徐州城市空間擴展特征及驅動因素分析

摘 要：隨著城市的快速發展，城市化進程也在不斷加快，為了適應經濟社會的飛速發展和人口的增長速度，隨之而來的是城市用地增加，為更好地控制城市的空間擴展，研究城市空間擴展和驅動力尤為重要。本文以徐州市建成區1981 年、1991 年、2001 年、2011 年和2021 年5 個年份時相的遙感影像為數據源，利用遙感信息提取技術獲取徐州市的城市擴展信息，從數量、形態、重心、方向4 個角度分析城市空間擴展特征，并運用回歸模型探究徐州城市擴展的主要驅動因素。結果表明：（1）1981—2021 年共40 年間城市整體擴張強度為26%，年均擴展面積為36.03 km2，其中2001—2011 年是城市擴展強度最劇烈的一段時間；（2） 城市空間擴展分形維數和緊湊度總體趨于穩定，使得城市空間更加規則，緊湊度得到提高；（3） 城市空間擴展總體以東、東南、南方向進行發展，城市重心逐漸向東南方向移動；（4） 城市空間擴展幅度明顯增加的方位是在東部、南部、東南部，城市空間整體呈現條帶狀擴展延伸；（5） 回歸分析結果表明，人口、基礎設施和政策規劃因素對徐州市城市空間擴展影響較為顯著，而經濟因素也會對城市的發展產生一定的影響。

關鍵詞：城市空間擴展; 遙感影像; 驅動因素; 多元回歸分析

中圖分類號：F299.27；P407.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0059-07

改革開放以來，中國的經濟快速發展，城市化率從1978 年的17.9% 上升到2021 年的63.89%。隨著中國持續的城市化進程，我國經濟活動的高速發展和人口數量的快速增長對土地的需求與日俱增，城市外延擴張日漸顯著，從而在城市發展中產生了許多問題，逐漸出現了人與地、人與自然的矛盾，預示了未來城市空間擴展朝著一種更加科學合理的方向發展，而且都市圈、城市群、城市帶和中心城市的演進也揭示了中國城市化進程的展開。因此，探究城市擴展特征與機制，對于引導和調節城市發展有著重要的戰略意義[1-2]。我國關于城市空間擴展的研究始于二十世紀八十年代，黎夏等[3] 基于遙感多時相監測用信息熵來計算，定量地描述城市擴展的空間規律及擴散過程。隨著遙感技術的飛速發展，遙感影像的品質得到了極大地改善，用衛星影像來分析城市發展過程中的土地變動及各地區的空間變動成為熱點問題，主要從城市空間擴展過程中的用地結構變化入手，對城市空間尺度上的空間形態、地貌特征的變化以及城市空間擴展的影響因子等進行了研究[4]。通過GIS 技術與遙感技術相結合，實現了對城市空間尺度的動態變化監測，并在城市空間范圍內得到了廣泛的應用。王厚軍等[5] 根據四個階段的遙感影像數據，并利用GIS 技術對空間數據的統計分析功能，對沈陽市城市擴展的時空變化特點及驅動因素進行分析。關興良等[6] 基于Landsat 影像數據，采用遙感與GIS 相結合的方法，獲取武漢城市群地區三期土地利用狀況，采用城鎮擴展指數和城鎮擴展模型分析城鎮用地擴展的時空分布特征、過程及驅動因素。在驅動力分析上，劉盛和[7] 總結了國外學者在該領域的研究成果，歸納出五種機制：動態機制、自然機制、市場機制、社會價值機制、政治權力機制。王紹博等[8] 運用回歸分析法，研究行政力、市場力、外向力及內在凝聚力對上海城市空間擴展的影響，發現市場力逐漸取代行政力成為重要驅動因素。總體而言，城市空間擴展研究區域主要集中在北上廣深等熱點城市，缺乏具有特殊背景的城市和二、三線城市的研究案例；研究分析角度多為單一指標，如擴展強度、緊湊度等，并未進行統一分類；驅動力分析方面選取驅動因素的時候不夠全面，很少能夠結合城市自身發展情況進行全面的分析。

徐州作為淮海經濟區的中心城市，在江蘇省乃至全國有著重要的戰略地位，近年來隨著人口增長、經濟發展和城市化的不斷加速，城市擴展規模越來越大，城市建設發展歷經巨大的變化。為了合理有效地規劃徐州市城鎮建設用地，避免過度擴展，保護耕地資源，準確掌握城市擴展情況，必須加強對城鎮建設用地擴展的研究，該研究不僅可以有效控制城市發展規模、優化土地利用格局，而且對探索城市空間擴展的合理途徑具有特別重要的實踐意義。研究成果可以為今后徐州市的城市空間擴展、擴建方向、政策編制等等提供理論指導，促進未來城市的科學合理、高質量可持續的發展。

1 研究方法與數據來源

徐州下轄市五區分別是：云龍區、鼓樓區、泉山區、賈汪區、銅山區。徐州地形以平原為主，約占全市總面積的90%，大致由西北向東南降低。2021 年，徐州地區生產總值（GDP）為4 087.58 億元，增幅10.33%。其中，第一產業增加值148.95 億元；第二產業增加值1 777.33 億元；第三產業增加值2161.30 億元。三次產業結構為3.6：43.5：52.9。人均GDP 為113 844 萬元，增長9.93%。市區常住人口為597.60 萬人，占全市總人口數的66.19%。據第七次人口普查統計，全市常住人口為908.38 萬人，與2010 年第六次全國人口普查的857.72 萬人對比，計算增長5.91%，年平均增長率為0.58%。

1.1 數據來源及處理

本文采用徐州市多期遙感影像為基礎數據源，其中經度為117°E～118°E，緯度為34°N ～35°N，分別選取時相1981 年、1991 年、2001 年、2011 年、2021 年的Landsat1-3 MSS（1981 年）、Landsat4-5 TM（1991 年、2001 年、2011 年）及Landsat8 OLI_TIRS（2021 年）遙感數據影像，并選取《徐州統計年鑒》中人口、產業占比等社會經濟數據進行驅動因素的分析。

為有效獲取徐州市城市空間擴展的信息，需要處理遙感影像。首先，利用ERDAS 軟件實現了圖像的幾何精修正，在滿足精度要求的基礎上對圖像進行裁剪和增強處理，再利用人機交互的方法對遙感影像進行監督分類，獲得研究區五個時期的用地分類信息（建成區、非建成區）。然后，將分類好的影像導入ArcGIS 10.3 中，根據柵格圖像提取出五個時期的建成區圖層。最后，利用ArcGIS 10.3 疊加分析方法進行疊加分析，生成了1981—2021 年徐州市城鎮用地擴展圖（圖1）。

1.2 研究方法

為做好本次研究，查閱了國內外相關文獻，參考了多種研究方法[9-12]。經過篩選歸類并且結合徐州市地理特點選取了適合本文研究的方法，綜合從數量、形態、重心和方向四個方面六個指標科學全面地描述城市擴展情況：第一類是擴展數量指標，包含城市空間擴展強度和擴展速度；第二類是擴展形態指標，包含城市空間擴展形態的緊湊度和分形維數；第三類是城市重心指標，包括各時期城市重心的變化情況；第四類是擴展方向指標，包括各時期城市在不同象限的用地擴展方位情況。

1.2.1 擴展數量指標

（1）擴展強度。城市擴展強度是研究城市空間擴張情況的重要指標，也就是在研究周期內，某一地域單位的用地占其總用地的比例，公式為：

式中：Et 為t 時期研究區域的城市擴展強度指數，Ua 為研究前期研究區域的城市建設用地面積，Ub 為研究后期研究區域的城市建設用地面積，T 為研究時段的長度。

（2）擴展速率。主要是指年均的擴展速率，公式為：

式中：Ua 為研究初期研究區域的城市建設用地面積，Ub為研究末期研究區域的城市建設用地面積，T 為研究時段的長度。

1.2.2 擴展形態指標

（1）緊湊度。城市邊界形態的緊湊度可以反映城市空間形態，公式為：

式中：Ct 代表城市邊界形態的緊湊度，At 表示研究區域的面積，Pt 表示研究區域周長。緊湊度數值越大，形狀越緊湊；相反，數值越小，形狀的緊湊性越差。

（2）分形維數。分形維數可反映城市形態的復雜程度，公式為：

式中：St 為分維數，Pt 表示研究區域周長，At 表示研究區域的面積。當D=1.5 時，表征城市形態處于隨機分散狀態，當D ＜ 1.5 時，城市形態趨于穩定，當D ＞ 1.5 時，城市形態復雜。

1.2.3 城市重心指標

城市空間重心遷移。用來描述研究空間分布的最有用的單一量，即物體的重心位置發生了改變，并利用重心的位置來追蹤物體的地理分布，公式分別為：

式中：Xt 為t 年某種土地利用類型分布重心的緯度坐標，Yt 為t 年某種土地利用類型分布重心的經度坐標，Cti 為第i 個小區域該種土地資源面積，Xi 為第i 個小區域幾何中心的緯度坐標，Yi 為第i 個小區域幾何中心的經度坐標，n 表示研究區內小區域的個數，D 表示重心遷移距離。

1.2.4 擴展方向指標

運用象限方位分析法，以徐州市1981 年主城區的幾何重心為原點，東西方向為橫坐標軸，南北方向為縱坐標軸，按照四個象限、八個方位將研究區域劃分為八個象限，在ArcGIS 中將其分別與研究的各時期徐州市城鎮建設用地圖進行疊加分析。利用GIS 的字段的計算幾何功能，來計算八個象限方位（北、東北、東、東南、南、西南、西、西北）內不同時期的城鎮用地擴展面積情況，通過公式（1）計算各象限方位的擴展強度，確定城市擴展方向，獲得各個時段城鎮用地擴展的空間變化情況圖。

1.2.5 多元線性回歸模型

多元線性回歸模型可用于分析一個因變量和多個自變量之間函數的線性關系， 本文運用此模型探索徐州城市空間擴展與四個驅動方面之間的依存關系， 將建成區面積作為因變量（Y），GDP、非農業人口、公路總里程等作為自變量（X1-X7） 進行回歸分析，多元線性回歸方程的一般形式為：

Y = β +β X +β X + +β X +μ （7）

式中：Y 為因變量，X 為自變量，k 為自變量個數，β0 為回歸常數，β1...βk 為回歸系數，μ 為隨機誤差項。

2 城市擴展特征分析

2.1 城市擴展程度快速，階段性明顯

徐州市建成區的面積由1981 年的35.16 km2 擴展到2021 年的395.45 km2，累計增加了360.29 km2，整體擴展強度為26％，城市擴展迅速，階段性明顯。由表1 可知：第一階段為1981—2001 年，徐州西北、東北、南部地區建成若干經濟開發區，主要發展工業，這一時期城市擴展相對穩定，累計擴展了58.94 km2，擴展速度為2.95 km2/a，擴展強度為8%；第二階段為2001—2011 年，這一時期是徐州城市擴展強度最大的時期，擴展速度為13.1 km2/a，擴展強度為14%。進入新世紀以來，受地形影響，東部、南部地區地形平坦適合發展城市，因而徐州城市化進程加速，城市土地使用價值得到充分發揮。伴隨著新城區的快速發展，城市建設用地的需求也隨著增加；第三階段為2011—2021 年，這一時期擴展強度較為減緩，擴展速率為17.0 km2/a，擴展強度為8%，城市的功能逐漸完善，徐州城市空間趨于穩定擴展。

2.2 城市擴展形態緊湊穩定

依據表2，整體上城市分形維數隨時間的變化較為平穩，形態趨于穩定，形狀逐漸規則，城市空間緊湊度逐漸提高。具體特征為：（1）1981—2001 年，城市分維數總體較高，從1.67 降低至1.62，隨后又增加至1.69，城市形態較為復雜。這段時期徐州市調整行政區劃并擴大市區面積，發展步伐加快，產業結構進一步合理化，徐州經濟社會進入快速健康發展時期，城市空間向北、西、南方向擴展。（2）2001—2021 年，分形維數下降至1.55，緊湊度也下降至0.09，城市形態趨于穩定，隨著城市緊湊程度的提升，城市向更為科學、合理的空間形態演進，整體城市內部資源利用效率水平得到提升。

2.3 城市重心朝東南方向移動

根據公式（5）和（6），計算了1981—2021 年徐州市建成區的重心坐標，并分析城市不同時期重心轉移狀況。結果由表3 可知，在1981—1991 年，徐州市的城市重心向東南方向移動，移動幅度較小，重心遷移距離為85.21 m；在1991-2001 年，城市重心向南遷移幅度較大，重心遷移距離為892.09 m，表明該時期整個城市向東南方向擴展明顯；在2001—2011 年，城市重心向東南方向遷移，移動幅度較大，重心遷移距離為2 074.06 m，表明該時期受到新城區和高鐵商務區的發展，城市逐漸向“多核心”方向發展；在2011—2021 年，城市重心持續向東南方向移動，移動幅度較為穩定，重心遷移距離為798.95 m。總體來看，進入21 世紀以來，城市逐漸向東南方向發展，城市重心逐漸轉移，對外延伸擴展明顯，城區面積不斷擴大。

2.4 城市擴展方向以向東發展為主，輔以多方向共同發展

以徐州市1981 年的城市重心為原點，將徐州的城鎮用地分割成為八個象限的區域[13-14]，分別求出各方向上的建成區面積狀況以及擴展強度，由圖2 和圖3 可知：（1）1981—1991 年，徐州城市空間擴展以向東發展為主，擴展強度為12%，城市擴展面積比較穩定，擴展方位較為均勻。這一時期主要建設工業用地，如孟家溝、八里屯、礦山路、銅山路等工業區；（2）1991—2001 年，城市擴展速度明顯加快，在東部和南部方向上出現了較快的增長，尤其集中在東部地區，位于東南的九里山經濟技術開發區，東北方向的金山橋高新技術產業園以及城南的徐州新區；（3）2001—2011 年，徐州城市擴展主要以東部和南部方向為主，在正東方向出現了大幅度的增長，高鐵商務區和新城區發展成為新的行政商務中心和商貿交通基地；（4）2011—2021 年，這一時期城市在西北、東南、西南多方向擴展，城市擴展趨于穩定。總的來說，徐州城市空間擴展在東部、南部、東南部，各時段的擴展幅度明顯增加，城市空間呈現條帶狀擴展延伸。

3 城市擴展驅動因素分析

3.1 驅動因素的選取及回歸分析

本文以徐州市40 多年來的城市建設情況為背景，借鑒了國內外關于城市擴展驅動力的研究成果[15-16]，得出影響城市發展的主要因素包括經濟因素、人口因素、交通因素、政策因素等。在綜合考慮指標選取的可量化性和可獲得性的基礎上，本文選取經濟、人口、基礎設施和政策規劃四個方面共七個驅動因素，利用多元線性回歸分析模型探析徐州城市空間擴展的驅動因素，驅動因素構成見表4。

將徐州市建成區面積作為因變量，選取1981—2021年的X1～X7 作為自變量，利用SPSS 24.0 軟件進行多元線性回歸。從表5 可知，各驅動因素與建成區面積存在極高的顯著相關關系，說明選取的影響城市建成區用地擴展的驅動指標較合理。從顯著性（sig）來看，X7、X4、X2 三個因子顯著性水平均小于0.05，說明固定資產投資總額、高等學校在校學生數和非農業人口對城市擴展的影響顯著；X3、X5 和X6 的顯著性水平在0.05～0.20 之間，說明公路總里程、醫療衛生機構床位數和地方財政支出對城市擴展也產生一定的影響，X1 的顯著性水平為0.915，影響較小。從標準回歸系數（Beta）來看，除固定資產投資總額、非農業人口和GDP 對城市擴展產生負向效應外，其他四個因子均產生正向效應，即對城市擴展有促進作用。

通過檢驗可知，回歸方程的相關系數R 為0.988，判定系數R2 為0.977，統計量F=196.998，對應的p 值小于0.05。多元線性回歸通過總體顯著性檢驗，表明回歸模型具有意義。根據非標準回歸系數，可建立的多元線性回歸模型為：

Y=27.443-0.003X1-0.460X2+0.002X3+0.000X4+0.003X5+0.205X6+0.059X7

3.2 驅動因素分析及對策建議

3.2.1 經濟因素

由表5 可知，GDP（X1）對徐州城市空間擴展有負向效應，說明GDP 每增加1 個單位，建成區面積減少0.041個單位。徐州市五區的GDP 從1981 年11.56 億元升到了2021 年的4 087.58 億元，經濟的迅速發展影響了城市用地擴展的變化，主要表現為在發展過程中GDP 的快速增長給土地帶來壓力，城市對周圍區域的輻射作用不強，降低了城市擴展的效率。

3.2.2 人口因素

由表5 可知，非農業人口（X2）對徐州城市空間擴展有負向效應，說明非農業人口每增加1 個單位，建成區面積減少0.378 個單位。隨著社會經濟的快速發展，大量勞動力向城市轉移，在這一過程中大量農業人口進城務工，導致眾多農業人口轉變為非農業人口，非農業人口的大量增加使得城市人口密度上升，這給城市的發展帶來負擔。

3.2.3 基礎設施因素

在基礎設施方面，考慮到交通、教育、醫療三個方面，由表5 可知，選取的驅動因素中公路總里程、高等學校在校學生數和醫療衛生機構床位數（X3～X5）三者均對徐州城市空間擴展有正向效應，說明基礎設施的發展對城市擴展有明顯的推動作用。公路總里程用來衡量交通發展水平，在城市空間擴展的過程中，徐州市公路布局更加合理，等級逐年提高，結構顯著改善，路網整體運行效率大幅提升。高等學校在校學生數是衡量城市科教發展水平，徐州市是科教名城、國家創新型城市，豐富的科教資源推動高新產業的興旺，促進地區經濟增長，從而推動城市空間擴展。醫療衛生機構床位數用來衡量城市公共服務水平，公共醫療服務水平的提高也為城鎮用地擴展提供的重要的動力。同時，由于城市基礎設施建設對城市用地的需求，使得城市向外擴展，從而推動了城市化進程。

3.2.4 政策規劃因素

在政策方面選用地方財政支出（X6）和固定資產投資總額（X7）兩項驅動因素。由表5 可知，兩者對城市擴展的影響較為顯著，其中地方財政支出對城市擴展產生正向效應，而固定資產投資總額產生負向效應。政府通過從上到下的固定資產投資、公共財政支出、基礎設施建設等手段影響城市空間擴展的方向和速度等方面。在一定程度上，政府的政策和規劃影響著城市的發展，城市規劃通過引導和調控干預城市空間發展，在一定時期內實現城市規劃和城市發展的目標，推動了城市空間擴展。然而，在某些情況下由政府主導的城市空間擴展模式存在著空間結構失衡、發展動力不足等問題，并逐漸出現交通擁堵、住房緊張等阻礙城市發展的城市病。

4 結論

通過動態監測城市用地可以為城市空間規劃提供科學依據，城市空間擴展研究對當今有著重要意義。本文利用1981 年、1991 年、2001 年、2011 年和2021 年五個年份遙感影像作為數據源，從擴展的數量、形態、重心轉移和方向四個角度，分別對擴展面積、擴展速度、擴展強度、緊湊度、分形維數、重心遷移距離等進行了定量的研究。同時，結合1981—2021 年的社會經濟數據，從經濟、人口、基礎設施、政策規劃對城市擴展驅動因素進行分析。

（1） 城市整體擴張階段性明顯，擴展強度先增加后減少：由1981—1991 年的5%，到1991—2001 年的8%，增加到2001—2011 年的14%，再減少到2011—2021 年的8%。2001—2011 年是徐州城市擴展強度最大的時期，原因是這一時期新城區帶動了城市發展，此后擴展速度和強度趨于減緩，城市形態趨于穩定和集中。

（2） 城市的分形維數總體在時間上是先增大后減小的，緊湊度逐漸趨于0.1 呈現穩定狀態，其原因在于：徐州早前以煤炭資源開發為主拉動經濟，空間形態因而變得復雜和分散；之后，通過調整行政區劃、優化產業占比結構等多種行政規劃手段，使城市空間變得規則和緊湊度提高，城市向更加合理科學的空間形態演變。

（3） 城市重心逐漸向東南方向移動，尤其是2001—2011年，重心遷移距離為2 074.06 m。受到新城區和高鐵商務區的影響，城市逐步呈現出多中心發展的趨勢，不同區域的空間擴展方位存在著顯著的差別。從八個象限方位來分析，不同方位的擴展強度特征為：1981—1991 年，城市空間擴展向東為主，擴展強度為12%，同時，在西南、南、北方向也有一定的擴展；1991—2001 年，向東擴展方向明顯，受到了經濟開發區建設的影響；2001—2011 年，城市擴展方向以東和南為主，由于高鐵商務區和新城區的建設發展帶動城市擴展方向的變化；2011—2021 年，城市擴展方向在西北，東南，西南方向擴展。徐州市城市空間整體呈現條帶狀擴展延伸。

（4） 徐州城市空間擴展方向受到多重因素的影響。回歸分析表明，人口、基礎設施和政策規劃因素對徐州市城市空間擴展影響較為顯著，而經濟因素也會對城市的發展產生一定的影響。

隨著城市空間形態的逐步擴展，應重視提高城市各類資源的利用效率，推動空間格局的優化，避免過度擴張導致的用地緊張。當前，徐州市的產業結構不斷優化，城市基礎設施服務逐步完善，交通網絡持續建設。未來，應依托重要交通道路，發展內部道路建設并且加強與周邊城市的對接聯動，為建設淮海經濟區中心城市和江蘇省域副中心城市打下堅實基礎。受自然條件的影響，徐州未來的發展重心仍在東部、南部地區，應推動賈汪、銅山兩區的進一步發展。本文在對城市空間擴展驅動因素分析時，只選擇了幾種主要因素，在今后的研究中可以選取更多因素例如地形、地貌等自然因素進行定量分析。另外，在討論交通對城市擴展的影響時，只研究了公路這一種形式，未對其他交通形式進行討論，今后需要進一步研究。

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[15] 陳敏. 跨江戰略下城市空間擴展過程及驅動機制研究——以長沙市為例[D]. 南昌： 江西師范大學，2023.

CHEN M. Research on the process and driving mechanism of urbanspatial expansion under the river crossing strategy： a case study ofChangsha city[D]. Nanchang： Jiangxi Normal University， 2023.

[16] 蘇美霞. 基于GIS 的城市空間擴展及驅動力分析——以綿陽市為例[D]. 成都： 四川師范大學，2015.

SU M X. Analysis of city spatial expansion and driving force byGIS， taking Mianyang city as an example[D]. Chengdu： SichuanNormal University，2015.

基金項目：國家自然科學基金項目“新發展格局下區域極化與協調聯動發展的調控機理研究”（42271177）