河谷盆地型城市擴(kuò)張的時(shí)空與驅(qū)動(dòng)力分析——以蘭州市為例

顧晶晶，冶運(yùn)濤，何 毅，曹 引，趙紅莉，蔣云鐘

(1.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，水資源研究所，北京 100038)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著中國(guó)城市化快速發(fā)展，城市用地迅速擴(kuò)張[1]。在城市化過(guò)程中，土地利用/覆被(land use and land cover，LULC)變化是最直觀表現(xiàn)。基于遙感技術(shù)在LULC動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，可準(zhǔn)確獲取城市擴(kuò)張時(shí)空特征，分析城市擴(kuò)張規(guī)律及驅(qū)動(dòng)力[2-3]。Landsat系列衛(wèi)星因空間分辨率高、傳感器波段數(shù)多且可免費(fèi)獲取特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于LULC變化監(jiān)測(cè)和城市擴(kuò)張研究[4]。

在遙感技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，基于遙感影像分類(lèi)，儼然已經(jīng)成為獲取土地利用數(shù)據(jù)的主要途徑。多數(shù)土地利用提取研究總是基于單一分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)，如面向?qū)ο蟆⒅С窒蛄繖C(jī)、隨機(jī)森林和決策樹(shù)等[5-7]。但面對(duì)不同研究區(qū)和數(shù)據(jù)源時(shí)，能否提取高精度土地利用數(shù)據(jù)，分類(lèi)方法的選擇就顯得尤為重要[8]。

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)和政策調(diào)控下，城市擴(kuò)張迅速，中外學(xué)者也展開(kāi)了大量的城市擴(kuò)張研究[9]。城市擴(kuò)張研究?jī)?nèi)容可概括為時(shí)空特征分析、驅(qū)動(dòng)力分析和多情景模擬分析等方面[10]。城市擴(kuò)張研究尺度從城市尺度到全球尺度不等[11-12]。在中國(guó)，近些年學(xué)者對(duì)城市擴(kuò)張研究區(qū)域主要是華北平原和長(zhǎng)江中下游平原的發(fā)達(dá)城市[13-15]。而楊永春等[16]以蘭州市為例，最先對(duì)河谷型城市擴(kuò)張進(jìn)行研究，分析了建成區(qū)擴(kuò)張、結(jié)構(gòu)以及變化特征。喬林凰等[17]以1990—2004年土地利用圖和衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用空間擴(kuò)展速度和形式指標(biāo)分析了蘭州市城市擴(kuò)張情況。充分了解典型區(qū)域的城市擴(kuò)張規(guī)律，對(duì)相似類(lèi)型城市的研究與規(guī)劃有重要意義[18]。

蘭州市是絲綢之路重鎮(zhèn)、西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和交通樞紐、中國(guó)西部重要的中心城市，了解蘭州市城市擴(kuò)張規(guī)律就顯得尤為重要。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，21世紀(jì)以來(lái)對(duì)蘭州市城市擴(kuò)張研究極為有限。基于2003—2019年的Landsat TM和OLI影像數(shù)據(jù)，提出利用多分類(lèi)器組合以及分層分類(lèi)思路，提取研究區(qū)土地利用/覆被分類(lèi)，以此為基礎(chǔ)獲得各時(shí)期建成區(qū)范圍；分析蘭州市城市擴(kuò)張的時(shí)空特征，并探討驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，以期為蘭州市和其他河谷型城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源及處理

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市位于甘肅省中部，是中國(guó)西北綜合交通樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要城市，市區(qū)地理位置在35°34′～37°07′N(xiāo)、102°35′～104°34′E之間。截至2018年底戶(hù)籍人口328 萬(wàn)，人口密度約237 人/km2。黃河由西向東橫穿全境，南北兩山隔河而立，形成了典型的河谷型城市。以城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)和西固區(qū)為研究區(qū)(圖1)，區(qū)域內(nèi)海拔1 484～2 502 m，城市建成區(qū)集中在黃河灘地，北邊山區(qū)多為裸地及低覆蓋度草地，南邊山區(qū)多為梯田和林地。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

選用的Landsat遙感影像，下載于美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)，包括2003、2006、2009年(Landsat 5 TM)和2013、2016、2019年(Landsat 8 OLI)，軌道號(hào)131、35，多光譜分辨率30 m。數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(https://www.gscloud.cn/)，共2景，分辨率30 m。

遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理：利用ENVI 5.3軟件擴(kuò)展工具，對(duì)Landsat影像批量輻射定標(biāo)和快速大氣校正，并利用研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行批量裁剪。基于ArcGIS 10.6軟件，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼、鑲嵌及裁剪。

其他數(shù)據(jù)包括：甘肅省行政區(qū)劃圖、2003—2019年甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒、蘭州市統(tǒng)計(jì)年鑒和蘭州市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料。

2 研究方法

傳統(tǒng)遙感影像分類(lèi)研究多采用決策樹(shù)、最大似然、面向?qū)ο蟮葐我环诸?lèi)器方法。由于每一種分類(lèi)器的學(xué)習(xí)和容錯(cuò)能力存在很大差異，且對(duì)不同衛(wèi)星影像和研究區(qū)適用性差。然而各分類(lèi)器在實(shí)際分類(lèi)過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)共存，如決策樹(shù)分類(lèi)原理是從原始數(shù)據(jù)中逐類(lèi)提取并對(duì)已提取類(lèi)掩膜處理，避免對(duì)其他類(lèi)提取產(chǎn)生干擾，但決策樹(shù)分類(lèi)閾值確定比較困難。面向?qū)ο蠓诸?lèi)包括目標(biāo)構(gòu)建和目標(biāo)分類(lèi)，對(duì)建設(shè)用地和規(guī)則耕地提取效果更佳。

多分類(lèi)器組合方法利用各分類(lèi)器提取優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到提高分類(lèi)精度目的。基本原理是利用單一分類(lèi)器對(duì)特定土地利用提取的優(yōu)勢(shì)，由易到難逐層提取，在此過(guò)程中，對(duì)已提取的對(duì)象進(jìn)行掩膜處理，可減少對(duì)其他對(duì)象提取的影響。

基于分層分類(lèi)原則，利用多分類(lèi)器組合方法提取蘭州市土地利用/覆被分類(lèi)和建成區(qū)范圍，分析城市擴(kuò)張時(shí)空特征，最后結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，利用主成分分析統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)蘭州市城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。本文實(shí)驗(yàn)方法和分析流程如圖2所示。

圖2 論文基本框架

2.1 土地利用分類(lèi)方法

本文土地利用/覆被分類(lèi)方法采用分層策略，結(jié)合各分類(lèi)器的優(yōu)勢(shì)，采取先易后難，先特殊后一般的原則提取。首先利用水體的歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)小于0的特點(diǎn)[19]，利用決策樹(shù)提取水體；然后利用面向?qū)ο蠓椒ǎY(jié)合紋理特征和歸一化建筑指數(shù)(normalized difference building index, NDBI)提取建設(shè)用地[20]；最后采用隨機(jī)森林分類(lèi)器，綜合NDVI和地形特征解譯其他用地[21]。

2.1.1 分類(lèi)體系及樣本數(shù)據(jù)

參考國(guó)土資源部《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》、國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心分類(lèi)系統(tǒng)以及結(jié)合數(shù)據(jù)源和研究區(qū)覆被特點(diǎn)，確定分類(lèi)體系為水體、建設(shè)用地、裸地、草地、林地和耕地。

基于蘭州市土地利用現(xiàn)狀圖和高分辨谷歌影像在研究區(qū)內(nèi)均勻選取樣本，按5∶1分為分類(lèi)樣本和驗(yàn)證樣本。

2.1.2 特征參數(shù)計(jì)算

利用ENVI5.3軟件，計(jì)算NDVI、NDBI和紋理特征；基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.6軟件計(jì)算坡度和坡向特征。NDVI、NDBI的計(jì)算公式為

NDVI=(ρnir-ρr)/(ρnir+ρr)

(1)

NDBI=(ρmir-ρnir)/(ρmir+ρnir)

(2)

式中：ρnir表示近紅外波段；ρr表示紅外波段；ρmir表示中紅外波段。

2.1.3 LULC分類(lèi)步驟

分類(lèi)步驟以2019年Landsat8 OLI數(shù)據(jù)為例，共包括13景影像。統(tǒng)計(jì)2019年內(nèi)各地物類(lèi)型在不同時(shí)期的NDVI，構(gòu)建時(shí)間序列曲線如圖3所示，明確不同覆被類(lèi)型的年際NDVI變化。

圖3 2019年NDVI時(shí)間序列曲線

(1)研究區(qū)水體包含黃河及其支流湟水，水量充沛，流動(dòng)性好，由圖3可得研究區(qū)內(nèi)水體的NDVI值全年均小于零，利用這一特點(diǎn)，采用決策樹(shù)分類(lèi)算法提取水體。

(2)基于紋理特征，采取面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法提取建設(shè)用地。面向?qū)ο蠓诸?lèi)基本原理是先通過(guò)多尺度分割，得到均質(zhì)單元，尋找合適的參數(shù)剔除不需要的對(duì)象；再通過(guò)其他分類(lèi)算法進(jìn)一步提取[22]。考慮到城市邊緣建筑物與部分耕地相鄰，所以選擇兩者光譜差異較大的夏季影像進(jìn)行建設(shè)用地和耕地的區(qū)分。建設(shè)用地提取包括兩步：首先利用多尺度分割，得到包含建設(shè)用地、草地和裸地的混合體；然后根據(jù)建設(shè)用地和裸地的高程差異以及4—9月草地NDVI明顯高于前兩者，采用決策樹(shù)提取建設(shè)用地。

(3)采用隨機(jī)森林分類(lèi)方法提取其他剩余覆被類(lèi)型，其中高程、坡度和坡向?qū)Ω脖活?lèi)型有一定程度上的影響[23]。NDVI最大值合成數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)全年植被最高覆蓋，并降低大氣和云層等對(duì)數(shù)據(jù)的影響[24]。隨機(jī)森林分類(lèi)器輸入數(shù)據(jù)為NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)、NDVI最大值合成數(shù)據(jù)、地形以及紋理特征數(shù)據(jù)等。

2.2 城市擴(kuò)張?jiān)u價(jià)指標(biāo)

建成區(qū)面積變化(ΔS)是城市擴(kuò)張最直接的表現(xiàn)；擴(kuò)張速度(Vs)表達(dá)城市擴(kuò)張速度在一定時(shí)間段的快慢，用城市擴(kuò)張面積年平均值表示[15]；城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(urbanization intensive index，UII)表示面積相對(duì)變化的年平均值，主要表達(dá)某一時(shí)期城市擴(kuò)張快慢[25]，值越大，表示城市擴(kuò)張速度越快。以上評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式為

ΔS=St+1-St

(3)

(4)

(5)

式中：St表示前一時(shí)段建成區(qū)面積；St+1表示后一時(shí)段建成區(qū)面積；ΔT表示時(shí)間間隔，年。

緊湊度(C)是反映地物形狀的參數(shù)，可表示城市土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和土地利用率，大小為0～1，其值越大代表形狀越緊湊，計(jì)算公式[26]為

(6)

式(6)中：S表示建成區(qū)面積；P表示建成區(qū)周長(zhǎng)。

研究表明城市面積和人口存在異速生長(zhǎng)定律，通過(guò)探究?jī)烧咧g的關(guān)系，可定性分析城市擴(kuò)張的合理性[27]，在SPSS 25.0中擬合建成區(qū)面積和人口之間的函數(shù)關(guān)系為

S=aNb

(7)

式(7)中：S表示建成區(qū)面積；N為對(duì)應(yīng)年份的城鎮(zhèn)人口；a為系數(shù)；b為標(biāo)度指數(shù)，具有分維意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 LULC分類(lèi)與統(tǒng)計(jì)分析

LULC分類(lèi)結(jié)果如圖4所示，圖4(a)～圖4(f)分別為2003、2006、2009、2013、2016、2019年土地利用圖，分類(lèi)精度分別為87.6%、89.3%、88.9%、91.5%、89.5%、90.8%，Kappa系數(shù)分別為0.86、0.88、0.80、0.91、0.88、0.89。統(tǒng)計(jì)各時(shí)期土地利用類(lèi)型面積，得到如圖5所示2003—2019年各覆被類(lèi)型面積變化。其中研究區(qū)內(nèi)水體主要是以黃河及其支流為主，面積基本沒(méi)有發(fā)生變化；建設(shè)用地逐年增加，且一直保持較快的速度；耕地2003—2009年，由172 km2減少到149.3 km2，之后趨于穩(wěn)定；裸地在2009年之后，面積出現(xiàn)一定程度的減少；建成區(qū)內(nèi)林地逐年減少。

圖4 蘭州市2003—2019年LULC分類(lèi)結(jié)果

圖5 蘭州市2003—2019年LULC

3.2 城市擴(kuò)張時(shí)空分析

基于研究區(qū)LULC數(shù)據(jù)，認(rèn)為建成區(qū)范圍即為建設(shè)用地，將各時(shí)間點(diǎn)建成區(qū)范圍在ArcGIS 10.6中疊加顯示，得到研究區(qū)2003—2019年城市擴(kuò)張情況如圖6所示。從圖6可以看出，2003—2006年城市沿河谷整體擴(kuò)張，主要方式為外部擴(kuò)展；2006—2009年，在西固區(qū)和七里河區(qū)主要沿南方向外圍擴(kuò)張；2009—2013年，在西固區(qū)東南方向、七里河區(qū)北方向、安寧區(qū)和城關(guān)區(qū)，擴(kuò)張形式為內(nèi)部填充和外部擴(kuò)展并存，河谷內(nèi)部已經(jīng)趨于飽和；2013—2019年，城市持續(xù)向外零散擴(kuò)展。

圖6 2003—2019年城市擴(kuò)張

3.2.1 城市擴(kuò)張時(shí)序分析

計(jì)算2003—2019年各時(shí)期城市擴(kuò)張指標(biāo)如表1，由表1可得，蘭州市主城區(qū)16年間建成區(qū)面積持續(xù)增加，總增加面積為107.5 km2，其中2009—2013年和2016—2019年面積增加幅度較小，分別為8.57 km2和11.66 km2，其余時(shí)間段內(nèi)面積增加量接近30 km2。

表1 2003—2019年蘭州主城區(qū)擴(kuò)張數(shù)據(jù)

擴(kuò)張強(qiáng)度可以分為以下幾類(lèi)：大于2.05%/a為高速，(1.07%～2.05%)/a為快速，(0.55%～1.07%)/a為中速，(0.22%～0.55%)/a為低速，(0～0.22%)/a為緩速[28]。由表1可看出，其中2009—2013年、2016—2019年擴(kuò)張強(qiáng)度分別為1.1%/a和1.6%/a，城市處于快速擴(kuò)張，其他時(shí)間段擴(kuò)張強(qiáng)度都大于2.05，處于高速擴(kuò)張。總體來(lái)說(shuō)，2003—2019年間擴(kuò)張強(qiáng)度為4.8%/a，城市處于高速擴(kuò)張狀態(tài)。

3.2.2 城市擴(kuò)張地形分析

區(qū)域性的地貌是形成河谷型城市格局的基礎(chǔ)，河谷的長(zhǎng)度、寬度、山體的坡度以及地質(zhì)等都是影響城市發(fā)展的因素，山體的坡度和地質(zhì)條件決定了城市是否有向山上發(fā)展的可能性[29]，這也是出現(xiàn)重慶市和蘭州市兩種不同河谷型城市的主要原因。

蘭州市河谷可建筑面積僅為207 km2，截至2008年，城市面積已經(jīng)占用了約85%的河谷區(qū)域[16]，城市擴(kuò)張?jiān)跂|西方向比南北方向更加強(qiáng)烈。蘭州市2003—2019年建成區(qū)范圍的海拔和坡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出，建成區(qū)海拔在2003—2009年，基本都在1 650 m以下，在2009年以后，隨著城市向南北方向的持續(xù)擴(kuò)張，建成區(qū)海拔也逐漸增加，尤其出現(xiàn)在安寧區(qū)北邊、七里河區(qū)的南邊和城關(guān)區(qū)，其中城關(guān)區(qū)的北方向最劇烈。從圖7可以看出，城市中心區(qū)域坡度都在0°～10°之間，而城市邊緣地帶坡度較大。從時(shí)間緯度分析，2013年前城市擴(kuò)張主要出現(xiàn)在小坡度區(qū)域，在2013年后，隨著河谷內(nèi)可建設(shè)用地趨于飽和，建成區(qū)開(kāi)始向大坡度山地?cái)U(kuò)張，在城關(guān)區(qū)東北方向尤為明顯。

圖7 2003—2019年建成區(qū)海拔和坡度

3.2.3 緊湊度

研究表明，若建成區(qū)緊湊度隨時(shí)間增大，城市就呈現(xiàn)填充式擴(kuò)張，反之則代表城市向外擴(kuò)張[30]。計(jì)算2003、2006、2009、2013、2016、2019年緊湊度分別為0.035、0.037、0.033、0.038、0.040、0.045。緊湊度在2003—2019年間持續(xù)增加，但緊湊度整體偏小，城市空間布局分散。由緊湊度變化可知，蘭州市城市擴(kuò)張模式是向外擴(kuò)張與內(nèi)部填充并存。

蘭州市作為典型的河谷盆地型城市，由于南北兩山的限制，城市只能沿河谷方向發(fā)展，這也使得城市呈現(xiàn)多核-帶狀特點(diǎn)[31]，形成以城關(guān)區(qū)、西固區(qū)以及安寧區(qū)和七里河區(qū)為中心的多核城市群。西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略開(kāi)始以來(lái)，隨著城市副中心的建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的設(shè)立，黃河兩邊的灘地快速開(kāi)發(fā)，其中最主要的是城關(guān)區(qū)雁灘、安寧區(qū)南北部及七里河區(qū)西北部。再加上購(gòu)房政策變化，促使房地產(chǎn)快速發(fā)展，大批黃河灘地住宅區(qū)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，使得盆地內(nèi)建設(shè)用地快速擴(kuò)展[32]。建成區(qū)整體沿黃河兩岸擴(kuò)展，模式以類(lèi)平原的圈層式擴(kuò)展和內(nèi)部填充式并存，城市內(nèi)部充實(shí)，但外部越來(lái)越破碎。

3.2.4 合理性分析

參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，在城市建成區(qū)面積S與人口異生長(zhǎng)數(shù)量N關(guān)系中，b大小間接表達(dá)城市擴(kuò)張的合理性，若b=0.9，城市屬于合理擴(kuò)張；若b>0.9，城市擴(kuò)張速度高于人口增長(zhǎng)；若b<0.9，人口增長(zhǎng)速度大于城市擴(kuò)張[33]。通過(guò)SPSS 25.0非線性擬合，得到蘭州市人口異生長(zhǎng)函數(shù)如式(8)，其中擬合度R2=0.923，系數(shù)a=0.026，b=1.718，大于合理值，城市擴(kuò)張速度大于人口增長(zhǎng)速度，也就意味著土地的大量浪費(fèi)。

S=0.026N1.718

(8)

4 城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力分析

主成分分析的思想是利用降維，確定權(quán)重，用較少的變量去解釋原始數(shù)據(jù)，其中每個(gè)主成分是原始變量的線性組合，而且新的主成分之間互相無(wú)關(guān)[34]。驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素眾多，由于各因素之間有一定的相關(guān)性，存在信息的重疊，而主成分分析就是將相關(guān)性較高的變量只保留下某一個(gè)，然后組成盡可能少的新變量作為驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張的因子。

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素與建成區(qū)面積之間的進(jìn)行主成分分析，探究城市擴(kuò)張的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。根據(jù)甘肅省和蘭州市統(tǒng)計(jì)年鑒，選擇如表2所示的指標(biāo)，考慮到數(shù)據(jù)單位不一致，故在進(jìn)行主成分分析前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

分別對(duì)表2中11個(gè)驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)與研究區(qū)建成區(qū)面積做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)除了公路公里數(shù)指標(biāo)外，其余指標(biāo)與建成區(qū)面積之間都存在很強(qiáng)的相關(guān)性。在剩余10個(gè)驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)之間兩兩做相關(guān)性分析，分析相關(guān)系數(shù)矩陣，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)之間也存在很強(qiáng)的相關(guān)性，因此選擇利用主成分分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理。

表2 驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

利用SPSS 25.0進(jìn)行主成分降維分析，本文選擇前3個(gè)因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.6%，其特征值分別為10.075、0.621、0.259，貢獻(xiàn)率分別為91.6%、5.6%、2.4%。由主成分分析因子負(fù)荷矩陣得，第一主成分主要與人口、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和城鎮(zhèn)居民收入相關(guān)，第二和第三主成分主要與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占比相關(guān)。綜上所述，人口增加和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是蘭州市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力。

(1)人口因素。城市人口數(shù)及其所占總?cè)丝诘谋壤浅鞘谢降闹匾笜?biāo)，城市擴(kuò)張和城市人口增長(zhǎng)有直接的關(guān)系[35]。蘭州市主城區(qū)，從2003—2019年末，總?cè)丝跀?shù)增加49.3 萬(wàn)，城市人口占總?cè)丝跀?shù)的90.47%。隨著城市化發(fā)展，城市人口持續(xù)增加，對(duì)生活空間需求量變化，直接促使城市建筑物及其他社會(huì)公共用地的增加。

(2)經(jīng)濟(jì)因素。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市擴(kuò)張的引擎和主要推力，從宏觀經(jīng)濟(jì)方面分析，只要城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市擴(kuò)張就必然存在，而城鎮(zhèn)居民收入的增加最能解釋城市擴(kuò)張[36]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘭州市自2003年以來(lái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值從358.1億元增長(zhǎng)到1 756.43 億元，增幅約6倍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛。同期社會(huì)消費(fèi)總額由從206.53 億元增加到1 263.35 億元，其中批發(fā)零貿(mào)易業(yè)占比逐年增加，住宿和餐飲業(yè)基本趨于穩(wěn)定。城鎮(zhèn)居民收入從2003年不足1萬(wàn)，增加到85 575 元，增幅達(dá)8倍。

(3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。城市擴(kuò)張是土地利用類(lèi)型從第一產(chǎn)業(yè)向第二和第三產(chǎn)業(yè)用地的重新配置過(guò)程，而隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，第一產(chǎn)業(yè)占比下降是必然趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)入后工業(yè)化，第二產(chǎn)業(yè)逐漸被第三產(chǎn)業(yè)替代，第三產(chǎn)業(yè)占將占據(jù)經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)地位[37]。

隨著蘭州市工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及第三產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步優(yōu)化，合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。由相關(guān)性分析，蘭州市建成區(qū)面積與第一和第二產(chǎn)業(yè)占比呈負(fù)相關(guān)，與第三產(chǎn)業(yè)占比呈正相關(guān)。根據(jù)年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年第一、二和三產(chǎn)業(yè)占比分別為1.5%、51.4%、47.1%，到2019年各產(chǎn)業(yè)占比變化率為-0.79%、-21.11%、21.9%，其中第一和第二產(chǎn)業(yè)占比下降，第三產(chǎn)業(yè)占比逐年增加，這也符合城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

城市人口、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)三者相輔相成，經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化配置，其中第三產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展提供了更多的工作崗位，而城市人口增加也會(huì)刺激服務(wù)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展。

5 結(jié)論

基于蘭州市2003—2019年6期Landsat遙感影像，首先提取2003—2019年蘭州市主城區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，確定建成區(qū)范圍；對(duì)城市擴(kuò)張時(shí)空特征、高程和坡度變化進(jìn)行分析；最后對(duì)驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張的自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行探索，得出以下結(jié)論。

(1)基于分層分類(lèi)策略，結(jié)合NDVI時(shí)間序列、紋理以及地形等特征，采用多分類(lèi)器組合方法對(duì)蘭州市進(jìn)行土地利用/覆被分類(lèi)。結(jié)果表明，此方法能準(zhǔn)確提取蘭州市土地利用/覆被分類(lèi)，總體分類(lèi)精度大于87%，Kappa系數(shù)大于0.8。

(2)分析擴(kuò)張面積、擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度、城市地形、緊湊度和擴(kuò)張合理性等指標(biāo)，對(duì)蘭州市城市擴(kuò)張規(guī)律進(jìn)行探索。結(jié)果表明，2003—2019年建成區(qū)面積持續(xù)增加，年擴(kuò)張速率6.72 km2/a，年擴(kuò)張強(qiáng)度4.8%/a，處于高速擴(kuò)張；隨著城市擴(kuò)張，建成區(qū)持續(xù)向更高海拔與更大坡度區(qū)域擴(kuò)展；受自然條件限制，城市緊湊度低，城市在空間上呈現(xiàn)多核-帶狀；建成區(qū)面積擴(kuò)張速率大于人口增加速率，蘭州市城市擴(kuò)張不合理。

(3)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子進(jìn)行主成分分析，得到人口增加、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是蘭州市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因子。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)配置，改善經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，居民收入提高，城市人口增加，也促使城市進(jìn)一步擴(kuò)張。