張佳瑜, 白林波, 楊美玲

(寧夏大學 資源環(huán)境學院, 銀川 750021)

當前，中國經(jīng)濟正處于快速增長階段，城市化水平不斷提高，城市擴展不斷加劇[1]，城市空間向外圍擴展或者內(nèi)部調(diào)整重組，城市土地利用結(jié)構發(fā)生顯著的變化，人地矛盾將更加突出。城市擴展是城市化研究的重要部分，城市時空擴展的階段過程中蘊含著大量的信息，這些信息不僅可以用于探索城市發(fā)展的特征與規(guī)律，更能發(fā)現(xiàn)城市化中存在的問題[2]。加強城市擴展研究，可以為城市總體規(guī)劃設計提供理論基礎，有效地引導和調(diào)控城市的擴展速度和方向。

遙感數(shù)據(jù)源具有空間尺度大、獲取周期短、信息量豐富等優(yōu)點，近年來逐漸成為城市擴展研究的主要手段[3]?？臻g擴展具有明顯的地域特征，必須切實加強對城市空間擴展的理論和實證研究，嚴格根據(jù)城市演變的時空規(guī)律來制定相關政策并指導開發(fā)活動[4]。國內(nèi)學者對我國城市開展了城市擴展時空特征方面的研究，積累了豐富的經(jīng)驗，鄧羽、王帥和王濤等利用多源遙感數(shù)據(jù)和城市擴展理論分別研究了北京、上海、西安等城市的擴展，并對其驅(qū)動力進行分析[5-7]，研究表明，城市空間擴展的研究內(nèi)容逐漸向綜合性、交叉性方向發(fā)展，涉及了城市用地擴展的空間過程、驅(qū)動力、格局及模式；徐進勇、王厚軍和李曉燕等分別研究了珠江三角洲主要城市、沈陽、成都、哈長城市群和德令哈等城市的擴展特征[8-12]，以GIS和RS為主要研究方法，時間跨度向中長期過渡，研究區(qū)域以東部大城市為主，開始向中西部城市過渡?？傮w來說，城市擴展的研究內(nèi)容已經(jīng)不斷地向更深的機理分析和調(diào)控措施發(fā)展，同時也要看到，研究對城市化速度顯著上升的具區(qū)域性代表的中等城市關注較少。

銀川作為中國西北干旱區(qū)域中心城市，具有干旱區(qū)平原地區(qū)城市的特點，近年來城市擴展的速度很快。有學者從城市統(tǒng)計資料、景觀生態(tài)等角度分析了銀川市城市結(jié)構及其演化情況，但是在城市空間擴展演變及城市形態(tài)變化方面缺乏深入研究[13-14]，而且在“一帶一路”戰(zhàn)略下，銀川市發(fā)展面臨新的機遇與挑戰(zhàn)，城市規(guī)劃布局出現(xiàn)新的狀況。本文采用銀川市多個時相的Landsat TM/ETM/OLI影像數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術，對銀川市城市空間擴展的時空演變特征進行分析，揭示城市發(fā)展規(guī)律，以期為城市建設與發(fā)展規(guī)劃的制定提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

銀川市位于黃河上游寧夏平原的中部，北緯37°29′—38°53′、東經(jīng)105°49′—106°53′，東臨黃河，西屏賀蘭山。銀川市是寧夏的軍事、政治、經(jīng)濟、文化、科研、交通和金融中心，國家歷史文化名城，西北地區(qū)重要的中心城市，是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略中隴海蘭新經(jīng)濟帶的重點發(fā)展城市，“一帶一路”建設的重要節(jié)點城市，國家向西開放的窗口。本次研究區(qū)域為興慶區(qū)、金鳳區(qū)、西夏區(qū)3個市轄區(qū)。

2017年，銀川市常住人口達222.54萬人，GDP達1 617.28億元。由于歷史發(fā)展原因，銀川市自東向西形成由興慶區(qū)、金鳳區(qū)和西夏區(qū)3個部分形成多中心并聯(lián)式布局的模式。為加快城市化進程，1996年，銀川市決定在金鳳區(qū)進行經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建設，拉開了城市快速擴展的序幕；2002年,提出建設銀川為“現(xiàn)代化中心區(qū)域性城市”,以適應國家“西部大開發(fā)”的戰(zhàn)略目標，大銀川建設戰(zhàn)略開始實施；2005年提出“推進以銀川為龍頭的沿黃城市帶建設”的發(fā)展戰(zhàn)略，進一步加快了銀川市的城市化進程。2016年，十三五總體規(guī)劃將中心城區(qū)發(fā)展方案調(diào)整為“南進、北拓、東優(yōu)、西控”。目前形成了以興慶區(qū)為商業(yè)區(qū)、金鳳區(qū)為行政區(qū)、西夏區(qū)為教育區(qū)的功能布局。隨著“一帶一路戰(zhàn)略”的推進，銀川市將迎來新一輪的快速發(fā)展期。

2 研究方法與數(shù)據(jù)獲取

2.1 數(shù)據(jù)資料

本次研究采用了Landsat TM/ETM/OLI影像，獲取具體時間分別是：1991年8月30日，1999年8月12日，2006年9月16日，2011年6月18日，2017年9月6日，影像空間分辨率為30 m，其中1991年、2011年為TM影像，1999年、2006年為ETM影像，2017年為OLI影像(影像均從地理空間數(shù)據(jù)云下載)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

建成區(qū)指實際開發(fā)和建設起來的、集中連片的、具備基本市政公共設施的地區(qū)[15]，在城市擴展過程中可能會出現(xiàn)一些離散的獨立閉合區(qū)域。本文數(shù)據(jù)處理中，影像坐標系采用UTM，在軟件ENVI 5.3平臺下進行影像的幾何校正、增強處理和研究區(qū)裁剪，影像采用標準假彩色合成，在標準假彩色圖像上，城市影像特征為灰藍色，植被為紅色，因此建成區(qū)邊界較易提取。在ArcGIS 10.2平臺下，根據(jù)影像特征，人機交互提取研究區(qū)各時期的建成區(qū)邊界，并進行面積統(tǒng)計，得到研究區(qū)各時期的建成區(qū)邊界(圖1)和面積。結(jié)合實地驗證，確保圖像邊界判讀的準確率在90%以上[16]。

2.3 研究方法

為了定量分析研究區(qū)城市空間擴展的速率、位置和方向等特征，在ArcGIS 10.2平臺下，對研究區(qū)采用等角度法劃分區(qū)域，應用城市空間擴展速率、城市空間擴展強度、城市空間重心指數(shù)、城市空間緊湊度和城市空間分形維數(shù)等定量指標，利用GIS的空間分析技術對城市空間發(fā)展趨勢、空間格局演變和空間形態(tài)特征進行分析。

(1) 等角度法。等角度法分析是指取研究區(qū)的重心和某方向為邊界，將研究區(qū)劃分成若干角度相等的區(qū)域，與各時相進行疊加，通過計算不同方位的擴展指數(shù)描述城市空間變化[17]。在本研究中，以研究初期的城市重心為起點，東偏北22.5°方向為基線，隔45°作射線，將城區(qū)劃分為8個區(qū)域，據(jù)此分析不同時段各個方位擴展強度和方向，研究空間格局演變特征。

注：圖中空白為建成區(qū)。

圖1 研究區(qū)不同時相建成區(qū)

(2) 城市空間擴展速率。此指標研究城市空間研究期內(nèi)的面積變化，計算公式為：

(1)

式中：Vab表示城市空間擴展速率;Sa表示研究初期面積;Sb表示研究末期面積;ΔT表示間隔時間。

(3) 城市空間擴展強度指數(shù)。此指標是對空間擴展速率的標準化處理，計算公式為：

(2)

式中：Eab表示ab時段間的擴展強度指數(shù)，其余符號同前。

(4) 城市空間重心指數(shù)。城市空間重心是描述城市空間分布的一個重要指標，通過城市重心遷移變化可研究城市空間格局的變化[18]，計算公式為：

(3)

(4)

式中：Xt，Yt分別表示研究年份t時的城市空間重心的橫、縱坐標(m)；n為城市中的建成區(qū)地塊的數(shù)量；i表示建成區(qū)地塊的編號；Sti表示第i塊建成區(qū)的面積。

(5) 城市空間緊湊度指數(shù)。緊湊度指數(shù)是衡量城市空間形態(tài)變化的重要指標[19]，公式為：

(5)

式中：Q為緊湊度指數(shù)；S為城市建成區(qū)總面積；C為城市建成區(qū)各斑塊的周長總和。

(6) 城市空間分形維數(shù)。分形維數(shù)是描述分形結(jié)構的特征指標[20]，公式為:

(6)

式中：F是分形維數(shù)，其余符號同前。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市空間擴展時序變化特征分析

城市用地規(guī)模的數(shù)量變化，可以通過建成區(qū)面積在時間維上的變化進行分析。應用ArcGIS 10.2平臺將5個時相的建成區(qū)邊界疊加(圖2)，并統(tǒng)計出5個時相銀川市建成區(qū)面積，根據(jù)公式(1)，(2)，計算得到不同時期研究區(qū)城市空間擴展數(shù)據(jù)(表1)。可以看出，銀川市城市面積從1991年的38.78 km2增加到2017年的243.74 km2，增長了6.29倍，擴展速度為7.88 km2/a，由于研究初期城市面積基數(shù)較低，擴展強度指數(shù)高達20.32%。研究期內(nèi)，銀川市城市擴展速度一直在加快。

圖2 研究區(qū)不同時期的城市擴展過程

1991—1999年為研究期第一時段，城市面積擴展了16.74 km2，年均擴展速率處于整個研究時段的最低水平，為慢速增長期；在1999—2006年的研究期第二時段，銀川市進入了城市空間快速擴展期，城市面積擴展66.35 km2，年均擴展速率為9.48 km2/a，擴展強度指數(shù)達17.07%，這一指標在研究期間達到了頂峰，為1991—1999年的3.17倍；2006—2011年為研究期第三時段，銀川市保持著快速擴展，擴展面積53.73 km2，年均擴展速率為10.75 km2/a，擴展強度指數(shù)為8.82，與1999—2006年相比，年均擴展速率繼續(xù)增加，擴展強度指數(shù)開始回落；研究期最后一個時段是2011—2017年，城市空間擴展了68.14 km2，年均擴展速率進一步增加，達到11.36 km2/a，為研究期的最大值。

表1 研究區(qū)不同時期的城市空間擴展情況

不同時段面積擴展是相異的。第一時段：1996年，銀川市進行了城市總體規(guī)劃的修編，確定進行高新技術開發(fā)區(qū)的建設項目，該項目實施是第一時段城市面積擴展主要原因，城市面積增長來源單一，擴展速率較慢。第二時段：2000年，國家提出了西部大開發(fā)的重大戰(zhàn)略決策，銀川市作為西北地區(qū)重要的中心城市，是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略中隴海蘭新經(jīng)濟帶的重點發(fā)展城市，明顯地改善了交通、能源、通訊等方面的基礎設施，并且城市結(jié)構和功能布局也開始逐漸完善；2002年，銀川市提出了“跳出銀川看銀川，立足全國看銀川，面向世界看銀川”的發(fā)展理念，開始以“建設一個大銀川”的視角整合城市空間布局，進行了大規(guī)模地老城區(qū)改造，周邊用地擴展迅速，整個研究期內(nèi)，這一時段城市擴展強度最大，變化最為明顯。第三時段，延續(xù)了前一時段的擴展趨勢，城市空間擴展主要來自“城中村”大改造的繼續(xù)以及高新技術開發(fā)區(qū)的建設。第四時段，擴展速率達到研究期最高的11.36 km2/a，這一時期擴展原因主要是研究區(qū)的舊城改造和新區(qū)開發(fā)以及對外交通建設等，如BRT1號線的建造完成、懷遠西路地下綜合廊道工程、滿城南街、滿城北街地下綜合廊道工程、銀西高鐵工程、銀川濱河黃河大橋工程等，進入了銀川最大規(guī)模的城市擴張期。隨著“一帶一路”建設的推進，可以預測，銀川城市空間快速擴展期仍將繼續(xù)。

3.2 城市空間格局演變擴展分析

應用ArcGIS 10.2的要素轉(zhuǎn)點模型求出不同時期各地塊的幾何中心，同時，為了更直觀簡明地分析銀川市城市擴展在不同方位的情況，采用等角法對區(qū)域進行劃分。以1991年銀川城市重心為基點，選取8個方位把地圖進行象限劃分為8個部分，按傳統(tǒng)習慣命名為正東、正西、正南、正北和東北、西北、西南、東南共8個方位(圖3)。應用公式(3)、(4)計算各時期城市空間重心變化相關數(shù)據(jù)(表2)，并統(tǒng)計不同方位區(qū)域內(nèi)建成區(qū)擴展面積、擴展速率和擴展強度(表3—5)，分析城市整體變化過程和各方向上城市空間擴展特征。

圖3 研究區(qū)8個方位的城市擴展過程表2 研究區(qū)各時期城市重心變化

時間重心坐標X/m重心坐標Y/m重心轉(zhuǎn)移距離/m重心轉(zhuǎn)移角度1991年604182.30714259386.9061999年604884.24944259206.638724.72345.60°2006年605766.81844258930.02924.90342.60°2011年605093.39144258932.391651.05180.01°2017年605047.77964258379.243554.84262.96°

3.2.1 全時段內(nèi)城市空間格局演變擴展分析 1991—2017年，城市格局發(fā)生了重大變化。1991年，銀川市建成區(qū)呈東西城區(qū)分離發(fā)展的狀況，西面(西夏區(qū)和金鳳區(qū)西部)略偏北而東面(興慶區(qū))略靠南，兩部分通過交通主干道連接，按八方位來看，正西為15.98 km2，占41.2%，正東13.14 km2，占到了33.9%，西南僅有0.04 km2，而東北、正南兩方位的建成區(qū)面積極少，可以忽略；到了研究期末(2017年)，整個銀川建成區(qū)已經(jīng)連成一片，形成了整體發(fā)展的態(tài)勢，8個方位中，城市建成區(qū)面積以正東最高，為54.63 km2，占總面積的22.4%，其次為東南方位，達到了48.93 km2，占總面積的20.1%，正西為42.56 km2，占總面積17.3%，排在第三；而正南以6.26 km2，正北以9.03 km2成為建成區(qū)面積最少的兩個方位，僅占總面積的2.6%和3.3%(表3)。

表3 研究區(qū)不同時期8個方位建成區(qū)面積和擴展面積 km2

表4 研究區(qū)不同時期8個方位建成區(qū)擴展速率 km2/a

表5 研究區(qū)不同時期8個方位建成區(qū)擴展強度 %

通過城市擴展面積的大小可以分析出城市方位擴展特征。東南、正東是銀川市城市空間的主要擴展方向，分別擴展了48.93 km2，41.49 km2；而正南、正北方位擴展最小，僅為6.26 km2，8.05 km2。東南、正東、西南、正西方向的擴展速率較大，都超過了1 km2/a，正南、正北兩方向分別是0.24 km2/a和0.31 km2/a，擴展速率較低(表4)。

從擴展強度來看，因為研究初期建成區(qū)面積太小或沒有，東北、西南和正南方位討論擴展強度沒有意義；東南方向擴展最快，擴展強度達到50.08%，正北擴展也較快，擴展強度達到31.59%，但由于初始面積太小，實際擴展面積并不多，正西擴展最慢，僅為6.40%(表5)。

城市空間擴展也體現(xiàn)在城市重心變化上(表2)。銀川城市重心在向東南移動后、向西移動、最后在南移的同時緩慢西移，說明銀川建成區(qū)在整體上是在向東、南擴展，而其他方位相對發(fā)展較慢；從三區(qū)的范圍來看，興慶區(qū)的南北擴展較快，建成區(qū)邊界已經(jīng)接近行政邊界，而金鳳區(qū)的南北方向，西夏區(qū)的西面、南面和北面都有足夠的空間可供擴展。

3.2.2 不同時段城市空間格局演變擴展分析 由于各個方位不同時段的擴展面積不同，其擴展強度也不盡相同。1991—1999年，銀川市整體處于緩慢發(fā)展期，正北、西南基本沒有擴展，擴展強度為0；而正南、東北初期面積為0，沒有擴展強度；正東區(qū)域(即興慶區(qū)西側(cè))的高新技術開發(fā)區(qū)擴展了10.32 km2，擴展強度達到了9.82%；東南區(qū)域擴展了2.12 km2，但由于初始面積不大，擴展強度達到了7.59%。位于兩城區(qū)之間的非城市區(qū)域開始被城市用地填充，這使得城市重心向東(345.60°)方向移動了724.72 m。

1999—2006年，銀川市開始了快速擴展期，各方向都有所擴展，尤其正東、東南擴展最多，分別為18.62 km2，17.53 km2，擴展強度為11.34%和44.64%，正北、西北的擴展強度也達到了39.36%和23.31%，正南最少，僅0.77 km2，而因初期東北、西南、正南建成區(qū)面積太小，擴展強度指數(shù)極大或不存在，討論擴展強度沒有意義。城市重心繼續(xù)向東南(342.60°)方向移動924.9 m，建成區(qū)有一個明顯的變化就是東西兩城區(qū)在空間上連接到了一起，這個時期，銀川市同時快速進行兩城區(qū)間的空間填充和向外擴展。

2006—2011年，建成區(qū)面積繼續(xù)全面擴展，擴展最多的是正西，為14.10 km2，擴展強度為11.21%，是該區(qū)域的最高值；各方向擴展強度都較高，東北、西南因2006年建成區(qū)面積較小，其擴展強度達24.5%和37.91%，正南方向繼續(xù)緩慢擴展，面積增加了0.38 km2。城市重心向西(180.01°)移動651.05 m。

2011—2017年，建成區(qū)繼續(xù)快速擴展，擴展的方向開始轉(zhuǎn)向西南和東南，增加面積達18.92 km2，17.41 km2，擴展強度為23.67%和9.21%。西南方位增長較大，是因為西夏區(qū)南邊屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民集中區(qū)域，比較容易擴展為建成區(qū)；位于銀川市區(qū)東部的興慶區(qū)，北、南擴展都已經(jīng)到達了行政邊界，銀川市市區(qū)慢慢突破了傳統(tǒng)的直轄三區(qū)范圍，向北朝賀蘭、向南朝永寧兩縣延伸。重心向南(262.96°)移動了554.84 m，表明這一期間向南擴展為主要方向。從空間格局演變來看，符合銀川市“十二五”城市總體規(guī)劃“南進、北拓、西優(yōu)、東控”的城市布局。

3.3 城市空間擴展形態(tài)演變特征分析

應用式(6)計算得到研究區(qū)各時期緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)(表6)?？梢钥闯?，在整個研究時段內(nèi)，建成區(qū)緊湊度指數(shù)較低，整體上保持上升趨勢，由0.17逐漸增長到0.32；分形維數(shù)初期較高，整體上有較大的下降趨勢，從早期的1.71下降到1.25。值得注意的是，2006—2011年，緊湊度并沒有隨擴展增加，反而下降了0.03，由0.24下降到0.21；同樣地，分形維數(shù)上升了0.03，由1.39上升到1.42。

表6 研究區(qū)各時期城市形態(tài)指數(shù)

1991年較低的緊湊度指數(shù)和較高的分形維數(shù)，說明在研究初期，銀川市建成區(qū)相對松散，銀川市建成區(qū)處于東西城區(qū)分離狀態(tài)，兩城區(qū)通過交通主干道連接，建成區(qū)形狀整體上呈啞鈴狀。1991—1999年、1999—2006年，緊湊度指數(shù)保持上升，分形維數(shù)持續(xù)減少，說明在這兩個時段，銀川城市面積的擴展以內(nèi)部邊緣填充為主，建成區(qū)也由東西分離擴展到連成了一個整體，建成區(qū)形狀開始呈條帶狀；隨著城市的擴展，城市基礎設施和已規(guī)劃土地的利用效率提高，城市內(nèi)部的交通距離減少。2006—2011年，緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)出現(xiàn)了拐點，這是因為銀川市在這一時段出現(xiàn)跳躍式擴展的特征，比較明顯的是在銀川市西南(即西夏區(qū)的興徑鎮(zhèn))建成區(qū)發(fā)生了較大的擴展，與主城區(qū)分離，形成飛地，導致建成區(qū)周長增長超過了面積的增長。2011—2017年，建成區(qū)進一步擴展，西南方的建成區(qū)也從分離狀態(tài)擴展到與主建成區(qū)連接成一體，向團塊式發(fā)展，城市空間形態(tài)更加合理，緊湊度指數(shù)保持提高，分形維數(shù)繼續(xù)下降。

4 結(jié) 論

(1) 從時序上，受益于“西部大開發(fā)”等政策的影響，研究期間銀川市建成區(qū)面積在數(shù)量上呈逐年上升趨勢，面積從1991年的38.78 km2增加到2017年的243.74 km2，城市的建成區(qū)總面積擴展了6.29 倍，擴展速度為7.88 km2/a，擴展強度為20.32%。

(2) 空間格局上，整體上向東南和正東方向擴展，從研究初期的城區(qū)東部、西部之間的區(qū)域內(nèi)部填充及東、西擴展轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯科谀┑南驏|南、西南擴展；位于城市東部的興慶區(qū)南、北方向的擴展極大，研究期末其建成區(qū)邊界已經(jīng)接近興慶區(qū)的邊沿部分。城市重心經(jīng)歷了東移、西移、南移的過程，總體上向東南方向移動，說明空間上城市向東南方向擴展為主。

(3) 城市形態(tài)上，從研究初期的“東、西分離”的啞鈴狀，經(jīng)歷了發(fā)展中期的條帶狀后，到研究末期時向團塊式發(fā)展，其形態(tài)接近東西向略長、南北向較短的橢圓形，緊湊度指數(shù)逐漸增大而分形維數(shù)逐漸減小，期間存在跳躍式擴展。說明研究期間，城市擴展以內(nèi)部填充和邊緣填充為主，城市空間形態(tài)日益簡單且趨于穩(wěn)定發(fā)展，形狀變得規(guī)則。