□ 張 政 楊海鎮(zhèn)

1 研究背景

研究城鎮(zhèn)擴(kuò)張過程對(duì)城市開發(fā)邊界劃定有著重要的意義。隨著國家支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展政策的出臺(tái)、蘭西格（蘭州、西寧、格爾木）經(jīng)濟(jì)區(qū)的確立以及以格爾木為主戰(zhàn)場(chǎng)的柴達(dá)木循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)和住房城鄉(xiāng)發(fā)展示范區(qū)的加快建設(shè)，格爾木市在新時(shí)期面臨更大的發(fā)展機(jī)遇。目前格爾木市缺乏明確的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界線，迫切需要根據(jù)格爾木市的實(shí)際情況對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行科學(xué)研究。近年來學(xué)者們對(duì)影響城市擴(kuò)張的要素進(jìn)行了深入的研究，主要的技術(shù)手段是GIS和RS。馮浩城等應(yīng)用了動(dòng)態(tài)度模型等分析了城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)要素，認(rèn)為城鎮(zhèn)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與區(qū)域政策極大地促進(jìn)了墾區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張，交通條件是城鎮(zhèn)擴(kuò)張速率和模式的重要影響因素[1]。胡銀根等從供需關(guān)系的視角探討城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其配置的動(dòng)力，認(rèn)為居民收入增長、常住人口增加、私人汽車的普及和固定資產(chǎn)投資的增長是城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要?jiǎng)恿2]。王海軍等基于空間句法的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)研究得到交通狀況改善是城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力之一，交通對(duì)城市發(fā)展模式和方向具有重要的導(dǎo)向作用[3]。

綜上所述，城市擴(kuò)張是由多種要素共同驅(qū)動(dòng)的。本文以青海省格爾木市為研究區(qū)域，通過構(gòu)建模型，對(duì)2010—2019年城市擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，探索其影響機(jī)制，為后續(xù)城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定提供一定的理論基礎(chǔ)，以保障格爾木市未來國土資源的高效利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究區(qū)域概況

格爾木市地處青海省西部，青藏高原腹地，東接西寧，北上敦煌，南至拉薩。地理位置十分重要，是通往新疆、西藏等地的中轉(zhuǎn)站。轄區(qū)由柴達(dá)木盆地中南部和唐古拉山地區(qū)兩塊互不相連的區(qū)域組成。本文的研究區(qū)域?yàn)楦駹柲臼械闹行某菂^(qū)，城區(qū)地處郭勒木德鎮(zhèn)，平均海拔為2780m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)94°89′，北緯36°42′。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括2010年美國地球資源衛(wèi)星landset ETM+影像（9月12日，空間分辨率為30m）和2019年LandSet 8 OLi衛(wèi)星影像（9月13日，空間分辨率為30m），云量均小于10%，以便于建設(shè)用地識(shí)別提?。贿b感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云；行政邊界數(shù)據(jù)獲取自國家基礎(chǔ)信息中心；10年城鎮(zhèn)面積數(shù)據(jù)來源于格爾木市自然資源局；社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來源于格爾木市統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

3.2 遙感影像的提取

遙感圖像解譯分類的依據(jù)主要是根據(jù)圖像像元所反映地物的光譜特征和空間信息的異同進(jìn)行分析，將影像中的每一個(gè)像元按照一定的算法或特定的規(guī)則劃分為不同的類別，從而實(shí)現(xiàn)遙感圖像的分類。本文采用監(jiān)督分類法分別對(duì)格爾木市中心城區(qū)2010年ETM和2019年LandSet 8 OLi的遙感影像進(jìn)行建設(shè)用地提取，在研究前借助ENVI 5.3軟件平臺(tái)中的Flash快速大氣校正模塊對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)對(duì)2010年ETM數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶修復(fù)，用格爾木市中心城區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁剪遙感圖像得到研究區(qū)的遙感影像，參考中國土地資源分類標(biāo)準(zhǔn)和格爾木市城區(qū)的真實(shí)狀況，將研究區(qū)土地類型劃分為建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水體、裸地、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地等7類土地利用類型，鑒于陸地資源衛(wèi)星分辨率較低，在目視解譯的過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些誤差。所以本研究結(jié)合了遙感影像與同時(shí)期谷歌地球影像，在谷歌地球上選取各類典型地物的樣本數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為ROI，之后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法提取建設(shè)用地，并進(jìn)行目視判讀，為保證研究區(qū)土地分類的準(zhǔn)確性，采用精度評(píng)估工具對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，kapper系數(shù)均在0.85以上，得到2010年和2019年格爾木市中心城區(qū)城鎮(zhèn)用地提取結(jié)果及新增建設(shè)用地，使用ArcGIS軟件將圖導(dǎo)出，如圖1—3所示。

圖1 2010年城市建設(shè)用地分布圖

圖2 2019年城市建設(shè)用地分布圖

圖3 新增建設(shè)用地分布圖

3.3 研究方法

3.3.1 城市用地?cái)U(kuò)張變化分析

關(guān)于城市建成區(qū)的相關(guān)測(cè)度，一般從時(shí)間和空間維度進(jìn)行[4]。建成區(qū)面積變化（ΔS）是城市擴(kuò)張最直接的表現(xiàn)；擴(kuò)張速度（Vs）表達(dá)城市擴(kuò)張速度在一定時(shí)間段的快慢，用城市擴(kuò)張面積年平均值表示[5]；城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)（urbanization intensive index， UII）表示面積相對(duì)變化的年平均值；要表達(dá)某一時(shí)期城市擴(kuò)張快慢，值越大，表示城市擴(kuò)張速度越快[6]。以上評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式為:

3.3.2 城市空間重心坐標(biāo)變化分析

空間重心通常被定義為一個(gè)多邊形的幾何中心，通過計(jì)算建設(shè)用地的空間重心有助于跟蹤城鎮(zhèn)用地的空間布局變化?？蛇x取重心轉(zhuǎn)移指數(shù)進(jìn)行量化表述。測(cè)度公式如下：

3.3.3 相關(guān)分析

相關(guān)分析是研究兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)變量間相互關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法，使用Pearson相關(guān)系數(shù)分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子及相關(guān)系數(shù)，變量間相關(guān)性越顯著，相關(guān)系數(shù)則越大[7]。

3.3.4 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。

4 結(jié)果和分析

4.1 城鎮(zhèn)擴(kuò)張規(guī)模特征分析

對(duì)格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地提取結(jié)果進(jìn)行柵矢轉(zhuǎn)換，分別計(jì)算城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積，2010年和2019年中心城區(qū)建設(shè)用地面積分別為40.50km2、49.15km2，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展面積為8.65km2，平均擴(kuò)展速度為0.865km2/a，年平均擴(kuò)張強(qiáng)度為2.14，10年內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模比增加了21.4%。結(jié)果表明，城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢但穩(wěn)步向前。通過對(duì)10年來格爾木市中心城區(qū)新增建設(shè)用地變化情況的觀察分析，發(fā)現(xiàn)城區(qū)擴(kuò)張分為填補(bǔ)式和外延式兩種發(fā)展方式同時(shí)進(jìn)行，主要的外延方向?yàn)闁|南向與西南向。由于格爾木東方向有大量的農(nóng)田分布，城市擴(kuò)張并沒有侵占農(nóng)田，大部分新增建設(shè)用地都是在裸地的基礎(chǔ)之上進(jìn)行建設(shè)的，因此可認(rèn)為格爾木市城市擴(kuò)張受到土地類型的影響。

4.2 重心遷移分析

城市空間重心是解釋城市空間分布的指標(biāo)[8]，通過對(duì)2010年、2019年格爾木市中心城區(qū)城市重心的計(jì)算，得出2010年格爾木市中心城區(qū)的重心坐標(biāo)處在東經(jīng)94°54′14″，北緯36°24′17″，2019年的重心坐標(biāo)在東經(jīng)94°54′11″，北緯36°23′49″。10年間城市建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移情況呈現(xiàn)出了向西南方向轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)移的長度為366m。

4.3 影響因素分析

4.3.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素分析

已有研究表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)城市擴(kuò)張具有直接推動(dòng)性[7]。格爾木市作為西部高原新型工業(yè)型城市，與一般內(nèi)陸城市相比，驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張因素可能更為復(fù)雜。為探明格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張機(jī)制，選取2010—2019年地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、固定資產(chǎn)投資額、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、常住人口、戶籍人口等8個(gè)指標(biāo)與同時(shí)期格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地面積通過SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，除了常住人口因素外其他因素均與城市擴(kuò)張之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。其中城鎮(zhèn)居民人均可支配收入的相關(guān)性最高，相關(guān)性高達(dá)0.899，且極其顯著。地區(qū)生產(chǎn)總值，戶籍人口與第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值相關(guān)性次之，相關(guān)性均在0.7以上，且影響顯著。說明10年間格爾木市的城市擴(kuò)張受經(jīng)濟(jì)、收入、消費(fèi)、人口的綜合影響。

表1 城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)性分析

考慮到所選相關(guān)因素在一定程度上存在交叉，所以對(duì)選定的8個(gè)要素進(jìn)行降維分析，以此分析影響格爾木市城市擴(kuò)張的主要因素。利用SPSS對(duì)所選要素進(jìn)行主成分分析。本文選擇了前兩個(gè)主成分，發(fā)現(xiàn)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了92.18%，其中第一主成分、第二主成分貢獻(xiàn)率分別為79.53%、12.65%。各因子的旋轉(zhuǎn)成分矩陣如表2所示。由主成分分析因子負(fù)荷矩陣可得，第一主成分與第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值和固定資產(chǎn)投資有關(guān)，說明格爾木市城市擴(kuò)張主要是由第二產(chǎn)業(yè)及固定資產(chǎn)投資驅(qū)動(dòng)的，第二主成分與常住人口、社會(huì)消費(fèi)品零售總額及第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值有關(guān)，說明人口與消費(fèi)是格爾木市城市擴(kuò)張的次要驅(qū)動(dòng)因素。綜上所述可得，第二產(chǎn)業(yè)投資、常住人口的增加以及居民消費(fèi)水平的提升是促進(jìn)格爾木市城市擴(kuò)張的主要因素，也充分說明格爾木市是一座消費(fèi)型工業(yè)城市。

表2 主成分分析表

4.3.2 自然要素分析

自然地理環(huán)境是城市擴(kuò)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，地理環(huán)境的差異性直接影響了城市空間擴(kuò)展的方向、潛力、形態(tài)格局[9]。本文選擇高程、坡度作為影響城市擴(kuò)張的自然要素因子進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大部分新增建設(shè)用地都偏向于低海拔、低坡度地區(qū)。只有新增建設(shè)用地向南部擴(kuò)張時(shí)，才會(huì)向高坡度高海拔地區(qū)聚集，原因在于南部新增建設(shè)用地均為商業(yè)物流設(shè)施用地，商業(yè)集聚會(huì)產(chǎn)生一定的規(guī)模效應(yīng)，且緊臨道路，交通優(yōu)勢(shì)度高。但高程均在3000m，坡度均在25°范圍內(nèi)，當(dāng)新增建設(shè)用地向北部擴(kuò)張時(shí)，會(huì)向高坡度低海拔地區(qū)聚類，原因在于北部大部分土地為園地、河流、灘涂，可供利用程度低；新增建設(shè)用地在向東擴(kuò)張時(shí)向低海拔、低坡度的地區(qū)聚類，原因在于東部土地類型大多為鹽堿地，土地可利用程度高。由此可以得到格爾木市中心城區(qū)擴(kuò)張時(shí)受土地利用類型的影響較大，在土地可利用程度高的地區(qū)，建設(shè)用地在擴(kuò)張時(shí)會(huì)選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進(jìn)行擴(kuò)張。

5 結(jié)論

本文以2010年和2019年兩個(gè)時(shí)相的遙感影像為基礎(chǔ)，應(yīng)用監(jiān)督分類的方法對(duì)兩個(gè)時(shí)期的城區(qū)建設(shè)用地進(jìn)行提取，并結(jié)合同時(shí)期的社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，分析了格爾木中心城區(qū)10年來動(dòng)態(tài)性及影響城市擴(kuò)張的因素。研究表明，10年間格爾木市中心城區(qū)建成區(qū)面積增加了8.65km2，建設(shè)用地規(guī)模比增加了21.4%，屬于緩慢擴(kuò)張類型。結(jié)合中心城區(qū)重心轉(zhuǎn)移的軌跡，10年間格爾木市重心位置向西南方向轉(zhuǎn)移了366m，說明了城鎮(zhèn)擴(kuò)張的趨勢(shì)和方向。之后通過對(duì)格爾木10年間的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)分析法，主成分分析法進(jìn)行分析得出了增加第二產(chǎn)業(yè)投資和增加常住人口是格爾木市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因素。同時(shí)城市的擴(kuò)張形式主要分為內(nèi)涵式與外延式，本文對(duì)新增建設(shè)用地的坡度高程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，格爾木市中心城區(qū)擴(kuò)張受土地利用類型的影響較大，在土地可利用程度高的地區(qū)，建設(shè)用地在擴(kuò)張時(shí)會(huì)選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進(jìn)行擴(kuò)張。