴展強度指數(shù)隨距中心城區(qū)距離變化表現(xiàn)出顯著時間特征分異規(guī)律；2009～2014年城市用地擴展強度指數(shù)指標整體高于1999～2004年、2004～2009年變化曲線.

1999～2004年不同時段各緩沖帶城市用地擴展空間分異規(guī)律變化圖(圖7)及各緩沖區(qū)城市用地擴展面積及擴展強度指數(shù)指標統(tǒng)計分析表(表2)：

圖7 1999～2004年不同時段各緩沖帶城市用地擴展空間分異規(guī)律變化圖

從圖7及表2可知，興平市城市用地擴展強度在各緩沖區(qū)空間分異分布明顯，總體上呈現(xiàn)城鎮(zhèn)擴展速度由近中心區(qū)到遠郊區(qū)逐漸減緩的趨勢，城市用地呈現(xiàn)明顯的“圈層”擴展模式，緊鄰中心城區(qū)的圈層具有將強的空間集中性和中心鄰近性，1999～2004年、2004～2009年及2009～2014年，緊鄰中心城區(qū)的圈層均為高速擴展區(qū)，且隨著時間的推移，緊鄰中心區(qū)的區(qū)域擴展強度逐漸緩慢，而邊緣遠郊區(qū)城市用地擴展強度逐漸由中速擴展區(qū)變?yōu)榭焖贁U展區(qū)；其中1999～2004年，城市用地快速擴展區(qū)主要集中在2～5km緩沖帶區(qū)域范圍內(nèi)，該區(qū)域占研究區(qū)總面積的43.55%，該區(qū)域內(nèi)城市用地擴展面積占該區(qū)域總面積的9.35%；該區(qū)域年均擴展強度指數(shù)為5.58，是該時段研究區(qū)總體水平的4.43倍；2004～2009年各等級擴展區(qū)均勻分布，但與1999～2004年相比，緊鄰中心城區(qū)的2～5km緩沖區(qū)城市擴展強度有所減緩，但8～12km緩沖區(qū)城市擴展強度逐漸增強；至2009～2014年時間段該變化特征更加顯著，緊鄰中心城區(qū)的2～5km緩沖帶內(nèi)，城市用地擴展強度進一步變緩，但城市用地快速擴張區(qū)主要集中在6～15km緩沖帶的邊緣遠郊區(qū)，該區(qū)域占研究區(qū)總面積的45.69%，該區(qū)域內(nèi)城市用地擴展面積占該區(qū)域總面積的40.31%；該區(qū)域年均擴展強度指數(shù)為6.81，是這一時期研究區(qū)總體水平的1.12倍.

表2 1999～2014年各緩沖區(qū)城市用地擴展面積及擴展強度指數(shù)指標統(tǒng)計分析表

3 結(jié) 論

通過以上結(jié)果分析可得出以下幾方面結(jié)論：

（1）1999～2004年、2004～2009年興平市城市用地擴展面積、年均擴展強度指數(shù)基本保持平穩(wěn)，但與1999～2004年、2004～2009年相比，2009～2014年城市用地擴展強度迅速增加，分別是前兩者的4.83、4.67倍；出現(xiàn)差距的原因主要在于2009年關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的啟動；

（2）1999～2014年，興平市城市用地呈顯著的“圈層式”、擴展模式及“過渡式”演變模式.以5km緩沖區(qū)為分界，隨著 1999～2004年、2004～2009年、2009～2014年三個時間段的推移，5km以內(nèi)，城市用地擴展速率逐漸緩慢，呈快速-中速-緩慢擴展的演變模式；5km以外，城市用地擴展速率逐漸加快，呈低—中—快擴展的演變模式；總體符合城市用地演變逐漸“邊緣化”的擴展規(guī)律；

（3）2009～2014年，興平市城市用地擴展面積比1999～2004年、2004～2009年分別增大了4.83、4.676倍；但2009～2014年城市用地擴展比較集中，主要分布在西寶、西蘭兩條主干高速交通道所形成的象限的第I、III象限，引起該現(xiàn)象的主要原因是興平市十二五規(guī)劃工業(yè)園區(qū)集群發(fā)展與歷史文化、依傍渭河一帶旅游商貿(mào)區(qū)的開發(fā).

[1]徐學強，周一星，寧越敏.城市地理學[M].北京：高等教育出版社，2009：70-73.

[2]WEBER C，PUISSANT A.Urbaniation pressure and model ing of urban growth：Example of the Tunis metropolitan area[J].Remote Sensing of Environment，2003，(86)：314-352.

[3]GEORGE XIAN，MIKE CRANE.Assessments of urban growth in the Tampa Bay watershed using remote sensing data[J].Remote Sensing of Environment，2005，97(2)：203-215.

[4]MUNDIA C N，ANIYA M.Analysis of land use/cover changes and urban expansion of Nairobi city using remote sensing and GIS.Internationa[J].Journal of Remote Sensing，2005，26(13)：2831-2849.

[5]WANG YEQIAO，ZHANG XINSHENG.A dyamic modeling approach to simulating socioeconomic effects on landscape changes[J].Ecological Modeling，2001，(140)：141-162.

[6]MURAKAMIAA ET Al.Trends in urbanization and patterns of land use in the Asian mega cities Jakarta，Bangkok，and Metro Manila[J].Landscape and Urban Planning，2005，70(3)：51-259.

[7]JIE LIU，SHAO-YU WANG，DONG-MEI LI.The analysis of the im pact of land-use changes on flood exposure of wuhan in yangtze river basin[J].Water Resources Mangement，2014，28(9)：2507-2522.

[8]T V RAMACHANDRA，A H BHARATH，M V SOWMYAS HREE.Monitoring urbanization and its implications in a mege city from space：spatiotemporal patterns and its indicators[J].JouralofEnvironmentalManagement，2014，2(15)：2507-2522.

[9]T V RAMCHANDRA BHARATH H AITHAL，DURGAPPA D.SANNA.In sights to urban dynamics through landscape spatial pattern analysis.Internationa[J].Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2012，18(114)：329-343.

[10]趙耀龍，張珂，彭永俊，等.基于地理模擬方法的昆明市空間拓展情景分析[J].地理研究，2014，33(1)：119-131.

[11]張秀芳，牛叔文，馮驍，等.天水城市擴張的時空特征及動因分析[J].地理研究，2013，32(12)：2312-2323.

[12]周銳，李月輝，胡遠滿，等.基于GIS的沈陽市城鎮(zhèn)用地空間擴展特征分析[J].資源科學，2009，31(11)：1947-1956.

[13]楊勇，任志遠.基于GIS的西安市城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴展研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24(1)：46-51.

[14]曾磊，宗勇，魯奇.保定市城市用地擴展的時空演變分析[J].資源科學，2004，26(4)：96-103.

[15]吳宏安，蔣建軍.西安市城市擴張及其驅(qū)動力分析[J].地理學報，2005，60(1)：144-150.

[16]周國華，賀艷華.長沙城市土地擴張?zhí)卣骷坝绊懸蛩豙J].地理研究，2006，61(11)：1171-1180.

[17]黃敬峰.基于多源遙感數(shù)據(jù)的城市建設(shè)用地空間擴展動態(tài)監(jiān)測及其動力學模擬研究[D].浙江大學，2012.

[18]周國華，賀艷華.長沙城市土地擴張?zhí)卣骷坝绊懸蛩豙J].地理研究，2006，61(11)：1171-1180.

[19]劉盛和，吳傳鈞，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J].地理學報，2000，55(4)：407-416.

[20]喬玉良，余雙琳.遙感動態(tài)檢測太原市城市建設(shè)用地及其擴展變化分析[J].氣象與環(huán)境科學，2011，34(1)：1-4.

[21]任文利，江東，董東林，等.成都市城市擴張遙感監(jiān)測及演變特征研究[J].甘肅科學學報，2014，26(2)：15-21.

[22]孟丹，李小娟，徐輝，等.京津冀都市圈城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張?zhí)卣鞣治鯷J].地球信息科學學報，2013，30(02)：168-171.

[23]HONGZHI WANG，QIHUI SHAO，RENDONG LI.Govermental policies drive the LUCC trajectories in the Jianhan plain.Environmental Monitoring and Assessment，2013，185(12)：1573-2959.

[24]高建燕，江東，黃耀歡，等.HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在上海城市擴張動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].甘肅科學學報，2010，22(3)：62-67.

[25]賀振，趙文亮，賀俊平.鄭州市城市擴張遙感動態(tài)監(jiān)測及驅(qū)動分析[J].地理研究，2011，30(12)：2272-2280.

[26]張占錄.北京市城市用地擴張驅(qū)動力分析[J].經(jīng)濟地理，2009，29(7)：1182-1185.

[27]鄭榮寶.廣州市土地資源安全評價與預(yù)警研究[D].中山大學博士論文，2008：73.

[28]國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)中—天會經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃[S].2009.

[29]國家工信部.陜西省政府，甘肅省政府.關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)先進制造業(yè)基地發(fā)展規(guī)劃[S].2011.