濟南市城市空間擴展動態監測研究

尚媛

(山東省國土測繪院，山東濟南250102)

0 引言

城市是“城”與“市”的組合，是非農業產業和非農業人口集聚形成的較大居民點，其占據著一定的地表空間，形成了一定的用地輪廓形態，即為城市空間形態[1]。城市空間形態是指城市發展變化過程中城市空間在外部形狀、緊湊度和破碎性等方面所表現出的特征[2]，是城市自身動態發展與其所處的地域與自然人文環境、城市功能結構、空間規劃管理等共同作用的結果[3-4]。城市空間擴展是城市中心的經濟、社會、政治和文化等人文因素和土地利用、地貌形態等自然因素在地域上的向外推進與擴散[5]。城市空間擴展動態變化也是城市當前各領域學者研究的熱點問題[6-7]。目前，國內學者開展了大量全球化、城鄉統籌、低碳城市、智慧城市、宜居城市、生態保護等背景下的新城市空間形態研究，提出城市形態信息圖譜和新城—協作式、擴展—回波式等城市空間形態模式，同時也關注城市空間破碎化、城市形態趨同化、城市形態的歷史文化和精神內涵的表面化和淺薄化等城市形態發展過程中出現的新問題[8]。利用穩定、高效、嚴密的監測指標持續監測城市空間擴展情況，可以為構建科學合理的城市化格局、生態安全格局和實現緊湊集約、高效綠色發展提供數據支撐。

濟南市位于山東省中西部，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南山地丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候。濟南是山東省的政治、文化、教育中心，近年來發展迅速，城市空間不斷擴張。為了把握濟南市城市空間格局的結構性特征和發展模式，選取市中區、歷下區、天橋區、槐蔭區、歷城區、長清區、章丘區7個市轄區作為監測對象，利用多光譜遙感影像數據，結合專題資料和多源數據對濟南市城市空間擴展變化進行高精度、動態監測分析，研究結果對于把握城市土地利用變化情況、可持續發展、優化空間結構與布局、了解城市空間格局的演變有著十分重要的意義[9]，能夠為濟南市城區新型城鎮化建設、國土資源節約集約利用等提供客觀的監測信息和有力的技術保障[10]。

1 數據來源及預處理

1.1 數據來源

城市空間擴展動態主要利用2000、2005、2010、2015和2017年共5期的遙感影像數據來確定。其中，2000年使用 SPOT衛星影像，全色分辨率為10 m，多光譜分辨率為20 m；2005年使用DMC數碼影像，全色分辨率2.5 m；2010年使用ALOS衛星影像，全色分辨率2.5 m，多光譜分辨率為10 m；2015年使用天繪、資源一號、資源三號、高分一號等衛星影像數據，影像分辨率為全色2 m，多光譜為10 m；2017年使用0.5 m分辨率的航空遙感影像。

為了進行城市邊界提取及動態分析，使用了研究區域1∶10 000的“十一五”和“十二五”基礎測繪DLG數據、2015年地理國情普查數據、2017年基礎性地理國情監測數據，并利用了中國科學院資源環境科學數據中心提供的2000、2005、2010和2015年中國1∶10萬比例尺的土地利用數據。

1.2 數據預處理

影像類型多樣，經過像素工廠、PixelGrid等影像自動化處理系統進行糾正、融合、勻色、拼接、坐標轉換等處理后用于濟南市城區邊界的提取[11]。

城區邊界指行政界線內以一個或多個中心城區為基礎，在城鄉結合部通過邊緣擴展、軸線擴展或多中心擴展等擴展模式發展起來的，符合城市功能、具有城市景觀特征的集中連片的區域[12]。城區范圍包括街道辦事處所轄地域，城市公共設施、居住設施和市政公用設施等連接到的其他鎮(鄉)地域，面積＞600 000 m2的獨立的工礦區、開發區、科研單位、大專院校、大型社區等特殊區域。城區的界線為城區邊界。

依據歷年遙感影像資料解譯提取濟南市2000、2005、2010、2015和 2017年 5期的城區邊界[13-14]。采集城區邊界時沿城區邊緣邊界較明顯的地物(如院落、圍墻、道路、河流等)實際走向勾繪，地塊邊界不明顯或整個地塊未建成面積比例較大，則沿實際地物邊界勾繪。

2 城市空間擴展動態監測研究方法

2.1 城市擴展速度與強度

城市擴展強度是指在各個監測時期城市空間擴展的強弱和快慢。城市擴展速度表示在各個監測時期內城市空間擴展面積的年增長速率，表征各監測時期城市空間擴展的總體規模和趨勢。計算公式分別為

式中:Ni為城市擴展強度指數；Vi為城市擴展速度指數；ΔUij為j時段第i個研究單元城區擴展面積，km2；Δtj為j時段的時間跨度；Ai為第i個單元城區總面積，km2。

2.2 城市擴展空間方位

利用象限分位分析法，以2000年濟南市城市主城區輪廓質心為中心，以最小外接圓為半徑，將城區劃分為面積相等的8個扇形區，進行分區統計，比較分析不同空間方位的城市空間擴展差異，得到濟南市城市擴張空間分異特性，從總體上勾畫出城市建設用地擴展的空間形態，并分析得出主要擴展方位。

2.3 城市擴展空間形態

(1)分形維數

分形維數是利用面積和周長來衡量的，主要用來研究城市空間形態與空間，計算公式為

式中:St為t時期城市擴展分形維數；At為t時期城市斑塊的面積，km2；Pt為t時期城市斑塊的周長，km。分形維數的理論范圍在1～2之間，其值越大表示城區邊界形狀越復雜。當分形維數＜1.5時，說明圖形趨向于簡單；當分形維數＞1.5時，圖形相對復雜；當分形維數為接近1.5時，城區邊界的穩定性越差。

(2)緊湊度

城市形態的緊湊度隨著城市的周期性擴展而發生變化，是城區中心板塊群與城區中心斑塊群最小外接圓的面積的比值進行計算的，計算公式為

式中:C為城市空間擴展的緊湊度；R為城區中心斑塊群面積，km2；G為城區中心斑塊群最小外接圓的面積，km2。緊湊度在0～1之間時，其值越大，緊湊度越接近1，形狀接近于圓形，其緊湊度越好；反之，形狀緊湊度越差。

(3)城市空間擴展類型

利用凸殼原理識別城市用地空間擴展類型，以各監測時段基期年凸殼為基準，疊加分析各監測時段的城市空間擴展用地范圍，明確區分城市擴展用地為凸殼內用地和凸殼外用地，即填充類型和外延類型。

2.4 城市擴展占用土地類型

將城區邊界及各階段的擴展區域與土地利用數據套合，采用疊置分析方法獲得各監測時期城市空間擴展的各類土地類型的面積，并計算其百分比。

3 城市空間擴展動態監測結果與分析

3.1 擴展速度與強度分析

4個研究時段的城區擴展情況研究結果見表1。2000至 2017年間，濟南市城區擴展面積約為222.27 km2，濟南市城區空間規模擴展至監測初期的2倍，平均擴展速度為13.07 km2/a。濟南市城市空間擴展速度和擴展強度均呈“快—慢”交替、整體趨緩的態勢，2000至2005年均擴展速度和年均擴展強度最快，2005至2010年均擴展速度和擴展強度減緩，2010至2015年均擴展速度和擴展強度增快，2015至2017年均擴展速度和擴展強度最緩慢，且此監測段年均擴展強度僅約為2000至2005年監測段的28.5%。

表1 濟南市城區擴展情況研究結果表

3.2 擴展方位分析

2000至2017年間濟南市城區擴展分布圖如圖1所示。2000至2017年間濟南市城區向東擴展約為127 km2，東北方向擴展約為24 km2，西方向擴展約為19 km2，西南方向擴展約為26 km2，西北方向擴展約為12 km2，且在5個監測時段，城區向東擴展面積均大于向西擴展面積。

圖1 2000—2017年濟南市城區擴展分布圖/km2

濟南市城區擴展方位主要沿東西方向發展，以向東發展為主，與濟南市“東拓、西進、南控、北跨、中優”的城市空間發展戰略相符合。城市空間擴展受自然環境因素和社會經濟因素影響較大[15]，其中城區人口的增長、經濟發展以及基礎設施建設的投資等是影響城區空間擴張的方向主要社會經濟因素，城市的地形、地貌等條件是影響城市城市空間擴展的主要自然因素[16]。濟南市城區北臨黃河，中部山前平原帶，南部為魯中南山地丘陵區，一定程度上抑制了濟南市在山地方向的城市空間擴展情況。

3.3 擴展空間形態分析

3.3.1 分形維數及緊湊度

濟南市城區的分形維數如圖2所示。分形維數值在這5個監測時相均＞1.5，城區邊界圖形復雜。監測時間段中分形維數呈現增長變化，2000至2005年分形維數增大，城市空間形態的不規則程度變大，此監測期內濟南市城區面積的增加是以外部擴展為主；2005至2017年，分形維數變化較小，城市空間形態的不規則程度基本不變。

圖2 濟南市城區5個時段的分形維數圖

濟南市城區的緊湊度如圖3所示。濟南市城區的緊湊度在5個研究時＜1，2000年緊湊度指數相對于其他年份數值略大，2000至2017年緊湊度先降低再增大，整體呈現降低的趨勢，說明濟南市從迅速發展的階段逐漸內部填充、改造發展階段。

3.3.2 擴展類型

圖3 濟南市城區5個時段的緊湊度圖

采用凸殼原理計算濟南市城區空間擴展情況，因濟南市行政區劃分布比較分散，將城區斑塊按空間布局分組后計算，得出濟南市擴展面積和外延面積，并對其擴展類型進行分類。濟南市城區空間擴展類型見表2，濟南市城區2000至2005年主要以外部擴展為主，2005至2017年以內部填充為主。城市空間擴展用地逐漸以填充為主，不但減少了見縫插針式、沿邊沿路蔓延式的城市擴展方式，促進了城市的緊湊式發展，還提高了城市土地利用效率，縮短了城市內各部分之間的聯系距離。

表2 濟南市城區空間擴展類型演變表

3.4 擴展占用土地類型

濟南市城區擴展占用的土地類型見表3。可以看出監測時段內濟南市城區空間擴展土地類型以耕地為主。2000至2005年耕地的比例最高，隨著城市發展，耕地比例逐漸減少，由最高74.25%減少至49.59%，而建筑用地的比例逐漸增高，由最低16.33%增加至38.79%。與緊湊度、分形維數和擴展類型對應分析，城區擴展模式由外部擴展逐漸轉變為內部填充。

表3 濟南市城區擴展占用土地類型統計表/%

4 結論

利用2000、2005、2010、2015 和 2017 年 5 個時相的遙感影像數據，并結合地理國情監測數據、土地利用數據等專題資料，對濟南市城區的擴展面積、擴展速度、擴展方位、擴展形態、擴展占用土地利用類型等進行了分析，得到以下結論:

(1)2000至2017年間，濟南市城區主要向東、西兩翼拓展。濟南市城區擴展面積約為222.27 km2，平均擴展速度為13.07 km2/a，年均擴展速度和擴展強度均呈“快—慢”交替、整體趨緩的態勢。

(2)濟南市城區在5個監測時相的分形維數值均＞1.5，城區邊界圖形復雜；緊湊度指數均＜1，形狀緊湊度較差。2000至2017年擴展類型由外延逐步轉變為填充，城市發展由低密度的蔓延逐步向集約節約利用轉換。

(3)2000至2017年，濟南市新增城區的土地來源主要為耕地，其次為建設用地，且耕地占比逐年減少，建設用地占比增高。濟南市城區的城市空間擴展土地利用變化以單一的“耕地轉為建設用地”為主轉向復合型的“耕地轉為建設用地”和對建設用地的再利用。