基于RS與GIS的太原市城市擴展特征及驅動因素研究

曹曉麗，雷 敏，侯志華，趙志卿，蘇 彤

(1.西北大學 城市與環境學院，陜西 西安 710127;2.太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619)

城市化是指社會經濟變化的過程，主要包括農業人口非農業化、城市人口規模不斷擴大、城市用地不斷向郊區擴展、城市數量不斷增加以及城市社會、經濟、技術變革進入鄉村的過程等，成為20世紀以來最為顯著的人類活動過程之一[1]。但隨著社會經濟的發展與城市化進程的不斷加快,出現了諸如交通擁擠、城市無序擴張、環境污染等一系列城市問題,人地矛盾日益突出,為了更好地解決這些城市問題,進行科學合理的規劃布局,促進城市的持續健康發展,因此對城市的空間擴展及驅動因素研究就顯得十分必要。近年來,城市擴展研究已經成為城市化研究熱點之一,國內外大量學者將RS和GIS等空間信息技術相結合對城市的時空擴展進行動態監測研究,如Masek[2]等利用Landsat遙感影像數據分析了華盛頓特區城市擴展的動態變化;馮曉剛等[3]利用Landsat TM和ETM+影像數據,通過非監督分類法、NDBI指數提取、監督分類法以及疊置分析等對西安市的城市擴展進行分析,并得出城區擴展空間主要集中在南北方向的結論;康紅剛等[4]利用Landsat TM和ETM+影像數據并結合ArcGIS9.0等軟件研究濟南市的城市擴展;譚雪蘭等[5]利用長沙市4個時相的TM影像數據,在MapGIS6.7的支持下,通過等扇形法和重心遷移定量模型等研究方法對長沙市城市空間擴展做了研究;王濤等[7]以多期遙感影像數據為基礎,結合社會經濟數據,通過計算景觀指數與提取城市建設用地重心來研究南通市的城市擴展時空特征。足見,諸多學者已經對城市擴展的時空分異特征及驅動因素等各方面做了大量研究并取得了豐碩的成果,但大多是從一個城市或區域的整體空間視角出發,從城市內部各市轄區視角出發的城市擴展研究則相對較少。

基于此,本文以太原市為研究區,利用2000年、2007年和2015年三期Landsat遙感影像數據,通過Erdas Imagine9.0 和ArcGIS10.2軟件對其進行信息解譯、提取、處理和分析[6],得到3個時期的城市用地范圍,并引入城市擴張強度指標與緊湊度指標,通過等扇形法與重心軌跡轉移分析法對城市空間擴展特征進行探究,結合太原市DEM圖件、經濟人口數據及相關政策,從太原市城市的整體及其各市轄區空間的視角出發對城市空間擴展特征及驅動因素進行探索分析,以期為太原市未來更加科學合理的規劃與健康持續的發展提供一定的參考[7]。

1 研究區概況及數據處理

1.1 研究區概況

太原市位于山西省中北部太原盆地(111°30′～113°09′E,37°27′～38°25′N)，西、北、東三面環山，中、南部為河谷平原，地勢北高南低呈簸箕狀,黃河第二大支流汾河自北向南貫穿全境。太原市是山西省省會城市及政治、經濟、文化、交通和國際交流中心,自古就有“錦繡太原城”的美譽,是中國北方軍事、文化重鎮,世界晉商都會,也是中國能源、重工業基地之一。太原市轄6個市轄區、3個縣,代管1個縣級市,其市轄區包括小店區、迎澤區、萬柏林區、尖草坪區、杏花嶺區與晉源區。截止2015年底,全市地區生產總值2 735.34億元,三次產業比重分別為1.4%，37.3%，61.3%,地區人均GDP為63 483元;常住人口431.87萬人,城鎮人口364.51萬人,城鎮化率84.40%,比2000年提高18.35%。

1.2 數據處理

1.2.1 數據來源 本文研究的基礎數據包括太原市城市空間及驅動因素數據。其中城市空間數據來自于太原市2000年,2007年,2015年三期的Landsat遙感影像數據,驅動因素數據主要來源于太原市DEM數據(30m分辨率)及2001—2016年太原市統計年鑒。

1.2.2 幾何校正及配準 幾何校正是指消除或改正遙感影像幾何誤差的過程。在提取太原市建設用地信息之前,需對影像進行幾何校正[12]。本文先以太原市地形圖與DEM數據為基準,對2000年遙感影像進行幾何精度校正,將其總的均方根誤差控制在0.4以內,然后以校正好的2000年影像數據為基準,對2007年及2015年遙感影像及太原市行政區劃圖進行幾何配準,最終將三期遙感影像及行政區劃圖統一校正在“WGS_1984_UTM_Zone_49N”這一坐標系統下。

1.2.3 城市邊界信息提取及裁剪 為了保證3個時期的太原市城市用地信息具有可比性[13],需對太原市城區范圍進行目視解譯及邊界信息提取,本文利用ArcGIS10.2軟件對太原市2000年、2007年、2015年的城市用地范圍進行目視解譯并生成3個時期的矢量圖層。通過柵格裁剪工具對提取出的城市邊界進行裁剪,最終裁剪出太原市2000年、2007年及2015年的城市用地范圍(如圖1)。

圖1 太原市三期城市邊界圖Fig.1 The three phase of the urban boundary map of Taiyuan City

2 研究方法

2.1 指標分析

2.1.1 城市擴張強度指標 城市空間擴張強度反映了城市擴張的強弱與速度[3],主要用于分析城市建成區用地的擴張狀態,表示為某空間單元在其研究時間段內的城市土地利用擴展面積與原空間單元總面積比值的年平均值[4],計算公式如下(其中:ARG代表城市年均擴張強度,UAn+i和UAi分別代表第n+i年和第i年的城市面積,n以年為單位。):

(1)

2.1.2 緊湊度指標 緊湊度是反映地物形狀的參數,體現一個地區的城市建設用地的開發強度與土地利用效率[8],緊湊度指標則主要用于分析城市空間擴展形態的變化特征,其計算公式如下(其中:A代表建成區面積,P代表建成區輪廓的周長,C代表城市緊湊度指標,其值介于0～1,值越大,表示形狀越緊湊,越接近于圓形,反之,形狀的緊湊性則越差[9]：

(2)

2.2 等扇形分析

等扇形分析是指以研究區中心為圓心,設定適當半徑畫圓,將圓劃分為若干相等的扇形區域,再與各時期的城市用地范圍進行疊加以分析城市在各個方向的擴展程度[5]。本文以2000年城市重心為圓心(112°32′03″E,37°51′33″N),設定20km為半徑繪圓,將繪制的圓分成16等份,與太原市2000年,2007年,2015年的城市用地范圍進行疊加形成城市形態等扇疊加結果圖(如圖2)。

2.3 重心軌跡轉移分析

城市在發展過程中由于區域間差異性的存在,處于一種不平衡的狀態,不同區域對城市發展的影響程度不同,即各個區域的權重不同。根據幾何重心的計算原理,可將城市重心定義為:不同區域的權重差異所導致的拉力平衡點。這個重心點實際上是一個區域的概念,該區域可以理解為是一個城市最充滿活力、最繁華、發展速度最快、建設規模最大、開發力度最強的地區[11]。重心計算方法如下(其中:X，Y分別表示城市空間重心的經度與緯度,Ci表示第i個圖斑的面積,Xi，Yi分別表示第i個圖斑的重心坐標。):

(3)

(4)

3 城市空間擴展特征分析

3.1 空間擴張強度特征

根據2000年、2007年、2015年太原市城區矢量圖層,對其面積分別進行統計,計算城市擴張強度。結果顯示,2000年城區面積為20 900.88hm2,2007年為29 839.05hm2,2015年為34 920.49hm2,2000—2007年間城市擴展面積為8 938.17hm2,擴張強度達6.11%;2008—2015年間城市擴展面積為5 081.44hm2,擴張強度達2.13%,可見前期的城市擴張強度明顯快于后期,約為后期的2.87倍。

其次,從市轄區尺度對太原市城市擴張強度進行具體分析,經ArcGIS10.2統計計算得2000年、2007年、2015年各轄區面積,將其代入公式得太原市各轄區擴展面積統計表(如表1)。可以看出,2000—2007年間城市擴展面積最大的是小店區,其次是尖草坪區和杏花嶺區,小店區擴張強度指標也為最大,其次是杏花嶺區和迎澤區;2008—2015年間城市擴展面積最大的仍是小店區,其次是晉源區和尖草坪區,但晉源區的擴張強度指標最大,其次是小店區和迎澤區。除晉源區外,其他五個區前期的擴展面積與擴張強度相比后期均較大,僅晉源區后期的擴展面積與擴張強度較前期大。綜上所述,在2000—2015年間,太原市城市擴展較快的行政區域是小店區與迎澤區,且前期擴張強度更大;晉源區后期擴張強度較大,說明晉源區后期的城市化發展潛力較大。

表1 2000—2015年太原市各轄區擴展面積統計表Tab.1 Statistical table of the expanded area of Taiyuan district from 2000 to 2015

3.2 空間緊湊度指標特征

通過計算得2000年、2007年和2015年的城市空間緊湊度指標分別為0.215，0.165，0.199,指標呈現先減小后增加的變化趨勢,表明太原市2000—2007年間城市擴展是一種以城市用地范圍不斷擴大為主的外延式擴展,2008—2015年間城市擴展則是以城市空間內部的填充為主,這是因為在此期間太原市城市內部的基礎設施與市政設施逐漸得到補充與完善,做到資源配置最優化[14],從而實現城市的不斷擴展。

3.3 空間擴展方向特征

圖2 2000—2015年城市形態等扇疊加分析圖Fig.2 The analysis chart of superimposed fan change form 2000 to 2015

為了更直觀地體現太原市城市用地在不同方位擴展的空間特征,采用等扇形分析法(如圖2),可以看出2000—2007年和2008—2015年這兩個時間段的城市擴展在各個方位上有著明顯的差異。2000—2007年間城市擴展主要集中在N,NNE,E,SE,SSE這5個方位上,在NEE,SEE,S,SW,NWW,NNW這6個方位上有少量擴展,而在其余的NE,SSW,SWW,W,NW這5個方位上基本沒有擴展;2008—2015年間城市擴展主要集中在SEE,SSE,S這3個方位上,在N,NNW這2個方位上有少量擴展,而在其余的11個方位上基本沒有擴展。總的來看,2000—2015年間城市擴展主要集中在SEE,SE,SSE,S這4個方位上,即東部和南部,而在西部和北部則擴展較少。

3.4 重心軌跡轉移特征

通過ArcGIS10.2分別對2000年、2007年、2015年的城市重心進行量算,并做出2000—2015年間太原市城市形態重心軌跡轉移變化圖(如圖3)。可見,15年間城市重心逐漸向東南方向移動,其中,2000—2007年間城市重心主要向東南擴展,重心轉移距離為536.36m,而2008—2015年間城市重心主要向南擴展,重心轉移距離為676.75m。總體來說,2000—2015年間太原市城市用地向東南方向擴展,重心轉移距離為1 115.57m。

圖3 2000—2015年城市形態重心轉移變化圖Fig.3 The shift chart of center gravity of urban from 2000 to 2015

4 城市擴展驅動因素分析

4.1 社會經濟因素

4.1.1 經濟發展因素 城市經濟發展是城市空間擴展的根本動力[15-16]。經濟的快速發展促使人們對城市工業區、居住區、基礎設施、娛樂設施和市政設施等的需求不斷增加,從而導致土地需求量不斷上升;同時經濟的發展提高了人們的收入水平,使其消費需求逐漸變得多元化與個性化而不僅局限于單一產品,消費者需求結構的變化,必然會帶動企業投入結構與產業結構的改變,第一產業開始向第二產業和第三產業轉移,第二、三產業的快速發展又促進了城市的經濟發展,二者相輔相成,互相促進,共同推動城市化進程。足見,經濟發展對城市化步伐與城市空間擴展的影響是極其重要的,其增長的快慢直接決定著城市的擴展速度與空間格局的演變。GDP是國民經濟計算的核心指標,也是衡量一個國家或地區總體經濟狀況的重要指標。對太原市城區面積與GDP數據進行相關分析,相關系數為0.979,表明城區面積與GDP具有較強的相關性。

通過太原市統計年鑒得2000—2015年六個市轄區的GDP數據(如圖4),在2000—2002年間各轄區GDP差異較小且增長緩慢,據太原市2003年政府工作報告可知,2002年是太原市率先發展的起步之年,這一年產業結構調整初見成效,工業經濟穩步增長,全市經濟快速健康發展,創“九五”以來最好水平,實現了率先發展的良好開局,所以2002年之后各轄區GDP開始大幅度增長并出現快慢之分。GDP增長速度最快的是小店區,在2002年之后一直呈上升趨勢,并在2015年達到轄區最高,其次是迎澤區,GDP也在不斷上升,但其增長速度明顯小于小店區。這一結果同上述城市空間擴張強度特征分析中得出的太原市城市擴展較快的行政區域是小店區與迎澤區的結論相一致,表明GDP的增長明顯促進城市空間的擴展。

圖4 2000—2015年各區GDP統計圖Fig.4 The statistical chart of district GDP from 2000 to 2015

4.1.2 人口增長因素 人口是城市活動構成中最活躍的組成要素,城鎮人口的增長是城市空間擴展的直接動力,主要表現在對住房用地的需求上,同時對基礎設施、公園綠地和道路建設等的需求也會增加[15]。通過對太原市城區面積與總人口做相關分析,二者相關性高達0.927,足見城市擴展面積同人口增長密切相關。

通過查詢2001—2016年太原市統計年鑒,繪制太原市2000—2015年人口統計圖(如圖5),可以看出太原市人口呈逐年增加趨勢,從2000年的308.75萬人到2015年的431.87萬人,增長幅度為39.88%。其主要原因可能是,隨著太原市第二、三產業的快速發展,城市用工數量需求增加,大量外來人口的進入使城市人口迅速增加,導致城市出現住房緊張、交通擁擠等一系列問題,政府不得不采取相應措施增加城市建設用地以緩解住房與交通壓力,促使了太原市城市空間的擴展。為了更具體的分析人口因素對市區擴展的影響,本文計算了2000—2015年各轄區的城鎮人口增長幅度,由大到小依次是晉源區(2.56)、小店區(2.07)、尖草坪區(1.12)、萬柏林區(0.92)、迎澤區(0.42)、杏花嶺區(0.37),可見晉源區和小店區的城鎮人口增長幅度較大,說明城鎮人口的增長在一定程度上會促進一個地區的城市擴展。

圖5 2000—2015年人口統計圖Fig.5 The statistical chart of the population from 2000 to 2015

4.2 自然環境因素

關于城市擴展多尺度驅動機制的研究,黃慶旭等認為一個地區的自然條件因素在微觀尺度上會影響城市的擴展,坡度、海拔等決定著土地的生物物理狀況,并得出影響城市擴展最明顯的因子是坡度和高程的結論[17]。

4.2.1 坡度因素 在分析坡度因素對城市擴展的影響時,根據“0-2-6-15-25-65”等級對坡度圖進行重分類分級,利用柵格分區統計工具得到不同等級坡度下的城市空間擴展面積(如表2)。在整個研究期間內,太原市城市擴展面積主要集中在0～25度低坡度之間,大部分集中在0～2度與2～6度之間,二者的擴展面積累積占比在前后期均達80%以上,在2～6度之間,兩期占比均在50%以上,其次是在0～2度之間,占比均在30%以上,表明太原市的城市用地范圍主要向低坡度區域擴展。

4.2.2 海拔因素 參考相關海拔分級[18-19],結合太原市海拔實際情況,根據“680-800-1 000-1 500-2 000”等級對DEM數據進行重分類分級,通過柵格分區統計工具得到不同等級海拔高度下的城區擴展面積(如表3)。可見在整個研究期間內太原市的城市擴展面積均集中在海拔680～1 500m之間,其中2000—2007年間城市擴展面積主要集中在800～1 000m之間,其次是680～800m之間,表明在此期間城市用地主要向較高海拔區域擴展,在2008—2015年間擴展面積主要集中在680～800m之間,其次是800～1 000m之間,說明在此期間城市用地主要向較低海拔區域擴展。

表2 2000—2015年坡度分區統計數據表Tab.2 The statistical table of the annual zoning declivity from 2000 to 2015

表3 2000—2015年海拔分區統計數據表Tab.3 The statistical table of the annual zoning altitude from 2000 to 2015

4.3 規劃政策導向因素

城市發展的方向受到相關城市規劃的制約[20]。2002年12月3日,山西省首條城際公交線路901路開通,由太原火車站開往榆次老城,自此同城化建設進入實質性操作階段。2011年4月,山西高校新區開始建設,2012年,國務院正式批準《山西省國家資源型經濟轉型綜合配套改革試驗總體方案》,并將太原晉中同城化列為城鄉統籌發展重點,即太榆同城化,是指山西省太原市與晉中市榆次區的城市一體化進程,是山西省在中部崛起背景下提出的構建太原經濟圈的重要組成部分。通過太榆同城化,太原市與榆次區在各方面聯系將越來越密切,更加強了它們之間的交通聯系,諸如城際公交的開通、軌道交通的開通以及太榆路的建設等,也推動了山西科技創新城與太原高校新校區的建設與發展,從而促進了太原市建成區向東南方向發展。

5 結 論

通過對2000年、2007年、2015年三期太原市遙感影像城市邊界的提取,引入城市擴張強度與緊湊度指標,通過指標分析、等扇形與空間重心軌跡轉移等方法探究城市空間擴展特征;同時結合太原市DEM圖件、各轄區GDP與人口數據及相關政策進行城市擴展驅動因素研究,得到如下結論:

1)在空間擴展特征方面:從指標分析上看,2000—2007年間太原市城市擴張強度較2008—2015年大;緊湊度指標先減小后增加的趨勢表明前期擴展特點是以城市用地范圍的外延式擴展為主,后期則以城市空間內部填充為主。從擴展方向上看,前期城市空間趨于東南方向擴展,重心轉移536.36m,后期則偏于向南方擴展,重心轉移676.75m;從行政區域上看,各轄區城市化發展較快的依次是小店區、迎澤區與晉源區。

2)在擴展驅動因素方面:從社會經濟因素上看,GDP的增長與城鎮人口的增加促進城市空間擴展;從自然環境因素上看,太原市城市的擴展面積主要分布在0～6度低坡度與680～1 000m低海拔區域;從政策導向因素上看,城市規劃政策調整也會影響一個城市的空間擴展方向。