劉昭華， 張春艷

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，贛州 341000)

0 引言

城市作為一種特殊地域空間的存在，是自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綜合結(jié)果，是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，它的產(chǎn)生及發(fā)展以空間土地利用為主要依托。20世紀(jì)90年代以來(lái)，經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)及政策調(diào)控促使城市建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張，許多學(xué)者對(duì)此展開了廣泛研究[1]。Masek等[2]利用Landsat遙感影像對(duì)華盛頓1973—1996年城市擴(kuò)張過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及演示；Braimoh等[3]利用Landsat TM影像對(duì)城市土地利用變化的空間因素進(jìn)行研究，反演了拉各斯市的城市擴(kuò)張演變過(guò)程；何春陽(yáng)等[4]利用長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat TM/MSS數(shù)據(jù)，對(duì)北京市1975—1997年城市化基本過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析研究，對(duì)城市規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和土地空間格局的變化研究提供了關(guān)鍵技術(shù)；曾永年等[5]根據(jù)地表熱特性與城市擴(kuò)展強(qiáng)度的關(guān)系，以長(zhǎng)沙市為例，利用地圖密度指數(shù)，定量確定長(zhǎng)沙市的擴(kuò)張范圍及其發(fā)展強(qiáng)度；劉慶等[6]利用1999—2008年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，研究10 a間長(zhǎng)株潭城市群耕地資源的時(shí)空格局變化；楊曉楠等[7]針對(duì)HIS指數(shù)的缺點(diǎn)，構(gòu)建了改進(jìn)的居民地指數(shù)，有效降低了研究區(qū)裸土及水體對(duì)城市信息提取的影響，利用DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和可見光-近紅外遙感影像對(duì)中國(guó)和美國(guó)城市進(jìn)行提取; 劉盛和等[8]以多期遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將RS和GIS技術(shù)相結(jié)合，對(duì)城市擴(kuò)張的面積變化、擴(kuò)張速度等進(jìn)行了空間變化特征的研究演示；華偉等[9]以經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛的上海市為研究區(qū)，強(qiáng)調(diào)要在節(jié)約土地資源基礎(chǔ)上選擇城市發(fā)展的模式；吳次芳等[10]采用經(jīng)濟(jì)計(jì)量等方法從定量方面探討了城市化與城市用地增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系，指出城市建設(shè)用地增長(zhǎng)的同時(shí)也帶動(dòng)了城市化發(fā)展。但到目前為止，在對(duì)我國(guó)的城市擴(kuò)張研究中，研究對(duì)象大多是大城市及沿海發(fā)達(dá)城市，中部城市用地?cái)U(kuò)張研究較少，這樣很難從整體上把握我國(guó)城市擴(kuò)張的狀況。

河南省開封市是國(guó)家歷史文化名城，著名旅游城市，中原城市群核心區(qū)的中心城市之一[11]，故及時(shí)系統(tǒng)、全面地了解其用地?cái)U(kuò)張過(guò)程顯得尤為重要。本文采用開封市區(qū)1990年、1994年、2001年、2004年、2009年及2015年6期Landsat遙感影像，采用支持向量機(jī)監(jiān)督分類方法和人機(jī)交互影像解譯方法進(jìn)行土地利用分類，提取各時(shí)期城市建成區(qū)范圍；運(yùn)用城市擴(kuò)張分析指數(shù)，揭示1990—2015年間開封市城市建成區(qū)的擴(kuò)張變化及空間分布特征，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，為開封市城市用地變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、土地可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)，也為我國(guó)中部的發(fā)展中城市進(jìn)行區(qū)域開發(fā)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

開封市位于河南省中東部、黃河下游南岸的E113°52′15″～115°15′42″，N34°11′45″～35°01′20″之間區(qū)域，東與商丘市相連，西與省會(huì)鄭州市毗鄰，南接許昌市和周口市，北依黃河與新鄉(xiāng)市隔河相望。開封市簡(jiǎn)稱汴，作為國(guó)務(wù)院首批的國(guó)家歷史文化名城之一，它承載著厚重的歷史文化，先后曾有夏、魏、后梁、后晉、后漢、后周、宋和金等8個(gè)王朝建都于此，史稱八朝古都，也是我國(guó)6大古都之一?，F(xiàn)開封市下轄鼓樓、龍亭、禹王臺(tái)、順河和祥符5個(gè)市轄區(qū)，以及尉氏、蘭考、杞縣和通許4個(gè)縣。作為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地以及重要的歷史文化旅游城市，開封市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件較好，近年國(guó)民經(jīng)濟(jì)增幅顯著，但整體上還是屬于我國(guó)欠發(fā)達(dá)地區(qū)之一。

2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

選用1990年、1994年、2001年、2004年和2009年的Landsat TM及2015年Landsat8 OLI遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源；采集時(shí)間為8—9月，均為無(wú)云高質(zhì)量影像，滿足應(yīng)用需求。

非遙感數(shù)據(jù)主要包括河南省行政區(qū)劃圖、開封市行政規(guī)劃圖、開封市矢量邊界、1990—2015年開封市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料、河南省統(tǒng)計(jì)年鑒及開封年鑒統(tǒng)計(jì)資料等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

選取開封市的5個(gè)市轄區(qū)為研究對(duì)象，利用ENVI5.3軟件對(duì)6期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，并以2015年影像為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何糾正。利用開封市矢量邊界裁剪出研究區(qū)域，采用支持向量機(jī)監(jiān)督分類方法進(jìn)行土地利用解譯、分類；結(jié)合ArcGIS10.2軟件對(duì)解譯的影像做空間統(tǒng)計(jì)分析，繪制出6個(gè)時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀圖，并采用人機(jī)交互解譯方式分別提取各時(shí)期開封市城市建成區(qū)。

獲取開封市各時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并進(jìn)行因子分析，得出1990—2015年間開封市城市用地?cái)U(kuò)張中的主要驅(qū)動(dòng)因子。

3 結(jié)果與分析

為進(jìn)一步反映城市擴(kuò)張?zhí)卣?，從定量和定?個(gè)角度，即城市擴(kuò)張數(shù)量和空間分布形態(tài)2方面對(duì)開封市25 a間的城市建成區(qū)變化進(jìn)行分析。

3.1 城市擴(kuò)張數(shù)量分析

3.1.1 擴(kuò)張分析指標(biāo)

采用的城市擴(kuò)張數(shù)量分析指標(biāo)主要包括：建成區(qū)面積變化、面積相對(duì)變化率、年均擴(kuò)張速度及擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)。

1)建成區(qū)面積變化。建成區(qū)面積變化是城市擴(kuò)張最直接的表現(xiàn)，公式為

ΔS=Sb-Sa

(1)

θ=(Sb-Sa)/Sa

(2)

式中：ΔS為建成區(qū)面積增量；θ為建成區(qū)面積相對(duì)變化率；Sa為研究區(qū)前一期的建成區(qū)面積；Sb為研究區(qū)后一期的建成區(qū)面積。

2)擴(kuò)張速度。公式為

ESI=(Sb-Sa)/T

(3)

式中：ESI為年均擴(kuò)張速度；T為時(shí)間間隔，a。

3)擴(kuò)張強(qiáng)度。城市擴(kuò)張強(qiáng)度主要用于比較不同時(shí)期城市擴(kuò)張的快慢及強(qiáng)弱程度，可用城市年均增加面積和基年面積之比來(lái)表示[12]。該數(shù)值越大，表示擴(kuò)張速度越快，即

EII=[(Sb-Sa)/Sa]/T×100%

(4)

式中EII為城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)。

根據(jù)上述公式分別計(jì)算各個(gè)時(shí)期各城市擴(kuò)張數(shù)量分析指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

表1 1990—2015年開封市建成區(qū)擴(kuò)張情況分析

由表1可得，25 a間開封市建成區(qū)面積在不斷擴(kuò)大，從1990年的38.08 km2增加到2015年的125.86 km2，呈現(xiàn)中高速擴(kuò)張?jiān)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)。其中，1994—2001年城市建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度最大，但由于其年份間隔也是最長(zhǎng)，所以擴(kuò)張速度并不是最大；2009—2015年間建成區(qū)面積增長(zhǎng)量最大，面積相對(duì)變化率也是最大，并且在此期間城市擴(kuò)張顯著，擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)達(dá)5.56 a-1%。

3.1.2 城市擴(kuò)張空間形態(tài)分析

城市空間形態(tài)變化反映了城市的空間布局結(jié)構(gòu)情況。通過(guò)對(duì)城市空間形態(tài)變化的分析，可以歸納總結(jié)出該城市擴(kuò)張的過(guò)程和擴(kuò)張規(guī)律，從而為該地區(qū)的區(qū)域規(guī)劃及土地管理提供借鑒[13]。在ArcGIS軟件中，將提取的各時(shí)期建成區(qū)進(jìn)行疊加分析，并賦予不同的顏色。建成區(qū)變化情況如圖1所示。

圖1 1990—2015年開封市城市建成區(qū)變化示意圖

圖中，黃色為1990年開封市建成區(qū)的基礎(chǔ)范圍；紅色為1994年比1990年增加的范圍，即1994年建成區(qū)實(shí)際范圍應(yīng)為紅色區(qū)加黃色區(qū)；依次類推，可知各時(shí)期開封市建成區(qū)的實(shí)際范圍(不考慮區(qū)域內(nèi)個(gè)別圖斑變化)。

采用城市平均中心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓揭示開封市城市擴(kuò)張空間形態(tài)的分布變化。

1)城市平均中心。城市平均中心位置的轉(zhuǎn)移是城市擴(kuò)張的表現(xiàn)形式之一，一定程度上能夠反映城市擴(kuò)張的時(shí)空過(guò)程及方向性，即

(5)

(6)

結(jié)合ArcGIS軟件，在Excel表格中計(jì)算出25 a間開封市城市平均中心位置差異。地理空間參考統(tǒng)一采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 開封市25 a間城市平均中心坐標(biāo)位置變化

由表2可知，25 a間開封市城市平均中心坐標(biāo)變化量為：ΔX=-2.75 km，ΔY=0.56 km，中心整體向西北方向移動(dòng)；其中2009—2015年，城市中心向西移動(dòng)最為明顯。

2)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓。標(biāo)準(zhǔn)差是定性反應(yīng)空間數(shù)據(jù)分布的參數(shù)之一，其長(zhǎng)半軸表示數(shù)據(jù)分布的主方向，短半軸表示垂直主方向的數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)。橢圓的扁率越大，表示數(shù)據(jù)分布的方向性越明顯[14](圖2)。

圖2 1990—2015年城市中心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方向分布

根據(jù)上述中心坐標(biāo)值繪制出開封市各時(shí)期的城市平均中心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，由圖2可知，1990—2015年間，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積不斷增大，說(shuō)明建成區(qū)呈擴(kuò)張趨勢(shì)；1990—2009年的標(biāo)準(zhǔn)橢圓長(zhǎng)短半軸相差不大，說(shuō)明城市呈均衡擴(kuò)張；2015年的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積突增，扁率顯著增大，表明城市擴(kuò)張方向性更加明顯，呈西擴(kuò)狀態(tài)，與表1中的面積變化統(tǒng)計(jì)量也能保持一致。

3.2 城市用地?cái)U(kuò)張驅(qū)動(dòng)因子分析

城市擴(kuò)張的影響因素主要分為自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素2大類，其中起主導(dǎo)作用的因素是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)[15]。本文從定量分析和定性分析2個(gè)角度對(duì)開封市1990—2015年間城市用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。

3.2.1 開封市地類轉(zhuǎn)換

為了對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，利用ArcGIS軟件對(duì)1990年和2015年的開封市土地分類矢量圖進(jìn)行疊加分析。利用2015年建成區(qū)矢量邊界對(duì)1990年土地分類矢量圖進(jìn)行裁剪及疊加分析，得出1990—2015年間開封市區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表3所示。

表3 開封市1990—2015年地類轉(zhuǎn)換矩陣

由表3可知，1990—2015年間，建設(shè)用地面積不斷增加，各土地類型都有向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，林地、耕地面積大幅度減少，草地/園地、裸地及水域面積變化相對(duì)不明顯。由于大量的耕地、林地分布于城市的郊區(qū)，隨著研究區(qū)城市面積的擴(kuò)張，尤其2009—2015年間城市大面積西擴(kuò)，首先占用的就是位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的耕地及林地。隨著城市的發(fā)展，開封市大力發(fā)展旅游事業(yè)，綠地及水域覆蓋面積有所增加。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)因子定量分析

從研究區(qū)實(shí)際情況出發(fā)，收集開封市相關(guān)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為指標(biāo)，對(duì)開封市城市用地?cái)U(kuò)張進(jìn)行分析。指標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括年末全市總?cè)丝跀?shù)、全市生產(chǎn)總值、全年全社會(huì)固定資產(chǎn)投資、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、第一產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)、第二產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)及第三產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)?？紤]到數(shù)據(jù)指標(biāo)單位不一致性[16]，故采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，如表4所示。

表4 開封市城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

使用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于因子分析結(jié)果中只能看出各變量間的相關(guān)性，并不能對(duì)其作出直接的判斷，故此對(duì)各個(gè)指標(biāo)作了主成分分析，得出特征值及方差百分比，結(jié)果如表5所示。

表5 成分矩陣

由表5數(shù)據(jù)分析得出，前2個(gè)因子的特征值之和占總方差的88.475%，其中第一成分F1特征值為4.375，占總方差的62.495%，第二成分F2特征值為1.819，占總方差的25.980%，即這2個(gè)主成分可以用來(lái)反映原始指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。故得出第一、第二主成分為主要的驅(qū)動(dòng)因子。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的成分矩陣及特征值，計(jì)算成分得分系數(shù)，如表6所示，第一主成分與年末全市總?cè)丝?、全市生產(chǎn)總值、全年全社會(huì)固定資產(chǎn)投資及社會(huì)消費(fèi)品零售總額4個(gè)指標(biāo)有較強(qiáng)的相關(guān)性，主要是人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況；第二主成分主要與第三產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)相關(guān)，反映的是經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化情況。綜上所述，人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展是開封市城市擴(kuò)張變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

表6 成分得分系數(shù)

3.2.3 驅(qū)動(dòng)因子定性分析

1)人口因素。人口增長(zhǎng)對(duì)土地的需求是土地利用狀況變化的主要原因之一[17]。開封市年末人口總數(shù)從1990年的416.93萬(wàn)人增加到2015年的516.69萬(wàn)人，常住人口達(dá)到454.26萬(wàn)人，自然增長(zhǎng)率為5.16‰，城鎮(zhèn)化率達(dá)到44.23%。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，非農(nóng)業(yè)人口越來(lái)越多，城市用地需求問(wèn)題隨之而來(lái)，城市人口數(shù)量的增加帶來(lái)了城市用地的擴(kuò)張變化[18]。

2)經(jīng)濟(jì)因素。張琦等[19]從宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析，認(rèn)為在土地自然供給量足夠的情況下，城市只要存在用地需求，向外擴(kuò)張的趨勢(shì)必然存在。城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展是城市擴(kuò)張的根本驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1989年開封市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值僅為44.14億元，到2015年增至1 604.8億元，增加36倍多，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛；同時(shí)全年全社會(huì)固定資產(chǎn)投資由1990年的2.55億元增長(zhǎng)到2015年的1 354.45億元，不僅是數(shù)值上近530倍的差異，更體現(xiàn)了開封市近年來(lái)的迅速崛起，經(jīng)濟(jì)繁榮；社會(huì)消費(fèi)品零售總額由1990年的23.7億元增長(zhǎng)至2015年的747.14億元，國(guó)有及國(guó)有控股投資相對(duì)往年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，民間投資包括第一、第二及第三產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步增長(zhǎng)；截止2015年末，第一產(chǎn)業(yè)增加值為285.20億元，增長(zhǎng)4.40%，第二產(chǎn)業(yè)增加值為657.84億元，增長(zhǎng)9.10%，第三產(chǎn)業(yè)增加值為661.79億元，增長(zhǎng)12.30%，3項(xiàng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈17.8∶41.0∶41.2的比例，整體上第一產(chǎn)業(yè)呈下降趨勢(shì)，第二、第三產(chǎn)業(yè)呈上升趨勢(shì)，并且第三產(chǎn)業(yè)比重首次超過(guò)第二產(chǎn)業(yè)。隨著《鄭汴新區(qū)的總體規(guī)劃》[20](2009—2020年)文件的實(shí)施，開封市也吸引了很多國(guó)內(nèi)外各行各業(yè)眾多企業(yè)的投資，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；同時(shí)開封市作為“八朝古都”，更是黃金旅游勝地，旅游業(yè)及服務(wù)業(yè)成為全市重點(diǎn)的發(fā)展項(xiàng)目，加快了城市新格局建設(shè)的步伐，不僅帶來(lái)了全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局的變化，隨之而來(lái)的還有大量的流動(dòng)人口及旅游收入。

3)其他因素。在《開封市城市總體規(guī)劃(2008—2020)》中提到，開封市城市空間發(fā)展采取“中疏、北控、東調(diào)和南改”的策略布局，重點(diǎn)是向西發(fā)展，建設(shè)汴西新區(qū)，構(gòu)筑面向區(qū)域的產(chǎn)業(yè)和服務(wù)職能[21]。

城市交通是城市各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模需求促使城市交通網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了土地利用的變化[22]。隨著《鄭汴新區(qū)的總體規(guī)劃》工作的推進(jìn)，特別是汴西新區(qū)的大力建設(shè)，連通鄭州的東西方向交通路網(wǎng)在逐漸增加完善中，這與上述結(jié)論中開封市城市西擴(kuò)現(xiàn)象相一致。

4 結(jié)論

本研究基于開封市6個(gè)時(shí)期的Landsat系列遙感影像，運(yùn)用支持向量機(jī)監(jiān)督分類方法對(duì)開封市土地利用進(jìn)行分類，提取城市建成區(qū)，并分析了各時(shí)段的城市擴(kuò)張及空間分布形態(tài)；同時(shí)結(jié)合相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)SPSSl9.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中的因子分析方法得出2個(gè)主要因子，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行定性分析，得出主要結(jié)論如下：

1)1990—2015年間，開封市城市建成區(qū)呈持續(xù)擴(kuò)張，由1990年的38.08 km2增加到2015年的125.86 km2，年均擴(kuò)張速度為3.51 km2/a，呈現(xiàn)中高速擴(kuò)張。

2)1990—2015年間開封市城市平均中心位置的變化呈西北方向擴(kuò)張趨勢(shì)，其中2009—2015年間，建成區(qū)西擴(kuò)現(xiàn)象更為明顯，擴(kuò)張范圍更廣。

3)利用SPSS19.0軟件對(duì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得出城市人口數(shù)量及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等是開封市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因素，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市擴(kuò)張有著根本性的影響。

在對(duì)開封市城市擴(kuò)張空間形態(tài)分析過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)了各時(shí)期城市平均中心及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，但僅定性分析了城市擴(kuò)張的方向性，未從幾何學(xué)角度具體分析在各個(gè)方向的擴(kuò)張變化量。定量地刻畫其空間分布特征，有待做進(jìn)一步深入研究。