南水北調東線山東段沿岸城鎮化空間特征研究

薛 凱，于泉洲*，曹建榮

（1.聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252000）

城鎮化即城市化，城鎮化的過程是指在一定區域內由于社會經濟的不斷發展，它的主要功能和空間分布不斷的向城市的特點變化，是現階段社會經濟發展中出現的最明顯的變化趨勢[1]。城市用地面積的空間擴展情況是城鎮化過程的重要標志。此前，國內外對于城鎮化的研究已經有了較為堅實的基礎，而國內城市的發展起步較晚。隨著上個世紀改革開放的實行，城鎮化的進程發展迅速，對城鎮化的研究也有了較大的進展。

遙感影像可以展示出城市的區域變化情況，通過對遙感圖像的處理可以得出依據時間變化的城市空間擴展的變化演變圖[2]。近年來，國內外對城市空間擴展的研究熱度越來越高，關于城鎮化的研究成果也層出不窮。將RS 和GIS 相結合應用于城市擴展研究，可以實行空間動態監測。

我國北方地區水資源嚴重缺乏，南水北調工程是解決中國北方地區水資源短缺的特大項目，尤其是山東西部的城市得益于南水北調工程，緩解了城市發展過程中水資源缺乏的窘況，對沿岸城市的發展起了重要作用[3]。以研究區1985-2015 三十年來的多幅遙感圖像為基礎，運用ENVI5.3 和ArcGIS10.2 對圖像進行分析處理，計算相關指標并對城市重心進行提取，分析其空間擴展情況。并結合相關的統計數據，分析城市空間擴展的驅動力，對于沿岸城鎮化的發展變化也提供了一定的參考作用。

1 研究區概況

南水北調東線工程是指從江蘇揚州江都水利樞紐引水，經過江蘇、山東、河北三省，向華北地區輸送生產生活用水的國家跨省界區域工程。東線工程基本沿京杭大運河進行。截至2018 年12 月，中東線工程累計調水222 億m3，東線沿岸受益人口達到6 600 萬余人[3]。本文選取山東省經過的濟寧、泰安、聊城、德州4 個城市進行城鎮化空間特征的研究（如圖1）。南水北調東線工程所經過的地區位于山東省西部，屬于溫帶季風氣候區，年平均降水量在500 mm 左右，流域的降水也有顯著的季節變化。

圖1 研究區在山東省的地理位置

2 數據與研究方法

2.1 數據源

為了揭示近幾十年的南水北調東線工程對研究區城鎮化空間格局特征的影響，選取了1985、1995、2005、2015 三十年來的四期Landsat 遙感數據（如表1）。

表1 研究所使用的遙感數據

2.2 數據處理

幾何校正與圖像配準：在提取南水北調東線工程沿岸城市建設用地信息之前，需要對下載的4 個城市的多幅遙感影像進行圖像的預處理。然后對四期遙感影像進行配準，最終將其與沿岸城市的行政區劃圖配準在同一坐標系下。

圖像拼接與裁剪：在對圖像進行預處理之后，在ENVI 中進行圖像拼接，得到研究區完整的影像。裁剪通常是按照行政區劃邊界或者自然區劃邊界進行。南水北調東線工程在山東經過的區域較大，包含多個城市，因此需要下載多幅影像。

城市建設用地的提取：為了提取南水北調山東段沿岸城市的城區建設用地變化情況，采用監督分類的方法對研究區域的遙感影像進行分類。將研究區的土地類型分為建筑用地、耕地、植被和水體四類，然后提取出城市建設用地。對結果進行精度驗證，確保分類精度滿足要求。

為了使結果更加直觀，另外選取了沿岸典型地區進行單獨分析。保留了城市建成區內的綠地和湖泊等，將其算作城市用地的一部分[4]。

2.3 研究方法

近幾十年以來，國內的許多學者對城市區域擴展的研究主要是基于RS 和GIS 技術，通過分析城區擴展面積、城市擴張強度指數、城區的年擴展率、分形維數、緊湊度、形狀指數等指標，定量的分析城市區域的擴展變化情況和演變特征[5]。本文選取城市擴張強度、緊湊度、分形維數、城市重心坐標4 個指標分析研究區城市的空間擴展情況。

2.3.1 城市擴張強度指標

城市擴張強度指標可以用來分析城市的擴張狀態[6]，其計算公式如式（1）：

式中，ARG 代表城市年均擴張強度；UAn+1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。

2.3.2 緊湊度指標

緊湊度反映了一個地區地物的緊湊程度[7]，其計算公式如式（2）：

2.3.3 分形維數

分形維數反映城市建設用地邊界的形態和復雜程度[8]，其計算公式如式（3）：

式中，At代表城區的面積；Pt代表城區的周長；分形維數取值為1～2，取值越大表明城市邊界的復雜程度越高。

2.3.4 城市重心坐標指標

通過ArcGIS 軟件的空間統計工具計算城市中心位置，然后再根據以下公式和城市擴展面積計算城市的重心坐標[9]。其計算公式如式（4）、（5）。

式中，Xt、Yt分別為第t 年城市重心的經、緯度坐標；Cti為第t 年第i 塊矢量圖的面積；Xi、Yi分別為第i 塊矢量圖幾何中心的經緯度坐標。

3 結果與分析

通過分析研究區的城市建設用地的變化情況，研究南水北調東線工程對沿岸城市城鎮化的影響作用。由研究結果可知，南水北調工程對沿岸城市的擴展有一定的影響作用，對緩解沿岸城市由于城市擴展過快而引起的水資源短缺問題發揮了重要作用。另外，南水北調東線工程所流經的地區都有城市中心地區沿河流發展的趨勢，并促使城區的擴展方向有沿此工程發展擴展的趨勢，沿岸的城鎮化水平不斷提高。

3.1 城市空間擴張強度分析

根據1985 年、1995 年、2005 年、2015 年四個時期城區矢量圖層，對其相關統計參數進行統計，得出其城市用地面積的空間擴展變化情況[10]。計算結果分別如下（以每個城市的城市中心區域為例）。

表2 1985－2015 年濟寧市城市空間擴展強度

表3 1985－2015 年聊城市城市空間擴展強度

表4 1985－2015 年德州市城市空間擴展強度

表5 1985－2015 年泰安市城市空間擴展強度

可以看出近30 a 來，各個城市的城市建設用地面積不斷增加，尤其是在2005-2015 年這10 a 年內，隨著經濟和科技水平大幅度提高，城市建成區面積不斷增加。

由表2 可以看出，濟寧市建成區的面積從1985 年的28.825 km2擴展到了2015 年的125.016 km2，年平均擴展了3.206 km2，擴展的總強度達到了11.124%。在整個30 a 年的時間段內，擴展強度并不是一直保持相同的速度。1985-1995 年間，由于經濟發展還比較緩慢，城市擴展比較慢；1995-2005 年間，城市擴展速度明顯增加，空間變化主要以向外部擴展為主；2005-2015 年間，城市擴展速度依舊比較高，城市的空間變化不僅僅是向四周擴展，還有城市內部的填充。由以上數據看來，濟寧市城市空間呈現不斷擴大的趨勢，城市擴展強度也在不斷增加。

由表3 可以看出，聊城市建成區面積由1985 年的23.393 km2擴展到了2015 年的123.568 km2，年平均擴展面積為3.339 km2，擴展的總強度為14.274%。1985-1995 年間，擴展強度較低，建成區面積增加僅為6.502 km2；而在1995-2005 年間，城市擴展強度大幅度增加，建成區面積增加近一倍；2005-2015 年間，擴展強度依舊較大。在此時間段內，聊城市的建成區面積不斷擴大，城鎮化水平也在不斷提高。

由表4 可以看出，德州市建成區面積由1985 年的34.003 km2擴展到了2015 年的117.418 km2，年平均擴展2.781 km2，擴展總強度為8.177%。德州市在1985 年的城市建成區面積較大，由于其靠近河北省，城市的空間擴展受到一定的限制，因此其擴展強度相較于其他幾個城市來說相對較小，擴展強度也較為均衡。在研究的時間段內，其城市用地面積不斷增加，城鎮化水平也有了較大的提高。

由表5 可以看出，泰安市建成區面積由1985 年的21.179 km2擴展到了2015 年的153.496 km2，年平均擴展4.416 km2，擴展總強度為20.825%。泰安市在1985 年的城市建成區面積較小，但其擴展速度相對于其他城市較快。1985-1995 年間，城市擴展強度較快，城市往四周擴展較為明顯；在1995-2005 年間，城市擴展強度減小到了5.358%，面積增加也較少，這一時期城市擴展主要以內部的填充為主，向四周擴展趨勢較小；2005-2015 年間，由于其經濟快速發展，伴隨著旅游業的突飛猛進，京滬高鐵的過境設站，泰安市城市擴展強度大幅度增加，城市用地面積增加近兩倍，城市擴展主要是往四周發展，不斷擴大其城市范圍，城鎮化的水平也大幅度增加。

3.2 城市擴展的緊湊度和分形維數指標分析

緊湊度和分形維數這2 個指標可以描述城市空間擴展的形態特征[11]。緊湊度越小，城市空間形態越分散；反之，越緊湊。分形維數越小時，說明城市的空間形狀越簡單，反之，則越復雜[7]。4 個城市的緊湊度和分形維數計算結果如表6 所示。

表6 1985－2015 年4 個城市擴展的緊湊度和分形維數變化

由表6 可以看出，在1985-2015 三十年的時間段內，這幾個城市的城市建設用地的緊湊度和分形維數變化較為明顯。1985 年4 個城市的緊湊度都較大，說明城市用地相對緊湊，城市用地面積較為集中。1995 年，均有不同程度的減小，濟寧市和聊城市的分形維數增加較大，德州市和泰安市的分形維數相對變化較小，說明這一時期城市空間形態向四周擴展，用地面積增加。2005-2015 年間，各個城市的緊湊度略有不同，濟寧市城市用地面積的緊湊度有上升的趨勢，城市用地開始向微山湖擴展，城市空間形態更加緊湊，組團城市群的特征明顯分形維數依舊有所下降[12]。聊城市和德州市的城市空間擴展比較相似，在2015 年緊湊度都達到了最小值，分形維數都在逐漸增加，說明城市用地有一直向外部擴展的趨勢。2015 年泰安市的緊湊度最低，說明泰安市的城市空間用地最為分散，這與泰安市獨特的地形是分不開的。總體來看，三十年間，各個城市的空間形態都有較大的擴展，城鎮化水平也越來越高。

3.3 城市重心軌跡變化特征

利用ArcGIS 軟件對4 個城市4 個時期的城市重心進行計算，得出1985-2015 年間城市重心的軌跡變化。另外選取了2 個南水北調山東段沿岸影響較大的2 個城市：泰安市的東平縣和聊城市的臨清市，來探討南水北調東線工程山東段沿岸城鎮空間擴展變化情況。

由圖2 到圖7 可以看出，各個城市在三十年來城市重心都有不同程度的轉移。濟寧市的城市重心在1985-2005 年間向東北方向轉移，而在2005-2015 年間又有向東南方向轉移的趨勢，且遷移距離為764 m，總體是向東南方向轉移。由于濟寧市境內有微山湖，因此它的存在使空間擴展方向有一定的局限，其城市重心的轉移也相應的不會太大，只在小范圍內發生移動。聊城市在1985-2005 年間的城市重心轉移情況可以分兩個階段來看：第一個階段是1985-2005 年，其城市重心變化情況不大，轉移距離也比較小，并且方向性并不明顯；1985-1995 年稍微向北偏西方向轉移，到2005 年又有向東方向轉移的趨勢，但是距離都很小，并不明顯；第二個階段是2005-2015 年，城市重心轉移較為明顯，具有明顯的方向性，是往偏東方向轉移，轉移距離也較大，為1 062 m。這是因為聊城市的城市用地開始迅速向東蔓延，開發區的經濟突飛猛進。德州市的城市重心在1985-2015 有著向東方向擴展的趨勢，第一個階段是1985-1995 年，城市重心沒有太大變化，往偏西方向偏移了186 m，偏移距離跟角度都很小。這是因為這一階段經濟發展比較緩慢，城市用地面積擴展較小，因此其城市重心變化較小；第二個階段是1995-2015 年，城市重心開始有了明顯的轉移，首先是往東北方向轉移了401 m，然后又向東南方向轉移了924 m，總體擴展趨勢是向偏東方向。泰安市的城市重心在1985-2015 年間的總體轉移方向是往偏南方向，1985-1995 年，城市重心往東南方向轉移了510 m；1995-2005 年間轉移并不明顯；2005-2015 年往西南方向轉移了667 m。由于泰安市旅游業的帶動，使泰安市經濟不斷發展，城市用地往南方向擴展，城市重心也相應的往向南方向轉移。東平縣的城市重心往西北方向轉移，臨清市的城市重心往東南方向轉移，但總體趨勢都是靠近南水北調工程沿岸轉移，說明南水北調工程對沿岸城市的城鎮化發展有一定作用。

圖2 1985－2015 年濟寧市城市空間擴展變化

圖3 1985－2015 年聊城市城市空間擴展變化

圖4 1985－2015 年德州市城市空間擴展變化

圖5 1985－2015 年泰安市城市空間擴展變化

圖6 1985－2015 年東平縣城市空間擴展變化

圖7 1985－2015 年臨清市城市空間擴展變化

4 城市擴展的驅動力分析

4.1 經濟發展因素

城市經濟發展是城市空間擴展的根本動力。經濟的快速發展使得人們趨向城市中心的心理也越來越明顯，與之相應的是人們對城市的居住區、商業區、工業區以及各項基礎設施和娛樂設施的需求也不斷增加[12]。隨著這些現象的出現，城市發展所占用的空間和土地面積不斷增加，城市的區域越來越大。同時，隨著近年來城市的發展，對各種商品的需求量也有了較大的變化。消費需求結構的變化，也會帶動產業結構的變化，各種新型產業的發展又會帶動經濟的發展，從而使城市的區域發生擴展[13]。

4.2 自然條件因素

一個地區的自然條件狀況會決定該地區是否會發展為城市以及所發展城市的規模情況。自然條件狀況如地形、海拔、以及氣候等都會對城市的發生與發展有著舉足輕重的影響[14]。南水北調東線工程山東段所經過的地區地形平坦，其中很大一部分位于魯西平原，平坦開闊的地形有利于發育城市。沿岸經過的城市海拔高度適中，沒有過高的地形起伏，適宜城市建筑用地的延展[15]。南水北調東線工程沿岸所經過的德州聊城，地形屬于平原。聊城市主要位于魯西平原，也叫“江北水城”，流經境內的京杭大運河對沿岸的經濟發展有著重要的作用。同時，京杭大運河的經過對濟寧市的經濟社會發展也起到了較大的推動作用。南水北調對泰安的影響主要是對東平縣的影響，其境內的東平湖是省內第二大淡水湖。南水北調東線工程山東段所經過的地區的自然條件優越，有利于城市規模的擴展。

4.3 政府的政策與規劃

城市發展和擴展的方向速度會受到政府的政策和相關城市規劃方案的影響與制約[16]。政府政策也會影響城市的擴展情況。尤其是基于京杭大運河而啟動的南水北調工程，流經山東省的地段對沿岸城市的發展起到了積極的帶動作用，并且很大程度上緩解了沿岸城市的水資源短缺的問題。政府的政策在很大程度上對城市的擴展方向和速度起著引導、調控的作用[17]。

4.4 其他因素的影響

其他重要因素諸如交通條件、人口數量等也會對城市的空間擴展產生影響。便利的交通條件易于帶動地區的經濟發展，從而有利于城市區域的擴展[18]。南水北調東線工程山東段所經過的地區交通條件便利，有許多條重要的交通干線從該區域經過。

人口數量的增長也是促進城市區域擴展的重要因素之一。山東省人口基數大、增長快，城市中心區人口密度大。南水北調山東段沿岸的農業水平也比較發達，隨著經濟得到發展，農業人口也逐漸向非農業人口過渡，產業結構也由第一、二產業向第三產業轉移。從而促進了沿岸城市的城市化進程，使城市的建設用地有了不同程度的增加。

5 結 語

本文重點研究了近三十年來南水北調東線工程山東段沿岸城市的時空擴展特征，總結了城市空間擴展的驅動因素，分析了南水北調工程與沿岸城市發展之間的相互作用。根據擴張強度可以看出整體擴展速度都比較快，緊湊度和分形維數可以看出城市不僅向外擴張還有內部的填充。根據城市重心的遷移軌跡可以看出城市發展的歷程和未來的發展趨勢。城市擴展的驅動力包括經濟發展、自然條件、政府的政策與規劃以及其他因素諸如交通和人口等，不同因素對城市發展的驅動作用不同。對城鎮化空間擴展的研究在一定程度上為預測未來城市的發展趨勢提供了支持。