太原市城市重心演變過程及驅動力分析

宋潔, 劉敏

太原師范學院地理科學學院， 山西 太原 030619

進入21世紀以來，太原市經濟社會發展對城市規劃提出了更高的要求，因此，2005年，市規劃院對原有的城市總體規劃進行調整，太原市迎來了城市發展建設的新契機.2010年，太原市總體規劃再次修編，更加明確了太原市城市發展方向，也使得太原市城市發展進入快車道[1，2].在城市化快速發展時期，明確城市空間擴展的階段性特征及其重心轉移過程，對于摸清城市發展軌跡，優化城市空間布局具有重要意義.近年來，借助多時像遙感影像和GIS 空間分析技術，對城市重心轉移進行定量分析、動態監測城市空間擴展格局，進一步優化空間布局，已成為研究城市空間格局演變的主流手段[3～6].目前，國內相關研究主要集中在沿海發達地區，而針對中西部城市的相關研究較少.隨著沿海地區過剩產能逐漸向中西部地區轉移，中西部地區也必將經歷快速的城市化過程.本文以快速發展時期的太原市為研究對象，借助遙感與 GIS 分析技術，分析2005年～2010 年、2010年～2015 年兩個時間段太原市建成區重心演變過程及驅動機制.為合理利用土地資源，進一步做好太原市城市總體規劃以及推進內部產業結構的優化升級提供科學依據.

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

太原市位于山西省境中部，介于 111°30′～113°09′E，37°27′～38°25′N 之間，東西跨度2°39′，長約144 km，南北跨度 58′，寬約 107 km，區域輪廓呈現蝙蝠形.處于太原盆地的北段，華北地區黃河流域中部，西、北、東三面環山，中、南部為河谷沖積扇平原，汾河貫穿其間，全市地形呈北高南低簸箕形.海拔最高點和最低點分別為 2 670 m和 760 m，平均海拔約 800 m.屬于暖溫帶大陸性季風氣候.市中心位于 112°33′E，37°54′N.太原市共轄 6個市轄區、3 個縣、1 個縣級市.全市總面積6 988 km2.截至 2015 年底，太原市市區人口達到352.54 萬人，城鎮化水平達到 55.03 %.

1.2 數據來源及數據預處理

研究數據主要來源于 2005 年、2010 年、2015 年的 LandsatTM 遙感影像及相應年份的統計年鑒.首先，在 ArcGIS 軟件支持下，分別對 2005 年、2010 年、2015 年的單波段影像進行融合拼接和切割，對相關影像進行幾何校正配準并定義好投影坐標.其次，確定城市行政區政府，通過對2005年、2010年、2015年太原市的Landsat TM 影像進行目視解譯，確定城市中心周圍連片的建設用地為中心城區，并將城市邊緣城區與中心城區連接起來的大片建設用地也歸類為城市建成區，但注意除去大型的河流湖泊.

1.3 研究方法

1.3.1 建成區空間擴張分析

本文主要選取擴展速度、擴展強度指數、擴展彈性系數以及重心轉移指數來測度2005年～2010 年、2010年～2015 年太原市城市空間擴展的時空特征，各指數公式詳見表 1.

表 1 城市空間擴展時空特征測度指標Tab.1 Index of spatial and temporal characteristics of urban space expansion

1.3.2 等扇方位法

等扇方位法是指以研究區的幾何中心為原點，選取可以包含建成區的適當半徑，將研究區劃分為若干相等的扇形區域，與各時相建成區邊界矢量圖疊加，統計各時間段建成區在各扇區的擴展面積，據此計算不同時段各扇區的擴展強度[7].本文以太原市政府所在地為原點，以東西方向為橫軸，南北方向為縱軸，把研究區平均劃分為 8 個方位，分別為正東、東北、正北、西北、正西、西南、正南和東南，調用 ArcGIS 軟件中的疊加分析工具對各個方位的擴展特征進行定量分析.

1.3.3 空間重心轉移模型

空間重心是描述地理對象空間分布的重要指標，分析城市重心轉移情況，可以掌握城市空間變化的過程與特點[8].通過分析建成區用地變化引發的重心變化情況，反映城市在不同時期的發展方向.運用重心轉移指數構建太原市建成區分別在 2005年～2010 年、2010年～2015 年的重心轉移模型.

2 建成區演變特征

2.1 建成區擴展速度和強度具有相對均衡性

建成區空間擴展速度反映建成區空間擴展的總體趨勢，通常用研究時間段的年平均建成區面積變化來表征[9].由表 2 可知，2005年～2010 年間，太原市建成區面積由 253.28 km2增加到328.31 km2，面積增加量為 73.03 km2，擴展速度為15 km2/a.2010年～2015年間，2015年建成區面積為398.39 km2，比2010 年凈增70.08 km2，擴展速度為 14 km2/a.2005年～2015 年整個研究時間段建成區空間擴展速度相對均衡.兩個時間段的擴展速度無明顯波動，建成區空間擴展方式主要以向東南部外延擴展為主，輔以其他方向不同強度的內部填充.2005年～2015年太原市建成區總體呈現出整體性發展，無明顯破碎斑塊狀單獨擴展.

擴展強度指數表示單位時間內建成區空間空戰的強度和快慢，是衡量建成區空間擴展規模和輕度的常用指標[10].由表 2 可知，2005年～2010 年、2010年～2015 年建成區的擴展速度都相對較高，但是由于這兩個時間段的基期面積都較大，結果反而使這兩個時間段的城市擴展強度指數變小.2005年～2010 年建成區擴展強度指數為5.92 %，2010年～2015年建成區擴展強度指數為4.23 %，比上一時間段低了 1.69 %.

表2 2005年～2015年太原市建成區空間擴展概況Tab.2 Space expansion of the built-up area in Taiyuan from 2005 to 2015

2.2 建成區用地擴展漸趨不合理

擴展彈性指數用來描述建成區擴張速度與人口增長速度之間的協調關系，主要用于衡量城市用地擴展的合理性[11].研究表明擴展彈性指數為1.12 較為合理.由表 3可知，2005年～2010年建成區擴展彈性系數為0.92，較接近于合理值.說明該時間段太原市建成區用地擴展速度慢于人口增長速度，但總體來說該時間段太原市用地擴展基本處于合理狀態.2010年～2015 年建成區擴展彈性指數高達 7.11，是合理值的 6.35 倍.說明該時間段太原市建成區用地擴展速度大于人口增長速度，擴張不合理.建成區用地面積增長過快，可能造成土地資源不能有效開發利用，造成土地資源浪費.

2.3 建成區擴張具有明顯的軸向性

以太原市政府幾何中心(112°32′1″E，37°52′7″N)為圓心，作出距離為23 km 的圓形緩沖區，將緩沖區等分為8 個等分的扇形區域，計算不同時間段各扇形區域建成區的擴展強度.

由于各扇區的夾角、面積均相等，因此計算出各扇區的擴展強度具有時空上的可比性.

從圖 1 可以看出，2005年～2010 年、2010年～2015 年這兩個時間段太原市建成區空間擴展在不同方位上呈現出明顯的不均衡性.2005年～2010年，太原市建成區空間形態以南向、北向擴展為主，S-SE 擴展幅度相較于 N-NW的擴展幅度大，東向和西向也有不同程度的擴展，但是擴展強度較低，西向擴展幅度大于東向擴展幅度，東西向擴展面積小于南北向的擴展面積，這一時間段的建成區邊界比較破碎，建成區邊界地區的通達度相對受限.2010年～2015 年，太原市建成區空間形態擴展呈現出與上一時間段(2005年～2010年)同樣的擴展方向，建成區空間向南有較大幅度擴展，S-SE 擴展幅度明顯，主要以填充式和外延式繼續向南發展，北向擴展幅度小于南向的擴展幅度.伴隨以南向發展為主線，E-SE 方向相對擴展面積較明顯，這一時間段建成區擴展面積較上一時間段有非常明顯的變化，2010 年建成區呈現連片集中發展態勢，建成區邊界區域通達度加強.綜上所述，自 2005 年以來，建成區擴展主要集中在S-SE、NE-NW范圍內，具有明顯的軸向性，建成區擴展以東南向為主要方向，西北向為輔的擴展態勢.

表3 太原市建成區空間擴展彈性系數Tab.3 The elastic coefficient of space expansion in the built-up area of Taiyuan

圖1 2005年～2015年太原市建成區擴展等扇分析圖
Fig.1 Equal fan analysis map of built-up
area in Taiyuan from 2005 to 2015

3 建成區重心演變分析

從城市重心轉移過程來看，2005年～2010 年間，建成區重心向東偏南方向轉移1 214 m，轉移角度為59.74°.2010年～2015 年間，建成區重心繼續向南轉移，轉移距離為996 m，轉移角度為61.11°(表4).2005年～2010 年、2010年～2015 年太原市建成區重心一直保持向東南方向轉移，兩個時間段的轉移角度非常接近，2005年～2010 年的轉移距離略高于 2010年～2015 年.

表4 太原市建成區空間重心轉移情況Tab.4 The transfer of space center of gravity in the built-up area of Taiyuan

4 驅動力分析

4.1 自然因素

區域自然地理要素為城市發展提供了原生動力，但是隨著城市的進一步發展，自然地理要素可能成為制約城市發展的一個因素.同時，區位、地形等綜合地理因素也會影響城市的發展，隨著城市的發展，在一定程度上制約和引導城市的空間擴展方向，間接改變著城市的外部形態[12].太原市三面環山，汾河流域貫穿其間，形成了地理條件相對優越的太原盆地.

北、東、西三面環山的地理格局限制了太原市建成區向這三個方向發展，南部成為太原市建成區發展的主要方向，南部地區地勢平坦，腹地開闊，符合建設南部新城的發展戰略.對接太原市南部新城的晉中市榆次區，地勢相對平坦，腹地開闊，是晉中市的經濟文化中心，為太原市向東南方向擴展奠定了基礎.

4.2 社會因素

經濟方面，經濟社會發展帶動城市持續發展，為城市發展提供不竭的動力[13].2005年～2015年，太原市人均地區生產總值由 12 495 元/人上升至 63 483 元/人，經濟快速發展，人們生活水平提高，建設用地擴張明顯，建成區用地擴展以南向軸線為主快速蔓延.建成區的空間擴展形態與經濟發展變化一致.經濟快速發展的同時，產業結構的逐步調整也進一步反映出建成區擴展的用地變化特征.2005年～2015 年間，太原市第一產業比重由 1.14 %下降到 0.80 %；第二產業比重由 65.84 %下降到 59.32 %,下降幅度較大，并呈現繼續下降的趨勢；第三產業比重由32.70 %上升到39.87 %.近年來，太原市高新技術開發區、小店民營經濟開發區、山西綜改試驗區起步區等大型開發區紛紛落戶太原南部地區，在促進太原市經濟發展的同時，使得城市空間不斷向南發展.太原市高新技術開發區作為國家級開發區，位于科研人員密集、工業基礎和城市設施良好的塢城片區，發展產學研一體化，形成以高新技術產業為主，第二、第三產業協調發展的立體經濟結構.全區總收入達到太原市經濟總量的四分之一.太原市小店區民營經濟開發區，主要大力發展非公有制經濟，積極扶持發展民營經濟企業，主要發展養老服務業、旅游產業、節能環保產業等新興產業，形成產業集群，為民營經濟發展提供良好的投資環境.2017 年，全面啟動建設的山西綜改試驗區太原起步區將重點打造先進制造、新能源、新材料、電子信息、健康醫療、文化創意等 6 大專業化產業園區，為太原市經濟注入新的活力，也必將進一步促進建成區向南轉移.

人口方面，2005 年太原市區常住人口為261.66 萬，2015 年太原市區常住人口為 352.54萬人，十年間增長了 1.35 倍.人口增長對城市用地需求增加，人口的遷移帶動城市重心的轉移.太原市人口的快速增加，對城市的基礎設施需求量變大，中心城區人口壓力較大，房價飆升.為了降低在中心城區的生活壓力，城市空間向外延展，形成新的發展重心.太原市建成區向南擴展，形成南部新城.位于太原市與晉中市榆次區交界處的山西大學城于 2013年正式投入使用，與教育文化相關的產業和人口逐漸向大學城附近聚集，也在一定程度上促進了太原市城市空間向東南部擴張. 交通方面，隨著太原市新晉祠路改造工程、濱河東西路的南延工程、長治路和太行路的南延工程，龍城大街東延工程的相繼開工建設，也在一定程度上帶動了太原市建成區向東南方向發展.2007 年，太原市武宿機場擴建.2014 年，太原市火車南站投入運營，都促使太原市東南部地區建設用地快速增長且土地利用更加集約化.

4.3 政策因素

政府的決策和規劃在一定程度上會激勵或約束城市的發展，在不同時期，決定城市土地利用空間擴展的方向和規模[14].2004 年以來，太原市總體規劃對城市發展方向、性質進行了定位.2010年，太原市城市規劃設計院編制了太原南部區域規劃方案(2010年～2020 年)，指出將太原南部區域作為太原市區的發展方向，南部新區主要以晉陽湖片區和汾東新區兩部分為主.在太榆一體化的戰略指導下，太原南部新城與晉中市榆次區順利對接，太原市建成區重心也隨之向東南方向轉移.2010 年，國家發改委正式批復設立山西省國家資源型經濟轉型綜合配套改革試驗區，并在太原市率先建立山西轉型綜改示范區，這一舉措進一步推進了太原市城市化進程，城市空間擴展的步伐也逐步加快.

5 結論與展望

本文借助 GIS 空間分析技術，融合多時相衛星遙感影像，提取出不同時間段太原市建成區的擴展邊界信息，利用等扇方位法分析 2005年～2015 年太原市建成區擴展過程.進而，結合太原市社會經濟統計年鑒及相關發展政策分析建成區擴展的驅動力機制，更加深入、準確地掌握太原市建成區空間擴展演變的規律，為進一步優化太原市城市空間布局，維護區域可持續發展提供理論依據.研究得到以下結論：

(1)2005年～2010 年間，太原市建成區面積逐步增加，兩個時間段建成區擴展速度接近，擴展強度指數下降.2005年～2010 年時間段建成區擴展彈性系數接近合理值，建成區用地擴展速度基本與建成區人口增長速度保持一致，但2010年～2015 年擴展彈性指數接近7，建成區用地擴展速度大于人口增長速度，建成區用地集約度有待提高.

(2)2005年～2015 年間，太原市建成區重心向東南方向轉移.隨著太原市南部新城的快速發展和太榆一體化戰略的實施，未來太原市發展重心仍然呈現出向東南轉移的態勢.

(3)太原市建成區空間擴展是自然、社會、政策等諸多因素影響的結果.自然因素決定了太原市建成區的宏觀格局，是建成區空間擴展的基礎；交通因素也在一定程度上促進和牽引建成區擴展；社會經濟因素作為最重要的因素，是太原市建成區擴張的不竭動力；人口增長相應加速建成區向外延伸，以協調人地關系；政府決策指導和引領著建成區的擴展方向和重心的轉移，使太原市建成區土地利用更加合理化.不同時間各個驅動力因素的調整和改變使城市空間擴展產生不均衡變化.

城市空間的擴展導致城市不斷向外延伸擴展，但是相應的配套設施未跟上步伐，這樣從根本上還是無法解決中心城區的交通和生活壓力.然而，城市用地是否做到集約化，城市空間擴展與經濟發展的步調是否一致，如何避免鬼城的出現都是今后太原市城市擴展過程中需要考慮的問題.在新的發展契機下，掌握城市擴展規律，合理規劃太原市城市用地，提高城市綜合交通運輸能力，使城市空間擴展跟上經濟發展的步伐，將太原建設成為既有金山銀山又有綠水青山的環境友好型城市.