■梁敏
(吉林大學(xué)、地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院吉林長春30026)
汾河流域城鎮(zhèn)時(shí)空擴(kuò)展遙感監(jiān)測及動(dòng)力機(jī)制分析研究
■梁敏
(吉林大學(xué)、地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院吉林長春30026)
本文主要通過利用TM多時(shí)相遙感數(shù)據(jù),運(yùn)用遙感影像目視解譯方法、地理信息系統(tǒng)空間分析方法并結(jié)合汾河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),調(diào)查了2000~2010年汾河流域地區(qū)縣以上的重要城鎮(zhèn)的分布位置、建成區(qū)擴(kuò)展面積和擴(kuò)展速度,全面分析研究了該區(qū)域的城鎮(zhèn)時(shí)空擴(kuò)展動(dòng)力機(jī)制。結(jié)果表明,汾河流域城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展主要發(fā)生在海拔800m以下和坡度為6°以下的地區(qū),并且這些擴(kuò)展城鎮(zhèn)的人口呈直線增長,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,同時(shí)交通建設(shè)也加速了城鎮(zhèn)的擴(kuò)展速度和方向。
汾河流域 城鎮(zhèn)擴(kuò)展 遙感監(jiān)測 動(dòng)力機(jī)制
城鎮(zhèn)擴(kuò)展引起地域空間結(jié)構(gòu)的變化是城鎮(zhèn)化在空間上最直觀的表現(xiàn),研究空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,有助于了解城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)因素、機(jī)制和規(guī)律,對合理的進(jìn)行城鎮(zhèn)規(guī)劃,促進(jìn)區(qū)域城市可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義[1]。遙感技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和周期短等優(yōu)點(diǎn),在城市空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面具有明顯的優(yōu)勢[2]。利用遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,客觀地分析汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)因素,為合理制定和完善城鎮(zhèn)規(guī)劃提供決策依據(jù)[3]。
改革開放以來,隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,汾河流域沿岸基本城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積不斷增加,耕地卻被大量占用,人增地減的矛盾日趨突出。本文通過研究汾河流域的城鎮(zhèn)時(shí)空擴(kuò)展特征及其驅(qū)動(dòng)因素,可為汾河流域的城鎮(zhèn)規(guī)劃和土地資源規(guī)劃提供基礎(chǔ)參考和依據(jù),同時(shí)也可為汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)的健康發(fā)展和土地資源的可持續(xù)利用提供借鑒和參考[4]。
汾河,是黃河流域內(nèi)的第二大支流,山西省境內(nèi)流域面積最大,流程最長的第一大河。汾河發(fā)源于山西省寧武縣境內(nèi)管涔山脈南麓,流向自北向南縱貫山西省的中部和西南部,至萬榮縣榮河鎮(zhèn)注入黃河,被山西人稱為母親河。
汾河流域地處黃河中游,地理位置東經(jīng)110°30'~113°32',北緯35°20'~39°00',流域面積39826km2,占山西全省面積的25.5%。河長709.9km,耕地面積1738.69萬畝,占全省耕地面積的29.54%。河川徑流20.67億m3,水資源總量33.58億m3,占全省水資源總量的27.2%。
流域地處中緯度大陸性季風(fēng)氣候帶,為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū),春、冬季節(jié)寒冷干燥,雨雪較少,夏秋季節(jié)氣溫高,降水集中。地勢北高南低,干流縱向穿行呂梁山脈、太行與太岳山脈之間,各支流發(fā)育在兩大山系之中,河流行經(jīng)的中間地帶大部被厚度不均的松散黃土層所覆蓋,丘陵起伏,溝壑縱橫,是黃土高原特有的地貌形態(tài)。
汾河流域地跨山西省忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城6個(gè)地級市,共計(jì)44個(gè)縣 (市、區(qū)),人口1315萬人,為全省總?cè)丝诘?9%。沿汾河兩岸分布有豐富的煤、鐵等礦產(chǎn)資源,是山西省工業(yè)集中、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的主要地區(qū),在全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中居于十分重要的地位。
3.1數(shù)據(jù)來源
文中采用的遙感影像是2000年和2010年2個(gè)時(shí)相的分辨率為30m的Landsat TM數(shù)據(jù),其他的相關(guān)數(shù)據(jù)包括相對應(yīng)的1:175萬水系圖、行政區(qū)劃圖、土地利用類型圖、山西數(shù)字高程模型(DEM)、山西省交通圖及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料等。
3.2數(shù)據(jù)處理
首先在ERDAS IMAGINE 9.2軟件中對遙感影像進(jìn)行校正,進(jìn)行遙感影像圖和數(shù)字高程模型(DEM)間的投影轉(zhuǎn)換后,在ArcGIS 9.3軟件中用汾河流域邊界對遙感影像圖進(jìn)行裁切,之后,以遙感影像為主要的數(shù)據(jù)源,通過ArcGIS 9.3軟件對2000和2010年2期汾河流域遙感影像進(jìn)行目視解譯,獲得汾河流域土地利用圖。然后,將2個(gè)城鎮(zhèn)范圍圖在ArcGIS中進(jìn)行空間疊加,獲得汾河流域2000~2010年的城鎮(zhèn)擴(kuò)展圖。
根據(jù)DEM得到坡度圖,并對高程和坡度進(jìn)行重分類[5~7],研究高程和坡度兩個(gè)地形因素對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用。
結(jié)合山西省交通圖提取汾河流域道路數(shù)據(jù),對道路進(jìn)行不同級別的緩沖區(qū)分析,研究交通建設(shè)對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用。
結(jié)合相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),研究人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用。
本文的技術(shù)路線如下圖:

圖1 數(shù)據(jù)處理流程
4.1城鎮(zhèn)時(shí)空擴(kuò)展遙感監(jiān)測結(jié)果
利用遙感圖像得到土地利用動(dòng)態(tài)變化有多種方法[8~10]。本文通過ArcGIS 9.3軟件,對汾河流域2000年和2010年2期遙感影像進(jìn)行目視解譯,獲得汾河流域2期土地利用圖(附圖1~2)。然后統(tǒng)計(jì)出汾河流域2000年和2010年的城鎮(zhèn)面積,如表1。

表1 2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)用地面積表
遙感監(jiān)測表明,汾河流域2000年城鎮(zhèn)面積為1146.42 km2,占全流域面積的2.67%;2010年城鎮(zhèn)面積上升明顯,為1351.35 km2,占全流域面積的3.14%。
4.2城鎮(zhèn)時(shí)空擴(kuò)展特征分析
4.2.1時(shí)序特征分析
在ArcGIS工作環(huán)境下,分別提取2000和2010年2個(gè)時(shí)期的城鎮(zhèn)建設(shè)用地信息,進(jìn)行空間疊加,獲得2000~2010年的城鎮(zhèn)擴(kuò)展信息(附圖3),進(jìn)一步分析汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)變化情況(表2)。

表2 2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積變化
表2反映了2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的變化情況:2000~2010年間,汾河流域城鎮(zhèn)面積從1146.42 km2增加到1351.35 km2,增長了17.88%,擴(kuò)展速度達(dá)每年20.49 km2,城鎮(zhèn)面積占地區(qū)總面積的百分比相應(yīng)地從2.67%增長到3.14%。總之,1990~2010年間,汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展明顯,呈加速擴(kuò)張的趨勢[11]。

表3 汾河流域各段城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積擴(kuò)展情況
4.2.2空間特征分析
將汾河流域分為上、中、下游三個(gè)區(qū)域段(附圖3),采用城鎮(zhèn)擴(kuò)展面積和城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)方法,分別研究這三個(gè)流域段2000~2010年城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的空間分異特征。
表3反映了2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)用地在各流域段的擴(kuò)展情況:汾河流域中游城鎮(zhèn)擴(kuò)展明顯增長,達(dá)到153.92 km2,擴(kuò)展速度為平均水平的2.25倍,下游擴(kuò)展稍低于平均水平,上游擴(kuò)展極少,僅為1.70 km2,幾乎無明顯擴(kuò)展。綜上所述,2000~2010年,汾河流域的城鎮(zhèn)擴(kuò)展主要發(fā)生在中游和下游。
城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù),是某空間單元在研究時(shí)期內(nèi)的城鎮(zhèn)土地利用擴(kuò)展面積占其土地總面積的百分比,用以比較不同研究時(shí)期城鎮(zhèn)土地利用擴(kuò)展的強(qiáng)弱或快慢,其實(shí)質(zhì)就是用各空間單元的土地面積來對其平均擴(kuò)展速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使不同空間單元城鎮(zhèn)土地利用擴(kuò)展的速度具有可比性,擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)表達(dá)式[12]如下:

式1中,ULI i,t為空間單元i與T時(shí)段相對的年均城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)。ULAi,a為研究初期空間單元i的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積,ULAi, b為研究末期空間單元i的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積,T為研究時(shí)段,TLAi為空間單元i的土地總面積。

表4 2000~2010年汾河流域各流域段城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(%)
由(1)式可計(jì)算出2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(表4),從而分析各流域段城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)特征。
由表4可知,2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地在各流域段的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)不同,城鎮(zhèn)擴(kuò)
張強(qiáng)度指數(shù)差異明顯:汾河流域中游的城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度最大,城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)為0.0681,上游的城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度最小,城鎮(zhèn)擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)為0.0022。
4.2.3擴(kuò)展模式分析
城鎮(zhèn)擴(kuò)展在空間上主要表現(xiàn)為軸向擴(kuò)展和外向擴(kuò)展兩種形式。在實(shí)際應(yīng)用中,軸向擴(kuò)展即沿交通線進(jìn)行擴(kuò)展,而外向擴(kuò)展則主要是以城鎮(zhèn)某一點(diǎn)為中心向外圍地域進(jìn)行擴(kuò)展。空間距離衰減是造成這兩種擴(kuò)展形態(tài)的主要原因[13]。
由汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展示意圖可知,2000~2010年間,城鎮(zhèn)擴(kuò)展主要集中在太原盆地,臨汾、運(yùn)城盆地,擴(kuò)展模式是以中心城區(qū)的邊緣式擴(kuò)展和填充式擴(kuò)展為主,其余區(qū)域受制于自然條件的影響,城鎮(zhèn)擴(kuò)展緩慢,表現(xiàn)為沿現(xiàn)有城鎮(zhèn)單元的填充式發(fā)展。
本文在ArcGIS工作環(huán)境中,用分級緩沖區(qū)分析來研究城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展模式。對于汾河流域不同級別的道路,依次以1km距離建立不同半徑的緩沖區(qū),以緩沖區(qū)的環(huán)狀樣帶作為分析區(qū),提取2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展信息,與道路緩沖區(qū)信息進(jìn)行空間疊置,定量的描述城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展過程和空間分布,分析汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展模式。
附圖4~8形象地反映出,在2000~2010年的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展過程中,汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與交通干線有密切聯(lián)系。由于高速公路和鐵路分別需要高速公路出口和鐵路站點(diǎn)同周圍區(qū)域聯(lián)系,其對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的影響往往不是連續(xù)軸向的,而公路(國道、省道、縣道)則可以形成軸向的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展區(qū)域[14]。

表5 2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展各級別道路緩沖區(qū)面積(km2)統(tǒng)計(jì)
由表5可知,2000~2010時(shí)段的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展面積隨著緩沖區(qū)半徑增加出現(xiàn)呈現(xiàn)以下的變化規(guī)律:擴(kuò)展面積不斷增加,國道、省道和縣道在緩沖區(qū)半徑在3km范圍之內(nèi)均出現(xiàn)了最大值,而高速公路和鐵路對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的影響主要體現(xiàn)在高速路出口和鐵路站點(diǎn)。
因此,2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展方式主要表現(xiàn)為:中心城區(qū)的邊緣式擴(kuò)展和填充式擴(kuò)展模式,以及沿交通主干道的軸向擴(kuò)展模式。
5.1自然地理環(huán)境對城鎮(zhèn)擴(kuò)展具有指向性的作用

表6 不同高程城鎮(zhèn)擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)表

表7 不同坡度城鎮(zhèn)擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)表
自然地理環(huán)境是城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展十分重要的基礎(chǔ)條件,直接影響著城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的潛力、方向和速度等。城鎮(zhèn)地貌是城鎮(zhèn)的組成要素,直接影響著城鎮(zhèn)的發(fā)展方向、城鎮(zhèn)規(guī)模和城鎮(zhèn)住宅規(guī)劃等工程設(shè)施,城鎮(zhèn)的形成和發(fā)展,必須依賴于良好的地形地貌條件。水域、山體、平原的空間組合將汾河流域分割為數(shù)個(gè)發(fā)展空間,控制了汾河流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的基本格局。
在ArcGIS軟件中,利用汾河流域的DEM數(shù)據(jù)提取坡度,對高程和坡度進(jìn)行重分類,進(jìn)行高程分析和坡度分析。并且進(jìn)一步將高程、坡度信息與汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)張數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析(附圖9~10),從而研究地形因素對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用。
由表6、表7可以明顯看出:2000~2010年間,汾河流域94.63%的城鎮(zhèn)擴(kuò)展面積發(fā)生在海拔為800m以下的地區(qū),尤其在太原盆地、運(yùn)城盆地、臨汾盆地等海拔較低地區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)展明顯;98.41%的城鎮(zhèn)擴(kuò)展發(fā)生在坡度為6°以下的地區(qū)。海拔較高,坡度較大地區(qū)城鎮(zhèn)幾乎無明顯擴(kuò)展。
5.2人口增長對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用
人口因素是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中及其重要的因素,對土地利用的變化起著重要的驅(qū)動(dòng)作用[15]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,農(nóng)村人口不斷向城鎮(zhèn)人口轉(zhuǎn)移,使得城鎮(zhèn)人口不斷增加,城鎮(zhèn)人口的增加必然會(huì)表現(xiàn)為城鎮(zhèn)居民對住房、交通和市政設(shè)施等方面的需求加強(qiáng),加劇農(nóng)田等土地類型向建設(shè)用地類型的轉(zhuǎn)變。所以,城鎮(zhèn)人口的增加是城鎮(zhèn)土地?cái)U(kuò)展的直接動(dòng)因。

表8 2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)總?cè)丝?/p>
城鎮(zhèn)總?cè)丝谂c建成區(qū)面積擴(kuò)展呈高度線性相關(guān)[16]關(guān)系。可知,汾河流域近十年人口增長比較明顯,從2000年的1266.15萬增長到2010年的1429.60萬,城鎮(zhèn)人口增長呈直線增長趨勢,而人口的快速增長則直接導(dǎo)致了汾河流域城鎮(zhèn)空間上的擴(kuò)展。
5.3經(jīng)濟(jì)發(fā)展對城鎮(zhèn)擴(kuò)展的決定作用
經(jīng)濟(jì)的增長為城鎮(zhèn)擴(kuò)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模轉(zhuǎn)移,加快了城鎮(zhèn)化步伐[17]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,山西省加大改革開放的力度,推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,汾河流域城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)較快增長的良好態(tài)勢(表9)。經(jīng)濟(jì)的快速增長引起工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,而新增加的工業(yè)企業(yè)需要新的城鎮(zhèn)空間承接,新老企業(yè)對發(fā)展空間的共同需求成為汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)張的又一直接因素。特別是高強(qiáng)度的煤炭開采,在拉動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),對水土資源和生態(tài)環(huán)境也帶來了巨大的負(fù)面影響。煤炭開采使耕地減少,工礦建設(shè)用地增加,加速了城鎮(zhèn)擴(kuò)展。

表9 2000~2010年汾河流域城鎮(zhèn)生產(chǎn)總值
5.4交通建設(shè)對城市空間擴(kuò)展方向具有指導(dǎo)性的作用
城鎮(zhèn)的交通是城鎮(zhèn)最主要的功能之一,城鎮(zhèn)各類用地的功能聯(lián)系主要是通過城鎮(zhèn)交通實(shí)現(xiàn)的。所以,城鎮(zhèn)交通的意義、價(jià)值和影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了城鎮(zhèn)中任何一個(gè)功能模塊所表現(xiàn)出來的意義,它影響著城鎮(zhèn)各方面的發(fā)展[18]。山西省的交通從20世紀(jì)80年代開始有了飛速發(fā)展。汾河流域交通方便,城鎮(zhèn)建設(shè)用地基本上是依附主要交通干線的方向在擴(kuò)展。經(jīng)前面線緩沖區(qū)分析可知,城鎮(zhèn)建設(shè)用地依托城鎮(zhèn)內(nèi)部主要道路交通軸向外擴(kuò)展,并在軸線兩邊不斷充實(shí)。
通過以上分析研究,得出的主要結(jié)論如下:
(1)2000~2010十年間,汾河流域城鎮(zhèn)用地面積快速增加,擴(kuò)展強(qiáng)度明顯。
(2)汾河流域的城鎮(zhèn)擴(kuò)展方式主要表現(xiàn)為:中心城區(qū)的邊緣式擴(kuò)展和填充式擴(kuò)展,以及沿交通主干道的軸向擴(kuò)展。
(3)汾河流域城鎮(zhèn)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)因素中,自然地理?xiàng)l件決定了城鎮(zhèn)擴(kuò)展的主體方向。城鎮(zhèn)人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通建設(shè)等直接影響城鎮(zhèn)擴(kuò)展的方向、速度、模式、規(guī)模及空間結(jié)構(gòu)。
(4)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展會(huì)進(jìn)一步加快,耕地也會(huì)隨之被大量占用。在進(jìn)行城鎮(zhèn)規(guī)劃和建設(shè)過程中,應(yīng)加強(qiáng)城鎮(zhèn)周邊生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù),調(diào)整城鎮(zhèn)建設(shè)用地布局和結(jié)構(gòu),提高土地集約化利用程度,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)內(nèi)涵擴(kuò)展[15,18]。政府部門應(yīng)該合理規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)、優(yōu)先發(fā)展資金密集型產(chǎn)業(yè),提高城鎮(zhèn)土地利用效益,這是解決城鎮(zhèn)擴(kuò)展過快的重要途徑。
附錄


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Remote Sensing Monitor and Driving Forces Analyses of Urban Expansion in Fen River Basin
Liang Min
(Changchun 130026,Jilin Province,Cartography and geographic information system,College of GeoExploration Science and Technology,Jilin University)
In this paper,through the use of TM remote sensing data, We used interpretation of remote sensing,geographic information systems spatial analysis and socioeconomic data to survey the location of all major cities and towns,the growth area,and the expansion rate between the year of 2000 and the year of 2010 in Fen River Basin,and analyzed the driving forces of urban expansion in this region.The study reveals that Urban land expansion in Fen River basin occurs mainly in 800 metres above sea level and slopes below 6 degrees,and the population of these towns show linear growth,rapid economic development,while traffic also accelerates the expansion of the town and the direction.
Fen River Basin;Urban Expansion;Remote Sensing Monitor,;Driving Forces
F292[文獻(xiàn)碼]B
1000~405X(2016)~4~339~5