開封市城市擴張動態監測及驅動因子分析

劉昭華， 張春艷

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，贛州 341000)

0 引言

城市作為一種特殊地域空間的存在，是自然社會經濟的綜合結果，是一個國家經濟發展的重要載體，它的產生及發展以空間土地利用為主要依托。20世紀90年代以來，經濟驅動及政策調控促使城市建設用地持續擴張，許多學者對此展開了廣泛研究[1]。Masek等[2]利用Landsat遙感影像對華盛頓1973—1996年城市擴張過程進行了動態監測及演示；Braimoh等[3]利用Landsat TM影像對城市土地利用變化的空間因素進行研究，反演了拉各斯市的城市擴張演變過程；何春陽等[4]利用長時間序列的Landsat TM/MSS數據，對北京市1975—1997年城市化基本過程和驅動機制進行了分析研究，對城市規劃、產業發展和土地空間格局的變化研究提供了關鍵技術；曾永年等[5]根據地表熱特性與城市擴展強度的關系，以長沙市為例，利用地圖密度指數，定量確定長沙市的擴張范圍及其發展強度；劉慶等[6]利用1999—2008年土地利用變更調查數據和統計年鑒數據，研究10 a間長株潭城市群耕地資源的時空格局變化；楊曉楠等[7]針對HIS指數的缺點，構建了改進的居民地指數，有效降低了研究區裸土及水體對城市信息提取的影響，利用DMSP-OLS夜間燈光數據和可見光-近紅外遙感影像對中國和美國城市進行提取; 劉盛和等[8]以多期遙感數據為基礎，將RS和GIS技術相結合，對城市擴張的面積變化、擴張速度等進行了空間變化特征的研究演示；華偉等[9]以經濟發展迅猛的上海市為研究區，強調要在節約土地資源基礎上選擇城市發展的模式；吳次芳等[10]采用經濟計量等方法從定量方面探討了城市化與城市用地增長的動態關系，指出城市建設用地增長的同時也帶動了城市化發展。但到目前為止，在對我國的城市擴張研究中，研究對象大多是大城市及沿海發達城市，中部城市用地擴張研究較少，這樣很難從整體上把握我國城市擴張的狀況。

河南省開封市是國家歷史文化名城，著名旅游城市，中原城市群核心區的中心城市之一[11]，故及時系統、全面地了解其用地擴張過程顯得尤為重要。本文采用開封市區1990年、1994年、2001年、2004年、2009年及2015年6期Landsat遙感影像，采用支持向量機監督分類方法和人機交互影像解譯方法進行土地利用分類，提取各時期城市建成區范圍；運用城市擴張分析指數，揭示1990—2015年間開封市城市建成區的擴張變化及空間分布特征，并對其驅動因子進行分析，為開封市城市用地變化動態監測、土地可持續利用及生態環境保護提供依據，也為我國中部的發展中城市進行區域開發提供借鑒。

1 研究區概況

開封市位于河南省中東部、黃河下游南岸的E113°52′15″～115°15′42″，N34°11′45″～35°01′20″之間區域，東與商丘市相連，西與省會鄭州市毗鄰，南接許昌市和周口市，北依黃河與新鄉市隔河相望。開封市簡稱汴，作為國務院首批的國家歷史文化名城之一，它承載著厚重的歷史文化，先后曾有夏、魏、后梁、后晉、后漢、后周、宋和金等8個王朝建都于此，史稱八朝古都，也是我國6大古都之一。現開封市下轄鼓樓、龍亭、禹王臺、順河和祥符5個市轄區，以及尉氏、蘭考、杞縣和通許4個縣。作為我國重要的商品糧生產基地以及重要的歷史文化旅游城市，開封市的社會經濟發展條件較好，近年國民經濟增幅顯著，但整體上還是屬于我國欠發達地區之一。

2 數據源及數據處理

2.1 數據源

選用1990年、1994年、2001年、2004年和2009年的Landsat TM及2015年Landsat8 OLI遙感影像作為主要數據源；采集時間為8—9月，均為無云高質量影像，滿足應用需求。

非遙感數據主要包括河南省行政區劃圖、開封市行政規劃圖、開封市矢量邊界、1990—2015年開封市社會經濟統計資料、河南省統計年鑒及開封年鑒統計資料等。

2.2 數據處理

選取開封市的5個市轄區為研究對象，利用ENVI5.3軟件對6期遙感數據進行輻射定標和大氣校正，并以2015年影像為基準進行幾何糾正。利用開封市矢量邊界裁剪出研究區域，采用支持向量機監督分類方法進行土地利用解譯、分類；結合ArcGIS10.2軟件對解譯的影像做空間統計分析，繪制出6個時期的土地利用現狀圖，并采用人機交互解譯方式分別提取各時期開封市城市建成區。

獲取開封市各時期的社會經濟統計數據，利用SPSS19.0軟件對數據進行標準化，并進行因子分析，得出1990—2015年間開封市城市用地擴張中的主要驅動因子。

3 結果與分析

為進一步反映城市擴張特征，從定量和定性2個角度，即城市擴張數量和空間分布形態2方面對開封市25 a間的城市建成區變化進行分析。

3.1 城市擴張數量分析

3.1.1 擴張分析指標

采用的城市擴張數量分析指標主要包括：建成區面積變化、面積相對變化率、年均擴張速度及擴張強度指數。

1)建成區面積變化。建成區面積變化是城市擴張最直接的表現，公式為

ΔS=Sb-Sa

(1)

θ=(Sb-Sa)/Sa

(2)

式中：ΔS為建成區面積增量；θ為建成區面積相對變化率；Sa為研究區前一期的建成區面積；Sb為研究區后一期的建成區面積。

2)擴張速度。公式為

ESI=(Sb-Sa)/T

(3)

式中：ESI為年均擴張速度；T為時間間隔，a。

3)擴張強度。城市擴張強度主要用于比較不同時期城市擴張的快慢及強弱程度，可用城市年均增加面積和基年面積之比來表示[12]。該數值越大，表示擴張速度越快，即

EII=[(Sb-Sa)/Sa]/T×100%

(4)

式中EII為城市擴張強度指數。

根據上述公式分別計算各個時期各城市擴張數量分析指標，結果如表1所示。

表1 1990—2015年開封市建成區擴張情況分析

由表1可得，25 a間開封市建成區面積在不斷擴大，從1990年的38.08 km2增加到2015年的125.86 km2，呈現中高速擴張增長趨勢。其中，1994—2001年城市建成區擴張強度最大，但由于其年份間隔也是最長，所以擴張速度并不是最大；2009—2015年間建成區面積增長量最大，面積相對變化率也是最大，并且在此期間城市擴張顯著，擴張強度指數達5.56 a-1%。

3.1.2 城市擴張空間形態分析

城市空間形態變化反映了城市的空間布局結構情況。通過對城市空間形態變化的分析，可以歸納總結出該城市擴張的過程和擴張規律，從而為該地區的區域規劃及土地管理提供借鑒[13]。在ArcGIS軟件中，將提取的各時期建成區進行疊加分析，并賦予不同的顏色。建成區變化情況如圖1所示。

圖1 1990—2015年開封市城市建成區變化示意圖

圖中，黃色為1990年開封市建成區的基礎范圍；紅色為1994年比1990年增加的范圍，即1994年建成區實際范圍應為紅色區加黃色區；依次類推，可知各時期開封市建成區的實際范圍(不考慮區域內個別圖斑變化)。

采用城市平均中心及標準差橢圓揭示開封市城市擴張空間形態的分布變化。

1)城市平均中心。城市平均中心位置的轉移是城市擴張的表現形式之一，一定程度上能夠反映城市擴張的時空過程及方向性，即

(5)

(6)

結合ArcGIS軟件，在Excel表格中計算出25 a間開封市城市平均中心位置差異。地理空間參考統一采用WGS84坐標系統，計算結果如表2所示。

表2 開封市25 a間城市平均中心坐標位置變化

由表2可知，25 a間開封市城市平均中心坐標變化量為：ΔX=-2.75 km，ΔY=0.56 km，中心整體向西北方向移動；其中2009—2015年，城市中心向西移動最為明顯。

2)標準差橢圓。標準差是定性反應空間數據分布的參數之一，其長半軸表示數據分布的主方向，短半軸表示垂直主方向的數據分布趨勢。橢圓的扁率越大，表示數據分布的方向性越明顯[14](圖2)。

圖2 1990—2015年城市中心及標準差橢圓方向分布

根據上述中心坐標值繪制出開封市各時期的城市平均中心及標準差橢圓，由圖2可知，1990—2015年間，標準差橢圓面積不斷增大，說明建成區呈擴張趨勢；1990—2009年的標準橢圓長短半軸相差不大，說明城市呈均衡擴張；2015年的標準差橢圓面積突增，扁率顯著增大，表明城市擴張方向性更加明顯，呈西擴狀態，與表1中的面積變化統計量也能保持一致。

3.2 城市用地擴張驅動因子分析

城市擴張的影響因素主要分為自然因素和社會經濟因素2大類，其中起主導作用的因素是城市社會經濟活動[15]。本文從定量分析和定性分析2個角度對開封市1990—2015年間城市用地擴張的驅動因子進行分析。

3.2.1 開封市地類轉換

為了對城市用地擴張的驅動因子進行分析，利用ArcGIS軟件對1990年和2015年的開封市土地分類矢量圖進行疊加分析。利用2015年建成區矢量邊界對1990年土地分類矢量圖進行裁剪及疊加分析，得出1990—2015年間開封市區土地利用類型轉移矩陣，結果如表3所示。

表3 開封市1990—2015年地類轉換矩陣

由表3可知，1990—2015年間，建設用地面積不斷增加，各土地類型都有向建設用地轉換，林地、耕地面積大幅度減少，草地/園地、裸地及水域面積變化相對不明顯。由于大量的耕地、林地分布于城市的郊區，隨著研究區城市面積的擴張，尤其2009—2015年間城市大面積西擴，首先占用的就是位于城鄉結合部的耕地及林地。隨著城市的發展，開封市大力發展旅游事業，綠地及水域覆蓋面積有所增加。

3.2.2 驅動因子定量分析

從研究區實際情況出發，收集開封市相關社會統計數據作為指標，對開封市城市用地擴張進行分析。指標數據主要包括年末全市總人口數、全市生產總值、全年全社會固定資產投資、社會消費品零售總額、第一產業增長、第二產業增長及第三產業增長等社會經濟數據。考慮到數據指標單位不一致性[16]，故采用標準化數據進行討論，如表4所示。

表4 開封市城市擴張驅動力標準化數據

使用SPSS19.0軟件對數據進行分析。由于因子分析結果中只能看出各變量間的相關性，并不能對其作出直接的判斷，故此對各個指標作了主成分分析，得出特征值及方差百分比，結果如表5所示。

表5 成分矩陣

由表5數據分析得出，前2個因子的特征值之和占總方差的88.475%，其中第一成分F1特征值為4.375，占總方差的62.495%，第二成分F2特征值為1.819，占總方差的25.980%，即這2個主成分可以用來反映原始指標數據的相關信息。故得出第一、第二主成分為主要的驅動因子。根據數據分析的成分矩陣及特征值，計算成分得分系數，如表6所示，第一主成分與年末全市總人口、全市生產總值、全年全社會固定資產投資及社會消費品零售總額4個指標有較強的相關性，主要是人口及經濟發展情況；第二主成分主要與第三產業增長相關，反映的是經濟發展變化情況。綜上所述，人口及經濟發展是開封市城市擴張變化的主要驅動因子。

表6 成分得分系數

3.2.3 驅動因子定性分析

1)人口因素。人口增長對土地的需求是土地利用狀況變化的主要原因之一[17]。開封市年末人口總數從1990年的416.93萬人增加到2015年的516.69萬人，常住人口達到454.26萬人，自然增長率為5.16‰，城鎮化率達到44.23%。隨著城市化進程的推進，非農業人口越來越多，城市用地需求問題隨之而來，城市人口數量的增加帶來了城市用地的擴張變化[18]。

2)經濟因素。張琦等[19]從宏觀經濟學角度分析，認為在土地自然供給量足夠的情況下，城市只要存在用地需求，向外擴張的趨勢必然存在。城市經濟的快速發展是城市擴張的根本驅動力。根據統計數據，1989年開封市國內生產總值僅為44.14億元，到2015年增至1 604.8億元，增加36倍多，經濟發展迅猛；同時全年全社會固定資產投資由1990年的2.55億元增長到2015年的1 354.45億元，不僅是數值上近530倍的差異，更體現了開封市近年來的迅速崛起，經濟繁榮；社會消費品零售總額由1990年的23.7億元增長至2015年的747.14億元，國有及國有控股投資相對往年呈現增加趨勢，民間投資包括第一、第二及第三產業穩步增長；截止2015年末，第一產業增加值為285.20億元，增長4.40%，第二產業增加值為657.84億元，增長9.10%，第三產業增加值為661.79億元，增長12.30%，3項產業結構呈17.8∶41.0∶41.2的比例，整體上第一產業呈下降趨勢，第二、第三產業呈上升趨勢，并且第三產業比重首次超過第二產業。隨著《鄭汴新區的總體規劃》[20](2009—2020年)文件的實施，開封市也吸引了很多國內外各行各業眾多企業的投資，帶動了經濟的發展；同時開封市作為“八朝古都”，更是黃金旅游勝地，旅游業及服務業成為全市重點的發展項目，加快了城市新格局建設的步伐，不僅帶來了全市產業結構布局的變化，隨之而來的還有大量的流動人口及旅游收入。

3)其他因素。在《開封市城市總體規劃(2008—2020)》中提到，開封市城市空間發展采取“中疏、北控、東調和南改”的策略布局，重點是向西發展，建設汴西新區，構筑面向區域的產業和服務職能[21]。

城市交通是城市各項產業發展的基礎，交通基礎設施的大規模需求促使城市交通網絡不斷擴大，促進了土地利用的變化[22]。隨著《鄭汴新區的總體規劃》工作的推進，特別是汴西新區的大力建設，連通鄭州的東西方向交通路網在逐漸增加完善中，這與上述結論中開封市城市西擴現象相一致。

4 結論

本研究基于開封市6個時期的Landsat系列遙感影像，運用支持向量機監督分類方法對開封市土地利用進行分類，提取城市建成區，并分析了各時段的城市擴張及空間分布形態；同時結合相關社會經濟統計數據，通過SPSSl9.0統計分析軟件中的因子分析方法得出2個主要因子，并在此基礎上對其主要驅動力進行定性分析，得出主要結論如下：

1)1990—2015年間，開封市城市建成區呈持續擴張，由1990年的38.08 km2增加到2015年的125.86 km2，年均擴張速度為3.51 km2/a，呈現中高速擴張。

2)1990—2015年間開封市城市平均中心位置的變化呈西北方向擴張趨勢，其中2009—2015年間，建成區西擴現象更為明顯，擴張范圍更廣。

3)利用SPSS19.0軟件對社會統計數據進行主成分分析，得出城市人口數量及經濟發展等是開封市區建設用地擴張的主要驅動因素，其中經濟發展對城市擴張有著根本性的影響。

在對開封市城市擴張空間形態分析過程中，統計了各時期城市平均中心及對應的標準差橢圓，但僅定性分析了城市擴張的方向性，未從幾何學角度具體分析在各個方向的擴張變化量。定量地刻畫其空間分布特征，有待做進一步深入研究。