基于GIS的城市擴展特征及驅動力分析——以河南省鞏義市為例

汪 瀟， 王培鑫

(河南農業(yè)大學，河南鄭州 450000)

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基于GIS的城市擴展特征及驅動力分析
——以河南省鞏義市為例

汪 瀟， 王培鑫

(河南農業(yè)大學，河南鄭州 450000)

摘要以河南省鞏義市為例，對采集到的2006、2009、2013年3期的鞏義市遙感影像進行處理，借助GIS技術手段以及ArcGIS平臺，選用城市緊湊度、城市擴展強度、 城市擴展彈性系數(shù)等指標，運用城市用地等扇方位法的空間分析方法，分別提取3期的城市邊界和3期的城市形態(tài)圖進行城市中心城區(qū)擴展的對比分析，并從自然因素、交通因素、人口因素、經濟與產業(yè)結構因素等方面研究城市擴展的驅動力。結果表明，2006～2013年鞏義市中心城區(qū)面積由21.997 5 km2擴展為33.633 1 km2，逐步形成城區(qū)中心和西北組團狀、南部放射狀、東北沿交通干線軸發(fā)展的擴展模式；鞏義市城市擴展是多重因素共同作用的結果。

關鍵詞城市擴展；鞏義市；GIS技術；遙感影像；驅動力

城市化，又稱作城鎮(zhèn)化(Urbanization)，指的是非城市人口向城市不斷聚集的過程,這一過程包含了社會、人口、資源、空間和經濟轉換等多方面多層次的內容。近年來，經濟的飛速發(fā)展使得城市化進程明顯加快[1]。同時，城市形態(tài)以及城市周邊地區(qū)土地利用的模式也在不斷變化，人口增加導致的用地需求量增加與用地不合理性的問題日漸突出。社會經濟發(fā)展必然會導致城市化，并且城市化也是社會經濟發(fā)展的重要一環(huán)，城市化不但表現(xiàn)在城市人口的增長,城市農業(yè)人口比例減少，而且也表現(xiàn)在城市空間區(qū)域的擴展。

鞏義市位于河南省鄭州和洛陽之間，隸屬于鄭州市，東接滎陽，西鄰偃師，南靠嵩山，北依黃河。在中原城市群崛起以及中原經濟區(qū)上升為國家戰(zhàn)略的背景下，緊鄰省會鄭州為鞏義城市發(fā)展和城市邊界擴大注入了源源不斷的動力，但同時也出現(xiàn)了諸多問題與挑戰(zhàn)，怎樣實現(xiàn)城市發(fā)展的科學性與可持續(xù)性發(fā)展，如何調節(jié)好人地關系，成為未來鞏義市發(fā)展的主要難題。筆者選用2006、2009、2013年3期的遙感影像數(shù)據(jù)[2]，基于GIS技術平臺[3]，運用城市用地等扇方位法對鞏義市中心城區(qū)的城市用地擴展程度和城市空間形態(tài)變化進行研究，并對其驅動力進行分析。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1城市形態(tài)信息提取

1.1.1遙感影像數(shù)據(jù)的選擇。以河南省鞏義市城區(qū)為研究對象，選取2006、2009、2013年3期Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)， 研究的時間跨度為7年，正處在鞏義市城市快速發(fā)展時期。結合鞏義市的相關統(tǒng)計資料，利用Erdas Imagine 和 ArcGIS 軟件進行影像數(shù)據(jù)信息解譯提取與處理。

1.1.2城市邊界提取。城市邊界是指城市已建成的邊界，而不是城市的行政邊界[4]，在進行鞏義市城市邊界提取時，要遵循以下原則：城市邊界實體應當保持在空間上的不間斷性，在城市內部出現(xiàn)的比較微小的、非城市用地的地塊或者是城市內部的水體都將其劃到城市實體內，而較大的地塊如林地、荒地則不將其劃入。

利用Erdas Imagine遙感軟件對鞏義市3期的遙感影像進行多波段合成，使各期影像都能精準匹配，再對配準過的影像圖進行數(shù)字化功能增強。在ArcGIS軟件中以人機交互目視的判讀方式解譯鞏義市3期的遙感影像，利用拓撲處理獲得3期的鞏義市城市邊界矢量圖即城市形態(tài)圖并進行柵格化輸出。

1.2城市擴展的研究方法和指標根據(jù)鞏義市3期的城市形態(tài)圖，選取疊加分析法、城市用地等扇方位法的空間分析方法，以及城市緊湊度、城市擴展強度、城市擴展彈性系數(shù)等指標來分析鞏義市城市空間擴展和相關特征。

2結果與分析

2.1鞏義城市擴展分析根據(jù)2006、2009、2013年3期遙感數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中進行處理，得到2006～2013年的中心城區(qū)城市形態(tài)圖譜(圖1)。從城市用地擴展的數(shù)量特征、形態(tài)空間分異特征以及合理性3方面分析鞏義市的城市擴展狀況。

圖1　2006～2013年鞏義市城市形態(tài)演化軌跡

2.1.1鞏義城市用地擴展的數(shù)量特征。利用ArcGIS軟件中的統(tǒng)計測量工具，分別對2006、2009、2013年3期的鞏義市城市形態(tài)矢量圖進行測量，得出各時期城市用地面積的信息，并以此作為分析鞏義市城市擴展的數(shù)量特征的基礎。為了使不同時期的鞏義市城市土地擴展的速度具有可比性，用鞏義市土地總面積(根據(jù)國土部門提供的土地利用現(xiàn)狀圖統(tǒng)計得知，2007年鞏義市全市總面積為53.75 km2)對其年平均擴展面積進行計算，得到鞏義市2006～2013年的城市用地擴展強度指數(shù)(表1)。

表1　2006～2013年鞏義市城市用地擴展面積以及強度指數(shù)

由表1可知，2006～2013年內鞏義市中心城區(qū)城市用地擴展明顯，城市用地面積由2006年的21.997 5 km2擴展到2009年的26.443 6 km2，再擴展到2013年的31.633 1 km2，7年間城市用地增加了9.64 km2;2006～2009年城市用地增加了4.45 km2，2009～2013年城市用地則增加了5.19 km2，城市形態(tài)顯著擴大。

依照城市用地擴展強度指標，2006～2013年鞏義市城市用地擴展強度為2.54，大于1.92，因此為高速擴展階段。其中2006～2009年鞏義市城市用地擴展強度為2.75，而2009～2013年的擴展強度指數(shù)略有下降為2.41，但卻仍然遠大于高速擴展階段的強度指數(shù)臨界值。總體上鞏義市城市用地擴展規(guī)模較大，城市處于高速擴展階段。

2.1.2鞏義城市用地擴展的形態(tài)空間分異特征。隨著鞏義市中心城區(qū)的不斷擴展，城市用地的不斷增加，其城市形態(tài)也在不斷發(fā)生著變化。根據(jù)鞏義市城市形態(tài)演化軌跡(圖1)，2006年鞏義市城區(qū)規(guī)模較小，城市總體呈現(xiàn)團塊狀，城市部分邊緣不規(guī)則的向外輻射，即西北部呈整體團塊狀，東南部則向外發(fā)散的狹長型。2009年鞏義市整體形態(tài)基本不變，東南部的向外發(fā)散的狹長型之間出現(xiàn)小部分新的城市用地。2009～2013年，鞏義市城市東部團塊狀的城市用地部分不斷擴展，同時東北部，以及城市南部的4條放射帶規(guī)模也在不斷擴大，南部的放射帶之間出現(xiàn)了更多碎小的塊狀城市用地，使城市南部射帶之間有了更強的聯(lián)系。

運用ArcGIS軟件基于鞏義市3期城市邊界矢量圖測量統(tǒng)計獲得2006、2009、2013年的城市邊界輪廓周長和建成區(qū)面積，并根據(jù)城市緊湊度計算方法可得各期的緊湊度指數(shù)(表2)。

表2　2006～2013年鞏義市城市用地緊湊度

由表2可知，2006年鞏義市城市用地緊湊度為0.185，到2009年由于城市放射狀的發(fā)展，整體趨于狹長型，導致鞏義市城市內部尤其是南部各部分之間的聯(lián)系減弱，緊湊度下降到僅為0.061。2013年城市緊湊度指數(shù)又回升至0.161，表明鞏義市南部的放射狀的城市部分之間的聯(lián)系不斷加深，城市整體凝聚性得到一定提高，趨向于團狀發(fā)展。

為了進一步分析鞏義市城市用地在不同方位的擴展分異特點，可采用“城市用地等扇方位法”。以鞏義市人民路路東端點為所要繪制圓的圓心，以6 km長為半徑繪圓，以南偏東11.25°為起點，將所繪制的圓等分成16個夾角與面積均等的區(qū)域，等扇分割2006、2009、2013年3期鞏義市城市形態(tài)圖，形成鞏義市城市形態(tài)等扇疊加結果(圖2)。

圖2　2006～2013年鞏義市城市形態(tài)等扇疊加結果

由圖2可知，2006～2009年和2009～2013年2個階段鞏義市城市用地擴展在方位上存在明顯差異。2006～2009年城市用地主要集中在N、NEE、SEE、SE 4個方位上，在NNE、NE、E、S、SSW、SW、SWW、W 8個方位上有少量擴展，而在剩余的SSE、NWW、NW、NNW 4個方位上基本沒有擴展。2009～2013年，鞏義市在NE、NEE、S 3個方位城市擴展較為明顯，在W、NW上基本沒有城市用地的擴展，在剩余的11個方位上有少量的擴展。總體來看，2006～2013年鞏義市城市用地的擴展集中在NEE、E、SEE、S方位，即城市東部和南部，而在城市的西部、北部則擴展較少，城市整體空間形態(tài)處于非均衡擴展狀態(tài)。

2.1.3鞏義城市用地擴展的合理性。為了準確定量地評價鞏義市城市用地擴展的合理性，根據(jù)《河南省統(tǒng)計年鑒》[6]有關鞏義市中心城區(qū)人口的統(tǒng)計資料，運用城市用地擴展彈性系數(shù)公式(城市擴展彈性系數(shù)=城市面積年均增長率/城市人口年均增長率)，計算得出鞏義市2006～2009年、2009～2013年和2006～2013年3個時段的城市用地擴展彈性系數(shù)(表3)。

表3　不同時段鞏義市城市擴展彈性系數(shù)

由表3可知，2006～2009年鞏義市的城市人口年均增長率遠高于城市面積年均增長率，城市擴展彈性系數(shù)則遠低于合理臨界值1.12，表明城市用地的擴展已經跟不上城市人口的增長，城市擴展用地已無法滿足人口快速增長的土地需求，人地矛盾比較突出。2009～2013年雖然城市人口年均增長率明顯下降僅為0.09，城市擴展的彈性系數(shù)上升為0.8，但仍然低于合理值，人地供需關系的問題仍然存在。總體上，2006～2013年鞏義市的城市用地擴展與人口增長之間存在著不協(xié)調，但有向合理性方向發(fā)展的趨勢。

2.2鞏義城市用地擴展的驅動力分析

2.2.1自然環(huán)境。城市空間的擴展的基礎與前提就是其所處的自然地理環(huán)境，城市的地形、周圍的山脈和水文等條件都影響著城市形態(tài)以及城市的擴展。鞏義位于位于嵩山北翼，西距古都洛陽市76 km，東距省會鄭州市82 km。

鞏義地勢總體上呈現(xiàn)出南高北低，東高西低的態(tài)勢。全市范圍內地貌形式多樣，有中山、低山、丘陵以及河谷平原。鞏義市行政邊界內的最高點玉柱峰(嵩山)海拔為1 487 m，最低點位于河洛鎮(zhèn)的河洛灘，海拔為104 m，相對高差達到1 336 m。按地形地貌成因類型，鞏義市全市(行政邊界)可劃分為丘陵山地、黃土臺塬和河谷階地3種類型。市域范圍內主要西南丘陵區(qū)和北部河谷平原區(qū)分為2種地貌類型[7]。

正是由于處在這樣的地貌環(huán)境下，對鞏義市的城市用地擴展在各方位上產生了相關差異：西南部的丘陵區(qū)使其周圍的城市用地受地形的影響呈現(xiàn)出放射狀的擴展；而在北部的河谷平原區(qū)的城市用地則出現(xiàn)團塊狀的擴展。

黃河、淮河2大流域都在鞏義市內均有分布，鞏義市境內的水系主體主要為黃河和伊洛河，其他部分河流屬季節(jié)性河流，大氣降水和其他河流的過境水成為鞏義市水資源的主要補給來源。鞏義市中心市區(qū)的西北部靠近伊洛河，水文條件優(yōu)越，加上地勢平坦，適合城市用地擴展的需要。

同時，重點文物保護單位如北宋皇陵位以及生態(tài)保護區(qū)都影響城市的擴展。不同區(qū)域的自然地理環(huán)境條件的不同造成了鞏義市城市用地擴展在不同方位上的差異。

2.2.2交通建設。城市交通設施的發(fā)展，城市交通網絡的不斷完善，可以大大加快有效信息和相關資源的流通效率，擴大城市的服務半徑，增進與周邊中心城市如洛陽與鄭州的交流聯(lián)系，增強城市中心與周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)如芝田鎮(zhèn)與站街鎮(zhèn)的通達性，促進城市內部的資源向城市邊界擴展[8]。

鞏義市域現(xiàn)狀綜合交通運輸網絡由鐵路和各級公路2部分組成。鐵路方面，隴海鐵路橫貫全境，專用支線5條，地方鐵路1條。公路方面，鞏義市15個鎮(zhèn)(辦)，292個行政村全部通油路或水泥路，境內公路里程達到1 991.409 km。其中主要有連霍高速，國道G30,省道S237、S314，縣道8條，鄉(xiāng)道64條，村道1 074條。

基于ArcGIS軟件平臺，提取鞏義市遙感影像中的道路信息并與城市擴展圖進行疊加繪制出鞏義市綜合交通圖(圖3)。由圖3可知，鞏義市的城市擴展與其道路網關系密切，中心城區(qū)可以利用鐵路獲取用于城市發(fā)展的資源，以鐵路交通網絡為軸心不斷發(fā)展，并依托北部的連霍高速公路以及周圍的主要交通干道(如國道G30)加強與周圍城鎮(zhèn)的聯(lián)系。而鞏義中心城區(qū)周圍的鄉(xiāng)鎮(zhèn)則依靠于鄰近的主要交通干道，以道路為發(fā)展中心沿道路兩側向四周擴散。可以說城市交通的建設為鞏義市的發(fā)展提供了基礎，起到了積極的空間引導作用。

圖3　2013年鞏義市綜合交通情況

2.2.3人口的增長與流動。由于與鄭州、洛陽2大城市的距離較近，并且鞏義市自身經濟飛速增長的條件下，鞏義市人口持續(xù)增長。

根據(jù)《鞏義市城市總體規(guī)劃(2001-2020)》，2006年鞏義市城鎮(zhèn)化水平為40.1%，中心城市城鎮(zhèn)人口為18.02萬，2009年為28.33萬，2013年則達到了39.68萬。依據(jù)鞏義市目前的城市擴展速度以城鎮(zhèn)化的進程，預計到2020年中心城市人口規(guī)模將達到45萬以上。

城市人口的發(fā)展趨勢與城市用地的擴展趨勢之間具有很高的一致性。一方面，城市人口的增加會對住房、交通、公共基礎設施、公共福利設施的需求量增大，進而對城市空間的需求量也進一步增大，這就成為城市用地的向外擴展的必然性要求[9]，而同時城市用地的不斷擴展也將會吸引更多的外來人口或者農村人口轉化為城市人口；另一方面，當城市人口增長過快時，如2006～2009年鞏義市中心城區(qū)人口年均增長率達到15%，而城市用地年均擴展面積僅為6.2%，城市用地擴展遠遠跟不上人口增長速度，將會導致城市人口密度過大，交通擁擠，相關基礎配套設施跟不上，引發(fā)各種城市問題的出現(xiàn)，即城市用地擴展的合理性較低。

此外，人口流動如中心城區(qū)與城郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的人口流動也會對城市擴展產生一定影響。例如隨著城市居民物質生活水平的提高，其對自身的居住條件有了更高的要求，而鞏義市東南部城郊具有優(yōu)質的居住環(huán)境，這就會促進鞏義市東南部城市用地的擴展，城市邊界向外延伸。

2.2.4經濟發(fā)展與相關產業(yè)布局。城市經濟的發(fā)展為城市擴展注入了強大動力[10]。根據(jù)《河南統(tǒng)計年鑒》，2006～2013年鞏義市GDP由242.87億元急速上升至527.81億元，人均GDP由30 358元迅速翻倍至65 024元。在鞏義市經濟飛速發(fā)展的同時，三大產業(yè)也在不斷發(fā)展，進而又推動了城市用地的擴展。

首先是第一產業(yè)，鞏義市農業(yè)經過近幾年的發(fā)展，目前已初步形成5大農業(yè)產業(yè)布局：西村鎮(zhèn)、芝田鎮(zhèn)、回郭鎮(zhèn)、魯莊鎮(zhèn)、優(yōu)質糧食作物基地；北部邙嶺林果生產基地；黃河灘區(qū)高效經濟作物生產基地；東南部山區(qū)無公害農產品生產基地；G310沿線生豬、蛋雞養(yǎng)殖業(yè)基地。并以此為基礎打造4大農業(yè)生產基地：西部沿伊洛河、陸渾灌區(qū)，建設優(yōu)質專用糧和優(yōu)質畜產品生產基地；北部沿黃區(qū)，建設高效經濟作物和養(yǎng)殖業(yè)基地；東南部山區(qū)，建設優(yōu)質干果基地；北部邙嶺，建設林果業(yè)基地。

其次是第二產業(yè)，要構筑鞏義 “一帶三區(qū)”的產業(yè)格局。“一帶”是指東部沿G310線，建設米河—大峪溝的冶金建材輕紡產業(yè)帶；“三區(qū)”即回郭鎮(zhèn)鋁工業(yè)園區(qū)、豫聯(lián)工業(yè)園區(qū)和工業(yè)示范園區(qū)。

最后是第三產業(yè)，鞏義市在鄭汴洛“三點一線”旅游帶內，應發(fā)展自身的多元化旅游資源，形成以北宋皇陵、杜甫故里、唐三彩等為代表的唐宋文化游；以康百萬莊園、劉鎮(zhèn)華莊園等為代表的莊園文化游；以浮戲山雪花洞、青龍山慈云寺等為代表的風景名勝游；以河洛文化游覽區(qū)為代表的河洛文化游；以豫西抗日先遣支隊歷史遺址為代表的紅色文化游；以現(xiàn)代名人紀念館、陳列館等為代表的名人文化游；以重點園區(qū)(企業(yè))為代表的工農業(yè)游的多元化旅游體系。

縱觀鞏義市整體，第一、三產業(yè)的比重偏低，而第二產業(yè)的比重偏高，產業(yè)結構以及產業(yè)區(qū)的布局都將影響城市擴展。工業(yè)的不斷擴展，所需要的園區(qū)用地量也就越大，進而部分的城市用地會圍繞工業(yè)園區(qū)的設立而向外擴展，同時工業(yè)開發(fā)區(qū)也能帶動小城鎮(zhèn)實現(xiàn)空間的不斷擴展。南部山地旅游區(qū)和北部生態(tài)保護區(qū)，小城鎮(zhèn)撤并力度不斷加大，城鎮(zhèn)的中心極化作用在不斷加強，這樣以旅游業(yè)為首的第三產業(yè)的發(fā)展，就對城市擴展的方位產生了重要影響。

3結語

該研究借助ArcGIS和Erdas Imagine軟件平臺對采集到的2006、2009、2013年3期鞏義市遙感影像進行處理，并提取出3個時期鞏義市中心城區(qū)的城市邊界，對鞏義市城市用地擴展在程度和空間分異上進行分析。結果表明，2006～2013年鞏義市中心城區(qū)面積由21.997 5 km2擴展到33.633 1 km2，擴展程度較大，且擴展主要集中在城市南部以及東北部，由于受丘陵地形等影響，東南部呈現(xiàn)出城市邊界放射狀擴展，東北部城區(qū)由于圍繞主要道路和鐵路也呈現(xiàn)出放射狀擴展。逐步形成鞏義城區(qū)中心和西北組團狀、南部放射狀、東北沿干線交通軸發(fā)展的擴展模式。鞏義市城市用地擴展程度雖大，但由于城市人口增長過快，導致城市擴展用地的合理程度十分低；但在2009年以后，城市擴展用地彈性系數(shù)上升，城市擴展用地的合理程度正在不斷提高。

城市擴展是自然環(huán)境、人口與經濟、交通與產業(yè)等多重因素共同影響作用的結果。自然環(huán)境是前提，人口則為城市擴展提供支撐，經濟成為城市擴展的動力，交通為引導城市擴展方向標，而產業(yè)布局則影響著城市擴展的方位。如何利用好自身的區(qū)位優(yōu)勢，調節(jié)好人口增長與城市用地擴展的關

系，如何合理利用土地和安排產業(yè)布局以及相關城市擴展目標，成為當下鞏義市城市發(fā)展的關鍵問題。

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Research on Urban Expansion and Its Driving Force Based on GIS—A Case Study of Gongyi City in Henan Province

WANG Xiao, WANG Pei-xin (Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450000)

AbstractBased on ArcGIS software platform and GIS technical means, this paper collects remote sensing images of Gongyi at different periods(2006,2009,2013)and adopts methods of fans analysis and urban expansion intensity, compactness, elasticity coefficient to urban expansion by means of extracting the urban built-up area boundary. By analyzing the various affecting factors such as the society, economy, environment, population and triffic and so on, this paper studies the driving force of urban expansion, as well as the influence produced due to the city dynamic changes. The results showed that during 2006-2013, the central urban area of Gongyi expanded from 21.997 5 km2to 33.633 1 km2, gradually form the city center and the northwest group, the south radial, northeast along the route of transportation development model, Gongyi City expansion is the result of multiple factors.

Key wordsUrban expansion; Gongyi City; GIS technical means; Remote sensing; Driving force

收稿日期2015-11-30

作者簡介江瀟(1988- )，女，河南固始人，助教，碩士，從事人文地理與城市規(guī)劃研究。

中圖分類號S-9

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)36-330-04