鄭汴一體化區域城市建成區重要地理國情要素動態監測

彭彥彥，楊瑞霞，陳盼盼，王若曦

（1.中國科學院遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室，北京 100094；2.中國人民大學 環境學院，北京 100872；3.河南省遙感與地理信息系統重點實驗室，鄭州 450052；4.武漢大學 遙感信息工程學院，武漢 430072）

1 引 言

目前，地理國情監測在我國尚處于啟動階段，系統完整的監測體系還未形成［3］。自2011年起，部分省市已積極開展了相關試點工作［4］，如陜西、河南等省份已按要求對其主體功能區進行了監測［5］。以陜西省為例，監測內容主要包括城鎮規模擴展監測，以提取陜西省縣級以上城市在不同時期的主城區范圍，對其面積、擴展方向和城市重心等信息近10年的變化進行監測；地表覆蓋變化監測，主要為植被和水域的覆蓋情況，以及道路、城鎮、工礦等人工設施對地表的占用情況等［6］。目前，河南省地理國情監測主要圍繞鄭州、中牟、開封三個城市的建成區范圍、道路、綠化、建筑物用地、人口、GDP等監測要素展開［7］。隨著城市化進程快速發展，作為河南省主題功能區的鄭汴一體化區域不斷擴張。鑒于此，本文以鄭汴一體化區域為監測主體，選取了8個監測年點，對該區域內14個監測單元（鄭州市、中牟縣、登封市、鞏義市、上街區、新密市、新鄭市、滎陽市、開封市、開封縣、蘭考縣、杞縣、通許縣、尉氏縣），近48年建成區內建筑、道路及綠化用地要素進行動態監測，結合GIS空間統計分析，得到鄭汴一體化區域主要城市建成區內地理國情監測要素時空變化特征。

2 數據源及研究方法

2.1 研究區域概況

鄭汴一體化區域位于中原城市群的核心位置。該地區有良好的發展基礎和優越的區位條件，并在龍頭城市鄭州市擴大規模、增強實力、完善功能，加快與周邊城市一體化發展的過程中，這一區域的發展首當其沖。鄭汴一體化區域既是鄭汴一體化的空間承載區，也是中原城市群一體化發展的先導區和示范區［8］。鄭州市作為中原城市群中心城市，是中原經濟區龍頭和核心，占有十省通衢的區位之重，同時也是中部地區重要的中心城市和國家重要的綜合交通樞紐，現轄金水區、二七區、中原區、管城區、惠濟區、上街區在內的6區5市1縣，其中上街區雖為鄭州市所管轄，但其位于鄭州市區西部38km處，且周圍與滎陽市接壤，并不與鄭州市城區接壤［9］，故本文鄭州市的研究范圍指鄭州市現轄的除上街區之外的5個區，上街區作為一獨立空間單元與中牟縣、登封市、鞏義市、上街區、新密市、新鄭市、滎陽市、開封市、開封縣、蘭考縣、杞縣、通許縣、尉氏縣等城市建成區一起進行要素信息提取和分析。

2.2 數據源

圖1 研究區范圍圖

本文以研究區域1963年～2010年間8期遙感圖像（包括衛星影像、航空像片等，分辨率為0.61m～10m）為主要遙感數據源。其他數據源包括研究區1∶1萬數字線化圖（DLG）、數字柵格圖（DRG）數據，以及城市建設、規劃數據。用于提取監測要素的數據及時間主要包括：1963年美國空軍KH系列光學成像偵察衛星（KH4），7.6m，全色、1971年美國空軍KH系列光學成像偵察衛星（KH4B），1.8m，全色、1984年河南省基礎地理信息中心1∶1萬DRG、1996年（航空影像）、2001年（SPOT4，10m，多光譜）、2005年 （SPOT5，10m，多 光 譜）、2008 年 （SPOT5，10m，多光譜）、2010年（QuickBird，0.6m，多光譜）。

2.3 監測要素提取方法

根據城市建成區內影響城市發展的各項重要因素，并參考現有監測研究中監測指標的選取，本文選取研究區城市建成區范圍內建筑用地、道路用地及綠化用地等作為監測對象。通過人工目視判讀方法對研究區域內各城市建成區范圍進行提取，結合高分辨率遙感影像和1∶1萬DLG、DRG數據，對建筑物和道路信息進行采集。研究區內綠化信息的提取采用監督分類的最大似然法（圖2），由于監督分類要求影像必須為多光譜遙感數據，故本文選擇具備數據的3個年份，分別為2005年、2008年、2010年作為綠化用地監測年。建成區內各監測要素的提取精度統一至1∶1萬比例尺，保證提取結果精度較高且具備一致性，可比性強［10］。

圖2 鄭汴一體化區域地理國情監測要素提取流程圖［7］

3 地理國情要素動態監測結果與分析

3.1 城市建成區面積擴展分析

圖3 1963年～2010年間研究區域內城市監測建成區面積增長量統計圖

根據住房和城鄉建設部對城市建成區的定義，城市建成區是城市行政區內實際已成片開發建設市政公用設施和公共設施基本具備的地區，即這個城市實際建設用地所達到的境界范圍。因此，本文遵循城市實體保持空間上的連續性原則，將城市內部較小的、非城市用地的地塊以及城市內部的水體都劃到城市實體內，舍去周圍農村的建設用地及沒有和主城區連接的廠區。對14個城市建成區8個監測年的面積增長量和增長率進行分析，如圖3、4所示。1963年～2010年間，研究區域范圍內14個監測單元的城市建成區面積均有所增長，且呈現出2個明顯的增長區段，分別是1984年～2001年間和2005年～2008年間，尤其以鄭州市建成區面積增長量為最大，達到129.22km2，遠遠超過其他13個城市。從整體增長趨勢看，14個監測單元轉折點基本一致。區域內所有城市建成區大面積擴展主要集中在1984年～2001年間，這期間正是我國“九五計劃”實施期間，主要以中牟縣、滎陽市、上街區等中小城市的增長最為快速，之后進入平穩期，“十一五”期間又出現較大的面積擴展，但擴展幅度小于前次。而作為省會城市，鄭州市增長率卻較之前有大幅提高，與其在此期間建成區面積增長量達最高相符。河南省城市發展和城鎮化相關政策表明，“九五”以來，在發展戰略上，從“城鎮化戰略”到“中心城市帶動戰略”；在發展布局上，從提出發展大城市、中小城市、小城鎮“三頭并舉”到明確“建設大鄭州”、培育“中原城市群經濟隆起帶”、“形成若干個帶動力強的省內區域性中心城市和新的經濟增長極”等政策［11－13］，因此，區域內14個城市建成區面積擴展變化反映出城鎮化發展和區域政策的重要引導作用。

圖4 1963年～2010年間研究區域內14個城市監測建成區面積增長率統計圖

3.2 各監測要素用地分析方法

為了對監測要素的空間分布特征進行分析，本文引入空間密度分析模型［10，14］。首先對14個監測區解譯出建成區、非建成區兩大類，利用GIS的空間分析功能分別對建成區內監測要素和非監測要素進行空間賦值為1和0，然后柵格化為100m×100m的格網，利用鄰域分析功能計算出格網所在的1km2區域內監測要素區的面積，分別對14個城市建成區內建筑、道路以及綠化用地進行分析，并制作多年份監測要素空間分析密度圖。如1963年最高區域的格網的密度值為0.92，表明該格網區域的監測要素用地占該格網區域面積的92%。

3.2.1 建筑用地分析

本文建筑用地監測指標選取主要有建成區面積及其監測年度增量、建筑物用地及其階段增量和年均增長率，總體反映出城市建成區內建筑用地在時間維度上的動態變化。通過對監測單元建筑用地面積統計分析（圖5），發現14個監測單元建筑用地增長周期比較一致，主要集中在1984年～1996年間和2001年～2005年間。作為省會城市，鄭州市建筑用地面積總量和增長速度均在其他13個城市之上，最高年增長率達26.15%，開封市僅次于鄭州市，只達到12.40%。從總的增長規律看，鄭州市快速增長階段主要集中在2002年～2008年間，即“十五”期間。其他監測單元建筑用地增長速率雖不及鄭州市和開封市，但主要發展期也集中在河南省“九五”、“十五”和“十一五”期間。

圖5 1963年～2010年間監測區域內監測單元建筑用地面積統計

通過分析各監測單元建成區內建筑用地空間密度分布可以得到以下規律：①1963年～1996年間，總體看，建筑用地密集區主要集中在中心區域（老城區），期間建筑用地面積有向周邊擴展的趨勢，但沿交通線擴張的方向明顯。在此階段建筑用地在各市的總體分布格局沒有較大改變。各建成區規模總體以1984年為轉折點發生變化，呈快速擴張趨勢。②1996年～2010年間，隨著各城市建成區的不斷擴大，建筑用地不斷向城市周邊擴展，建成區內非建筑用地開始減少。2005年后，尤其是2008年～2010年間，各城市中心建筑密度趨于飽和，建成區規模趨于穩定，建筑區域分布格局發展方向明顯。

監測單元中以鄭州市1963年～2010年間建成區范圍內建筑用地空間密度分布動態變化尤為顯著（圖6）。其建筑用地空間變化主要集中在3個階段：1963年～1984年間，建筑用地分布密度均在88%以上，密集區主要集中在鄭州市的老城區即金水路以南、隴海路以北、城東路以西和京廣路以東的區域，期間建筑用地以向西為主不斷向周邊擴展。在此階段建筑用地在鄭州市的總體分布格局沒有較大改變。1984年～1996年間鄭州市建成區擴大明顯，建筑用地密集區范圍由老城集中區轉變為多中心密集區。由于高層建筑的增加、城市基礎設施的建設以及城市綠地的增多，建筑用地分布密度降為66%以上，建筑用地密集區主要分布在鄭州市的老城區、中、西及西南區。初步形成鄭州市建筑用地分布格局。1996年～2010年間鄭州市建成區進一步擴大，隨著鄭州市高新技術開發區、經濟技術開發區以及鄭東新區的開發與建設，鄭州市的建筑用地密集區范圍擴大，由集中分布向均質化發展，建筑用地密度提高到73%，鄭州市建筑用地分布格局已經形成。

圖6 1963年～2010年間鄭州市建筑用地空間密度分布

3.2.2 道路用地分析

本文通過對鄭汴一體化區域14個監測單元城市道路長度等進行統計，分析各監測單元道路用地動態變化情況，具體監測指標為道路長度及其階段增量和年均增長率、道路條數、道路面積、路網增量及路網密度。

由表1可知，鄭州市2010年道路長度是1963年的7.85倍。2010年的道路用地面積是1963年的9.83倍，其中2001年～2005年階段增長率達到了41.73%，成為階段增長的最高值。路網密度也從1963年的3.91km／km2達到了2010年的4.88km／km2。道路用地快速增長階段主要集中在2001年～2010年間，即河南省“十五”和“十一五”期間，年增長率達27.35%，其他階段的年均增長率在6%以下。分析鄭州市路網空間密度分布（圖7）可知，鄭州市在1963年～1984年間建成區面積較小，道路密集。其中，金水區、金水路以北的行政區域道路面積密度最大，達到了20ha／km2。鄭州市二七廣場商業區、鄭州市中原區行政區和工業區以及大學路東側區域的道路密度次之。2001年后，隨著建成區的擴大，鄭州市的道路建設呈現網絡化發展，道路密度密集區增加，區域化的道路高密度區在各區均有分布。

表1 鄭州市城市道路用地統計

圖7 1963年～2010年間鄭州市道路用地空間密度分布

其余13個監測單元1963年～2010年間道路用地空間動態分布總體特征為：①1963年～1984年間，道路用地的高密集區最高為開封市，達到了9.4ha／km2，主要集中于古城區域。各監測單元縣城內的建成區面積普遍較小，城區內道路比較窄，故道路用地密度低。②1984年后，各監測單元道路向四周擴展，其中，上街區以其特殊的地理位置向四周延展尤為顯著。③2001年后，中牟縣、新鄭市及蘭考縣道路向西延展，登封市向西和東延展，鞏義市繼續向南延展的同時向東進行了較大地延伸，上街區繼續向東及西北方向進行較大延伸，新密市向南及西南延展，滎陽市及開封縣向東延展，開封市向南延展至南部的商住區，通許縣向北，尉氏縣向南延展，各監測單元基本形成了現在的道路分布格局，尤以開封市最為明顯。2001年后，隨著開封市建成區的擴大，多數道路得以延展，開封市道路呈現網絡化格局，道路密集區增加，區域化的道路高密度區在各區均有分布，道路用地密度也達到了9.9ha／km2。④2010年各監測單元道路用地密度大幅度提升均在7.3ha／km2以上，其中蘭考縣2010年道路用地密度達到了16.91ha／km2。

3.2.3 綠化用地分析

綠化用地監測指標選取城市綠地率和人均綠地率作為監測城市綠化用地的重要指標。由于綠化信息提取對影像的光譜分辨率要求，研究區內部分城市早期監測年份數據缺失。本文僅對鄭州市、開封市及中牟縣3個核心區域2005年、2008年、2010年建成區綠化用地數據進行提取，著重分析其綠地率動態變化情況。

由表2可知，鄭州市2005年、2008年和2010年三個時期的綠化用地中公共綠地和城市綠地面積大幅增加，其中綠地率2010年達到21.72%，是2005年的1.46倍，綠化覆蓋率2010年達到14.80%，是2005年的1.28倍，人均綠地2010年達到28.745m2，是2005年的1.52倍；開封市相比鄭州市這三個時期的綠化用地中公共綠地和城市綠地面積變化不大，而其他綠地面積增加較多（詳見表2）；與鄭州市和開封市不同的是，中牟縣在這3個時期的綠化用地中其他綠地和城市綠地面積均降低，而公共綠地面積增加較多（詳見表2）。

表2 監測城市綠化用地統計數據表

由圖8可知，①鄭州市綠化用地的空間分布呈區域集中分布的特點，且年度空間變化不大，沒有明顯區域減少的現象，表明鄭州市綠化用地基礎及維護效果較好。綠化用地的高密度區由2005年的58ha／km2擴大到2010年的96ha／km2，表明鄭州市綠化用地斑塊有由破碎到整合的趨勢，通達性好。②開封市綠化用地的空間分布也具有集中分布的特點，但其分布年度間有空間變化，部分區域有綠化用地減少的現象，說明開封市綠化用地基礎較好，相比鄭州市維護效果一般。開封市綠化用地的高密度區由2005年的90ha／km2減少到2010年的59ha／km2，表明開封市綠化用地斑塊有由整合到破碎的趨勢，通達性變差。③中牟縣綠化用地的空間分布呈區域集中、邊片分布的特點，分布的年度空間變化大，部分區域有綠化用地減少的現象。綠化用地的高密度區由2005年的37ha／km2增加到2010年的41ha／km2，變化不大。

圖8 2005年、2008年、2010年鄭州市、開封市、中牟縣綠化用地空間密度分布圖

4 結束語

鄭汴一體化區域作為河南省發展的主體功能區，同時也是河南省地理國情監測的重點，其監測結果對河南省今后政治經濟文化發展具有重要的指導意義。本文從建筑、道路及綠化用地監測要素揭示鄭汴一體化區域內14個主要城市建設近48年的時空動態變化特征，結果表明：

①自監測基年起，鄭汴一體化區域城市建成區保持著較高的城市擴展速率，建成區面積擴展速率具有時段不一致性。其中，作為省會城市，鄭州市的建成區面積無論從增長速度還是增長量上，較區域內其他中小城市的而言都處于領先地位。尤其在我國“九五計劃”實施期間，由于城鎮化發展和區域政策的重要引導作用，區域內中小城市的建成區面積增長率顯著提高，尤以開封縣增長率最高，達322.27%，滎陽市最低也達到了77.79%。

②從建筑用地看，14個監測單元建筑用地增長周期比較一致，主要集中在 “九五”、“十五”和 “十一五”期間，尤以鄭州市和開封市增長最快。從建筑密度空間分布看，區域內各城市建筑用地經歷了由集中分布向均質化發展的過程，期間各城市建筑用地密度均有所提高。隨著建成區規模日趨穩定，各城市中心建筑密度趨于飽和。

③從道路用地來看，區域內各監測單元總體延伸方向均圍繞著鄭州市、開封市2個位于區域中心的城市展開。隨著建成區的擴大，道路建設呈現網絡化發展，各城市道路密度密集區均有所增加。在“十五”和“十一五”期間城鎮化發展和區域政策引導下，中牟縣、新鄭市及蘭考縣等中小城市道路用地密度大幅度提升。

監測表明，研究區內14個監測城市重要地理國情要素建筑、道路及綠化用地擴展時段主要集中在河南省“九五”、“十五”和“十一五”期間，體現出區域政策和規劃的重要引導作用。其中，高速外延式的發展是近年來鄭汴一體化區域城市建成區擴展的主要特征。此外，建筑用地和道路用地的發展以中心城市為核心，帶動區域內其他城市發展，呈現鄭汴一體化區域以核心地區帶動整體的發展特色。

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