■梁敏

（吉林大學、地球探測科學與技術學院吉林長春30026）

汾河流域城鎮(zhèn)時空擴展遙感監(jiān)測及動力機制分析研究

■梁敏

（吉林大學、地球探測科學與技術學院吉林長春30026）

本文主要通過利用TM多時相遙感數(shù)據(jù),運用遙感影像目視解譯方法、地理信息系統(tǒng)空間分析方法并結合汾河流域社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù),調(diào)查了2000～2010年汾河流域地區(qū)縣以上的重要城鎮(zhèn)的分布位置、建成區(qū)擴展面積和擴展速度，全面分析研究了該區(qū)域的城鎮(zhèn)時空擴展動力機制。結果表明,汾河流域城鎮(zhèn)用地擴展主要發(fā)生在海拔800m以下和坡度為6°以下的地區(qū)，并且這些擴展城鎮(zhèn)的人口呈直線增長，經(jīng)濟快速發(fā)展，同時交通建設也加速了城鎮(zhèn)的擴展速度和方向。

汾河流域 城鎮(zhèn)擴展 遙感監(jiān)測 動力機制

1　引言

城鎮(zhèn)擴展引起地域空間結構的變化是城鎮(zhèn)化在空間上最直觀的表現(xiàn)，研究空間結構的動態(tài)變化，有助于了解城鎮(zhèn)擴展的驅動因素、機制和規(guī)律，對合理的進行城鎮(zhèn)規(guī)劃，促進區(qū)域城市可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義[1]。遙感技術具有快速、準確、實時和周期短等優(yōu)點，在城市空間結構動態(tài)監(jiān)測方面具有明顯的優(yōu)勢[2]。利用遙感動態(tài)監(jiān)測城鎮(zhèn)空間結構動態(tài)變化，客觀地分析汾河流域城鎮(zhèn)擴展驅動因素，為合理制定和完善城鎮(zhèn)規(guī)劃提供決策依據(jù)[3]。

改革開放以來,隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加速,汾河流域沿岸基本城鎮(zhèn)建設用地面積不斷增加,耕地卻被大量占用,人增地減的矛盾日趨突出。本文通過研究汾河流域的城鎮(zhèn)時空擴展特征及其驅動因素,可為汾河流域的城鎮(zhèn)規(guī)劃和土地資源規(guī)劃提供基礎參考和依據(jù)，同時也可為汾河流域城鎮(zhèn)建設的健康發(fā)展和土地資源的可持續(xù)利用提供借鑒和參考[4]。

2　研究區(qū)概況

汾河，是黃河流域內(nèi)的第二大支流，山西省境內(nèi)流域面積最大，流程最長的第一大河。汾河發(fā)源于山西省寧武縣境內(nèi)管涔山脈南麓，流向自北向南縱貫山西省的中部和西南部，至萬榮縣榮河鎮(zhèn)注入黃河,被山西人稱為母親河。

汾河流域地處黃河中游，地理位置東經(jīng)110°30'～113°32'，北緯35°20'～39°00'，流域面積39826km2，占山西全省面積的25.5%。河長709.9km，耕地面積1738.69萬畝，占全省耕地面積的29.54%。河川徑流20.67億m3，水資源總量33.58億m3，占全省水資源總量的27.2%。

流域地處中緯度大陸性季風氣候帶，為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)，春、冬季節(jié)寒冷干燥，雨雪較少，夏秋季節(jié)氣溫高，降水集中。地勢北高南低，干流縱向穿行呂梁山脈、太行與太岳山脈之間，各支流發(fā)育在兩大山系之中，河流行經(jīng)的中間地帶大部被厚度不均的松散黃土層所覆蓋，丘陵起伏，溝壑縱橫，是黃土高原特有的地貌形態(tài)。

汾河流域地跨山西省忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運城6個地級市，共計44個縣 (市、區(qū))，人口1315萬人，為全省總人口的39%。沿汾河兩岸分布有豐富的煤、鐵等礦產(chǎn)資源，是山西省工業(yè)集中、農(nóng)業(yè)發(fā)達的主要地區(qū)，在全省經(jīng)濟社會發(fā)展中居于十分重要的地位。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1數(shù)據(jù)來源

文中采用的遙感影像是2000年和2010年2個時相的分辨率為30m的Landsat TM數(shù)據(jù)，其他的相關數(shù)據(jù)包括相對應的1：175萬水系圖、行政區(qū)劃圖、土地利用類型圖、山西數(shù)字高程模型（DEM）、山西省交通圖及相關的統(tǒng)計資料等。

3.2數(shù)據(jù)處理

首先在ERDAS IMAGINE 9.2軟件中對遙感影像進行校正，進行遙感影像圖和數(shù)字高程模型(DEM)間的投影轉換后，在ArcGIS 9.3軟件中用汾河流域邊界對遙感影像圖進行裁切，之后，以遙感影像為主要的數(shù)據(jù)源，通過ArcGIS 9.3軟件對2000和2010年2期汾河流域遙感影像進行目視解譯，獲得汾河流域土地利用圖。然后，將2個城鎮(zhèn)范圍圖在ArcGIS中進行空間疊加，獲得汾河流域2000～2010年的城鎮(zhèn)擴展圖。

根據(jù)DEM得到坡度圖，并對高程和坡度進行重分類[5～7]，研究高程和坡度兩個地形因素對城鎮(zhèn)擴展的驅動作用。

結合山西省交通圖提取汾河流域道路數(shù)據(jù)，對道路進行不同級別的緩沖區(qū)分析，研究交通建設對城鎮(zhèn)擴展的驅動作用。

結合相關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究人口增長和經(jīng)濟發(fā)展對城鎮(zhèn)擴展的驅動作用。

本文的技術路線如下圖：

圖1　數(shù)據(jù)處理流程

4　汾河流域城鎮(zhèn)擴展監(jiān)測結果與分析

4.1城鎮(zhèn)時空擴展遙感監(jiān)測結果

利用遙感圖像得到土地利用動態(tài)變化有多種方法[8～10]。本文通過ArcGIS 9.3軟件，對汾河流域2000年和2010年2期遙感影像進行目視解譯，獲得汾河流域2期土地利用圖（附圖1～2）。然后統(tǒng)計出汾河流域2000年和2010年的城鎮(zhèn)面積，如表1。

表1　2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)用地面積表

遙感監(jiān)測表明，汾河流域2000年城鎮(zhèn)面積為1146.42 km2，占全流域面積的2.67%；2010年城鎮(zhèn)面積上升明顯，為1351.35 km2，占全流域面積的3.14%。

4.2城鎮(zhèn)時空擴展特征分析

4.2.1時序特征分析

在ArcGIS工作環(huán)境下，分別提取2000和2010年2個時期的城鎮(zhèn)建設用地信息，進行空間疊加，獲得2000～2010年的城鎮(zhèn)擴展信息（附圖3），進一步分析汾河流域城鎮(zhèn)擴展的動態(tài)變化情況（表2）。

表2　2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設用地面積變化

表2反映了2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設用地的變化情況：2000～2010年間，汾河流域城鎮(zhèn)面積從1146.42 km2增加到1351.35 km2，增長了17.88%，擴展速度達每年20.49 km2，城鎮(zhèn)面積占地區(qū)總面積的百分比相應地從2.67%增長到3.14%。總之，1990～2010年間，汾河流域城鎮(zhèn)建設用地擴展明顯，呈加速擴張的趨勢[11]。

表3　汾河流域各段城鎮(zhèn)建設用地面積擴展情況

4.2.2空間特征分析

將汾河流域分為上、中、下游三個區(qū)域段（附圖3），采用城鎮(zhèn)擴展面積和城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)方法，分別研究這三個流域段2000～2010年城鎮(zhèn)建設用地擴展的空間分異特征。

表3反映了2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)用地在各流域段的擴展情況：汾河流域中游城鎮(zhèn)擴展明顯增長，達到153.92 km2，擴展速度為平均水平的2.25倍，下游擴展稍低于平均水平，上游擴展極少，僅為1.70 km2，幾乎無明顯擴展。綜上所述，2000～2010年，汾河流域的城鎮(zhèn)擴展主要發(fā)生在中游和下游。

城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)，是某空間單元在研究時期內(nèi)的城鎮(zhèn)土地利用擴展面積占其土地總面積的百分比，用以比較不同研究時期城鎮(zhèn)土地利用擴展的強弱或快慢，其實質(zhì)就是用各空間單元的土地面積來對其平均擴展速度進行標準化處理，使不同空間單元城鎮(zhèn)土地利用擴展的速度具有可比性，擴展強度指數(shù)表達式[12]如下:

式1中，ULI i,t為空間單元i與T時段相對的年均城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)。ULAi,a為研究初期空間單元i的城鎮(zhèn)建設用地面積，ULAi, b為研究末期空間單元i的城鎮(zhèn)建設用地面積，T為研究時段，TLAi為空間單元i的土地總面積。

表4　2000～2010年汾河流域各流域段城鎮(zhèn)擴張強度指數(shù)（%）

由（1）式可計算出2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴張強度指數(shù)（表4），從而分析各流域段城鎮(zhèn)擴張強度指數(shù)特征。

由表4可知，2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設用地在各流域段的擴展強度指數(shù)不同，城鎮(zhèn)擴

張強度指數(shù)差異明顯：汾河流域中游的城鎮(zhèn)擴張強度最大，城鎮(zhèn)擴張強度指數(shù)為0.0681，上游的城鎮(zhèn)擴張強度最小，城鎮(zhèn)擴張強度指數(shù)為0.0022。

4.2.3擴展模式分析

城鎮(zhèn)擴展在空間上主要表現(xiàn)為軸向擴展和外向擴展兩種形式。在實際應用中,軸向擴展即沿交通線進行擴展,而外向擴展則主要是以城鎮(zhèn)某一點為中心向外圍地域進行擴展?？臻g距離衰減是造成這兩種擴展形態(tài)的主要原因[13]。

由汾河流域城鎮(zhèn)擴展示意圖可知，2000～2010年間，城鎮(zhèn)擴展主要集中在太原盆地，臨汾、運城盆地，擴展模式是以中心城區(qū)的邊緣式擴展和填充式擴展為主，其余區(qū)域受制于自然條件的影響，城鎮(zhèn)擴展緩慢，表現(xiàn)為沿現(xiàn)有城鎮(zhèn)單元的填充式發(fā)展。

本文在ArcGIS工作環(huán)境中，用分級緩沖區(qū)分析來研究城鎮(zhèn)建設用地的擴展模式。對于汾河流域不同級別的道路，依次以1km距離建立不同半徑的緩沖區(qū)，以緩沖區(qū)的環(huán)狀樣帶作為分析區(qū)，提取2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設用地的擴展信息，與道路緩沖區(qū)信息進行空間疊置，定量的描述城鎮(zhèn)建設用地的擴展過程和空間分布，分析汾河流域城鎮(zhèn)建設用地的擴展模式。

附圖4～8形象地反映出，在2000～2010年的城鎮(zhèn)建設用地擴展過程中，汾河流域城鎮(zhèn)建設用地擴展與交通干線有密切聯(lián)系。由于高速公路和鐵路分別需要高速公路出口和鐵路站點同周圍區(qū)域聯(lián)系，其對城鎮(zhèn)擴展的影響往往不是連續(xù)軸向的，而公路（國道、省道、縣道）則可以形成軸向的城鎮(zhèn)用地擴展區(qū)域[14]。

表5　2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴展各級別道路緩沖區(qū)面積（km2）統(tǒng)計

由表5可知，2000～2010時段的城鎮(zhèn)建設用地擴展面積隨著緩沖區(qū)半徑增加出現(xiàn)呈現(xiàn)以下的變化規(guī)律：擴展面積不斷增加，國道、省道和縣道在緩沖區(qū)半徑在3km范圍之內(nèi)均出現(xiàn)了最大值，而高速公路和鐵路對城鎮(zhèn)擴展的影響主要體現(xiàn)在高速路出口和鐵路站點。

因此，2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴展方式主要表現(xiàn)為：中心城區(qū)的邊緣式擴展和填充式擴展模式，以及沿交通主干道的軸向擴展模式。

5　汾河流域城鎮(zhèn)擴展動力機制研究

5.1自然地理環(huán)境對城鎮(zhèn)擴展具有指向性的作用

表6　不同高程城鎮(zhèn)擴展統(tǒng)計表

表7　不同坡度城鎮(zhèn)擴展統(tǒng)計表

自然地理環(huán)境是城鎮(zhèn)空間擴展十分重要的基礎條件,直接影響著城鎮(zhèn)空間擴展的潛力、方向和速度等。城鎮(zhèn)地貌是城鎮(zhèn)的組成要素，直接影響著城鎮(zhèn)的發(fā)展方向、城鎮(zhèn)規(guī)模和城鎮(zhèn)住宅規(guī)劃等工程設施，城鎮(zhèn)的形成和發(fā)展，必須依賴于良好的地形地貌條件。水域、山體、平原的空間組合將汾河流域分割為數(shù)個發(fā)展空間，控制了汾河流域城鎮(zhèn)建設用地擴展的基本格局。

在ArcGIS軟件中，利用汾河流域的DEM數(shù)據(jù)提取坡度，對高程和坡度進行重分類，進行高程分析和坡度分析。并且進一步將高程、坡度信息與汾河流域城鎮(zhèn)擴張數(shù)據(jù)進行疊置分析（附圖9～10），從而研究地形因素對城鎮(zhèn)擴展的驅動作用。

由表6、表7可以明顯看出：2000～2010年間，汾河流域94.63%的城鎮(zhèn)擴展面積發(fā)生在海拔為800m以下的地區(qū)，尤其在太原盆地、運城盆地、臨汾盆地等海拔較低地區(qū)城鎮(zhèn)擴展明顯；98.41%的城鎮(zhèn)擴展發(fā)生在坡度為6°以下的地區(qū)。海拔較高，坡度較大地區(qū)城鎮(zhèn)幾乎無明顯擴展。

5.2人口增長對城鎮(zhèn)擴展的驅動作用

人口因素是人類社會經(jīng)濟活動中及其重要的因素，對土地利用的變化起著重要的驅動作用[15]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村人口不斷向城鎮(zhèn)人口轉移，使得城鎮(zhèn)人口不斷增加，城鎮(zhèn)人口的增加必然會表現(xiàn)為城鎮(zhèn)居民對住房、交通和市政設施等方面的需求加強，加劇農(nóng)田等土地類型向建設用地類型的轉變。所以，城鎮(zhèn)人口的增加是城鎮(zhèn)土地擴展的直接動因。

表8　2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)總人口

城鎮(zhèn)總人口與建成區(qū)面積擴展呈高度線性相關[16]關系?？芍诤恿饔蚪耆丝谠鲩L比較明顯，從2000年的1266.15萬增長到2010年的1429.60萬，城鎮(zhèn)人口增長呈直線增長趨勢，而人口的快速增長則直接導致了汾河流域城鎮(zhèn)空間上的擴展。

5.3經(jīng)濟發(fā)展對城鎮(zhèn)擴展的決定作用

經(jīng)濟的增長為城鎮(zhèn)擴展提供了物質(zhì)基礎。第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模轉移，加快了城鎮(zhèn)化步伐[17]。進入21世紀以來，山西省加大改革開放的力度，推進經(jīng)濟結構調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展方式轉變，汾河流域城鎮(zhèn)經(jīng)濟呈現(xiàn)較快增長的良好態(tài)勢（表9）。經(jīng)濟的快速增長引起工業(yè)規(guī)模不斷擴大，而新增加的工業(yè)企業(yè)需要新的城鎮(zhèn)空間承接，新老企業(yè)對發(fā)展空間的共同需求成為汾河流域城鎮(zhèn)擴張的又一直接因素。特別是高強度的煤炭開采，在拉動地方經(jīng)濟發(fā)展的同時，對水土資源和生態(tài)環(huán)境也帶來了巨大的負面影響。煤炭開采使耕地減少，工礦建設用地增加，加速了城鎮(zhèn)擴展。

表9　2000～2010年汾河流域城鎮(zhèn)生產(chǎn)總值

5.4交通建設對城市空間擴展方向具有指導性的作用

城鎮(zhèn)的交通是城鎮(zhèn)最主要的功能之一，城鎮(zhèn)各類用地的功能聯(lián)系主要是通過城鎮(zhèn)交通實現(xiàn)的。所以，城鎮(zhèn)交通的意義、價值和影響力遠遠超過了城鎮(zhèn)中任何一個功能模塊所表現(xiàn)出來的意義，它影響著城鎮(zhèn)各方面的發(fā)展[18]。山西省的交通從20世紀80年代開始有了飛速發(fā)展。汾河流域交通方便，城鎮(zhèn)建設用地基本上是依附主要交通干線的方向在擴展。經(jīng)前面線緩沖區(qū)分析可知，城鎮(zhèn)建設用地依托城鎮(zhèn)內(nèi)部主要道路交通軸向外擴展，并在軸線兩邊不斷充實。

6　結論

通過以上分析研究，得出的主要結論如下：

（1）2000～2010十年間，汾河流域城鎮(zhèn)用地面積快速增加，擴展強度明顯。

（2）汾河流域的城鎮(zhèn)擴展方式主要表現(xiàn)為：中心城區(qū)的邊緣式擴展和填充式擴展，以及沿交通主干道的軸向擴展。

（3）汾河流域城鎮(zhèn)擴展的驅動因素中，自然地理條件決定了城鎮(zhèn)擴展的主體方向。城鎮(zhèn)人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、交通建設等直接影響城鎮(zhèn)擴展的方向、速度、模式、規(guī)模及空間結構。

（4）隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)用地擴展會進一步加快，耕地也會隨之被大量占用。在進行城鎮(zhèn)規(guī)劃和建設過程中，應加強城鎮(zhèn)周邊生態(tài)系統(tǒng)的保護，調(diào)整城鎮(zhèn)建設用地布局和結構，提高土地集約化利用程度，實現(xiàn)城鎮(zhèn)內(nèi)涵擴展[15,18]。政府部門應該合理規(guī)劃城鎮(zhèn)建設、優(yōu)先發(fā)展資金密集型產(chǎn)業(yè)，提高城鎮(zhèn)土地利用效益，這是解決城鎮(zhèn)擴展過快的重要途徑。

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Remote Sensing Monitor and Driving Forces Analyses of Urban Expansion in Fen River Basin

Liang Min
(Changchun 130026,Jilin Province,Cartography and geographic information system,College of GeoExploration Science and Technology,Jilin University)

In this paper,through the use of TM remote sensing data, We used interpretation of remote sensing,geographic information systems spatial analysis and socioeconomic data to survey the location of all major cities and towns,the growth area,and the expansion rate between the year of 2000 and the year of 2010 in Fen River Basin,and analyzed the driving forces of urban expansion in this region.The study reveals that Urban land expansion in Fen River basin occurs mainly in 800 metres above sea level and slopes below 6 degrees,and the population of these towns show linear growth,rapid economic development,while traffic also accelerates the expansion of the town and the direction.

Fen River Basin;Urban Expansion;Remote Sensing Monitor,;Driving Forces

F292[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～339～5