曹睿星

（滁州學院地理信息與旅游學院, 安徽滁州 239000）

0 引言

國際上曾制定了“土地利用與土地覆被變化”這一研究計劃，并確定了兩個方向的主要研究：一方面是通過做實驗進行研究，從而揭示不同狀態(tài)下覆被動態(tài)的特征與引起該變化的原因；另一個方面是建立全球或局部區(qū)域土地利用變化模型，通過建立模型的方法，揭示土地利用與驅(qū)動力之間的相關(guān)關(guān)系，預測全球或局部區(qū)域土地利用的未來發(fā)展方向[1]。土地利用目前已經(jīng)成為全球變化研究的核心領(lǐng)域和熱點問題之一[2]。與此同時，國內(nèi)有很多學者利用遙感和GIS技術(shù)對城市建成區(qū)提取展開深入研究，積累了許多經(jīng)

驗[4～5]。

建成區(qū)，指市轄區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過開發(fā)利用的土地以及從實際生產(chǎn)生活建設(shè)中發(fā)展起來的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)用地，它包括城市密集區(qū)和與城市有著緊密的郊區(qū)，城市建設(shè)用地與城市基本和完善的設(shè)施[3]。

國內(nèi)利用遙感影像進行城市用地規(guī)模監(jiān)測，有如下兩種方法：一種方法是將遙感圖像按照類別分類處理后進行光譜分類比較；還有一種是基于像元光譜變化直接比較的方法[4]。由于利用光譜變化檢測對于數(shù)據(jù)來源的要求比較高，很難為城市的長期監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)[5]。本研究采取了先分類之后再進行提取的方法，對遙感影像運用多種分類方法進行提取比較，對比尋找最優(yōu)的方法。在GIS技條件支撐下，綜合利用了擴展強度指數(shù)、緊湊度指數(shù)等數(shù)學模型和相關(guān)回歸分析等數(shù)學方法進行分析，并結(jié)合各項社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對建成區(qū)驅(qū)動力作出分析，因地制宜，以此促進滁州市經(jīng)濟穩(wěn)定健康發(fā)展，使城市得到合理規(guī)劃。

近年來，我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化進程逐漸加快，隨著這一個大時代的發(fā)展背景，城市建成區(qū)的規(guī)模擴大范圍日新月異。城市建成區(qū)的目的性分析通過數(shù)據(jù)分析和模型論證，可以從時間和空間上反映城市的擴展和演變過程，從而有助于了解城市的擴展變化情況，并預測其未來擴展趨勢[6]。遙感和GIS技術(shù)二者相結(jié)合，既能方便獲取城市用地狀況及其變化數(shù)據(jù)，又能極大地提高管理土地資源的能力。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

1.1研究區(qū)概況

滁州市市轄區(qū)由南譙區(qū)和瑯琊區(qū)組成。南譙區(qū)位于江蘇省和安徽省的交界之處，東南方向距離南京市僅50km，西面與安徽省省會合肥的距離僅在一百公里之內(nèi)。以瑯琊山系為分界線，包圍著皖東政治、經(jīng)濟、文化中心——滁州市城區(qū)，位于沿海向內(nèi)地過渡的主要區(qū)域。瑯琊區(qū)則位于滁城北部，占地面積約12.1km2的瑯琊新區(qū)，是城市空間發(fā)展中的重要組成部分。

1.2數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

基于2013，2015，2018年3期TM數(shù)字遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率30m（見表1）。影像整體云量小于2.5，時間均為03～05月份，故成像質(zhì)量好，縱向來看研究區(qū)土地各類信息變化情況較小，益于建成區(qū)周圍其他地物和建成區(qū)進行對比分析，以便減小誤差。

2 總體技術(shù)流程

2.1技術(shù)路線簡介

本文總體操作技術(shù)流程如圖1所示。對所獲取的遙感影像進行輻射定標、圖像融合、圖像鑲嵌等預處理，同時還運用了安徽省行政區(qū)劃矢量圖，裁取研究區(qū)遙感影像，獲取得到研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)。對城市擴展強度與城市緊湊度進行計算，結(jié)合2013～2018年滁州市市轄區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報的各項數(shù)據(jù)，分析建成區(qū)擴展方向以及相關(guān)因素，預測未來的擴展方向。

圖1 總體技術(shù)流程Figure 1.Overall technical flow

2.2建成區(qū)提取

當今對城市建成區(qū)提取的方法中，較成熟與可行的主要有監(jiān)督、非監(jiān)督分類、主成分分析法、歸一化裸露指數(shù)（NDBI）。NDBI是NDVI的一個擴展應用，它基于城市建設(shè)用地在TMS的反射率大于4波段的特點而創(chuàng)建。但是不能單純的認為NDBI＞0時提取準確可靠，因此需要設(shè)定一個合適的閾值。NDBI的模型為：NDBI=（TM5-TM4）/（TM5+TM4）[4]。

在本研究中，采用監(jiān)督、非監(jiān)督分類和NDBI對建成區(qū)進行提取。通過對提取結(jié)果與實際地物的契合程度進行比較，選擇最準確、契合程度最高的提取方法。由于遙感圖像中存在同物異譜、異物同態(tài)圖和混合像元等影響分類精度的現(xiàn)象，光譜值統(tǒng)計的分類方法可能會出錯。故決定結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查的同時進行人工目視判讀[7]。結(jié)果表明，最大似然法具有最高的分類精度，與目標的實際分布最為吻合。

因為最大似然法分類的精度可以通過選擇樣本數(shù)量的提高而提高[8]，所以經(jīng)過多次分類提高精度處理后，得到的分類結(jié)果如圖2所示：

圖2 監(jiān)督分類結(jié)果圖Figure 2.Supervised classification result diagram

3 滁州市市轄區(qū)城市擴展變化分析

3.1指數(shù)分析

3.1.1擴展強度指數(shù)

城市擴展強度指數(shù)是指單位時間內(nèi)，一個空間單元的城市用地擴展的面積總量占土地總面積的百分比。擴展強度指數(shù)越大，表示城市擴展速度越快。即可展現(xiàn)其時間上的擴展特征[9～12]，公式如下：

表1 Landsat數(shù)據(jù)簡介Table 1.Introduction to Landsat data

其中：AGR為擴展強度指數(shù)；△An+i和△Ai分別為后一年第n+i年和第i年的城市建成區(qū)面積；n為以年為單位的時間跨度，其值越大，表示擴展速度越快，反之則慢。

3.1.2緊湊度指數(shù)

緊湊度指數(shù)是反映城市空間形態(tài)密集程度以及空間功能的重要指標。它衡量城市建成區(qū)的緊湊性和豐滿程度，以防止城市的無限蔓延，以節(jié)約土地利用為最終目標。城市緊湊度是衡量城市發(fā)展中城市空間密集程度的尺度[13]，通過緊湊度來分析滁州城市用地的空間分布。各種物質(zhì)（工業(yè)、資本、人口、交通、城市設(shè)施等）的密度越大，緊湊度越高[14～15]，公式如下：

其中：C為緊湊度，通常在0～1之間，值越大，地物形狀分布越密集；值越小，地物形狀分布越稀疏。Ai和Pi分別為第i年城市的面積和周長。

3.2結(jié)果與分析

3.2.1建成區(qū)擴展面積和強度

滁州市市轄區(qū)主要建成區(qū)從2013年的82.90km2增加到2018年的192.88km2，凈增長面積達 109.98km2，增加了2.33倍，平均年增長18.33km2（見表2）。

表2 2013-2018年滁州市市轄區(qū)建成區(qū)面積統(tǒng)計Table 2.Statistics of built-up areas of Chuzhoumunicipal districts from 2013 to 2018

滁州市市轄區(qū)建成區(qū)擴展特征（見表3）。

表3 年滁州市市轄區(qū)建成區(qū)擴展特征Table 3.Expansion characteristics of built-up areas of Chuzhou City

3.2.2擴展方向分析

對各個時期的建成區(qū)數(shù)據(jù)，進行矢量化處理后再進行疊加分析（見圖3）。藍色表示2013年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布，紅色表示2015年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布，黃色表示2018年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布；可以清晰的看出滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的時空分布變化。從圖中可以看出滁東部分、城南部分以及烏衣部分都有建成區(qū)的擴展。其中滁東是經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，城南則是商業(yè)中心以及政府辦公聚集地，而烏衣地區(qū)則是與南京比較近。依據(jù)滁州市十三五期間重大建設(shè)項目，對近期建設(shè)用地布局進行合理優(yōu)化，快速推進城南新區(qū)、明湖片區(qū)、瑯琊新區(qū)、高鐵原創(chuàng)科技城以及城東產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設(shè)步伐，提升老城區(qū)的功能和品質(zhì)，才形成了獨特的邊緣擴展變化[16]。

圖3 空間疊加分析Figure 3.Spatial superposition analysis

如表4所示，從2013年到2018年城市的緊湊度變大，說明了城市建成區(qū)的擴大，反映出滁州市市轄區(qū)近年來的發(fā)展，輔證了空間疊加分析的變化結(jié)果。

4 研究區(qū)城市擴展驅(qū)動力分析

4.1人口因素

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，滁州市市轄區(qū)城區(qū)人口呈不斷增長的趨勢。根據(jù)滁州市市轄區(qū)2013-2018年的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報數(shù)據(jù)顯示，滁州市市轄區(qū)常住人口從2013年的31.5萬人，發(fā)展到2015年的33.9萬人，再到2018年的47.1萬人，6年增長了15.6萬人；戶籍人口從2013年的49.8萬人，減少到2015年的49.7萬人，再增加到2018年的51.2萬人，6年增長了1.4萬人。

表4 2013～2018年滁州市市轄區(qū)緊湊度指數(shù)值Table 4.Compactness index of Chuzhou municipal district from 2013 to 2018

2013～2018年滁州市市轄區(qū)的GDP也是逐漸上升的。2013年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟總量是543.09億元，2015年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟總量是652.85億元，是2013年的1.20倍；2018年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟總量是900.85億元，是2015年的1.38倍。

因為人口的增多，人們對住房以及各類基礎(chǔ)設(shè)施的需求也日益增加，同時也帶動了國民生產(chǎn)總值的飛速發(fā)展。從而使城市居民用地增加，城市建成區(qū)面積增大。

對人口和GDP與建成區(qū)面積進行相關(guān)性回歸分析，通過在Excel中擬合散點分布趨勢，發(fā)現(xiàn)之間呈現(xiàn)較強的相關(guān)關(guān)系（如圖4），相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.98,R2=0.99,相關(guān)系數(shù)都十分接近1，說明建成區(qū)面積與人口和GDP成正相關(guān)關(guān)系。人口的增長可以推動建成區(qū)面積的擴大。

圖4 建成區(qū)面積和人口及GDP相關(guān)性Figure 4.Correlation between built-up area and population and GDP

4.2經(jīng)濟發(fā)展因素

經(jīng)濟水平的發(fā)展與城市建設(shè)規(guī)模是呈現(xiàn)正相關(guān)性的。因為如果城市總體建設(shè)的范圍、目標和要求，不能滿足當今社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，就會制約整個城市，甚至整個國家的經(jīng)濟發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。換句話說，經(jīng)濟的快速發(fā)展，也會推動城市的建設(shè)。

滁州市市轄區(qū)2013年一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值比例分別占地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展總值的19.17%，53.09%，7.83%，到2015年3個產(chǎn)業(yè)的占比分別為16.96%，53.22%，29.82%，再到2018年3個產(chǎn)業(yè)的占比分別為12.25%，51.62%，36.13%。滁州市市轄區(qū)第一、二產(chǎn)業(yè)比值輕微呈下降趨勢，第三產(chǎn)業(yè)比值則呈迅猛上升趨勢。第二產(chǎn)業(yè)比值雖有所下降，但由于該地區(qū)經(jīng)濟總量的呈上升趨勢，第二產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟總值也呈現(xiàn)迅速增長趨勢。由圖5可知，二、三產(chǎn)業(yè)與建成區(qū)面積的相關(guān)關(guān)系與生產(chǎn)總值與建成區(qū)面積的相關(guān)關(guān)系（見圖5）趨勢大致相同。故可得出由于二、三產(chǎn)業(yè)的迅速增長，大量工業(yè)用地、服務產(chǎn)業(yè)占地面積擴大，直接反映為城市建成區(qū)面積的擴大。而第一產(chǎn)業(yè)的下降，則說明城市建設(shè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著一定的抑制作用。

圖5 滁州市市轄區(qū)2013～2018一二三產(chǎn)業(yè)與建成區(qū)面積相關(guān)關(guān)系Figure 5.Correlation between primary,secondary and tertiary industries and built-up area of Chuzhou City from 2013 to 2018

4.3交通因素

交通線路可影響城市空間的擴展方向、速度以及城市空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)，這與它有著高經(jīng)濟集聚性這一性質(zhì)密不可分。一方面，對外可以加速城市空間的擴張速度；另一方面,如果交通建設(shè)滯后于經(jīng)濟發(fā)展，它將成為城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[17]。滁州市市轄區(qū)屬泛長江三角洲合作核心區(qū)，商貿(mào)流通暢達。該市轄區(qū)全區(qū)已形成多方向開放式的新型流通網(wǎng)絡。交通網(wǎng)絡的完善度直接影響到一個區(qū)域在地理方位上的可進入性，交通便利性高，意味著對外交往可能性高，無論是針對原料產(chǎn)地、生產(chǎn)制造地還是最后的消費地而言，都可以起到促進經(jīng)濟活動發(fā)展的作用，從而帶動城市的建設(shè)發(fā)展。

如圖6中交通線密集處與建成區(qū)聚集區(qū)域較為吻合，可以得出交通便捷程度也是建成區(qū)發(fā)展的一個重要制約因素。滁州市市轄區(qū)深化市域鐵路交通規(guī)劃以及優(yōu)化市域高速公路布局的實施，都為滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的擴展起到了推動性作用[16]。

5 結(jié)論

（1）滁州市市轄區(qū)主要建成區(qū)面積從2013年的82.90km2增加到2018年的192.88km2，凈增長面積達109.98km2，增加了2.33倍，平均年增長18.33km2。

（2）從空間上看，滁州市市轄區(qū)總體擴張方向為滁東方向、城南方向以及烏衣方向。這三塊主要擴展區(qū)域都受到經(jīng)濟政治等方面的影響，其中滁東是經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，城南則是商業(yè)中心以及政府辦公聚集地，而烏衣地區(qū)則是與南京比較近。

（3）滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的擴展主要受人口、經(jīng)濟、交通3個因素綜合影響。其中，人口因素和經(jīng)濟因素對建成區(qū)的擴展起到推動性作用，而交通的不便則對建成區(qū)的擴展起到制約作用。三個因素共同作用導致建成區(qū)的擴展。夏陽、李洋洋在《基于遙感和GIS的德州市德城區(qū)建成區(qū)擴展變化及驅(qū)動力分析》指出政策因素是驅(qū)動城市發(fā)展的主導力量[4]。劉濤《城市用地擴張及驅(qū)動力研究進展》中，基于LUCC、區(qū)域統(tǒng)計和個案剖析等3個視角的研究都發(fā)現(xiàn)城市人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)化和地方政策對城市用地擴張的核心驅(qū)動作用，同時肯定了開發(fā)區(qū)、交通和地理基礎(chǔ)的作用[19]。楊呂悅在《成都市城市蔓延程度與驅(qū)動因素》指出城市蔓延驅(qū)動因素中，房地產(chǎn)開發(fā)投資、城市道路面積與社會消費品零售總額對建成區(qū)面積有正向影響，地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資與職工平均工資與建成區(qū)面積表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系[20]。國內(nèi)外還有許多學者都提出了關(guān)于建成區(qū)擴展影響因素的分析[21～28]。主要因素還是人口、經(jīng)濟和交通因素對建成區(qū)面積的影響。