張作誠(chéng)，沈 非

1.福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件工程系，福州，350001;2.安徽師范大學(xué)GIS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蕪湖，241003

昆山市城市空間擴(kuò)展時(shí)空特征分析

張作誠(chéng)1，沈 非2*

1.福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件工程系，福州，350001;2.安徽師范大學(xué)GIS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蕪湖，241003

基于多時(shí)相遙感影像，借助GIS軟件，獲取昆山市城市空間形態(tài)信息，以城市分形維數(shù)、緊湊度、擴(kuò)展強(qiáng)度、重心等為參數(shù)，利用等角、等距分割等方法，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，定性定量分析1984-2014年昆山市城市空間擴(kuò)展時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果表明：30年中，城市用地面積增長(zhǎng)了452.46 km2，城市規(guī)模擴(kuò)大了71.17倍；1990年代以來(lái)，城市用地面積擴(kuò)展速率呈快速上升趨勢(shì)，城市空間重心總體向東南方向轉(zhuǎn)移，城市主要擴(kuò)展方向?yàn)镾E與SEE，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然環(huán)境、人口增長(zhǎng)、交通建設(shè)和政策行為等共同影響著昆山市城市空間的擴(kuò)展變化。

城市擴(kuò)展；時(shí)空特征；驅(qū)動(dòng)力；昆山市

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加速，城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用周邊耕地問(wèn)題也日益突出。昆山市處于120°48′21″E～121°09′04″E、31°06′34″N～31°32′36″N，位于江蘇東南向，北與常熟、太倉(cāng)相接，東接上海青浦、嘉定兩區(qū)，南部古鎮(zhèn)周莊與浙江相通，西與蘇州吳中區(qū)和工業(yè)園毗鄰，是江蘇省經(jīng)濟(jì)“金三角”的前沿。20世紀(jì)80年代以來(lái)，昆山市開(kāi)始設(shè)立經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，全市經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，城市空間迅速變化。以昆山市1984-2014年間遙感影像資料為信息源，借助ArcGIS軟件及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，定性定量地剖析昆山城市化過(guò)程中城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展時(shí)空特征，明確城市擴(kuò)展的主要影響因子，對(duì)于合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)耕地，科學(xué)規(guī)劃昆山市城市未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

1 信息的提取

采用昆山市1984、1995、2005、2014年1∶10萬(wàn)Landsat MSS/TM/ETM+遙感影像為信息源，利用Erdas9.2對(duì)遙感影像進(jìn)行多波段影像合成和幾何校正；基于ArcGIS10.1平臺(tái)，采用多時(shí)期連續(xù)對(duì)比法[1-3]目視判讀解譯(參照全國(guó)土地分類體系，土地利用類型主要采用二級(jí)分類)，經(jīng)拓?fù)涮幚慝@得各時(shí)期城市邊界矢量圖；最終建立昆山市土地利用圖形屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，提取各時(shí)段城鎮(zhèn)建成區(qū)邊界信息。

2 城市擴(kuò)展時(shí)空特征分析

2.1 城市空間擴(kuò)展的形態(tài)與演變模式

在城市擴(kuò)展過(guò)程中，隨著城市面積的不斷增大，城市用地空間的邊界形態(tài)也在發(fā)生著變化。由于城市用地空間分布形態(tài)不規(guī)則、不穩(wěn)定、高度復(fù)雜，具有明顯的分形特征，因此，可以利用Mandelbrot的分形理論[4-6]，以分形的方法來(lái)定量研究城市用地邊界的變化。在分形模型中，假定城市用地圖斑面積為A，圖斑邊界周長(zhǎng)為P，則圖斑邊界分形維數(shù)D的計(jì)算公式為[7]：

(1)

式中，D值介于1～2之間，其大小反映了城市用地斑塊的復(fù)雜性，D值越大，城市用地邊界形狀越復(fù)雜，越不規(guī)則。

此外，城市邊界輪廓形態(tài)的緊湊度也可以用來(lái)測(cè)度城市空間形態(tài)的變化[8]，計(jì)算公式為：

(2)

式中，C為城市邊界的緊湊度指數(shù)，A代表城市面積，P代表城市邊界輪廓周長(zhǎng)。C值在0～1之間，值越大，形態(tài)越緊湊(圓形緊湊度為1)；反之，形態(tài)緊湊性越差，越趨于狹長(zhǎng)形狀。

根據(jù)(1)(2)式，計(jì)算得出昆山市各時(shí)期城市用地圖斑分維數(shù)及緊湊度指數(shù)(圖1、表1)。可以看出，三個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，城市用地分形維數(shù)呈現(xiàn)出先大幅增加后持續(xù)降低的變化，緊湊度指數(shù)則是出現(xiàn)先顯著降低后持續(xù)升高的變化。其中，1995年是重要的拐點(diǎn)年份，此前，緊湊度最高(0.464)，分形維數(shù)較小(1.259)，城市空間的聚集性高，形態(tài)較規(guī)整，在經(jīng)歷了第一時(shí)段短暫的趨于復(fù)雜、不規(guī)則、狹長(zhǎng)發(fā)展的歷程之后，從1995年起，城市空間越來(lái)越趨于簡(jiǎn)單、規(guī)則、趨圓發(fā)展。

圖1 1984-2014年昆山市不同時(shí)段分維數(shù)變化

表1 城市用地緊湊度變化(1984-2014)

城市邊界形態(tài)的變化與城市的擴(kuò)展模式密切相關(guān)。一般情況下，如果城市的擴(kuò)展形式為填充式，則城市邊界形態(tài)會(huì)趨向規(guī)則，如果城市的擴(kuò)展處于分散隨機(jī)狀態(tài)，其外圍輪廓形態(tài)則會(huì)變得不規(guī)則。20世紀(jì)80年代中期，昆山市老城區(qū)規(guī)模較小，城區(qū)中心呈團(tuán)塊狀，城市邊緣以條帶狀向外軸方延伸。1984年昆山市整體形態(tài)呈星楔形，長(zhǎng)軸方向?yàn)槲鞅薄獤|南向，長(zhǎng)度約4.3 km；短軸方向?yàn)闁|—西向，長(zhǎng)度約4.1 km，長(zhǎng)軸與短軸之比約為1.05∶1。1984-1995年間，昆山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)迅速成長(zhǎng)為昆山市加速發(fā)展的主動(dòng)力，城市空間擴(kuò)展方式以軸間充填和建立開(kāi)發(fā)區(qū)的方式擴(kuò)展為主。1995-2005年間，隨著改革開(kāi)放力度的進(jìn)一步加大，昆山市高科技園區(qū)和玉山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)相繼建立，擴(kuò)展方式以松散邊緣擴(kuò)展型為主[9]，城市擴(kuò)展形狀極不規(guī)則。2005-2014年間，伴隨著滬寧高速、常昆高速和312國(guó)道的建成通車，城市擴(kuò)展有著明顯的交通導(dǎo)向作用。在三個(gè)時(shí)間段內(nèi)，城市西南方擴(kuò)展鮮有變化，這主要由于京滬鐵路從城市西南部穿越，限制了城市向西南方的擴(kuò)展。城市邊界形態(tài)特征的變化過(guò)程與城市三個(gè)時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)展方式完全吻合(圖2)。

圖2 1984-2014年昆山市城市形態(tài)演變圖

2.2 城市擴(kuò)展的規(guī)模與強(qiáng)度

城市空間擴(kuò)展速度是研究城市空間擴(kuò)展的重要指標(biāo)，通常用研究時(shí)段內(nèi)城市年均擴(kuò)展面積加以表征。為了使不同時(shí)期城市用地空間擴(kuò)展的速度具有可比性，用研究時(shí)段初期城市土地總面積對(duì)其年平均擴(kuò)展面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到年均擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)[10-11](表2)，從而定量地比較不同研究時(shí)期城市用地空間擴(kuò)展的強(qiáng)弱和快慢，二者表達(dá)式為：

AGAt～t+n=(ULAt+n-ULAt)/n

(3)

UIIt～t+n=[(ULAt+n-ULAt)/n]/TAL×100

(4)

式中，AGAt～t+n為空間單元在t～t+n時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)展速度，ULAt、ULAt+n分別為研究期始末的城市用地面積；n為間隔時(shí)長(zhǎng)，TLA為城市土地總面積； UIIt～t+n為城市空間單元在t至t+n時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)。

表2 昆山市城市空間擴(kuò)展變化(1984-2014)

從1984-1995年的11年時(shí)間里，昆山市城市用地面積從6.45 km2增長(zhǎng)至31.01 km2，面積凈增加24.56 km2，城市擴(kuò)展速度緩慢。研究初期城市面積基數(shù)較小，城市總體擴(kuò)展強(qiáng)度在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)處于居中的地位。此后19年中，城市建成區(qū)面積一直呈“跳躍式”增長(zhǎng)，迅速?gòu)?1.01 km2增長(zhǎng)到研究期末的458.91 km2，凈增加427.90 km2，城市總體持續(xù)加速擴(kuò)展。由于2005年城市面積基數(shù)的明顯增大，所以擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)顯示出先升后降的變化。

2.3 城市擴(kuò)展空間重心的轉(zhuǎn)移距離與方向

空間重心是描述地理對(duì)象空間分布的重要指標(biāo)，比較不同時(shí)期城市空間重心的位置以及重心坐標(biāo)轉(zhuǎn)移的距離與方向，可幫助揭示城市空間變化的過(guò)程與特點(diǎn)[12-13]。城市空間重心計(jì)算方法為[14]：

(5)

(6)

式中,Xt、Yt分別為t年時(shí)城市重心的經(jīng)、緯度坐標(biāo)，Cti為t年時(shí)第i塊矢量圖斑面積，Xi、Yi分別為第i塊矢量圖斑幾何中心的經(jīng)、緯度坐標(biāo)。

城市空間重心轉(zhuǎn)移距離與轉(zhuǎn)移角度的表達(dá)式分別為：

(7)

(9)

圖3 昆山城市重心轉(zhuǎn)移圖

由表3、圖3可以看出，30年間，城市主要向東南方向擴(kuò)展為主。其中，1984-1995年間，城市重心向東偏南轉(zhuǎn)移了1 648.18 m，轉(zhuǎn)移角度為9.65°；1995-2005年間，城市繼續(xù)向東偏南大幅度擴(kuò)展，轉(zhuǎn)移角度明顯增大，這一時(shí)期遷移距離為2 858.71 m，偏移角度為69.36°，達(dá)到最大值。2005至2014年，重心仍舊保持了小幅度的東偏南方向轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移距離僅為639.84 m，偏移角度縮小為50.54°。

表3 昆山市重心變化趨勢(shì)

3 城市擴(kuò)展分異特征分析

3.1 基于空間方位的擴(kuò)展分異

為了進(jìn)一步揭示昆山市城市擴(kuò)展在空間方位上的差異，采用等角分割的方法[15]，以1984年昆山市幾何中心(120°57′13″E，31°22′53″N)為圓心，以28 km為范圍控制半徑，以北偏東11.25°為方向起始，將各時(shí)相城市擴(kuò)展邊界矢量圖層等角度分割成16份(圖4)，分別統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段各扇區(qū)城市用地?cái)U(kuò)展面積，制作城市空間擴(kuò)展強(qiáng)度雷達(dá)圖(圖5)。

圖4 1984-2014年昆山市城市形態(tài)等角分割圖

可以看出，1984-1995年間，城市空間擴(kuò)展主要集中在NEE、E、SEE、SE方向，其中SEE方向擴(kuò)展最強(qiáng)(1.32)，其他方向也有一定程度的變化。1995-2005年間，城市空間擴(kuò)展尤以S、SEE方向顯著，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)分別達(dá)到3.77和3.58；此外，在NEE、SSW方向也有少量擴(kuò)展，兩個(gè)主導(dǎo)方向的擴(kuò)展變化使得擴(kuò)展面積雷達(dá)圖顯示為“菱形”與“梯形”的二元組合。2005-2014年間，城市擴(kuò)展主導(dǎo)方向明顯偏西，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到0.75；此外，在NW、SWW等方向也有少量擴(kuò)展，城市空間大致呈“楓葉”型多方向擴(kuò)展。縱觀昆山市30年來(lái)的變化，城市空間擴(kuò)展一直處于非均衡態(tài)勢(shì)下，每一時(shí)期均有其各自的主導(dǎo)拓展方向。

圖5 1984-2014年昆山市不同方位空間擴(kuò)展強(qiáng)度雷達(dá)圖

3.2 基于空間距離的擴(kuò)展分異

城市用地?cái)U(kuò)展與空間距離因素密切相關(guān)，利用ArcGIS軟件的緩沖區(qū)分析功能，可以定量化研究這種關(guān)系[16-17]。以1984年城區(qū)質(zhì)心為原點(diǎn)，分級(jí)間距設(shè)為2 km，為保證2014年城市范圍包括在最大緩沖區(qū)內(nèi)，向外共建立14個(gè)緩沖區(qū)環(huán)帶。將緩沖區(qū)圖層、不同時(shí)期城市空間擴(kuò)展圖層空間疊加，分別統(tǒng)計(jì)各緩沖環(huán)帶內(nèi)的城市用地面積。

比較可知，1984-1995年間，隨著距城區(qū)中心距離的增加，城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)逐漸增加，峰值出現(xiàn)在4 km處，隨后逐漸下降，10 km處時(shí)已趨于0值(圖6)，這一時(shí)期昆山市新城區(qū)擴(kuò)展主要是依托老城區(qū)。此后的19年時(shí)間里，除1995-2005年為主次雙峰波形外，用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)的波形基本保持單峰變化，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)的峰值在持續(xù)外拓，直至12 km處。這一時(shí)期，城市擴(kuò)展的最外圍邊緣距城中心的距離也在持續(xù)增加。30年間，城區(qū)中心2 km范圍無(wú)擴(kuò)展變化，城市擴(kuò)展最強(qiáng)烈的區(qū)域在距城中心10 km處，城市擴(kuò)展最遠(yuǎn)距離約距城中心28 km處。

圖6 城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)距離的變化

4 城市空間擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

4.1 經(jīng) 濟(jì)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)城市化進(jìn)程，昆山市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的拐點(diǎn)在1995年。此前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展遲緩，城市GDP僅為100.16億元，此后，迅速增長(zhǎng)，2012年增長(zhǎng)到2 725.32億元，這與城市空間擴(kuò)展的階段性變化恰好相符(圖2)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，對(duì)城市空間形態(tài)的演變起著至關(guān)重要的影響。1990-2012年，昆山市第一產(chǎn)業(yè)在GDP中所占百分比迅速下降，第二產(chǎn)業(yè)比重先增加后減少，第三產(chǎn)業(yè)所占比重總體持續(xù)增長(zhǎng)，第二、三產(chǎn)業(yè)早已是昆山的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。城市用地結(jié)構(gòu)隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而發(fā)生變化，推動(dòng)了城市空間的擴(kuò)展。

圖7 1990-2012年昆山市GDP及三大產(chǎn)業(yè)比重變化

4.2 自然環(huán)境

自然環(huán)境是城市存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響著城市空間的擴(kuò)展方向。昆山境內(nèi)地勢(shì)較平坦，地面高程平均為3.4 m，河網(wǎng)交錯(cuò)縱橫，水域面積占全市總面積的23.1%。在研究時(shí)段內(nèi)，城市西南方向發(fā)展緩慢，由于京滬鐵路從城市西南部穿越，制約了城市西南向的擴(kuò)展。

4.3 人 口

人口增長(zhǎng)是城市擴(kuò)展的重要驅(qū)動(dòng)力，城市人口的增多，對(duì)土地需求增大，促進(jìn)城市住宅、商業(yè)、工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而推動(dòng)了城市建設(shè)用地的擴(kuò)張[18]。1984-2011年間，昆山市人口規(guī)模從1984年53.79萬(wàn)激增到2011年200.74萬(wàn)，年均漲幅10.12%。外來(lái)暫住人口從2005開(kāi)始超過(guò)戶籍人口，并在此后不斷上升。人口的增加使得城市化水平不斷提高，為了滿足和提高人們對(duì)生活、工作以及基礎(chǔ)設(shè)施的需求，城市地域空間出現(xiàn)了擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖8 昆山市人口變化

4.4 交 通

城市是區(qū)域經(jīng)濟(jì)和文化中心，對(duì)外交通實(shí)現(xiàn)與區(qū)域外的物質(zhì)交換[19]。水路交通對(duì)昆山早期發(fā)展影響較大，因而早期城市擴(kuò)展主要沿婁江兩岸展開(kāi)。后期鐵路的建設(shè)開(kāi)始帶動(dòng)城市發(fā)展，滬寧鐵路的建成，加強(qiáng)了昆山與蘇州和上海的聯(lián)系，京滬鐵路和京滬高速鐵路都設(shè)有站點(diǎn)，成為城市東南向擴(kuò)展的主要推動(dòng)原因。此外，隨著近年來(lái)境內(nèi)滬寧高速、蘇州繞城高速、蘇滬高速、蘇昆太高速、常昆高速、312國(guó)道等的建設(shè)，多元化交通的發(fā)展改變了城市空間發(fā)展格局。

4.5 政 策

國(guó)家政策對(duì)城市發(fā)展的把握和指引作用十分明顯，政府通過(guò)實(shí)施土地政策對(duì)城市規(guī)劃進(jìn)行干預(yù)[19]。在早期城市擴(kuò)展緩慢時(shí)，昆山市規(guī)劃的主要目標(biāo)是老城區(qū)的建設(shè)和內(nèi)部改造。在城市用地需求激增，城市開(kāi)始迅速擴(kuò)展時(shí)，城市規(guī)劃的主題轉(zhuǎn)向城市外圍，昆山充分利用臨近上海的優(yōu)越條件，結(jié)合各區(qū)域的特色，因地制宜地發(fā)展各城鎮(zhèn)的特色產(chǎn)業(yè)，建設(shè)沿滬產(chǎn)業(yè)帶、吳淞江產(chǎn)業(yè)區(qū)、南部陽(yáng)澄湖水鄉(xiāng)旅游區(qū)和東北部信息產(chǎn)業(yè)區(qū)，昆山市不同時(shí)期的城市用地規(guī)劃明顯地凸顯了這樣的導(dǎo)向變遷。

5 結(jié) 論

(1)利用實(shí)時(shí)有效的多時(shí)相遙感影像資料，配合GIS 技術(shù)與數(shù)學(xué)方法，提取各時(shí)相城市邊界信息。1984-2014年間，昆山市城市用地?cái)U(kuò)展速度逐漸加快，強(qiáng)度不斷加強(qiáng)；城市用地分維數(shù)與城市擴(kuò)展彈性系數(shù)呈先升后降的波動(dòng)變化，城市緊湊度指數(shù)呈先降后升的波動(dòng)變化，城市空間擴(kuò)展日趨合理化。

(2)昆山市擴(kuò)展方向差異顯著，總體向東、東南、南向發(fā)展快于其他方向，城市擴(kuò)展最遠(yuǎn)的區(qū)域距城區(qū)中心28 km處，城市重心不斷向東南方向轉(zhuǎn)移。

(3)城市空間擴(kuò)展受多種因素的影響，經(jīng)濟(jì)是核心，自然環(huán)境是基礎(chǔ)，人口增長(zhǎng)是根本需求，交通建設(shè)是導(dǎo)向牽引，政府的政策行為直接參與調(diào)控。

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10.3969/j.issn.1673-2006.2017.12.009

F293.2

A

1673-2006(2017)12-0035-05

2017-08-15

安徽省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(AHSKY2015D72)。

張作誠(chéng)(1990-)，福建尤溪人，助教，研究方向：城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃與GIS應(yīng)用。

*通訊作者：沈非(1975-)，安徽明光人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：資源環(huán)境與GIS應(yīng)用。

劉小陽(yáng))