基于多時相遙感影像的皖北地區城市建成區擴張時空特征分析
——以安徽省阜陽市為例

蔣偉峰，李天宇，李倩，吳鍶夢，周裕祺，陸林

（安徽師范大學地理與旅游學院，安徽蕪湖241000）

城市建成區是指行政區范圍內經過征用的土地和實際發展起來的非農業生產建設地段，包括城市中集中連片的區域、近郊內聯系密切的其他城市建設用地中的非農業生產建設用地［1］。總結國內外學者對城市建成區的研究成果，主要集中在研究城市建成區的空間形態格局演變［2］、擴張模式［3］、驅動機理［4］、生態效應［5，6］等方面。城市空間形態研究從傳統定性描述城市擴張，轉變為以現代測繪技術為基礎，定性定量分析城市建成區擴張特征［7］；建成區擴張模式研究以分析國內外城市建成區（不透水面）土地利用類型為背景，探究建成區擴張的規模、速率等［8］；建成區擴張驅動機制研究分為單一要素和綜合要素兩大類，采用回歸分析、聚類分析、地理因子探測器等方法分析區域城市擴張的內在機理［9］；在建成區擴張生態效應研究方面，主要探討建成區擴張的水環境效應、景觀格局風險及空間耦合關系等［5，6］。上述研究內容從不同研究角度分析了城市建成區擴張特征，揭示了一般城市建成區擴張的普遍規律。遙感影像具有獲取空間尺度大、周期短、地物信息豐富等特點，在研究方法上，一些學者基于不同遙感數據源［10-12］，多角度探究了城市空間擴張過程；另一些學者基于不同遙感數據處理平臺［13］，分析了城市空間演化格局以及驅動機制；還有學者基于像元二分法、改進型聚集密度法等提取城市建成區外圍邊界［14］。利用上述研究方法提取、測度城市建成區，可較為準確地分析城市擴張演變格局。在研究區域上，現有研究更多以沿海發達城市和內陸地區重要省會城市為案例地，測度城市擴張演變格局，以及發展模擬預測［15-18］。在數學方法上，現有研究一般選取城市擴張熱點等數學方法表征城市擴張的絕對與相對測度值［19］，但缺少絕對測度值與相對測度值相融合的綜合測度指標體系去表征城市建成區擴張，這可以在研究中進一步完善。

皖北地區包括宿州、淮北、蚌埠、阜陽、淮南、亳州6 市，各市所處地理環境具有相似性：均位于華北平原南部區域，地勢平坦開闊，農業生產發達，是我國重要的糧食生產基地。但相對應的是，皖北地區人地關系緊張、基礎設施建設滯后等問題突出，尢以阜陽市最為典型。阜陽市是皖北人口大市、全國重要勞務輸出城市，2018 年市區人口229.88 萬人，龐大的人口數量對城市空間擴張產生了強大刺激作用。在快速城市化和經濟轉型的背景下，研究城市建成區的空間擴張過程對探索人口密集城市擴張與人口、經濟、土地供需等方面的關系具有借鑒意義。本文以阜陽市為案例地，基于多源長時序遙感影像，從時空維度構建綜合測度指標體系，分析了城市建成區擴張時空過程并探討了驅動機制，旨在為該市城市規劃提供決策支持，同時為研究其他城市擴張提供參考。

1 研究區概況

阜陽市隸屬于安徽省，地處該省的西北部，處于115°37′58″—115°59′46″E，32°46′17″—33°2′32″N 之間，現轄穎州、穎泉、穎東3 區（圖1），市轄區面積1836km2。截至2018 年末，全市總人口1070.8 萬人，人口數量居全省第一，是全國重要勞務輸出大市。2019 年，全市實現生產總值2705 億元，居全省第四位。同時，阜陽市擁有京九線最大的貨運編組站、高鐵站、西關機場等交通設施，交通條件優越。

圖1 研究區位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文主要數據包括1981 年、1990 年、2003 年、2008年、2013 年、2018 年6 個時相的Landsat 系列遙感影像數據，數據來源于遙感數據共享平臺（http：//ids.ceode.ac.cn/），影像空間分辨率為30m×30m；阜陽市區邊界數據來源于國家測繪局地理信息局標準地圖底圖（http：//bzdt.nasg.gov.cn/index.jsp），所用底圖邊界完全無修改；阜陽市人口經濟信息數據來源于《阜陽市統計年鑒》、《安徽省統計年鑒》（1999—2020）和《中國城市統計年鑒》，部分缺失數據通過內插法補全。

2.2 遙感圖像預處理

首先，本文通過ENVI5.1 和ArcGIS10.2 軟件進行遙感圖像預處理，包括快速大氣校正、去云降噪等；其次，對各年份遙感影像進行波段合成與裁剪，得到建成區多時相遙感影像；第三，在完成上述操作后，進行監督分類、提取建成區面積和精確度評價，得到符合要求的建成區分類結果；最后，通過拓撲處理得到不同年份的城市建成區矢量圖層，并通過字段計算器得出其周長和面積等數據（圖2）。

圖2 影像處理流程

2.3 主要測度指標

關于對城市建成區的相關測度，一般從時間和空間維度進行。時間維度指在研究年份的時間范圍內，測度建成區的土地使用規模的變化規律，可選取擴張強度與速度等指標進行量化表述［19］；空間維度是指在單位時間內城市建成區用地空間擴展的強弱和快慢情況［20］，可選取重心轉移指數、分形維數與緊湊度等指標進行量化表述。測度公式如下：

擴張時間測度指標：

式中，I1、I2分別為擴張速度指數、擴張強度指數；S1、S2分別為研究期始末城市建成區面積；T 為研究時間。

擴張空間測度指標：

式中，I3、I4分別為緊湊度指數和分形維數指數；S3、L1分別為某一時期城市建成區圖斑面積與周長。

式中，Xj、Yj分別為T 時相城市重心經、緯度坐標；Cij為第i 塊矢量圖斑面積；Xi、Yi分別為第i 塊矢量圖斑幾何中心坐標；D 為T 到Tn+1時刻地理單元空間重心轉移距離。

為了更直觀地解釋城市建成區擴張方位差異，本文采用“等扇方位法”分析了各年份城市建成區，分別計算了8 個方位上的擴張強度指數，以達到定量分析城市建成區擴張時空特征的目的。

3 阜陽市城市建成區擴張時空特征

3.1 建成區擴張時間特征

阜陽市區城市建成區擴張速度呈明顯的不均衡性特征（表1）。1981—1990 年，建成區面積共增加了19.5km2，擴張速度為2.2；1990—2003 年，處于上升階段，擴張速度為2.4；2003—2008 年，處于快速擴張階段，這一時期城市化高速推進，伴隨承接產業轉移與房地產開發，城市功能布局不斷優化調整，建成區面積增加了28.8km2，擴張速度為2.8；2008—2012年處于調整階段，城市發展以內部城市化為主，城市基礎設施建設與完善產業發展配套體系同步展開，建成區面積增加了10.1km2，擴張速度為2.0；2012—2018 年，城市發展進入新階段，城南新區和重大基建項目（合阜高鐵）同時開工建設，建成區面積增加了133.9km2，擴張速度達到26.8。

城市建成區擴張強度與擴張速度變化呈一致性（表1）。1981—1990 年處于開始階段，建成區擴張面積小、速度慢，但在研究期初始就存在建成區面積，這一階段擴張強度系數為0.3；1990—2008 年處于平穩階段，擴張強度系數為0.1；2008—2013 年處于過渡階段，城市建成區擴展面積小，擴張強度系數為0.09；2013—2018 年處于上升階段，城市建成區擴張速度最快，面積最大，擴張強度系數達到最大值0.3。

表1 1981—2018年阜陽市城市建成區空間擴張情況

3.2 城市擴張形態與邊界

分形維數可測度城市邊界形狀的不規則性和復雜性，緊湊度可測度城市形態的緊湊程度，二者擁有較強的獨立性和相互驗證的效果［21-23］。阜陽市城市建成區擴張分形維數與緊湊度指標二者呈負相關關系（表2、圖3），說明該市城市建成區大而分散的格局正在逐步形成。1981 年城市化水平較低，功能布局主要傾向于行政領域和重化工領域，人口主要集聚于周邊鄉鎮，緊湊度指數達到最大值0.11，分形維數指數達到最小值1.25。1981—1990 年，阜陽市火車站擴建，推動城市建成區向東擴張，潁州區逐步成為居住功能為主的片區，推動建成區向西南擴張，因此緊湊度指數下降至0.07。同期，城市建設規劃不斷引導城市擴張，城市建成區邊界逐漸突破自然限制，分形維數則上升至1.26。20 世紀90 年代末，房地產行業進入金融化開發階段，潁州區和潁泉區成為商品房集中分布區，城市建成區面積進一步增大，城市邊界則進一步規則，緊湊度指數下減至0.06，分形維數指數上升至1.29。2003 年以后，經濟發展與承接區域產業轉移政策共同推動建成區地域結構變化；2011 年以后，市區啟動城南新區建設規劃，城市進一步南擴；到2018 年，城市緊湊度指數達到最小值0.02，分形維數達到最大值1.35。

表2 分形維數與緊湊度年際變化

城市建成區空間格局從小且緊湊轉為大而分散。市區正處于外延城市化和內涵城市化并存階段，為預測建成區未來擴張情況，對緊湊度指數和分形維數指數進行趨勢線擬合，研究發現緊湊度函數為y= - 0.0021x + 4.2263，R2= 0.975，分形維數函數為y= 0.0029x - 4.468，R2= 0.955。二者呈負相關關系，說明在未來一段時間內市區城市發展仍是以空間擴張與內部城市化并存模式為主導。

3.3 城市重心遷移

城市空間重心是解釋城市空間分布的指標［24］。縱觀1981—2018 年城市建成區重心遷移情況，總體呈現出東偏南的趨勢（圖4）。1981—1990 年，隨著潁東區基礎設施建設和早期城市化推進，城市重心開始向東部地區遷移，遷移角度為23.53°，遷移距離為1989.33m；1990—2003 年，市區重化工業建設以及房地產開發逐步推進，城市重心向南遷移，遷移角度為79.13°，遷移距離為1417m；2003—2008 年，阜陽市承接區域產業轉移，各地企業進駐，城市重心向西南遷移，遷移角度為83.17°，遷移距離為912.45m；2008—2013 年，伴隨轉移產業配套體系的完善以及城南新區建設啟動，城市重心向南遷移進程加快，遷移角度為45.24°，遷移距離為1878.07m；2013 年后，城南新區開發進程加快，包括政府機構、醫院、學校、市民中心等單位遷至此處，城市重心向東南遷移，遷移角度為8.44°，遷移距離為3863.9m，城市重心最 終位于市區的東南部。

圖3 阜陽市城市建成區年際變化

圖4 建成區重心遷移

3.4 城市擴張方位差異

為更加直觀地展現建成區的擴張特征，本文采用“等扇方位法”分析阜陽市城市建成區1981—2018年在各方位的擴張情況（圖5）。因各扇形區面積夾角均等，所以得到的擴張強度系數在時空上具有可比性。

阜陽市城市建成區在各方位上的擴張存在明顯不均衡性。1981—1990 年間，城市擴張在E—NE 方向上最快，系數為0.07，在N—NE、W—NW 方向上擴張較快，系數為0.04、0.05；1990—2003 年間，城市擴張在E—SE、E—NE 方向上擴張最快，系數為0.003、0.002；2003—2008 年間，在N—NW、N—NE方向上擴張較為迅速，系數為0.03、0.027，在南部方向上則無明顯擴張；2008—2013 年間，總體擴張系數較小，處于內涵城市化階段，僅E—SE、E—NE 方向上擴張較快，系數為0.02；2013—2018 年間，建成區總體呈現快速擴張趨勢。在N—NW 方向上擴張最快，系數為0.07，在W、S—SE、E—NE、W—SW 等方向上也以較快速度擴張，這一時期阜陽市城市建成區面積增加迅速。同時，阜陽市城市建成區擴展呈明顯的軸向性，城市沿河道向兩側發展，主導發展方向仍是南部方向，城南新區的開發使其成為高速發展翼。

圖5 阜陽市城市建成區擴張強度方位示意圖

4 阜陽市城市建成區擴張影響因素

城市建城區的空間分布形態是城市化進程中人文因素和自然因素共同作用的結果。本文結合現有研究［9，19，27］，從經濟發展、人口因素、政府政策、地理因素4 個方面考慮，分析了推動阜陽市城市建成區空間格局形成及變化的影響因素。

4.1 經濟發展與產業產值

經濟社會發展帶動城市發展，為城市擴張提供了不竭的動力［25］。改革開放以來，阜陽市生產總值持續增長（表3），從1981 年的4.29 億元增加至2018年的604.17 億元，近40 年GDP 增加了599.88 億元，約140.83 倍。通過對阜陽市各年份GDP和建成區面積進行回歸分析可知，二者呈明顯正相關性，線性回歸方程為y=0.314x+19.005，相關性系數平方是R2=0.91，說明區域經濟增長對建成區擴張的刺激作用顯著。其中，2003 年是阜陽市城市建成區擴張轉折點。2003 年之前年生產總值增長緩慢，年均增長率為9.1%，這一時期建成區擴張以空間填充為主，2003 年以后阜陽市經濟發展進入高速增長階段，年增長率為17.67%，這一時期建成區擴張以跳躍式大面積擴張為主。至2018 年底，阜陽市城市建成區面積達到230.2km2，區域經濟格局演變過程與城市建成區擴張階段一一對應。

經濟對城市擴張的驅動作用，本質是經濟增長過程中產業結構重塑產生了新的用地需求［16］。阜陽市重化工產業的發展直接推動了城市擴張進程。1981—1990 年間，工業產值從2.34 億元增長到3.96億元，年均增長率僅為6.8%，市區經濟處于低速增長階段，同一時期城市擴張速率僅為2.2；2003—2018年間，工業產值從31.24 億元增至214.62 億元，年均增長率達到14.8%，工業發展直接推動了經濟進入高速發展階段，同期城市擴張速率達到最大值26.8，工業產業對區域生產總值的貢獻逐步加大。這說明以重化工、裝備制造業為主的第二產業正逐步占據阜陽市產業發展的主導地位。目前阜陽市已建成4 家省級經濟開發區（阜陽市經濟技術開發區、阜陽—合肥現代產業園、潁州經濟開發區、潁東經濟開發區）和一批縣區級別工業園區，伴隨這些經濟開發區的成長壯大，現已成為初具規模的城市工業新區，不斷推動著城市建成區向外圍擴張，其中阜陽市經濟技術開發區在2019 年被列入國家級經濟技術開發區培育期名單；第三產業對城市擴張推動力也正逐步加強，其中房地產業成為區域經濟新的增長極。2015—2018 年間，阜陽市房地產行業產值由19.17 億元增長至26.56億元，房地產建設投資額達到589.7 億元，僅次于合肥市。阜陽市房地產的繁榮一方面會抬高地區房價，另一方面則直接推動郊區城市化進程，在城市外圍興建大批住宅、購物中心、物流倉儲、生產基地等，以追求更低房價和工業生產成本，這將進一步推動城市建成區空間向外圍擴張。

4.2 人口增長與空間重組

經濟因素不僅直接對城市空間擴展產生影響，還通過刺激人口增加對城市空間擴展起作用［26］（表3）。1981—2018 年，阜陽市總人口從18.6 萬人增長至229.88 萬人，人口增長了約12.36 倍，而城市建成區面積擴張了約36.5 倍。通過對人口和建成區面積進行回歸分析可知二者呈正相關性，線性回歸方程為y=71.091lnx-134.42，相關性系數平方是R2=0.83，說明人口增長對城市擴張的刺激作用顯著。

城市絕對人口數量的增加和空間移動對城市原有基礎設施造成巨大壓力，這一點在中心城區、老城區尤為突出，現有人口數量超過基礎服務設施上限，交通擁擠、住房困難、衛生環境狀況下降等問題相繼出現，亟需疏解原先城區部分功能轉向周邊地區或郊區；區域經濟狀況的改善推動城市生活方式的改變，居民對居住區的要求由生存性為主轉變為更關注居住區生態環境，更強調生活質量；各工業園區在城市外圍的集聚也催生了產業工人居住點的出現，其對相關配套體系需求較高。綜上3 個因素作用，推動城市建成區多方向擴張：一是垂直擴張，即修建高層或超高層居住區以緩解居住壓力；二是水平擴張，即城市建設向郊區擴張，郊區較低的地價和優越的環境對城市居民具有極大吸引力。住房需求的增加推動了阜陽市郊區地產的開發，如城南新區、祥源文旅城、中南現代城、香格里拉等，區域人口增加在一定程度上決定了一個城市空間擴張的強度、規模等，是城市建成區擴張的主要動力。

表3 阜陽市區1981—2018年經濟和人口變動情況

4.3 政府政策與規劃引導

政府作為城市的管理者，通過政策或規劃來引導城市發展［19］。20 世紀90 年代，全國房地產開發和招商引資進入快速發展時期，在此背景下，阜陽市于1992 年成立阜陽市經濟開發區，成為阜陽市向東南擴張的基礎之一。之后，2008—2011 年先后投資建設潁州、潁東經濟開發區和合肥—阜陽產業園等，繼續引導第二產業布局向市區東南方向擴張。20世紀90 年代，城市土地有償使用原則逐步確立，形成地價自市中心至郊區的遞減格局，并為未來市區房地產迅速發展和城南新區的大規模建設奠定了基礎。2012 年以后，阜陽市積極推進“雙輪驅動戰略”，即發展新型工業化和城鎮化，通過政策引導逐步形成市區目前的城市發展格局。

改革開放以來，阜陽市城市空間規劃歷經多次調整，《阜陽市城市總體規劃（2012—2030 年）》中明確指出：阜陽市定位于區域性中心城市，提出“南進、西拓、東控、北優”的空間發展戰略導向。2011 年以來，阜陽市區主導推進“南進”戰略，積極推動城南新區建設，并將部分行政單位遷至此；2019 年，商合杭高鐵、鄭阜高鐵的開通又帶動了城區“西拓”，西湖新區成為市區下一個開發重點。至此，阜陽市中心城區6 大片區（老城區、泉北區、河東區、經開區、城南區、西湖新區）發展格局初具規模。

4.4 地理環境與交通建設

自然地理環境是城市擴展的物質基礎，地理環境的差異性直接影響了城市空間擴展的方向、速度、潛力和形態格局［27］。阜陽市區地處黃淮海平原南部，地勢平坦開闊，地形以平原為主，泉河和潁河將市區一分為三（潁東、潁州、潁泉）。優越的地理環境為阜陽市以后的城市建成區發展提供了廣闊的空間。改革開放伊始，城市建成區主要集中于潁州區中部和南部，建成區面積小且較為分散，因受到河流制約，而很少向東進入潁東區或者向北進入潁泉區，主導向南發展；1990 年以后，城市發展逐漸突破河流界線向其他方位擴張，河流等自然地理要素對城市擴張的阻礙作用逐步減弱。縱觀改革開放以來阜陽市城市建成區發展歷程，雖然有向西、向北擴張趨勢，但是東南方向仍為擴張主導方向，說明區域整體自然環境對城市擴張的影響在一定時間段內是相對穩定的。

合理的交通建設能在較長時間對城市的擴張起促進作用［28］。交通建設一方面會占用城市土地，另一方面也會帶來新要素的集聚。1971 年阜陽火車站修建，在經過20 世紀80 年代和2006—2008 年擴建后已成為京九線重要客貨運輸節點，貨運站場和鐵路配套設施建設推動了潁東區城市建設；高鐵建設方面，2019 年商合杭高鐵與鄭阜高鐵的開通推動了高鐵新區與潁州區城市建設；另外，阜陽西關機場的運營使用也對城市擴張起到了推動作用。

5 結論與討論

5.1 結論

本文基于多時相遙感影像數據，通過構建多指標測度體系分析了1981—2018 年阜陽市城市建成區的擴張時空特征及其影響因素，主要結論如下：①從時間角度分析，阜陽市城市發展正處在上升階段，城市建成區面積不斷增加，擴張速度與強度指數波動上升，擴展速度指數從2.2 擴大到26.8，擴展強度指數從0.1 增至0.3。②從空間角度分析，阜陽市城市發展正處于外延城市化和內涵城市化并存階段，建成區空間格局從小而緊湊轉為大而分散，分形維數從1.25 增長至1.35，緊湊度指數從0.11 下降至0.02。在整個研究時序內，城市空間擴張存在方位差異，建成區重心先向東再向南遷移，最后保持東南方向遷移趨勢。③經濟、人口、政策、地理環境是影響阜陽市城市建成區擴張的主要驅動因子。其中，經濟因素是根本動力，人口因素是主要推動力，政府政策對城市擴張有加速或延緩作用，地理因素是城市擴張的空間基礎。不同階段，各影響因子的變化與調整導致城市建成區擴張存在空間異質性。

5.2 討論

城市擴張是城市經濟發展與產業結構重組等方面的空間表現。2019—2020 年《長三角區域一體化發展規劃綱要》《安徽省長三角一體化發展綱要計劃》和安徽省“十四五”規劃建議相繼發布，將阜陽市定義為皖北產業轉移集聚區、長三角綠色農產品生產基地、國家重要物流樞紐和區域重點城市進行建設，這說明阜陽市在安徽省和長三角一體化中的戰略地位不斷上升。對此，阜陽市要結合自身資源優勢與區域定位，引導城市精明發展。一是要協調城市擴張與土地存量之間的關系，保障農業用地總量不減少，基于規劃引導城市建設用地開發，提高土地利用效能；二是基于產業轉移背景優化區域產業結構，提高先進制造業比例，打造區域強勢主導產業，改變皖北地區弱工業基礎局面；三是基于空間存量設計思想規劃布局產業，避免城市無意義擴張，提高工業園區的利用強度，積極發揮經濟開發區的作用與功能。

隨著阜陽市在區域規劃中的戰略地位不斷提高，阜陽市未來的城市發展進程還將面臨諸多問題，需做進一步研究。本文僅考慮了阜陽市1981—2018年城市建成區擴張的時空特征，而城市擴張是一個長期的多要素參與的系統性工程，有限數量測度指標方法難以對城市擴張過程進行精準測度與全面分析。在今后研究中，應綜合考量更多因素對城市擴張的影響，多維度分析城市擴張演化機制。