董 磊，王崇云，彭明春，杜建海

(1.云南省林業(yè)調查規(guī)劃院，云南 昆明 650051；2.云南大學生態(tài)學與地植物學研究所，云南 昆明 650091； 3.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

城市化(Urbanization)是人類對生物圈影響最為強烈的行為之一，城市擴展是城市化進程的直接表現(xiàn)[1]。目前，城市人口劇增，預計到2025年全球城市人口將達到人口總數(shù)的65%，城市擴展正在以驚人的速度席卷全球[2]。改革開放以后，我國城市化進程高速發(fā)展，并且這一態(tài)勢還會持續(xù)相當長的一段時期[3]?？焖俚某鞘谢M程，除了帶來GDP的高速增長外，還帶來了一系列問題[4]。面對城市迅速而又復雜的擴展變化，及時、準確地掌握城市景觀擴展過程中空間形態(tài)的演化趨勢，討論城市空間的發(fā)展規(guī)律，成為急需解決的問題[5,6]。衛(wèi)星遙感影像具有客觀性、周期性、宏觀性等特點，被廣泛應用于土地利用變更調查、環(huán)境變化監(jiān)測、城市擴張動態(tài)監(jiān)測等領域[7]。近年來，國內外學者紛紛運用地理信息系統(tǒng)(Geographical Information Systems, GIS) 和遙感(Remote Sensing, RS) 技術對城市空間擴展進行研究[8,9]，但多數(shù)研究對象為北方平原、長江三角洲平原、沿海地區(qū)等地勢較為平坦的地區(qū)[10-13]。西部地區(qū)城市多處于高原平壩、高山河谷、荒漠綠洲地區(qū)，對這些城市的研究相對較少，而這些地區(qū)又是生態(tài)環(huán)境較為脆弱和敏感的地區(qū)[14]，城市發(fā)展面臨更大的生態(tài)壓力。因此，對西部城市擴展時空特征進行及時和持續(xù)地分析，有利于對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設進行科學預測和指導。

作為面向東南亞和南亞的人流、物流、信息流和資金流的重要集散地，昆明市迎來了建設區(qū)域性國際化大都市的歷史機遇。然而，高原平壩區(qū)城市發(fā)展受復雜的地形地貌條件制約，城市擴展不同于東部平原城市。本文以昆明市建成區(qū)為研究對象，基于多時段衛(wèi)星遙感影像資料，研究分析：1)流域36年間(1974—2010年)城市建成區(qū)擴展時空特征，2)城市擴展強度和方向性的動態(tài)變化，3)城市擴展的形態(tài)變化，以期揭示西部高原平壩區(qū)城市建成區(qū)動態(tài)擴展特征，為城鎮(zhèn)化發(fā)展和城市規(guī)劃建設提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昆明市地處云南高原中部，是云南省的省會城市，國家一級口岸，是通向東南亞、南亞的重要交通樞紐(圖1)。城市建成區(qū)坐落于滇池流域。市中心海拔 1 890 m，三面環(huán)山，南瀕滇池，屬低緯度高原山地季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，素有“春城”之美稱。據(jù)建國以來的氣象資料統(tǒng)計，昆明年均氣溫14.5℃，最熱月(7月)平均氣溫19.7℃，最冷月(1月)平均氣溫7.5℃，年溫差12～13℃。全年降水量約 1 030 mm，相對濕度為74%，濕氣不大，全年無霜期近年均在240 d以上。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study areas

1.2 數(shù)據(jù)與處理

選用1974—2010年的5期遙感影像作為研究的基礎數(shù)據(jù)(表1)。影像校正利用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGINE 9.1，以1∶5萬數(shù)字柵格地圖(Digital Raster Graphic，DRG)為基準，以及1∶5萬地理信息基礎數(shù)據(jù)(水系、高程、居民點等)對影像進行幾何校正。選用二次多項式校正函數(shù)，每景影像選取30個控制點，校正誤差控制在1個像元之內，最后選用雙線性插值法進行重采樣，柵格大小為30 m×30 m。

表1 遙感數(shù)據(jù)一覽

土地利用分類系統(tǒng)的選擇對影像解譯結果的精確性有重要影響[15]。由于本文土地利用數(shù)據(jù)的獲取來自于多源影像，且影像空間分辨率不一，為了便于分析，對影像進行了重采樣，并且參照《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010- 2007)》[16]和中國科學院制定的土地資源分類系統(tǒng)[7]，結合研究區(qū)內實際情況，將土地資源統(tǒng)一劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、其他用地等6個一級類，采用面向對象(Object-based)影像解譯方法，遙感分類軟件為eCognition Developer 8.64.1。

1.3 城市建成區(qū)邊界提取

從理論上說，城市建成區(qū)界線應該大體上就是城鄉(xiāng)分界線，但實際上遠非如此，因為從城市到鄉(xiāng)村是漸變的、交錯的[17]。城市建成區(qū)邊界的提取應遵循城市在空間上的連續(xù)性原則，將城區(qū)范圍內部較小的非城市用地的地塊以及城市內部的水體都劃分到城市范圍內。

參照陳本清[18]等人的方法對圖層進行二值化賦值。將昆明市5個時相的城市建成區(qū)數(shù)據(jù)進行疊加運算，最后得到包含5個時相的城市建成區(qū)專題灰度圖像(圖2)。通過對城市建成區(qū)二值形式的處理，可以更加直觀明了地看出城市建成區(qū)的動態(tài)變化過程。

1.4 城市建成區(qū)空間擴展特征提取

選取空間重心轉移、擴展速率和強度作為城市建成區(qū)空間擴展特征的分析指標。

空間重心：指對象的幾何空間中心，是描述地理對象空間分布的一個重要指標，常用于城市演變、土地利用類型的變化研究[9,19]。重心的偏移角度和距離代表了城市建成區(qū)擴展的方向和幅度。為了研究建成區(qū)空間擴展特征，本文采用Zhang[20]等人在其矢量景觀理論中對于單個地理對象的空間重心理論進行研究。

城市用地擴展速率(Mt+1)：研究區(qū)內城市建成區(qū)擴展面積的增長速率，用來衡量城市用地擴展的規(guī)模。

城市用地擴展強度指數(shù)(It+1) ：研究區(qū)內城市土地利用擴展面積占其土地總面積的比率。

為了使不同時期城市建設用地擴展的速度具有可比性，對其年平均擴展速度進行標準化處理[21,22]。

(1)

(2)

式中：Ut+1表示t+1時的建成區(qū)面積；Ut表示t時的建成區(qū)面積；△t表示時間t與t+1間的時間跨度。

1.5 城市建成區(qū)空間形態(tài)特征提取

城市外圍輪廓形態(tài)的形成是城市用地不斷擴展的結果。外圍輪廓形態(tài)的變化則是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個非常重要的特征，可用緊湊度指標來反映城市空間擴展的形態(tài)變化特征[23]，其公式如下：

(3)

式中：c為城市緊湊度，A為建成區(qū)面積，P為建成區(qū)輪廓周長。c值越大，說明城市形態(tài)越具有緊湊性；反之，城市形態(tài)的緊湊性較差。

由公式可以看出，圓是形態(tài)最緊湊的圖形，其緊湊度為1；對于不規(guī)則狹長的形狀而言，c值遠遠小于1。

分形維數(shù)是描述分形特征的重要指數(shù)，同時是表征事物自相似性的定量指標之一，其數(shù)值的大小可以反映事物形態(tài)的復雜性與穩(wěn)定性[24,25]。城市有著復雜的、非線性的空間形態(tài)，具有自組織、自相似和擴展的能力[26]，因此分形維數(shù)可以較好地研究城市空間的形態(tài)特征?？臻g的分形維數(shù)可以描述城市邊界形狀的復雜性，反映出土地利用形狀的變化及土地利用受干擾的程度。對于城市形態(tài)分形的研究主要有3種測算方法[27]，本文采用周長—面積法[22,28]計算城市形態(tài)分形維數(shù)St。

St=2ln(Pt/4)/ln(At)

(4)

式中：St為t時期城市斑塊的分形維數(shù)；At，Pt分別是t時期城市斑塊的面積和周長。St的理論范圍在 1～2之間，St值越大表示圖形形狀越復雜。當St﹤1.5時，說明圖形趨向于簡單；當St=1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態(tài)，越接近于該值，穩(wěn)定性越差；當St﹥1.5時，則圖形更為復雜。St=1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，St=2.0表示等面積的情況下形狀最復雜的斑塊。

2 結果與分析

昆明市建成區(qū)范圍在36年間面積從1974年的 2 211.5 hm2增加到2010年的 44 755.1 hm2(表2)。

建成區(qū)范圍從1974年局限于環(huán)城路內，此后開始向各個方向擴展，到2010年時，建成區(qū)出現(xiàn)了向正東方向以及東南方向迅速擴展的趨勢。

表3 不同年份建成區(qū)重心坐標

由表3可知，1974—1992年建成區(qū)重心偏移方向與正東方向夾角β1974—1992為0.54°，重心偏移距離D1974-1992為1.4 km；1992—2000年，β1992—2000為179.39°， D1992—2000為1.1 km；2000—2006年，β2000—2008為34.85°，D2000—2004為1.1 km；2006—2010年，β2000—2010為45.02°，重心偏移距離最大，為 5.5 km。由此可見，城市重心的空間轉移表現(xiàn)為由東→西→東南→東南。1974—2006年，滇池流域城市重心基本穩(wěn)定在東經(jīng)102°70′～102°72′，北緯25°03′～ 25°05′范圍，而到2010年，城市空間重心整體向東南方向大幅度移動，移至東經(jīng)102°76′，北緯25°00′。

城市用地擴展的速率和強度是研究城市擴展特征的重要指標。1974—1992年，城市的擴展速率M1974-1992最低，為8.98%。2006—2010年的城市擴展速率β2006-2010最高，為25.48%(圖3)。這36年間，城市的擴展速率整體是上升的，只是2000—2006年略有減緩。擴展強度的變化與擴展速率的變化具有一致性，1974—1992年和2006—2010年的擴展強度(I)分別為3.43和12.62，滇池流域城市建成區(qū)擴展強度在36年間增長了近4倍(圖3)。

圖3 建成區(qū)擴展速率和擴展強度Fig.3 Expansion rate and intensity of urban built-up area

在1974—2010年的36年里，滇池流域城市的緊湊度(c)均遠低于1(圖4)。緊湊度最高的1974年也僅為0.214 1。1974—2000年，緊湊度呈緩慢下降趨勢；2000—2006年略有上升；2006—2010年驟然下降。緊湊度的變化與城市擴展速率的變化有著一致性，由于城市總體上均在向外擴展，所以城市的緊湊度不高。城市緊湊度的提高有利于城市內部各部分間“流”的交換，同時也是對城市內部空間的優(yōu)化過程，提高了城市的效率，從而降低城市的管理成本，這一點在2000—2006年表現(xiàn)較為明顯。與此同時，該時段城市擴展速率趨于緩慢，該時段城市擴展以內部填充式發(fā)展為主。2006年后，隨著新一輪城市擴展的開始，緊湊度又開始下降。

城市有著復雜的、非線性的空間形態(tài)和內在的自組織、自相似和分形生長的能力。這意味著城市空間形態(tài)演變可能受到某種隱含規(guī)則的支配。36年來，滇池流域城市建成區(qū)面積共增加了 42 544 hm2，即共有 42 544 hm2的其他土地利用類型轉化為城市建設用地。1974—2010年間的分形維數(shù)(S)均小于1.5，但是數(shù)值波動依然明顯。這說明城市形態(tài)的整體發(fā)展還是趨于簡單的，但是總的趨勢是由簡單向復雜發(fā)展。不同年份的發(fā)展過程表現(xiàn)出了穩(wěn)定性差，隨意性大的特點。其中1974年分形維數(shù)的值最小，僅為 1.168 0，城市邊界形狀最簡單。1974—1992年，滇池流域城市建成區(qū)向外擴張的穩(wěn)定性相對較高。2000—2006年，分形維數(shù)的下降說明該時期城市沒有明顯的擴展，邊界形狀沒有較大的變化。2006年后分形維數(shù)又開始上升，2010年建成區(qū)分形維數(shù)最大，為 1.220 9 (圖4)。

圖4 城市緊湊度和分形維數(shù)變化Fig.4 Changes of city compactness index and fractaldimension

3 討論

昆明市建成區(qū)擴展格局經(jīng)歷了擴展—填充—再擴展3個階段。

1)1974—2000年為城市擴展階段。其中，1974—1992年，流域城市建成區(qū)呈放射性發(fā)展(圖1)，這與周昕[29]的研究結論相一致。建成區(qū)分形維數(shù)和緊湊度一直呈緩慢變化的趨勢，說明該時期城市建成區(qū)的擴展比較規(guī)整、有序，城市內部開始呈現(xiàn)同心圓的擴張趨勢。從傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟模式的轉化過程中，逐漸加快了城市和外部經(jīng)濟的交流。1992—2000年，建成區(qū)緊湊度的突降和分形維數(shù)的激增是對應的，也就是說這一時期建成區(qū)出現(xiàn)無序擴展的趨勢。1993年第一屆中國昆明進出口商品交易會的成功舉辦以及3個國家級開發(fā)區(qū)的建設，使得昆明城市第三產業(yè)迅速發(fā)展，城市空間迅速擴大。1999年昆明世界園藝博覽會的成功舉辦，為昆明市的發(fā)展注入了強心劑，建成區(qū)向四周蔓延式地增長，使城市人員、貨物的流動以及環(huán)境、交通問題開始突出，城市邊界形態(tài)的曲折和復雜性突然增加。

2)2000—2006年為城市填充階段。這一時期城市的擴展強度和速度均有減緩。城市擴展趨于緩和，相應緊湊度和分形維數(shù)都轉向平穩(wěn)。1999年昆明世界園藝博覽會導致的城市快速建設之后，城市進入了一個相對緩慢的發(fā)展時期，城市建設以內部填充為主。

3)2006—2010年為城市再擴展階段。城市擴展強度和速度再次激增，舊城區(qū)改造和新城區(qū)建設齊頭并進。2008年2月，昆明市委、市政府提出用5年時間完成昆明建成區(qū)內336個城中村的重建改造。這一期間，新城區(qū)的建設也在如火如荼地進行著。建成區(qū)南部迅速發(fā)展，集結了昆玉高速、貴昆、昆石高速、老昆石、昆洛等5條公路，解決了城市南部交通不便的問題。加之，以新亞洲體育城、世紀城、彼岸等為代表的新型住宅小區(qū)，其自建配套設施將大幅度改變滇池流域城市的發(fā)展方向。同時，呈貢大學城的建設、新昆明市政府辦公區(qū)的建設與搬遷，都推動著呈貢新區(qū)建設的步伐，建成區(qū)大跨步向東南方向發(fā)展。

昆明市建成區(qū)的擴展方式與平原城市既相同又相異。相同點是城市核心區(qū)都表現(xiàn)為同心圓式擴張，這與國內大多數(shù)中心城市發(fā)展的模式是一樣的[30,31]。昆明目前的同心圓已經(jīng)擴展到直徑約16 km，這種密集型圈層拓展模式將比平原城市引發(fā)更為嚴重的環(huán)境、交通問題[29]。昆明市核心區(qū)以外的區(qū)域則受地形限制的影響十分嚴重，三面環(huán)山，南瀕滇池，這點又與平原城市不同。由于核心區(qū)建成時間較為久遠，當時缺乏完善的公共交通體系，尤其是公共軌道交通，造成了核心區(qū)道路較為狹窄，樓宇之間的距離較近，這同樣也是國內大多數(shù)城市面臨的主要問題。隨著昆明市建成區(qū)軌道交通的建設，勢必將對城市的規(guī)劃發(fā)展和居民的出行方式帶來變革。

作為我國與東南亞、南亞聯(lián)系的橋頭堡和滇中經(jīng)濟圈崛起的核心[32]，昆明的區(qū)位優(yōu)勢和國家給予的城市定位決定了其必然由目前的中等規(guī)模省會城市向大城市的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的單中心同心圓式的空間拓展模式使城市的許多種功能混合在一起，不利于城市內部“流”的交換，隨之而來的是密集的城市核心區(qū)人居環(huán)境惡化、交通負擔增加、城市綜合競爭力明顯下降。因此，在城市規(guī)劃中需遵循從圈層式擴展形態(tài)走向軸間發(fā)展形態(tài)，最后形成帶狀增長形態(tài)的發(fā)展規(guī)律[29,33]。目前，昆明建成區(qū)的擴展方向體現(xiàn)了這一趨勢，從以翠湖為中心向四周發(fā)展形成的“一主四副”向以滇池為中心的“一湖四片”跨越式發(fā)展，但城市功能的完善仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

4 結論

從1974年起，昆明城市重心先后經(jīng)歷了向東，然后轉向西，最后再轉向東南的擴展特點，其中2006—2010年，城市重心在4年時間里向東南方向轉移了5.5 km，城市擴展的速度和強度均有逐年增加的趨勢。1974—2000年，城市的緊湊度在逐漸下降，期間城市空間擴展明顯，但對土地利用的合理性重視不夠。此后，城市對土地的開發(fā)利用趨于復雜化和多元化。由于滇池盆地的面積有限，因此，城市發(fā)展需要開拓新的擴展空間。2006—2010年，緊湊度和分形維數(shù)分別大幅度下降和上升，表明城市擴展出現(xiàn)了新的拓展空間。

目前，城鎮(zhèn)化進程使昆明市處于快速發(fā)展時期，城市建設面積迅速擴展，城市空間形態(tài)演變劇烈，大規(guī)模的舊城區(qū)改造與新城區(qū)建設齊頭并進。城市結構由圈層拓展向軸向拓展轉變，由單一中心向多中心轉變。南部呈貢大學城的建設、新昆明市政府辦公區(qū)的建設與搬遷，北部昆明新機場的建成使用，城市建成區(qū)將形成新的南北軸向發(fā)展。隨著呈貢新城區(qū)的發(fā)展，城市功能區(qū)不再僅僅依靠原有的主城區(qū)，城市景觀建設由“翠湖時代”逐步向“滇池時代”過渡。此外，云南“城鎮(zhèn)上山”政策的出臺，將使城市發(fā)展面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。城市發(fā)展增加了滇池流域內固化下墊面的面積，將使得城市面源污染問題加重[34]。作為西南地區(qū)重要城市之一，昆明城市發(fā)展也將為西部山地城鎮(zhèn)化進程提供指導和借鑒。

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