曹曉麗，雷 敏，侯志華，趙志卿，蘇 彤

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127;2.太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619)

城市化是指社會經(jīng)濟變化的過程，主要包括農(nóng)業(yè)人口非農(nóng)業(yè)化、城市人口規(guī)模不斷擴大、城市用地不斷向郊區(qū)擴展、城市數(shù)量不斷增加以及城市社會、經(jīng)濟、技術變革進入鄉(xiāng)村的過程等，成為20世紀以來最為顯著的人類活動過程之一[1]。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與城市化進程的不斷加快,出現(xiàn)了諸如交通擁擠、城市無序擴張、環(huán)境污染等一系列城市問題,人地矛盾日益突出,為了更好地解決這些城市問題,進行科學合理的規(guī)劃布局,促進城市的持續(xù)健康發(fā)展,因此對城市的空間擴展及驅(qū)動因素研究就顯得十分必要。近年來,城市擴展研究已經(jīng)成為城市化研究熱點之一,國內(nèi)外大量學者將RS和GIS等空間信息技術相結(jié)合對城市的時空擴展進行動態(tài)監(jiān)測研究,如Masek[2]等利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)分析了華盛頓特區(qū)城市擴展的動態(tài)變化;馮曉剛等[3]利用Landsat TM和ETM+影像數(shù)據(jù),通過非監(jiān)督分類法、NDBI指數(shù)提取、監(jiān)督分類法以及疊置分析等對西安市的城市擴展進行分析,并得出城區(qū)擴展空間主要集中在南北方向的結(jié)論;康紅剛等[4]利用Landsat TM和ETM+影像數(shù)據(jù)并結(jié)合ArcGIS9.0等軟件研究濟南市的城市擴展;譚雪蘭等[5]利用長沙市4個時相的TM影像數(shù)據(jù),在MapGIS6.7的支持下,通過等扇形法和重心遷移定量模型等研究方法對長沙市城市空間擴展做了研究;王濤等[7]以多期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎,結(jié)合社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),通過計算景觀指數(shù)與提取城市建設用地重心來研究南通市的城市擴展時空特征。足見,諸多學者已經(jīng)對城市擴展的時空分異特征及驅(qū)動因素等各方面做了大量研究并取得了豐碩的成果,但大多是從一個城市或區(qū)域的整體空間視角出發(fā),從城市內(nèi)部各市轄區(qū)視角出發(fā)的城市擴展研究則相對較少。

基于此,本文以太原市為研究區(qū),利用2000年、2007年和2015年三期Landsat遙感影像數(shù)據(jù),通過Erdas Imagine9.0 和ArcGIS10.2軟件對其進行信息解譯、提取、處理和分析[6],得到3個時期的城市用地范圍,并引入城市擴張強度指標與緊湊度指標,通過等扇形法與重心軌跡轉(zhuǎn)移分析法對城市空間擴展特征進行探究,結(jié)合太原市DEM圖件、經(jīng)濟人口數(shù)據(jù)及相關政策,從太原市城市的整體及其各市轄區(qū)空間的視角出發(fā)對城市空間擴展特征及驅(qū)動因素進行探索分析,以期為太原市未來更加科學合理的規(guī)劃與健康持續(xù)的發(fā)展提供一定的參考[7]。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中北部太原盆地(111°30′～113°09′E,37°27′～38°25′N)，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，地勢北高南低呈簸箕狀,黃河第二大支流汾河自北向南貫穿全境。太原市是山西省省會城市及政治、經(jīng)濟、文化、交通和國際交流中心,自古就有“錦繡太原城”的美譽,是中國北方軍事、文化重鎮(zhèn),世界晉商都會,也是中國能源、重工業(yè)基地之一。太原市轄6個市轄區(qū)、3個縣,代管1個縣級市,其市轄區(qū)包括小店區(qū)、迎澤區(qū)、萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)與晉源區(qū)。截止2015年底,全市地區(qū)生產(chǎn)總值2 735.34億元,三次產(chǎn)業(yè)比重分別為1.4%，37.3%，61.3%,地區(qū)人均GDP為63 483元;常住人口431.87萬人,城鎮(zhèn)人口364.51萬人,城鎮(zhèn)化率84.40%,比2000年提高18.35%。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本文研究的基礎數(shù)據(jù)包括太原市城市空間及驅(qū)動因素數(shù)據(jù)。其中城市空間數(shù)據(jù)來自于太原市2000年,2007年,2015年三期的Landsat遙感影像數(shù)據(jù),驅(qū)動因素數(shù)據(jù)主要來源于太原市DEM數(shù)據(jù)(30m分辨率)及2001—2016年太原市統(tǒng)計年鑒。

1.2.2 幾何校正及配準 幾何校正是指消除或改正遙感影像幾何誤差的過程。在提取太原市建設用地信息之前,需對影像進行幾何校正[12]。本文先以太原市地形圖與DEM數(shù)據(jù)為基準,對2000年遙感影像進行幾何精度校正,將其總的均方根誤差控制在0.4以內(nèi),然后以校正好的2000年影像數(shù)據(jù)為基準,對2007年及2015年遙感影像及太原市行政區(qū)劃圖進行幾何配準,最終將三期遙感影像及行政區(qū)劃圖統(tǒng)一校正在“WGS_1984_UTM_Zone_49N”這一坐標系統(tǒng)下。

1.2.3 城市邊界信息提取及裁剪 為了保證3個時期的太原市城市用地信息具有可比性[13],需對太原市城區(qū)范圍進行目視解譯及邊界信息提取,本文利用ArcGIS10.2軟件對太原市2000年、2007年、2015年的城市用地范圍進行目視解譯并生成3個時期的矢量圖層。通過柵格裁剪工具對提取出的城市邊界進行裁剪,最終裁剪出太原市2000年、2007年及2015年的城市用地范圍(如圖1)。

圖1 太原市三期城市邊界圖Fig.1 The three phase of the urban boundary map of Taiyuan City

2 研究方法

2.1 指標分析

2.1.1 城市擴張強度指標 城市空間擴張強度反映了城市擴張的強弱與速度[3],主要用于分析城市建成區(qū)用地的擴張狀態(tài),表示為某空間單元在其研究時間段內(nèi)的城市土地利用擴展面積與原空間單元總面積比值的年平均值[4],計算公式如下(其中:ARG代表城市年均擴張強度,UAn+i和UAi分別代表第n+i年和第i年的城市面積,n以年為單位。):

(1)

2.1.2 緊湊度指標 緊湊度是反映地物形狀的參數(shù),體現(xiàn)一個地區(qū)的城市建設用地的開發(fā)強度與土地利用效率[8],緊湊度指標則主要用于分析城市空間擴展形態(tài)的變化特征,其計算公式如下(其中:A代表建成區(qū)面積,P代表建成區(qū)輪廓的周長,C代表城市緊湊度指標,其值介于0～1,值越大,表示形狀越緊湊,越接近于圓形,反之,形狀的緊湊性則越差[9]：

(2)

2.2 等扇形分析

等扇形分析是指以研究區(qū)中心為圓心,設定適當半徑畫圓,將圓劃分為若干相等的扇形區(qū)域,再與各時期的城市用地范圍進行疊加以分析城市在各個方向的擴展程度[5]。本文以2000年城市重心為圓心(112°32′03″E,37°51′33″N),設定20km為半徑繪圓,將繪制的圓分成16等份,與太原市2000年,2007年,2015年的城市用地范圍進行疊加形成城市形態(tài)等扇疊加結(jié)果圖(如圖2)。

2.3 重心軌跡轉(zhuǎn)移分析

城市在發(fā)展過程中由于區(qū)域間差異性的存在,處于一種不平衡的狀態(tài),不同區(qū)域?qū)Τ鞘邪l(fā)展的影響程度不同,即各個區(qū)域的權重不同。根據(jù)幾何重心的計算原理,可將城市重心定義為:不同區(qū)域的權重差異所導致的拉力平衡點。這個重心點實際上是一個區(qū)域的概念,該區(qū)域可以理解為是一個城市最充滿活力、最繁華、發(fā)展速度最快、建設規(guī)模最大、開發(fā)力度最強的地區(qū)[11]。重心計算方法如下(其中:X，Y分別表示城市空間重心的經(jīng)度與緯度,Ci表示第i個圖斑的面積,Xi，Yi分別表示第i個圖斑的重心坐標。):

(3)

(4)

3 城市空間擴展特征分析

3.1 空間擴張強度特征

根據(jù)2000年、2007年、2015年太原市城區(qū)矢量圖層,對其面積分別進行統(tǒng)計,計算城市擴張強度。結(jié)果顯示,2000年城區(qū)面積為20 900.88hm2,2007年為29 839.05hm2,2015年為34 920.49hm2,2000—2007年間城市擴展面積為8 938.17hm2,擴張強度達6.11%;2008—2015年間城市擴展面積為5 081.44hm2,擴張強度達2.13%,可見前期的城市擴張強度明顯快于后期,約為后期的2.87倍。

其次,從市轄區(qū)尺度對太原市城市擴張強度進行具體分析,經(jīng)ArcGIS10.2統(tǒng)計計算得2000年、2007年、2015年各轄區(qū)面積,將其代入公式得太原市各轄區(qū)擴展面積統(tǒng)計表(如表1)?？梢钥闯?2000—2007年間城市擴展面積最大的是小店區(qū),其次是尖草坪區(qū)和杏花嶺區(qū),小店區(qū)擴張強度指標也為最大,其次是杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū);2008—2015年間城市擴展面積最大的仍是小店區(qū),其次是晉源區(qū)和尖草坪區(qū),但晉源區(qū)的擴張強度指標最大,其次是小店區(qū)和迎澤區(qū)。除晉源區(qū)外,其他五個區(qū)前期的擴展面積與擴張強度相比后期均較大,僅晉源區(qū)后期的擴展面積與擴張強度較前期大。綜上所述,在2000—2015年間,太原市城市擴展較快的行政區(qū)域是小店區(qū)與迎澤區(qū),且前期擴張強度更大;晉源區(qū)后期擴張強度較大,說明晉源區(qū)后期的城市化發(fā)展?jié)摿^大。

表1 2000—2015年太原市各轄區(qū)擴展面積統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of the expanded area of Taiyuan district from 2000 to 2015

3.2 空間緊湊度指標特征

通過計算得2000年、2007年和2015年的城市空間緊湊度指標分別為0.215，0.165，0.199,指標呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢,表明太原市2000—2007年間城市擴展是一種以城市用地范圍不斷擴大為主的外延式擴展,2008—2015年間城市擴展則是以城市空間內(nèi)部的填充為主,這是因為在此期間太原市城市內(nèi)部的基礎設施與市政設施逐漸得到補充與完善,做到資源配置最優(yōu)化[14],從而實現(xiàn)城市的不斷擴展。

3.3 空間擴展方向特征

圖2 2000—2015年城市形態(tài)等扇疊加分析圖Fig.2 The analysis chart of superimposed fan change form 2000 to 2015

為了更直觀地體現(xiàn)太原市城市用地在不同方位擴展的空間特征,采用等扇形分析法(如圖2),可以看出2000—2007年和2008—2015年這兩個時間段的城市擴展在各個方位上有著明顯的差異。2000—2007年間城市擴展主要集中在N,NNE,E,SE,SSE這5個方位上,在NEE,SEE,S,SW,NWW,NNW這6個方位上有少量擴展,而在其余的NE,SSW,SWW,W,NW這5個方位上基本沒有擴展;2008—2015年間城市擴展主要集中在SEE,SSE,S這3個方位上,在N,NNW這2個方位上有少量擴展,而在其余的11個方位上基本沒有擴展。總的來看,2000—2015年間城市擴展主要集中在SEE,SE,SSE,S這4個方位上,即東部和南部,而在西部和北部則擴展較少。

3.4 重心軌跡轉(zhuǎn)移特征

通過ArcGIS10.2分別對2000年、2007年、2015年的城市重心進行量算,并做出2000—2015年間太原市城市形態(tài)重心軌跡轉(zhuǎn)移變化圖(如圖3)?？梢?15年間城市重心逐漸向東南方向移動,其中,2000—2007年間城市重心主要向東南擴展,重心轉(zhuǎn)移距離為536.36m,而2008—2015年間城市重心主要向南擴展,重心轉(zhuǎn)移距離為676.75m?？傮w來說,2000—2015年間太原市城市用地向東南方向擴展,重心轉(zhuǎn)移距離為1 115.57m。

圖3 2000—2015年城市形態(tài)重心轉(zhuǎn)移變化圖Fig.3 The shift chart of center gravity of urban from 2000 to 2015

4 城市擴展驅(qū)動因素分析

4.1 社會經(jīng)濟因素

4.1.1 經(jīng)濟發(fā)展因素 城市經(jīng)濟發(fā)展是城市空間擴展的根本動力[15-16]。經(jīng)濟的快速發(fā)展促使人們對城市工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、基礎設施、娛樂設施和市政設施等的需求不斷增加,從而導致土地需求量不斷上升;同時經(jīng)濟的發(fā)展提高了人們的收入水平,使其消費需求逐漸變得多元化與個性化而不僅局限于單一產(chǎn)品,消費者需求結(jié)構(gòu)的變化,必然會帶動企業(yè)投入結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改變,第一產(chǎn)業(yè)開始向第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,第二、三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展又促進了城市的經(jīng)濟發(fā)展,二者相輔相成,互相促進,共同推動城市化進程。足見,經(jīng)濟發(fā)展對城市化步伐與城市空間擴展的影響是極其重要的,其增長的快慢直接決定著城市的擴展速度與空間格局的演變。GDP是國民經(jīng)濟計算的核心指標,也是衡量一個國家或地區(qū)總體經(jīng)濟狀況的重要指標。對太原市城區(qū)面積與GDP數(shù)據(jù)進行相關分析,相關系數(shù)為0.979,表明城區(qū)面積與GDP具有較強的相關性。

通過太原市統(tǒng)計年鑒得2000—2015年六個市轄區(qū)的GDP數(shù)據(jù)(如圖4),在2000—2002年間各轄區(qū)GDP差異較小且增長緩慢,據(jù)太原市2003年政府工作報告可知,2002年是太原市率先發(fā)展的起步之年,這一年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整初見成效,工業(yè)經(jīng)濟穩(wěn)步增長,全市經(jīng)濟快速健康發(fā)展,創(chuàng)“九五”以來最好水平,實現(xiàn)了率先發(fā)展的良好開局,所以2002年之后各轄區(qū)GDP開始大幅度增長并出現(xiàn)快慢之分。GDP增長速度最快的是小店區(qū),在2002年之后一直呈上升趨勢,并在2015年達到轄區(qū)最高,其次是迎澤區(qū),GDP也在不斷上升,但其增長速度明顯小于小店區(qū)。這一結(jié)果同上述城市空間擴張強度特征分析中得出的太原市城市擴展較快的行政區(qū)域是小店區(qū)與迎澤區(qū)的結(jié)論相一致,表明GDP的增長明顯促進城市空間的擴展。

圖4 2000—2015年各區(qū)GDP統(tǒng)計圖Fig.4 The statistical chart of district GDP from 2000 to 2015

4.1.2 人口增長因素 人口是城市活動構(gòu)成中最活躍的組成要素,城鎮(zhèn)人口的增長是城市空間擴展的直接動力,主要表現(xiàn)在對住房用地的需求上,同時對基礎設施、公園綠地和道路建設等的需求也會增加[15]。通過對太原市城區(qū)面積與總?cè)丝谧鱿嚓P分析,二者相關性高達0.927,足見城市擴展面積同人口增長密切相關。

通過查詢2001—2016年太原市統(tǒng)計年鑒,繪制太原市2000—2015年人口統(tǒng)計圖(如圖5),可以看出太原市人口呈逐年增加趨勢,從2000年的308.75萬人到2015年的431.87萬人,增長幅度為39.88%。其主要原因可能是,隨著太原市第二、三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,城市用工數(shù)量需求增加,大量外來人口的進入使城市人口迅速增加,導致城市出現(xiàn)住房緊張、交通擁擠等一系列問題,政府不得不采取相應措施增加城市建設用地以緩解住房與交通壓力,促使了太原市城市空間的擴展。為了更具體的分析人口因素對市區(qū)擴展的影響,本文計算了2000—2015年各轄區(qū)的城鎮(zhèn)人口增長幅度,由大到小依次是晉源區(qū)(2.56)、小店區(qū)(2.07)、尖草坪區(qū)(1.12)、萬柏林區(qū)(0.92)、迎澤區(qū)(0.42)、杏花嶺區(qū)(0.37),可見晉源區(qū)和小店區(qū)的城鎮(zhèn)人口增長幅度較大,說明城鎮(zhèn)人口的增長在一定程度上會促進一個地區(qū)的城市擴展。

圖5 2000—2015年人口統(tǒng)計圖Fig.5 The statistical chart of the population from 2000 to 2015

4.2 自然環(huán)境因素

關于城市擴展多尺度驅(qū)動機制的研究,黃慶旭等認為一個地區(qū)的自然條件因素在微觀尺度上會影響城市的擴展,坡度、海拔等決定著土地的生物物理狀況,并得出影響城市擴展最明顯的因子是坡度和高程的結(jié)論[17]。

4.2.1 坡度因素 在分析坡度因素對城市擴展的影響時,根據(jù)“0-2-6-15-25-65”等級對坡度圖進行重分類分級,利用柵格分區(qū)統(tǒng)計工具得到不同等級坡度下的城市空間擴展面積(如表2)。在整個研究期間內(nèi),太原市城市擴展面積主要集中在0～25度低坡度之間,大部分集中在0～2度與2～6度之間,二者的擴展面積累積占比在前后期均達80%以上,在2～6度之間,兩期占比均在50%以上,其次是在0～2度之間,占比均在30%以上,表明太原市的城市用地范圍主要向低坡度區(qū)域擴展。

4.2.2 海拔因素 參考相關海拔分級[18-19],結(jié)合太原市海拔實際情況,根據(jù)“680-800-1 000-1 500-2 000”等級對DEM數(shù)據(jù)進行重分類分級,通過柵格分區(qū)統(tǒng)計工具得到不同等級海拔高度下的城區(qū)擴展面積(如表3)。可見在整個研究期間內(nèi)太原市的城市擴展面積均集中在海拔680～1 500m之間,其中2000—2007年間城市擴展面積主要集中在800～1 000m之間,其次是680～800m之間,表明在此期間城市用地主要向較高海拔區(qū)域擴展,在2008—2015年間擴展面積主要集中在680～800m之間,其次是800～1 000m之間,說明在此期間城市用地主要向較低海拔區(qū)域擴展。

表2 2000—2015年坡度分區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表Tab.2 The statistical table of the annual zoning declivity from 2000 to 2015

表3 2000—2015年海拔分區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表Tab.3 The statistical table of the annual zoning altitude from 2000 to 2015

4.3 規(guī)劃政策導向因素

城市發(fā)展的方向受到相關城市規(guī)劃的制約[20]。2002年12月3日,山西省首條城際公交線路901路開通,由太原火車站開往榆次老城,自此同城化建設進入實質(zhì)性操作階段。2011年4月,山西高校新區(qū)開始建設,2012年,國務院正式批準《山西省國家資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗總體方案》,并將太原晉中同城化列為城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展重點,即太榆同城化,是指山西省太原市與晉中市榆次區(qū)的城市一體化進程,是山西省在中部崛起背景下提出的構(gòu)建太原經(jīng)濟圈的重要組成部分。通過太榆同城化,太原市與榆次區(qū)在各方面聯(lián)系將越來越密切,更加強了它們之間的交通聯(lián)系,諸如城際公交的開通、軌道交通的開通以及太榆路的建設等,也推動了山西科技創(chuàng)新城與太原高校新校區(qū)的建設與發(fā)展,從而促進了太原市建成區(qū)向東南方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

通過對2000年、2007年、2015年三期太原市遙感影像城市邊界的提取,引入城市擴張強度與緊湊度指標,通過指標分析、等扇形與空間重心軌跡轉(zhuǎn)移等方法探究城市空間擴展特征;同時結(jié)合太原市DEM圖件、各轄區(qū)GDP與人口數(shù)據(jù)及相關政策進行城市擴展驅(qū)動因素研究,得到如下結(jié)論:

1)在空間擴展特征方面:從指標分析上看,2000—2007年間太原市城市擴張強度較2008—2015年大;緊湊度指標先減小后增加的趨勢表明前期擴展特點是以城市用地范圍的外延式擴展為主,后期則以城市空間內(nèi)部填充為主。從擴展方向上看,前期城市空間趨于東南方向擴展,重心轉(zhuǎn)移536.36m,后期則偏于向南方擴展,重心轉(zhuǎn)移676.75m;從行政區(qū)域上看,各轄區(qū)城市化發(fā)展較快的依次是小店區(qū)、迎澤區(qū)與晉源區(qū)。

2)在擴展驅(qū)動因素方面:從社會經(jīng)濟因素上看,GDP的增長與城鎮(zhèn)人口的增加促進城市空間擴展;從自然環(huán)境因素上看,太原市城市的擴展面積主要分布在0～6度低坡度與680～1 000m低海拔區(qū)域;從政策導向因素上看,城市規(guī)劃政策調(diào)整也會影響一個城市的空間擴展方向。