銀川市近30年城市擴展時空演變

張佳瑜, 白林波, 楊美玲

(寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021)

當前，中國經濟正處于快速增長階段，城市化水平不斷提高，城市擴展不斷加劇[1]，城市空間向外圍擴展或者內部調整重組，城市土地利用結構發生顯著的變化，人地矛盾將更加突出。城市擴展是城市化研究的重要部分，城市時空擴展的階段過程中蘊含著大量的信息，這些信息不僅可以用于探索城市發展的特征與規律，更能發現城市化中存在的問題[2]。加強城市擴展研究，可以為城市總體規劃設計提供理論基礎，有效地引導和調控城市的擴展速度和方向。

遙感數據源具有空間尺度大、獲取周期短、信息量豐富等優點，近年來逐漸成為城市擴展研究的主要手段[3]。空間擴展具有明顯的地域特征，必須切實加強對城市空間擴展的理論和實證研究，嚴格根據城市演變的時空規律來制定相關政策并指導開發活動[4]。國內學者對我國城市開展了城市擴展時空特征方面的研究，積累了豐富的經驗，鄧羽、王帥和王濤等利用多源遙感數據和城市擴展理論分別研究了北京、上海、西安等城市的擴展，并對其驅動力進行分析[5-7]，研究表明，城市空間擴展的研究內容逐漸向綜合性、交叉性方向發展，涉及了城市用地擴展的空間過程、驅動力、格局及模式；徐進勇、王厚軍和李曉燕等分別研究了珠江三角洲主要城市、沈陽、成都、哈長城市群和德令哈等城市的擴展特征[8-12]，以GIS和RS為主要研究方法，時間跨度向中長期過渡，研究區域以東部大城市為主，開始向中西部城市過渡。總體來說，城市擴展的研究內容已經不斷地向更深的機理分析和調控措施發展，同時也要看到，研究對城市化速度顯著上升的具區域性代表的中等城市關注較少。

銀川作為中國西北干旱區域中心城市，具有干旱區平原地區城市的特點，近年來城市擴展的速度很快。有學者從城市統計資料、景觀生態等角度分析了銀川市城市結構及其演化情況，但是在城市空間擴展演變及城市形態變化方面缺乏深入研究[13-14]，而且在“一帶一路”戰略下，銀川市發展面臨新的機遇與挑戰，城市規劃布局出現新的狀況。本文采用銀川市多個時相的Landsat TM/ETM/OLI影像數據，結合GIS技術，對銀川市城市空間擴展的時空演變特征進行分析，揭示城市發展規律，以期為城市建設與發展規劃的制定提供一定的參考。

1 研究區概況

銀川市位于黃河上游寧夏平原的中部，北緯37°29′—38°53′、東經105°49′—106°53′，東臨黃河，西屏賀蘭山。銀川市是寧夏的軍事、政治、經濟、文化、科研、交通和金融中心，國家歷史文化名城，西北地區重要的中心城市，是國家西部大開發戰略中隴海蘭新經濟帶的重點發展城市，“一帶一路”建設的重要節點城市，國家向西開放的窗口。本次研究區域為興慶區、金鳳區、西夏區3個市轄區。

2017年，銀川市常住人口達222.54萬人，GDP達1 617.28億元。由于歷史發展原因，銀川市自東向西形成由興慶區、金鳳區和西夏區3個部分形成多中心并聯式布局的模式。為加快城市化進程，1996年，銀川市決定在金鳳區進行經濟開發區建設，拉開了城市快速擴展的序幕；2002年,提出建設銀川為“現代化中心區域性城市”,以適應國家“西部大開發”的戰略目標，大銀川建設戰略開始實施；2005年提出“推進以銀川為龍頭的沿黃城市帶建設”的發展戰略，進一步加快了銀川市的城市化進程。2016年，十三五總體規劃將中心城區發展方案調整為“南進、北拓、東優、西控”。目前形成了以興慶區為商業區、金鳳區為行政區、西夏區為教育區的功能布局。隨著“一帶一路戰略”的推進，銀川市將迎來新一輪的快速發展期。

2 研究方法與數據獲取

2.1 數據資料

本次研究采用了Landsat TM/ETM/OLI影像，獲取具體時間分別是：1991年8月30日，1999年8月12日，2006年9月16日，2011年6月18日，2017年9月6日，影像空間分辨率為30 m，其中1991年、2011年為TM影像，1999年、2006年為ETM影像，2017年為OLI影像(影像均從地理空間數據云下載)。

2.2 數據處理

建成區指實際開發和建設起來的、集中連片的、具備基本市政公共設施的地區[15]，在城市擴展過程中可能會出現一些離散的獨立閉合區域。本文數據處理中，影像坐標系采用UTM，在軟件ENVI 5.3平臺下進行影像的幾何校正、增強處理和研究區裁剪，影像采用標準假彩色合成，在標準假彩色圖像上，城市影像特征為灰藍色，植被為紅色，因此建成區邊界較易提取。在ArcGIS 10.2平臺下，根據影像特征，人機交互提取研究區各時期的建成區邊界，并進行面積統計，得到研究區各時期的建成區邊界(圖1)和面積。結合實地驗證，確保圖像邊界判讀的準確率在90%以上[16]。

2.3 研究方法

為了定量分析研究區城市空間擴展的速率、位置和方向等特征，在ArcGIS 10.2平臺下，對研究區采用等角度法劃分區域，應用城市空間擴展速率、城市空間擴展強度、城市空間重心指數、城市空間緊湊度和城市空間分形維數等定量指標，利用GIS的空間分析技術對城市空間發展趨勢、空間格局演變和空間形態特征進行分析。

(1) 等角度法。等角度法分析是指取研究區的重心和某方向為邊界，將研究區劃分成若干角度相等的區域，與各時相進行疊加，通過計算不同方位的擴展指數描述城市空間變化[17]。在本研究中，以研究初期的城市重心為起點，東偏北22.5°方向為基線，隔45°作射線，將城區劃分為8個區域，據此分析不同時段各個方位擴展強度和方向，研究空間格局演變特征。

注：圖中空白為建成區。

圖1 研究區不同時相建成區

(2) 城市空間擴展速率。此指標研究城市空間研究期內的面積變化，計算公式為：

(1)

式中：Vab表示城市空間擴展速率;Sa表示研究初期面積;Sb表示研究末期面積;ΔT表示間隔時間。

(3) 城市空間擴展強度指數。此指標是對空間擴展速率的標準化處理，計算公式為：

(2)

式中：Eab表示ab時段間的擴展強度指數，其余符號同前。

(4) 城市空間重心指數。城市空間重心是描述城市空間分布的一個重要指標，通過城市重心遷移變化可研究城市空間格局的變化[18]，計算公式為：

(3)

(4)

式中：Xt，Yt分別表示研究年份t時的城市空間重心的橫、縱坐標(m)；n為城市中的建成區地塊的數量；i表示建成區地塊的編號；Sti表示第i塊建成區的面積。

(5) 城市空間緊湊度指數。緊湊度指數是衡量城市空間形態變化的重要指標[19]，公式為：

(5)

式中：Q為緊湊度指數；S為城市建成區總面積；C為城市建成區各斑塊的周長總和。

(6) 城市空間分形維數。分形維數是描述分形結構的特征指標[20]，公式為:

(6)

式中：F是分形維數，其余符號同前。

3 結果與分析

3.1 城市空間擴展時序變化特征分析

城市用地規模的數量變化，可以通過建成區面積在時間維上的變化進行分析。應用ArcGIS 10.2平臺將5個時相的建成區邊界疊加(圖2)，并統計出5個時相銀川市建成區面積，根據公式(1)，(2)，計算得到不同時期研究區城市空間擴展數據(表1)。可以看出，銀川市城市面積從1991年的38.78 km2增加到2017年的243.74 km2，增長了6.29倍，擴展速度為7.88 km2/a，由于研究初期城市面積基數較低，擴展強度指數高達20.32%。研究期內，銀川市城市擴展速度一直在加快。

圖2 研究區不同時期的城市擴展過程

1991—1999年為研究期第一時段，城市面積擴展了16.74 km2，年均擴展速率處于整個研究時段的最低水平，為慢速增長期；在1999—2006年的研究期第二時段，銀川市進入了城市空間快速擴展期，城市面積擴展66.35 km2，年均擴展速率為9.48 km2/a，擴展強度指數達17.07%，這一指標在研究期間達到了頂峰，為1991—1999年的3.17倍；2006—2011年為研究期第三時段，銀川市保持著快速擴展，擴展面積53.73 km2，年均擴展速率為10.75 km2/a，擴展強度指數為8.82，與1999—2006年相比，年均擴展速率繼續增加，擴展強度指數開始回落；研究期最后一個時段是2011—2017年，城市空間擴展了68.14 km2，年均擴展速率進一步增加，達到11.36 km2/a，為研究期的最大值。

表1 研究區不同時期的城市空間擴展情況

不同時段面積擴展是相異的。第一時段：1996年，銀川市進行了城市總體規劃的修編，確定進行高新技術開發區的建設項目，該項目實施是第一時段城市面積擴展主要原因，城市面積增長來源單一，擴展速率較慢。第二時段：2000年，國家提出了西部大開發的重大戰略決策，銀川市作為西北地區重要的中心城市，是國家西部大開發戰略中隴海蘭新經濟帶的重點發展城市，明顯地改善了交通、能源、通訊等方面的基礎設施，并且城市結構和功能布局也開始逐漸完善；2002年，銀川市提出了“跳出銀川看銀川，立足全國看銀川，面向世界看銀川”的發展理念，開始以“建設一個大銀川”的視角整合城市空間布局，進行了大規模地老城區改造，周邊用地擴展迅速，整個研究期內，這一時段城市擴展強度最大，變化最為明顯。第三時段，延續了前一時段的擴展趨勢，城市空間擴展主要來自“城中村”大改造的繼續以及高新技術開發區的建設。第四時段，擴展速率達到研究期最高的11.36 km2/a，這一時期擴展原因主要是研究區的舊城改造和新區開發以及對外交通建設等，如BRT1號線的建造完成、懷遠西路地下綜合廊道工程、滿城南街、滿城北街地下綜合廊道工程、銀西高鐵工程、銀川濱河黃河大橋工程等，進入了銀川最大規模的城市擴張期。隨著“一帶一路”建設的推進，可以預測，銀川城市空間快速擴展期仍將繼續。

3.2 城市空間格局演變擴展分析

應用ArcGIS 10.2的要素轉點模型求出不同時期各地塊的幾何中心，同時，為了更直觀簡明地分析銀川市城市擴展在不同方位的情況，采用等角法對區域進行劃分。以1991年銀川城市重心為基點，選取8個方位把地圖進行象限劃分為8個部分，按傳統習慣命名為正東、正西、正南、正北和東北、西北、西南、東南共8個方位(圖3)。應用公式(3)、(4)計算各時期城市空間重心變化相關數據(表2)，并統計不同方位區域內建成區擴展面積、擴展速率和擴展強度(表3—5)，分析城市整體變化過程和各方向上城市空間擴展特征。

圖3 研究區8個方位的城市擴展過程表2 研究區各時期城市重心變化

時間重心坐標X/m重心坐標Y/m重心轉移距離/m重心轉移角度1991年604182.30714259386.9061999年604884.24944259206.638724.72345.60°2006年605766.81844258930.02924.90342.60°2011年605093.39144258932.391651.05180.01°2017年605047.77964258379.243554.84262.96°

3.2.1 全時段內城市空間格局演變擴展分析 1991—2017年，城市格局發生了重大變化。1991年，銀川市建成區呈東西城區分離發展的狀況，西面(西夏區和金鳳區西部)略偏北而東面(興慶區)略靠南，兩部分通過交通主干道連接，按八方位來看，正西為15.98 km2，占41.2%，正東13.14 km2，占到了33.9%，西南僅有0.04 km2，而東北、正南兩方位的建成區面積極少，可以忽略；到了研究期末(2017年)，整個銀川建成區已經連成一片，形成了整體發展的態勢，8個方位中，城市建成區面積以正東最高，為54.63 km2，占總面積的22.4%，其次為東南方位，達到了48.93 km2，占總面積的20.1%，正西為42.56 km2，占總面積17.3%，排在第三；而正南以6.26 km2，正北以9.03 km2成為建成區面積最少的兩個方位，僅占總面積的2.6%和3.3%(表3)。

表3 研究區不同時期8個方位建成區面積和擴展面積 km2

表4 研究區不同時期8個方位建成區擴展速率 km2/a

表5 研究區不同時期8個方位建成區擴展強度 %

通過城市擴展面積的大小可以分析出城市方位擴展特征。東南、正東是銀川市城市空間的主要擴展方向，分別擴展了48.93 km2，41.49 km2；而正南、正北方位擴展最小，僅為6.26 km2，8.05 km2。東南、正東、西南、正西方向的擴展速率較大，都超過了1 km2/a，正南、正北兩方向分別是0.24 km2/a和0.31 km2/a，擴展速率較低(表4)。

從擴展強度來看，因為研究初期建成區面積太小或沒有，東北、西南和正南方位討論擴展強度沒有意義；東南方向擴展最快，擴展強度達到50.08%，正北擴展也較快，擴展強度達到31.59%，但由于初始面積太小，實際擴展面積并不多，正西擴展最慢，僅為6.40%(表5)。

城市空間擴展也體現在城市重心變化上(表2)。銀川城市重心在向東南移動后、向西移動、最后在南移的同時緩慢西移，說明銀川建成區在整體上是在向東、南擴展，而其他方位相對發展較慢；從三區的范圍來看，興慶區的南北擴展較快，建成區邊界已經接近行政邊界，而金鳳區的南北方向，西夏區的西面、南面和北面都有足夠的空間可供擴展。

3.2.2 不同時段城市空間格局演變擴展分析 由于各個方位不同時段的擴展面積不同，其擴展強度也不盡相同。1991—1999年，銀川市整體處于緩慢發展期，正北、西南基本沒有擴展，擴展強度為0；而正南、東北初期面積為0，沒有擴展強度；正東區域(即興慶區西側)的高新技術開發區擴展了10.32 km2，擴展強度達到了9.82%；東南區域擴展了2.12 km2，但由于初始面積不大，擴展強度達到了7.59%。位于兩城區之間的非城市區域開始被城市用地填充，這使得城市重心向東(345.60°)方向移動了724.72 m。

1999—2006年，銀川市開始了快速擴展期，各方向都有所擴展，尤其正東、東南擴展最多，分別為18.62 km2，17.53 km2，擴展強度為11.34%和44.64%，正北、西北的擴展強度也達到了39.36%和23.31%，正南最少，僅0.77 km2，而因初期東北、西南、正南建成區面積太小，擴展強度指數極大或不存在，討論擴展強度沒有意義。城市重心繼續向東南(342.60°)方向移動924.9 m，建成區有一個明顯的變化就是東西兩城區在空間上連接到了一起，這個時期，銀川市同時快速進行兩城區間的空間填充和向外擴展。

2006—2011年，建成區面積繼續全面擴展，擴展最多的是正西，為14.10 km2，擴展強度為11.21%，是該區域的最高值；各方向擴展強度都較高，東北、西南因2006年建成區面積較小，其擴展強度達24.5%和37.91%，正南方向繼續緩慢擴展，面積增加了0.38 km2。城市重心向西(180.01°)移動651.05 m。

2011—2017年，建成區繼續快速擴展，擴展的方向開始轉向西南和東南，增加面積達18.92 km2，17.41 km2，擴展強度為23.67%和9.21%。西南方位增長較大，是因為西夏區南邊屬于鄉鎮居民集中區域，比較容易擴展為建成區；位于銀川市區東部的興慶區，北、南擴展都已經到達了行政邊界，銀川市市區慢慢突破了傳統的直轄三區范圍，向北朝賀蘭、向南朝永寧兩縣延伸。重心向南(262.96°)移動了554.84 m，表明這一期間向南擴展為主要方向。從空間格局演變來看，符合銀川市“十二五”城市總體規劃“南進、北拓、西優、東控”的城市布局。

3.3 城市空間擴展形態演變特征分析

應用式(6)計算得到研究區各時期緊湊度指數和分形維數(表6)。可以看出，在整個研究時段內，建成區緊湊度指數較低，整體上保持上升趨勢，由0.17逐漸增長到0.32；分形維數初期較高，整體上有較大的下降趨勢，從早期的1.71下降到1.25。值得注意的是，2006—2011年，緊湊度并沒有隨擴展增加，反而下降了0.03，由0.24下降到0.21；同樣地，分形維數上升了0.03，由1.39上升到1.42。

表6 研究區各時期城市形態指數

1991年較低的緊湊度指數和較高的分形維數，說明在研究初期，銀川市建成區相對松散，銀川市建成區處于東西城區分離狀態，兩城區通過交通主干道連接，建成區形狀整體上呈啞鈴狀。1991—1999年、1999—2006年，緊湊度指數保持上升，分形維數持續減少，說明在這兩個時段，銀川城市面積的擴展以內部邊緣填充為主，建成區也由東西分離擴展到連成了一個整體，建成區形狀開始呈條帶狀；隨著城市的擴展，城市基礎設施和已規劃土地的利用效率提高，城市內部的交通距離減少。2006—2011年，緊湊度指數和分形維數出現了拐點，這是因為銀川市在這一時段出現跳躍式擴展的特征，比較明顯的是在銀川市西南(即西夏區的興徑鎮)建成區發生了較大的擴展，與主城區分離，形成飛地，導致建成區周長增長超過了面積的增長。2011—2017年，建成區進一步擴展，西南方的建成區也從分離狀態擴展到與主建成區連接成一體，向團塊式發展，城市空間形態更加合理，緊湊度指數保持提高，分形維數繼續下降。

4 結 論

(1) 從時序上，受益于“西部大開發”等政策的影響，研究期間銀川市建成區面積在數量上呈逐年上升趨勢，面積從1991年的38.78 km2增加到2017年的243.74 km2，城市的建成區總面積擴展了6.29 倍，擴展速度為7.88 km2/a，擴展強度為20.32%。

(2) 空間格局上，整體上向東南和正東方向擴展，從研究初期的城區東部、西部之間的區域內部填充及東、西擴展轉變為研究期末的向東南、西南擴展；位于城市東部的興慶區南、北方向的擴展極大，研究期末其建成區邊界已經接近興慶區的邊沿部分。城市重心經歷了東移、西移、南移的過程，總體上向東南方向移動，說明空間上城市向東南方向擴展為主。

(3) 城市形態上，從研究初期的“東、西分離”的啞鈴狀，經歷了發展中期的條帶狀后，到研究末期時向團塊式發展，其形態接近東西向略長、南北向較短的橢圓形，緊湊度指數逐漸增大而分形維數逐漸減小，期間存在跳躍式擴展。說明研究期間，城市擴展以內部填充和邊緣填充為主，城市空間形態日益簡單且趨于穩定發展，形狀變得規則。