朱濱，程小龍，胡煦航

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

城市擴(kuò)張是衡量城市化程度的主要判斷指標(biāo)之一。通過對城市用地擴(kuò)張情形和趨向的研究，了解城市擴(kuò)張現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張的規(guī)律，進(jìn)而可以根據(jù)城市擴(kuò)張驅(qū)動力因素對城市發(fā)展中的問題采取措施，從而提高城市規(guī)劃和土地利用的合理性，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)與促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1-4]。

遙感、地理信息技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展，為城市用地擴(kuò)張分析提供了技術(shù)支撐，國內(nèi)外學(xué)者也開始重視城市擴(kuò)張相關(guān)研究，如：Braimoh等基于Landsat TM影像分析了城市用地變化的時空特征[5]；Jenberu等采用混合研究設(shè)計來生成和分析數(shù)據(jù)，探討了埃塞俄比亞南部Arba Minch鎮(zhèn)城市化的驅(qū)動力、土地利用模式[6]；李孝永等基于多時相土地利用數(shù)據(jù)對京津冀城市土地利用變化時空軌跡及驅(qū)動因素進(jìn)行分析，模擬了不同情景下城市用地空間格局[7]；白賀庭等基于夜間燈光數(shù)據(jù)分析了重慶市城市擴(kuò)張?zhí)卣鱗8]；遲文峰等基于Landsat TM與高分辨率遙感影像，利用線性光譜混合模型監(jiān)測并分析了內(nèi)蒙古地級市土地覆蓋結(jié)構(gòu)及城市擴(kuò)張時空動態(tài)特征[9]；劉艷明等基于多期遙感影像對克拉瑪依市建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，采用社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析城市擴(kuò)張驅(qū)動力因素[10]。

從上述研究可以看出，國內(nèi)學(xué)者城市擴(kuò)張的相關(guān)研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市及西部城市地區(qū)，對東南沿海地區(qū)城市擴(kuò)張過程的研究相對較少。莆田作為古代海上絲綢之路的始發(fā)點之一，其交通樞紐地位在福建乃至全國都居于重要意義，具有融入國家“一帶一路”倡議的天然優(yōu)勢。本文以莆田市仙游縣為研究區(qū)，基于Landsat TM/OLI衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)用 GIS（Geographic Information System）和RS（Remote Sensing）分析手段，通過引入緊湊度、城市重心、城市擴(kuò)張速度、城市擴(kuò)張強(qiáng)度等指標(biāo)，采用定量分析法對城市擴(kuò)展過程中的時空特征進(jìn)行研究，并結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析城市擴(kuò)張的驅(qū)動力因素。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

仙游縣地處木蘭溪中上游，福建省東南沿海中部?？h境瀕臨湄洲灣、緊挨秀嶼港，與臺灣地區(qū)隔海相望，山區(qū)、平原、沿海層次分明，整體地貌成馬蹄狀，地勢順向木蘭溪。全縣東西方向?qū)捰?9 km，南北方向長域63.4 km，總面積1835 km2。2017年被列入國家園林城市，素有“中國古典工藝家具之都”“中國戲劇之鄉(xiāng)”“全國工藝美術(shù)之鄉(xiāng)”等稱號。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了準(zhǔn)確提取城市建設(shè)用地現(xiàn)狀和土地利用情況的信息，本文選取了研究區(qū)范圍無云層遮蓋的遙感圖像，以仙游縣2002年、2009年和2017年這3個年份的Landsat TM/OLI遙感衛(wèi)星圖像為數(shù)據(jù)源（表1），監(jiān)測了仙游縣2002—2009年和 2009—2017年兩個時段的城市擴(kuò)張過程。

表1 遙感圖像數(shù)據(jù)信息一覽

2 研究方法

2.1 研究路線

本文首先利用ENVI軟件對多時相Landsat TM/OLI遙感影像進(jìn)行圖像預(yù)處理（影像的輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像的拼接和裁剪）；其次，采用最大似然法分別對各時期遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類；然后，采用重分類方法提取城市建設(shè)用地信息，再利用ArcGIS軟件對提取的仙游縣建成區(qū)結(jié)果進(jìn)行疊加分析后得到城市建設(shè)用地的變化情況，最后分析城市擴(kuò)張?zhí)卣骷膀?qū)動力因素，具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2.2 圖像的預(yù)處理

為消除由地物變化引起的影像輻射值改變，同時消除相同地物在不同影像中輻射值產(chǎn)生的差異和相同地物不同時相遙感影像的差異，本文利用ENVI軟件對不同時相的遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正。

由于仙游縣地區(qū)遙感圖像由兩幅相鄰行編號（42、43）的遙感影像拼接才能全部覆蓋，所以需在對其進(jìn)行拼接處理形成覆蓋全區(qū)的合成影像后，利用ArcGIS軟件從國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)縣級行政界線中篩選出仙游縣矢量邊界。使用ENVI軟件對坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換后的仙游縣矢量邊界和拼接后的2002年、2009年和2017年這3個年份的遙感圖像進(jìn)行裁剪處理。經(jīng)過預(yù)處理后的3個年份影像數(shù)據(jù) （如圖2所示）采用真彩色合成顯示圖像（Landsat5 顯示 3、2、1 波段，Landsat8 采用 4、3、2波段）。

2.3 圖像監(jiān)督分類

本文在遙感影像目視解譯的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 2010—2017），結(jié)合研究區(qū)域的實際情況和研究目的將仙游縣的土地利用類型分成林地、城市建設(shè)用地、水域、未利用用地4類。對各時相影像用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類[11-12]，得到最終監(jiān)督分類結(jié)果如圖3所示。

2.4 精度評定

圖3 各時期監(jiān)督分類

根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)，對得到的分類結(jié)果進(jìn)行遙感分類精度評定，判斷出影像處理方法是否恰當(dāng)，數(shù)據(jù)結(jié)果是否滿足要求。ENVI中常用的評價方法包括有分類結(jié)果疊加、混淆矩陣與ROC曲線[13]。本文采用混淆矩陣精度評價方法客觀評價數(shù)據(jù)（表2），得到2002—2017年總精度的均值是94.781%，Kappa均值是0.884。精度均值大于判別精度0.7的最低允許值，達(dá)到了研究的分類精度的要求，分類結(jié)果可以用做進(jìn)一步分析使用。

表2 各年份監(jiān)督分類精度評價數(shù)據(jù)

2.5 圖像疊加分析

使用ArcGIS軟件將監(jiān)督分類成果圖進(jìn)行重分類，提取出城市建設(shè)用地，再使用柵格計算器，對仙游縣不同時期的建成區(qū)進(jìn)行疊置分析，得到2002年、2009年和2017年3個時期的仙游縣城市建設(shè)用地的擴(kuò)張圖，詳見圖4。

3 城市擴(kuò)張分析

3.1 城市擴(kuò)張時間特征分析

1）城市擴(kuò)張面積變化分析

根據(jù)不同時期城市擴(kuò)張情況，將2002年、2009年和2017年的城市建成區(qū)面積進(jìn)行對比，得到3個不同時期仙游縣建成區(qū)面積的變化情況：2002年仙游縣城市用地面積為 9518.13 hm2，2009年為13915.53 hm2，2017 年 為 23588.28 hm2， 顯然在2002—2017年間，仙游縣建成區(qū)面積不斷增長。

圖4 各時期仙游縣城市建設(shè)用地的擴(kuò)張

對各研究時段仙游縣城市用地擴(kuò)張面積變化進(jìn)行分析可知（表3），2009—2017年增長面積與年均增長面積較2002—2009年相比均增加近兩倍。2002—2009年年均增長率為5.58%，2009—2017年年均增長率較2002—2009年上升了1.24個百分點，為6.82%。由此可見，2002—2017年仙游縣年均增長面積和年均增長率均有所增加，城市建設(shè)正處于上升發(fā)展態(tài)勢。

表3 各時段仙游縣城市用地擴(kuò)張面積變化

2）城市擴(kuò)張強(qiáng)度分析

研究不同時期的城市擴(kuò)張情況，可用擴(kuò)張強(qiáng)度來表示。擴(kuò)張強(qiáng)度就是描述城市化過程中建設(shè)用地擴(kuò)張的強(qiáng)度，是城市擴(kuò)張用地面積占研究區(qū)總面積的比例[14]，計算公式如下：

式（1）中：UII為擴(kuò)張強(qiáng)度；T 為研究時段長度；S 為研究區(qū)土地總面積；Uib和Uia分別為研究期末和期初的城市用地面積。

擴(kuò)張強(qiáng)度類型依據(jù)相應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表4）進(jìn)行劃分，根據(jù)公式（1）劃分標(biāo)準(zhǔn)得到仙游縣不同時段市用地擴(kuò)張強(qiáng)度（表5）。

表4 擴(kuò)張強(qiáng)度類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

表5 仙游縣各階段城市建設(shè)用地擴(kuò)張強(qiáng)度

從表4、表5中可以看出，在研究時期仙游縣城市擴(kuò)張強(qiáng)度不斷上升，2002—2009年為低速增長，擴(kuò)張強(qiáng)度為 0.34 hm2/a；2009—2017年加速為中速增長，城市擴(kuò)張強(qiáng)度達(dá)到 0.65 hm2/a。城市擴(kuò)張強(qiáng)度的增加，表明仙游縣在這一階段，社會經(jīng)濟(jì)增長，生活質(zhì)量提高，城市用地擴(kuò)張面積增長愈來愈強(qiáng)烈，所占城區(qū)總面積比重越來越大。

3.2 城市擴(kuò)張空間特征分析

為揭示2002—2017年仙游縣城市用地的發(fā)展方向和偏移方向，本文利用ArcGIS10.2軟件制作各時期城市建設(shè)用地變化及城市重心圖（圖5），采用重心轉(zhuǎn)移方法分析了研究時期仙游縣城市用地重心的轉(zhuǎn)移情況；利用緩沖區(qū)功能分析了3個不同時期城市用地離城市重心不同距離區(qū)域的擴(kuò)張情況。

圖5 不同時期城市建成區(qū)變化及城市重心

1）城市建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移分析

城市重心是城市的中心或主要部分，城市重心偏移方向即為城市發(fā)展規(guī)劃的方向，隨著城市建成區(qū)的擴(kuò)張，城市重心必然發(fā)生偏移[15-16]。重心坐標(biāo)、重心偏移距離計算公式為：

式（2）中：Xt、Yt第 t年的重心橫縱坐標(biāo)；ati為某一時期城市建成區(qū)的圖斑面積；Xi、Yi為某一時期城市建成區(qū)的重心坐標(biāo)；d為重心偏移距離。

在ArcGIS 10.2中利用幾何計算功能求出各時期城市建成區(qū)圖斑面積ati，通過ArcToolBox中數(shù)據(jù)管理工具將圖斑要素轉(zhuǎn)點，確定出各時期的建成區(qū)的重心，Xi、Yi最后利用計算公式得到城市重心坐標(biāo)（表 6）。

從表6可以看出，2002—2009年，仙游縣城市的重心偏移距離為1.062 km，偏移方向為南偏東方向；2009—2017年，城市重心向西偏北方向偏移3.167 km，偏移速度較2002—2009年明顯加快。重心坐標(biāo)偏移方向發(fā)生變化，由于近年來仙游縣不斷沿著“一溪兩岸”宜居城市發(fā)展帶進(jìn)行城鎮(zhèn)化進(jìn)程，在木蘭溪四周進(jìn)行城市擴(kuò)張，尤其是東南，西北方向的擴(kuò)張明顯。這個時段仙游縣正處于快速發(fā)展時期，在政策的影響下，社會經(jīng)濟(jì)人口急劇增加，導(dǎo)致城市居民地的建設(shè)發(fā)生偏移。

表6 各時期仙游縣城市重心 單位：km

2）城市用地緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析通常是對研究要素進(jìn)行一定范圍內(nèi)的鄰近分析，它可以對不同距離范圍內(nèi)城市用地擴(kuò)張的空間分布特征做定量分析[17]。

本文利用ArcGIS 10.2軟件，以仙游縣2002年城市建成區(qū)重心為圓心，分別緩沖出5個5 km緩沖區(qū)，利用疊加分析將3個時期城市建成區(qū)信息與緩沖區(qū)疊加，得到城市用地緩沖區(qū)擴(kuò)張圖（圖6、圖7）。

圖6 各時期仙游縣城市在緩沖區(qū)的擴(kuò)張量

圖7 各時期仙游縣城市緩沖區(qū)擴(kuò)張

從圖6和圖7分析可以看出，2002—2009年期間，擴(kuò)張量最高達(dá)到16.526 km2，出現(xiàn)在距離城市重心5～10 km的范圍內(nèi)，隨著離重心距離的增加，擴(kuò)張量開始逐漸減少；2009—2017年期間，在距離城市重心也出現(xiàn)在5～10 km的范圍內(nèi)擴(kuò)張量達(dá)到最高為29.261 km2，每個緩沖區(qū)城市用地的擴(kuò)張面積都有所增加。

3）城市緊湊度分析

城市緊湊度是反映地物外觀形態(tài)的重要參數(shù)，緊湊度變化可以對城市擴(kuò)張的空間特征做定量分析[18]，計算公式如下：

式（3）中：Ct為第 t年城市緊湊度；At、Pt分別為第 t年城市面積（km2）和周長（km）。 Ct值范圍在 0～1 之間，緊湊度值越大表明緊湊度越好，越小則表明緊湊度越差[19]。

由表7可知，2002—2017年期間，仙游縣城市建設(shè)用地緊湊度都遠(yuǎn)小于1，這表明仙游縣城市建設(shè)用地還不夠緊湊，形狀偏于離散，但緊湊度呈小幅增長趨勢，城市緊湊度越來越高。

表7 各時期仙游縣城市用地緊湊度

4 城市擴(kuò)張的驅(qū)動力因素分析

4.1 社會和經(jīng)濟(jì)因素

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的急劇增加，為城市化進(jìn)程提供了動力，也決定了城市發(fā)展的進(jìn)程。仙游縣2002年GDP為47.05億元，2009年達(dá)到120.22億元，7年間增加了73.17億元；2017年GDP為378.28億元，相比2009年增加了256.08億元。仙游縣全縣2002年人口為86.21萬人，2017年增加至114.63萬人，同比增加了32.98%，而同一時期城市建成區(qū)面積增加了 157.58 km2；利用SPSS軟件分別對仙游縣城市建設(shè)用地面積、GDP與城鎮(zhèn)人口做相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)分別為0.983和0.994，這表明仙游縣城市擴(kuò)張與社會經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)人口有很大的相關(guān)性，對城市擴(kuò)張起著根本驅(qū)動力作用。

4.2 政府決策因素

政府決策對城市擴(kuò)張的方向和速度起著重大影響。在仙游縣城區(qū)總體規(guī)劃（2009—2030年）中，將規(guī)劃期限分為近期和遠(yuǎn)期兩個階段，規(guī)定未來相關(guān)城市規(guī)模圍繞“海峽西岸山水文化名城、中國古典工藝家具之都”的城市性質(zhì)，以注重生態(tài)、緊湊發(fā)展為指標(biāo)，規(guī)劃仙游縣城區(qū)“一城、兩軸、三心、五片”的城市空間布局結(jié)構(gòu)，其中一城是指打造別具一格的仙游新城區(qū)；兩軸分別是沿八二五大街和木蘭溪兩岸形成城市中心功能聚集軸、城市濱水休閑服務(wù)軸；三心是將仙游縣現(xiàn)有城市發(fā)展基礎(chǔ)和未來城市發(fā)展條件結(jié)合，大力構(gòu)建城區(qū)行政貿(mào)易、文體旅游、工業(yè)研發(fā)三大中心；五片是指以一城、兩軸、三心為基礎(chǔ)形成城中、東北、東南、西南、西北五大片區(qū)。

仙游縣城未來的主要發(fā)展方向以東北和東南兩個方向為主，形成沿著福廣高速、仙港大道、規(guī)劃新306省道、莆永高速等道路的城鎮(zhèn)延綿城市發(fā)展帶，逐步加速仙游縣城、中部主城、濱海產(chǎn)業(yè)新城的發(fā)展，大力推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，提高城鎮(zhèn)化水平。因此，政策因素很大程度上對城市擴(kuò)張上起到主導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用2002年、2009年和2017年3個年份Landsat TM/OLI多光譜遙感圖像，結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要研究莆田市仙游縣城市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣鞣治觥?002—2017年縣城市建設(shè)用地擴(kuò)張明顯，年均擴(kuò)張面積、年均擴(kuò)張率明顯上升，擴(kuò)張強(qiáng)度和動態(tài)度擴(kuò)張度由低速發(fā)展轉(zhuǎn)為中速發(fā)展。城市建設(shè)用地重心坐標(biāo)從南偏東到西偏北方向發(fā)生變化，這主要是由于這一時期仙游打造“一溪兩岸”發(fā)展帶，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致城市建設(shè)用地擴(kuò)張方向發(fā)生偏移。在以2002年城市重心為圓心的5個5 km緩沖區(qū)中，在5～10 km城市擴(kuò)張量達(dá)到最高，城市建設(shè)用地緊湊度在整個研究時間段內(nèi)都遠(yuǎn)小于1，呈小幅增長趨勢。通過對主要驅(qū)動力的分析，可知經(jīng)濟(jì)和人口因素對城市擴(kuò)張都起著促進(jìn)作用，政策因素是城市擴(kuò)張的主導(dǎo)驅(qū)動力，并且這3個主要擴(kuò)張驅(qū)動力因素又相互影響，共同促進(jìn)仙游縣的持續(xù)擴(kuò)展。