葉萍萍

(甘肅省基礎(chǔ)地理信息中心，甘肅 蘭州 730000)

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各國(guó)城市建設(shè)空前活躍，城市空間擴(kuò)展也引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)外對(duì)城市空間擴(kuò)展的研究，最早可以追溯到19世紀(jì)末城市地理學(xué)對(duì)城市空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究[1]。上世紀(jì)80年代，隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程加快，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始研究城市空間擴(kuò)展，主要利用RS和GIS技術(shù)[2-3]，但是國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)集中在東部發(fā)達(dá)城市，西北部城市涉獵較少[4]。

蘭州地處中國(guó)西北地區(qū)的中心，是古絲綢之路的重要節(jié)點(diǎn)。2012年8月12日，蘭州新區(qū)成立，作為西北第一個(gè)、全國(guó)第五個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，新區(qū)自成立之初就受到各級(jí)政府和社會(huì)各界的高度重視，城市化進(jìn)程不斷加快。研究新區(qū)城市空間擴(kuò)展歷程,總結(jié)不同時(shí)期不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下城市擴(kuò)展規(guī)律，可以為城市的建設(shè)發(fā)展提供地理信息支撐，更好的服務(wù)于“一帶一路”建設(shè)。

1 新區(qū)概述

蘭州新區(qū)坐落于甘肅省蘭州市北部秦王川盆地，位于東經(jīng)103°26′20″～103°58′18″，北緯36°12′30″～36°52′27″之間?，F(xiàn)新區(qū)下轄六鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為永登縣中川鎮(zhèn)、秦川鎮(zhèn)、上川鎮(zhèn)、樹(shù)屏鎮(zhèn)和皋蘭縣西岔鎮(zhèn)、水阜鎮(zhèn)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年共計(jì)6期的航空影像和Pleiades、WorldView2、WorldView3、GF1、GF2、ZY3等多源高分辨率衛(wèi)星遙感影像，范圍覆蓋蘭州新區(qū)全域。為了保證遙感解譯提取信息的精度和準(zhǔn)確性，影像要求層次豐富、清晰易讀、色調(diào)均勻、反差適中、色彩接近真實(shí)自然、色彩均衡、時(shí)相盡量保持一致[5]。

2.2 地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)包括2013年蘭州新區(qū)地理國(guó)情普查試點(diǎn)成果數(shù)據(jù)和2015年地理國(guó)情普查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)核準(zhǔn)成果數(shù)據(jù)，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括2016年、2017年、2018年蘭州市基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋蘭州新區(qū)全域，具體內(nèi)容包括地形地貌數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、地表覆蓋與地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)、遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)等[6]。

2.3 專(zhuān)題數(shù)據(jù)

主要由蘭州新區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局提供的最新版本的《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》、由蘭州新區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局提供的統(tǒng)計(jì)年鑒等。

3 技術(shù)路線(xiàn)和方法

3.1 技術(shù)路線(xiàn)

基于地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等豐富的地理信息數(shù)據(jù)資源[7]，結(jié)合高分辨率遙感影像，采用遙感技術(shù)手段，提取蘭州新區(qū)從2010～2018年城市建成區(qū)范圍，結(jié)合收集整理的行業(yè)專(zhuān)題資料，采用空間分析方法，從城市空間擴(kuò)展的規(guī)模和強(qiáng)度、擴(kuò)展的方向性以及空間形態(tài)演變等方面對(duì)新區(qū)城市空間擴(kuò)展的歷程進(jìn)行分析。

圖1 總體技術(shù)路線(xiàn)

3.2 技術(shù)方法

3.2.1 數(shù)據(jù)資料整理整合

根據(jù)各類(lèi)專(zhuān)題數(shù)據(jù)的類(lèi)型，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)系統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)題空間數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)歸一化。地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理包括按照新區(qū)范圍裁切；遙感影像數(shù)據(jù)的處理包括幾何精校正、輻射糾正、輻射增強(qiáng)、鑲嵌、裁切、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)等；專(zhuān)題數(shù)據(jù)的處理包括數(shù)據(jù)裁切、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、信息提取。

3.2.2 遙感影像解譯

基于地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)遙感影像進(jìn)行判讀解譯，生成歷史年份的城市建成區(qū)范圍，在此基礎(chǔ)上，利用疊合分析，獲得城市擴(kuò)展的時(shí)空變化信息。

本文引入“城市建成區(qū)”這一概念來(lái)反映城市已建設(shè)開(kāi)發(fā)的范圍。城市建成區(qū)，是指城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開(kāi)發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)[8]。在劃分標(biāo)準(zhǔn)上，依據(jù)遙感影像圖上城市建成區(qū)的特征表現(xiàn)，可以按照“成規(guī)模連片、多層建筑為主、具備街區(qū)形態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施配套”原則，提取城市建成區(qū)范圍。

3.2.3 統(tǒng)計(jì)與分析

基于解譯結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各個(gè)年份城市建成區(qū)的面積、兩個(gè)相鄰年份間的面積變化量、擴(kuò)展強(qiáng)度和年均擴(kuò)展速率等，以反映城市擴(kuò)展規(guī)模和強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，對(duì)城市建成區(qū)擴(kuò)展的方向性和空間形態(tài)演變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析蘭州新區(qū)時(shí)空尺度的變化歷程。

4 城市空間擴(kuò)展分析

4.1 城市空間擴(kuò)展規(guī)模和強(qiáng)度

為了準(zhǔn)確反映蘭州新區(qū)設(shè)立前后城市建成區(qū)范圍的持續(xù)變化情況，本文選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年6個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行解譯，提取城市建成區(qū)邊界?；诮庾g結(jié)果，統(tǒng)計(jì)蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積變化，擴(kuò)展強(qiáng)度和擴(kuò)展速率，進(jìn)而分析城市空間擴(kuò)展規(guī)模和強(qiáng)度。

擴(kuò)展強(qiáng)度是指某一時(shí)間段內(nèi)城市建成區(qū)面積相對(duì)于基期城市建成區(qū)面積的年擴(kuò)展比例，表示單位時(shí)間內(nèi)不同城市建成區(qū)擴(kuò)展快慢的相對(duì)比例差異；擴(kuò)展速率是指某一時(shí)間段內(nèi)城市建成區(qū)面積的年增長(zhǎng)速率，表示單位時(shí)間內(nèi)不同城市建成區(qū)擴(kuò)展快慢的絕對(duì)面積差異。

圖2 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積

從圖2可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)一直處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。2010年，蘭州新區(qū)設(shè)立之前，城市建成區(qū)只有2.5 km2。2012年8月，蘭州新區(qū)被確定為國(guó)家級(jí)新區(qū)后，城市建成區(qū)面積飛速增長(zhǎng)，至2018年已達(dá)79.08 km2。

表1 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展信息

從表1中可以看出，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)的擴(kuò)展速率呈現(xiàn)“先升后降再緩升再降”的特點(diǎn)。新區(qū)自2012年8月成立后，便開(kāi)展大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè)，所以2010～2015年，城市建成區(qū)的擴(kuò)展速率一直在上升階段。經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)，城市框架基本成形， 2015～2016年擴(kuò)展速率相對(duì)放緩。2016年，新區(qū)職教園區(qū)開(kāi)始建設(shè)，所以，2016～2017年擴(kuò)展速率有小幅度回升，到2018年，職教園區(qū)基本框架已成形，所以，2017～2018年擴(kuò)展速率有所下降。

4.2 城市空間擴(kuò)展的方向性

城市擴(kuò)展的方向性可以用扇形分區(qū)統(tǒng)計(jì)法或者城市空間重心遷移這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)描述，本文選用城市空間重心遷移指標(biāo)。

空間重心是描述城市空間分布的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)追蹤其不同時(shí)期的移動(dòng)，可以得到城市擴(kuò)展方向變化的軌跡，預(yù)測(cè)城市的空間發(fā)展趨勢(shì)[9]。其計(jì)算公式如下：

式中，Xt、Yt分別為t時(shí)間城市建成區(qū)的重心坐標(biāo)，Ati為第i個(gè)地塊面積，Xi、Yi為第i個(gè)城市建成區(qū)地塊的幾何中心坐標(biāo)。

根據(jù)公式分別計(jì)算出2010、2013、2015、2016、2017和2018年的空間重心坐標(biāo)，如圖3所示。

從圖3可以看出，2010～2018年，城市建成區(qū)空間重心總體上呈現(xiàn)出向東北方向移動(dòng)的趨勢(shì)，2015～2016年呈現(xiàn)輕微向西北方向移動(dòng)的趨勢(shì),2017～2018年呈現(xiàn)向輕微東方向移動(dòng)的趨勢(shì)。由于新區(qū)職教園區(qū)在東北部，平山造地區(qū)域主要集中在東部和東南部，結(jié)合新區(qū)的規(guī)劃相關(guān)資料，可預(yù)測(cè)未來(lái)幾年新區(qū)城市空間擴(kuò)展的主要方向依然在東、東北及東南方向。

圖3 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間重心變化圖

4.3 城市空間形態(tài)演變

4.3.1 城市建成區(qū)空間形態(tài)

城市建成區(qū)占據(jù)著一定的地表空間，并在各種自然、人為因素的制約和影響下，形成一定的用地輪廓形態(tài)，這種形態(tài)稱(chēng)為城市建成區(qū)空間形態(tài)。城市建成區(qū)空間形態(tài)主要模式有集中團(tuán)塊型、帶型、放射型、組團(tuán)型、星座型、散點(diǎn)型。

根據(jù)《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》中的空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃，蘭州新區(qū)呈現(xiàn)出“兩區(qū)一城四片”的總體空間結(jié)構(gòu)?！皟蓞^(qū)”為北部的生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)以及南部的生態(tài)林業(yè)休閑區(qū)。“一城”為核心城區(qū)，包括保稅物流、科技研發(fā)、行政辦公、金融商業(yè)、職業(yè)教育、文化旅游等綜合服務(wù)職能?！八钠卑ㄊa(chǎn)業(yè)片區(qū)、機(jī)場(chǎng)北飛地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)片區(qū)、樹(shù)屏飛地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)片區(qū)以及綜合產(chǎn)業(yè)片區(qū)，為新區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)空間落實(shí)的地區(qū)。規(guī)劃對(duì)“一城”空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行指引，為“T軸、六組團(tuán)”。T軸由核心城區(qū)東部依托自然山體形成的生態(tài)綠化廊道及沿緯三路、緯五路以及緯七路形成的功能軸組成，為新區(qū)風(fēng)貌特色重要的組成部分。六組團(tuán)包括綜保產(chǎn)業(yè)組團(tuán)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)組團(tuán)、綜合服務(wù)組團(tuán)、職教園區(qū)組團(tuán)、區(qū)域中心組團(tuán)及文化旅游組團(tuán)。

從影像解譯結(jié)果看，目前蘭州新區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)出“一片五團(tuán)”的組團(tuán)型空間形態(tài)。“一片”為位于建成區(qū)北部的綜合產(chǎn)業(yè)片區(qū)；“五團(tuán)”分別為綜保產(chǎn)業(yè)組團(tuán)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)組團(tuán)、綜合服務(wù)組團(tuán)、區(qū)域中心組團(tuán)和職教園區(qū)組團(tuán)。

4.3.2 城市建成區(qū)空間緊湊度

空間緊湊度表征城市形態(tài)的變化，是城市空間布局和結(jié)構(gòu)變化的綜合反映。從城市空間形態(tài)的變化可以分析城市的生長(zhǎng)過(guò)程，揭示擴(kuò)展規(guī)律[9]。緊湊度是反映城市空間布局形態(tài)的重要指標(biāo)，其值一般在0～1之間，空間緊湊度越接近1，城市形狀越接近圓形，城市空間越緊湊；反之，城市緊湊度越低，空間離散程度就越大。通常采用Batty提出的計(jì)算公式[10]：

式中，BCI指城市建成區(qū)的空間緊湊度，A指城市建成區(qū)的面積，P指城市建成區(qū)的輪廓周長(zhǎng)。

圖4 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間緊湊度

從圖4可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間緊湊度總體呈下降趨勢(shì)，空間離散程度較大。主要是近年新增的城市建成區(qū)與原有的城市建成區(qū)在空間上不連續(xù)，造成資源集聚不凸顯。隨著新區(qū)的發(fā)展，城市建成區(qū)連接地帶完成建設(shè)，空間緊湊度會(huì)有所上升。

4.3.3 城市建成區(qū)空間分形維數(shù)

城市空間形態(tài)是城市各構(gòu)成要素的空間分布模式，是城市實(shí)體的地域空間投影。城市有著復(fù)雜的、非線(xiàn)性的空間形態(tài)，這種空間形態(tài)具有分形特征[9]。城市空間的分形維數(shù)可以描述城市邊界形狀的復(fù)雜性。描述城市建成區(qū)形態(tài)的分形維數(shù)主要有網(wǎng)格維數(shù)、半徑維數(shù)和邊界維數(shù)等，使用邊界維數(shù)來(lái)衡量建成區(qū)空間形態(tài)的分形特征，采用格子計(jì)數(shù)法進(jìn)行分維估值。使用不同大小的正方形格網(wǎng)覆蓋的城市建成區(qū)平面輪廓圖形，當(dāng)正方形長(zhǎng)度r出現(xiàn)變化時(shí)，覆蓋有城市建成區(qū)輪廓邊界線(xiàn)的網(wǎng)格數(shù)目N(r)和覆蓋面積的網(wǎng)格數(shù)目M(r)必然會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。根據(jù)分形理論有如下公式成立：

InN(r)=C+DInM(r)1/2

式中，C為待定常數(shù)，D為建成區(qū)平面輪廓分形維數(shù)。只需在不同大小正方形格網(wǎng)覆蓋下獲得不同點(diǎn)對(duì)(InN(r),InM(r)1/2)，然后擬合這些點(diǎn)對(duì)，求得回歸方程，其斜率即為D的估值。

由于城市建成區(qū)平面圖斑為二維空間，故D的理論值范圍在1.0～2.0之間，D值越大表示圖形形狀越復(fù)雜。當(dāng)D<1.5時(shí)，說(shuō)明圖形趨向于簡(jiǎn)單；當(dāng)D=1.5時(shí)，表示圖形處于布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越接近該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)D>1.5時(shí)，則圖形更為復(fù)雜。1.0代表形狀最簡(jiǎn)單的正方形斑塊，2.0表示等面積的情況下周邊最復(fù)雜的斑塊。

圖5 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間分形維數(shù)

從圖5可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間分形維數(shù)總體呈先降后升的趨勢(shì)。2010～2015年，空間分形維數(shù)下降，城市內(nèi)部變化比較顯著，擴(kuò)展方式主要為內(nèi)部填充；2015～2018年，空間分形維數(shù)上升，城市空間擴(kuò)展方式主要為外部延伸。

4.4 城市空間擴(kuò)展占地分析

從地表覆蓋類(lèi)型的時(shí)空轉(zhuǎn)換來(lái)看，2010～2018年，蘭州新區(qū)地表覆蓋分類(lèi)變化主要為種植土地、林草覆蓋等自然地類(lèi)逐年減少，人工堆掘地、房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路等人工地類(lèi)逐年增加，這與新區(qū)的建設(shè)進(jìn)程相符合。新區(qū)城市空間擴(kuò)展以占用種植土地、林草覆蓋等為主。

圖6 2010～2018年蘭州新區(qū)地表覆蓋分類(lèi)面積變化統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié) 論

(1)蘭州新區(qū)城市空間擴(kuò)展遵循著“內(nèi)部填充擴(kuò)展-外部延伸擴(kuò)展”的模式，空間形態(tài)呈現(xiàn)組團(tuán)型，這使得蘭州新區(qū)空間形狀較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好。

(2)蘭州新區(qū)城市空間擴(kuò)展方向總體呈現(xiàn)出向東北方向移動(dòng)的趨勢(shì)，2018年空間重心呈輕微向東南方向移動(dòng)的趨勢(shì)。這種變動(dòng)在很大程度上與城市規(guī)劃和地方政府政策引導(dǎo)的結(jié)果有關(guān)。

(3)蘭州新區(qū)城市空間擴(kuò)展以占用種植土地、林草覆蓋等非建設(shè)用地為主。

(4)蘭州新區(qū)自設(shè)立以來(lái)開(kāi)展了大規(guī)模的城市建設(shè)，城市空間發(fā)展總體保持?jǐn)U張趨勢(shì)，擴(kuò)展速率呈現(xiàn)“高-低-高-低”波動(dòng)式增長(zhǎng)的特點(diǎn)。近幾年，新區(qū)城市框架已經(jīng)基本成型，空間擴(kuò)展速度有所放緩。