基于遙感的宜春主城區城市空間擴展時空特征及形態演變

羅嘉東 華怡凱 熊光康 汪盛民 喻龍華

摘 要：基于宜春市多時相Landsat TM遙感影像提取不同時期城市建設用地信息，采用景觀指數法等空間方法對宜春市袁州區城市擴張特征和形態演變進行定量分析。結果表明，2000—2018年間宜春市建設用地的擴張主要通過大面積侵占耕地實現，城市擴張速度快于人口增長速度，不利于城市空間結構的可持續發展;建成區面積持續增長，外部輪廓趨于緊湊，主城區擴張減弱，城市擴張的方向主要集中在袁州區東部和北部;城市擴張過程中緊湊指數降低，土地利用開發程度較低，建成區由緊變松。

關鍵詞：城市擴張;演變;宜春;Landsat TM

中圖分類號 S757.2;P237 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0182-04

Abstract： In this paper， the multi temporal Landsat TM remote sensing image of Yichun city is used to extract the urban construction land information in different periods. The spatial methods such as landscape index method are used to quantitatively analyze the urban expansion characteristics and morphological evolution of Yuanzhou District in Yichun city. The results show that， from 2000 to 2018， the expansion of construction land in Yichun city is mainly realized by large-scale occupation of cultivated land. Urban expansion is faster than population growth， which is not conducive to the sustainable development of urban spatial structure. The area of built-up areas continued to increase， mainly in the East and north of Yuanzhou district. In the process of urban expansion， the compactness index decreases， the degree of land use and development is low， and the built-up area changes from compact to loose.

Key words： Urban expansion; Evolution; Yichun; Landsat TM

城市是人類走向文明和成熟的標志，是人類建立的“自然-經濟-社會”復合生態系統，城市空間結構的發展是衡量城市化的重要指標[1，2]。改革開放以來，我國城鎮發展水平低，但發展快，隨著城市化進程的不斷推進，局部自然生態環境破壞嚴重，造成人居環境質量下降，阻礙城市的健康可持續發展[3-5]。

宜春的城市空間擴展及形態演變在中等城市中具有一定的典型性和代表性。對于城市空間擴張和形態演變的研究，國外起步較早，早在19世紀就對城市的結構和形態進行了大量研究，“杜能圈”是德國學者杜能提出的較為著名的理論[6-8]。隨著遙感技術的快速發展，基于遙感技術的城市地理學和土地利用變化研究成為熱點。當前國內基于遙感數據研究城市擴張和演變的多集中在北京、上海、廣州等大城市。柴寶惠等[9]結合Landsat數據和DMSP/OLS夜間燈光數據，采用分類后比較法，分析天津市建成區的變化信息，比僅以單一數據源的精度有顯著提高。王佳等[10]以多源遙感數據，采用梯度分析、等扇形分析等方法研究北京城市邊緣時空結構變化過程。錢志友等[11]以Landsat數據對南京城市擴張和形態演變進行定量分析。遲文峰等[12]利用Landsat、SPOT5、GF2遙感數據，采用線性光譜混合模型得到內蒙古的土地覆蓋結構信息，監測城市擴張動態和土地覆蓋變化特征。宜春作為中等城市，是長江中游城市群重要成員，各個城市間城市規模、水平、地域特征等方面存在較大差異。本研究利用2000年、2002年、2014年和2018年4期Landsat TM遙感影像，對江西省宜春市袁州區進行土地覆蓋信息提取，分析和探討宜春袁州區18年來城市空間擴展時空特征和形態演變。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 宜春市袁州區位于江西省西北部（113°54′～114°37′E、27°33′～28°5′N），屬中亞熱帶季風氣候區，氣候溫和濕潤，無霜期長，冬季溫暖，夏季涼爽，平均氣溫18.1℃，年平均降水量1624.9mm。袁州區總面積2532.36km2，森林覆蓋率62.7%[13，14]。

1.2 數據來源 數據包括2000年、2002年、2014年、2018年4期Landsat TM遙感影像（見表1）和宜春市袁州區政府官網統計數據。解譯遙感數據過程中結合實地調查GPS點位和宜春市袁州區市域圖，TM遙感數據提取結果如圖1所示。

1.3 研究方法 采用擴張強度指數、城市蔓延指數、緊湊度指數和城市用地分形維數來揭示宜春袁州區城市擴張速度、蔓延態勢以及區域差異特征[8，15-19]。

1.3.1 擴張強度指數 應用城市擴張強度指數反映袁州區城市建設用地擴張的程度，定量比較袁州區城市擴張程度和速度。

式中：I為從時間i至j跨度內城市擴張強度指數;Si和Sj分別表示時間i和j時期的建設用地面積;S表示土地總面積（km2）;T表示時間i至j的時間變化。

1.3.2 城市蔓延指數 針對中小城市擴張的無序蔓延情況，利用城市蔓延指數SI來測定宜春市袁州區的城市蔓延情況。

式中：SI為時間i到j時間段內的城市蔓延指數，為建設用地面積與常住人口增長速度之比;Si和Sj分別表示時間i和j時期的建設用地面積（km2）;Pi和Pj分別表示時間i和j時期的常住人口數量（萬人）。

1.3.3 緊湊度指數 城市外圍輪廓形態緊湊度是反映空間斑塊完整性和聚集程度的指標，值介于0～1，值越大表明城市斑塊越具有緊湊性，相反則緊湊性越差。

式中：C為城市外圍緊湊度指數;S為建成區面積（km2）;P為城市外圍輪廓周長（km）。

1.3.4 城市用地分形維數 城市用地分形維數用來描述城市邊界形狀的曲折性和復雜性。

式中：S為第i年城市斑塊分形數;li和Pi分別為第i年城市斑塊面積（km2）和周長（km）。S理論取值在1～2，維數越大表示形狀越復雜。

2 結果與分析

2.1 城市空間擴展特征

2.1.1 城市擴張強度指數 進入21世紀后，全國城市化進程不斷加快，特別是隨著城市新區建設速度加快，城市建成區面積增長極其迅速。2000—2018年間宜春袁州區建成區域面積大幅增加，由20km2增至88km2，凈增加68km2，擴大了4.4倍，年均擴展3.78km2/a。由圖2可知，2014年之前，袁州區建成區面積增長緩慢，之后進入快速擴張階段，城市建設進入快車道;但由于袁州區全區面積大，達到2532.36km2，相比總面積而言，建成區擴張面積較小，擴張強度I僅為0.15%。

2.1.2 城市擴展空間特征 利用ENVI提取各個時期建成區范圍，利用ArcGIS提取各個時期城市外圍輪廓。各個時期袁州區城市蔓延指數、緊湊度指數和分形維數如表2所示。由表2可知，2000—2014年間城區蔓延指數穩定在相對較小的4以下，而后上升至2018年的16.67，表明袁州區城區建設在2014年之前新增建設面積維持較低水平，而后至2018年進入快速擴張。緊湊度指數在2000—2002年維持在較高值，反映當時城市建成區范圍較小，城市空間利用率較高;而后隨著高鐵新區、城北新城和工業區的發展，城市建成區不斷擴大，但城市建成區各部分斑塊之間的緊密性逐漸降低，城市形態變得較松散，土地利用開發程度較低，反映袁州區主城區經歷了一個由緊湊到較松散的過程。

2.1.3 城市空間擴展分析 2000年袁州區城市主要由老城區及周邊的中心城區組成，2018年呈現明顯“一核三軸”的組團式格局。“一核”指中心城區，包括老城區及老城區周邊;“三軸”指中心城區至彬江和中心城區至西村和中心城區至三陽發展軸。通過中心城區至彬江和中心城區至西村兩軸發展，加快東西交通功能軸發展，促進宜新萍一體化進程;通過中心城區至三陽軸發展，推動城市空間北拓，實現產城融合。

2.1.4 城市空間擴張過程中的土地利用變化 遵循全國《土地利用現狀調查技術規程》，將研究區土地利用現狀分為建設用地、耕地、林地和水域四大類，采用2000年和2018年Landsat TM遙感影像，采用監督分類方法識別城市擴展過程中主要侵占的土地類型。由表3可知，主要的侵占土地類型為耕地。對比分類識別結果如圖1所示，被侵占土地主要分布與“三軸”發展軸一致。

2.2 城市擴展的驅動力

2.2.1 地形 袁州區城北和東西向存在較廣闊的平坦區域，適宜城市建設，因此成為城市擴展的熱點區域。

2.2.2 經濟和人口 袁州區經濟指標大幅攀升，2000年GDP為9.21億元，2018年達300.79億元，全市增長了32.66倍。袁州區人口2000年為93.31萬人，城鎮人口22.32萬人，2018年達107.92萬人，城鎮人口62.44萬人，全區凈增加14.61萬人，城鎮人口增長了2.80倍。

2.2.3 行政區劃 袁州區作為宜春市委、市政府所在地，位于轄區邊界，不利于行政管理。袁州區的城鎮規模等級不明顯，輻射能力有限，而且轄區的東面更靠近南昌，進一步制約了袁州區的人口吸引力。

2.2.4 政策 宜春作為長江中游城市群重要成員，搶抓贛西經濟轉型發展新機遇，將宜春建設為贛西地區的中心城市。《宜春市中心城總體規劃（2008—2030年）》提出宜春中心城區將形成“一心一軸六板塊”的空間結構布局，城鄉統籌上構筑“一核三軸五組團”的空間結構。科學合理的城市規劃確定城市的發展方向、規模和布局，使整個城市的建設和發展具有有序性和持續性。

3 結論與討論

研究結果表明：2000—2018年間袁州區建成區面積由20km2增加到88km2，擴張了4.4倍，但由于轄區面積大，相比之下建成區擴張面積較小，擴張強度僅為0.15%;在此期間，袁州區東部的新城高鐵新區和北部新城發展進入大規模擴張期，城市擴展空間特征明顯，主要向北和向東發展，城市重心向東北方向偏移，總體形成“一核三軸”的空間結構;但發展過程中緊湊指數降低，反映城市各個斑塊間緊密度降低，表明土地開發程度在降低;建成區擴張4.4倍，但人口僅增長2.8倍，反映城市擴張過快;城市擴張過程中，以占用大量耕地為主，侵占了50.6km2，占總侵占面積的74.4%，侵占土地主要在“三軸”發展方向。由此可見，政府政策、城市規劃和經濟發展對城市空間擴張具有較大影響。基于遙感的城市空間擴張研究有利于政府實時精準掌握城市空間擴展數據，對政府決策具有重要意義。

參考文獻

[1]陳展鵬.基于城市空間格局監測的城市發展分析[J].地理空間信息，2018，16（06）：114-119.

[2]李智禮，匡文慧，張澍.近70a天津主城區城市土地利用/覆蓋變化遙感監測與時空分析[J].遙感技術與應用，2020，35（03）：527-536.

[3]李曉燕，李慧穎，滿衛東.哈長城市群城鎮用地擴展進程及其驅動因素研究[J].地理科學，2018，38（08）：1273-1282.

[4]陸永權，冼宇陽，劉桂林.基于1998—2017年夜間燈光數據的粵港澳大灣區核心區城市建成區時空動態研究[J].生態與農村環境學報，2020：1-22.

[5]熊長喜，竇小楠.地理國情普查成果在城市空間格局變化分析中的應用[J].測繪通報，2018（09）：117-120.

[6]董鶴松，李仁杰，李建明.基于DMSP-OLS與NPP-VIIRS整合數據的中國三大城市群城市空間擴展時空格局[J].地球信息科學學報，2020，22（05）：1161-1174.

[7]洪饒云，鐘麗蓉，李學芹.基于地理國情監測的蘇州市城市空間擴展變化監測研究[J].測繪與空間地理信息，2018，41（12）：115-118.

[8]陳曉鍵，譚漪玟，樊先祺.中小城市空間擴展實體邊界區域動態變化研究[J].西北大學學報（自然科學版），2017，47（02）：289-295.

[9]柴寶惠，李培軍，張瑞潔.基于Landsat數據和DMSP/OLS夜間燈光數據的城市擴展提取：以天津市為例[J].北京大學學報（自然科學版），2016，52（03）：475-485.

[10]王佳，崔柳，張盼盼.多光譜遙感數據城市邊緣區土地利用時空結構演化[J].遙感信息，2019，34（01）：51-57.

[11]錢志友，符海月，王妍.2004—2016年南京市城市擴張及形態演變特征[J].國土資源遙感，2019，31（02）：149-156.

[12]遲文峰，匡文慧，黨曉宏.基于遙感的內蒙古地級市土地覆蓋結構時空變化特征分析[J].遙感技術與應用，2019，34（01）：33-45.

[13]權麗君，賴水牯，呂添貴.基于SWOT分析的宜春市袁州區低丘緩坡開發利用策略探討[J].江西農業學報，2013，25（05）：152-155.

[14]陳凱，闕明明.關于油茶產業發展的歷史、現狀及對策——以宜春市油茶產業發展為例[J].南方林業科學，2019，47（06）：59-63.

[15]凌曉春，祝明然，鄭偉安.基于地理國情數據的濟南城市空間擴展研究[J].地理空間信息，2018，16（06）：27-31.

[16]任曉娟，陳曉鍵，馬泉.西北地區城市空間擴展及動因分析——以寧夏固原市為例[J].遙感信息，2017，32（03）：155-161.

[17]王利偉，馮長春.轉型期京津冀城市群空間擴展格局及其動力機制——基于夜間燈光數據方法[J].地理學報，2016，71（12）：2155-2169.

[18]楊育麗，馬明國，葛偉.夜間燈光影像探究北京市城市發展空間特征[J].遙感信息，2019，34（05）：41-50.

[19]于曉歆，李芹，陽春花.重慶市主城區城市空間擴展遙感監測研究[J].地理空間信息，2018，16（01）：68-70.

（責編：徐世紅）