基于地學(xué)信息圖譜的礦業(yè)城市空間擴(kuò)展研究——以徐州市為例

李保杰，顧和和，紀(jì)亞洲，陳 軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116;2.徐州師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇徐州 221116)

我國正處于城市化進(jìn)程高速發(fā)展階段，而城市建設(shè)用地的空間擴(kuò)展是城市化進(jìn)程的一個重要測度指標(biāo)［1］。城市建設(shè)用地空間擴(kuò)展是自然、經(jīng)濟(jì)、政策等多方面因素共同作用的結(jié)果［2－3］。因此，通過研究城市建設(shè)用地的空間擴(kuò)展變化以揭示城市的生長過程、演化規(guī)律，為城市的發(fā)展規(guī)劃、調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對城市擴(kuò)展進(jìn)行了深入的探討:Masek等利用TM數(shù)據(jù)研究了華盛頓特區(qū)城市擴(kuò)展的動態(tài)變化［4］，我國學(xué)者相繼借助GIS和RS技術(shù)對我國主要大、中型城市，如北京［5－6］、上 海［7－8］、南 京［9－10］、西 安［11］、廈 門［12］、沈陽［13］、長春［14］、延吉市［15］、四平市［16］，中尺度區(qū)域，如蘇錫常地區(qū)［17］、長三角地區(qū)［18］從不同角度對不同的城市或區(qū)域的城市空間擴(kuò)展進(jìn)行了研究，并對不同城市的空間擴(kuò)展特征和驅(qū)動力因子進(jìn)行了探討。而對于中型礦業(yè)城市由于資源的開發(fā)和其他方面因素，對城市空間擴(kuò)展的影響方面的研究則鮮見報道。徐州作為一個典型的礦業(yè)城市，近年來，城市擴(kuò)張的速度明顯加快，而且經(jīng)歷了資源大規(guī)模開采階段和資源枯竭階段，因此，研究礦業(yè)城市不同階段對城市空間擴(kuò)展的影響具有一定的理論和實(shí)踐意義。為此，文章基于4期(1979—2009年)MSS/TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)，利用地學(xué)信息圖譜并結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，對1979—2009年間徐州市區(qū)(依據(jù)2005年徐州市行政區(qū)劃，不含賈汪)不同發(fā)展階段城市建設(shè)用地空間擴(kuò)展進(jìn)行探討，并結(jié)合礦業(yè)城市的發(fā)展特點(diǎn)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對建設(shè)用地空間擴(kuò)展及其驅(qū)動力進(jìn)行了分析，以期為城市規(guī)劃、城市用地結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

徐州市位于北緯 34°15'、東經(jīng) 117°11'，屬于黃淮河沖積平原，區(qū)內(nèi)除少數(shù)丘崗?fù)?，地勢較為平坦，年平均氣溫為14.2℃，年平均降水量為834.7 mm。該區(qū)交通繁忙，煤炭資源豐富，重工業(yè)發(fā)達(dá)，是我國煤炭、電力工業(yè)的重要基地之一，2006年原煤產(chǎn)量282.7億t，占江蘇省原煤產(chǎn)量的93%，是我國12個年產(chǎn)量超過1 000萬t的煤炭產(chǎn)地之一，有百余年的煤炭開采史。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用Landsat TM軌道號為122-37的4個時相遙感圖像作為數(shù)據(jù)源，時間分別為1979年6月15日、1989年9月20日、1999年9月26日和2009年9月14日，云量均為0%，以徐州市區(qū)1∶10 000的地形圖在ERDAS 9環(huán)境下對4期遙感影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，然后利用徐州市行政區(qū)劃矢量圖轉(zhuǎn)化成的AOI對徐州市區(qū)進(jìn)行裁剪。解譯前，先采用監(jiān)督分類中的最小距離分類法對遙感影像進(jìn)行了預(yù)分類，結(jié)合地面調(diào)查，確定影像訓(xùn)練區(qū)。在進(jìn)行多種分類方法比較后，以分類精度較高的最大似然分類法進(jìn)行分類，4期影像分類結(jié)果的Kappa系數(shù)在0.844 6和0.866 5之間，精度滿足分析的要求。本研究根據(jù)光譜特征將影像分為5類:建設(shè)用地、水體、農(nóng)田、綠地、林地，然后將水體、農(nóng)田、綠地、林地合并成一類地物，即對分類后的圖像進(jìn)行二值化處理，得到建設(shè)用地和非建設(shè)用地兩類地物，然后，利用ArcGIS 9.2對二值化后的圖像進(jìn)行矢量化即對建成區(qū)的邊界進(jìn)行提取，獲得了徐州市1979，1989，1999和2009年的建成區(qū)矢量圖，并保存為SHP格式。最后，在矢量圖的基礎(chǔ)上利用ArcGIS軟件進(jìn)行圖斑面積的計(jì)算，從而對不同時期的建成區(qū)空間擴(kuò)展進(jìn)行研究。

2 研究方法

用遙感圖像解譯的成果圖及徐州市區(qū)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以擴(kuò)展強(qiáng)度和擴(kuò)展指數(shù)作為城市空間面積擴(kuò)展分異指標(biāo)，以分維數(shù)和緊湊度作為城市空間擴(kuò)展形態(tài)指標(biāo)，研究城市空間擴(kuò)展的形態(tài)特征變化，以城市重心轉(zhuǎn)移指標(biāo)來研究城市的重心轉(zhuǎn)移情況［19－20］。

(1)城市擴(kuò)展強(qiáng)度:城市擴(kuò)展強(qiáng)度表征在某一時間段內(nèi)年際城市面積增長比率。計(jì)算公式如下:

式中:R為研究末期城市擴(kuò)展強(qiáng)度;Ub為研究末期城市用地面積;Ua為研究初期城市用地面積;T為時間間隔。

(2)人口－城市擴(kuò)展指數(shù):人口－城市擴(kuò)展指數(shù)用于表征城市擴(kuò)展的緊密程度，I值越小表明城市擴(kuò)展越為緊密，城市用地的擴(kuò)展有人口的支撐;反之，則城市用地擴(kuò)展表現(xiàn)為稀疏模式，城市用地擴(kuò)展超前于人口增長。計(jì)算公式如下:

式中:I為研究末期城市擴(kuò)展指數(shù);Ub為研究末期城市用地面積;Ua為研究初期城市用地面積;Pb為研究末期人口;Pa為研究初期人口。

(3)城市分形維數(shù):分形維數(shù)用于描述城市形態(tài)，分析不同時期城市的空間復(fù)雜度和穩(wěn)定性。計(jì)算公式如下:

式中:A(r)代表以r為量測尺度的某一樣本的面積;P(r)為同一樣本的周長;C為截距;D為分形維數(shù)。

(4)緊湊度:緊湊度是反映地物形狀的參數(shù)，緊湊度的變化可表征城市用地擴(kuò)展的空間特征。計(jì)算公式如下:

式中:c為緊湊度;At，Pt分別為第t年城市斑塊的面積(km2)和周長(km)。c值在0～1之間，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好;反之越差。圓是形態(tài)最緊湊的圖形，其緊湊度為1。

(5)城市空間重心轉(zhuǎn)移計(jì)算公式如下:

式中:Xt，Yt分別為t時間城市用地重心坐標(biāo);Xi，Yi為第i塊城市用地的幾何中心坐標(biāo);Cti為第i個片區(qū)面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市擴(kuò)展的時空特征

徐州市區(qū)建成區(qū)面積從1979年的35.22 km2增加到2008年的157.20 km2，增長了4.46倍，擴(kuò)展速度為4.06 km2·a－1，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為 7.75%。1979—1999年間，徐州市城市擴(kuò)展速度相對穩(wěn)定，20年間城市擴(kuò)展了50.15 km2，擴(kuò)展速度為2.51 km2·a－1。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，徐州進(jìn)入城市快速發(fā)展時期，1999—2009年間城市面積擴(kuò)展了 71.83 km2，擴(kuò)展速度為 7.18 km2·a－1，是前20年擴(kuò)展速度的2.86倍。這一時期，由于新城區(qū)的建設(shè)、城市基礎(chǔ)設(shè)施以及京滬高鐵等的拉動作用，使得城市向東擴(kuò)展的速度空前提高(表1)。

表1 徐州市不同時段城市擴(kuò)展情況(1979—2009年)Tab.1 Status of urban expansion in Xuzhou City during different periods(1979—2009)

3.2 城市擴(kuò)展的空間分異特征

為了深入研究城市空間擴(kuò)展的空間分異特征，以1979年徐州市區(qū)幾何中心為原點(diǎn)，東西方向?yàn)闄M軸，南北方向?yàn)榭v軸，按45°角將研究區(qū)劃分成8個象限區(qū)域，與不同時期城市空間分布圖疊加(圖1)，統(tǒng)計(jì)不同方向城市區(qū)擴(kuò)展面積，分析不同時段各象限方位區(qū)內(nèi)建成區(qū)擴(kuò)展面積、擴(kuò)展強(qiáng)度等特征(圖2，圖3)。

圖1 1979—2009年徐州市不同方位區(qū)的城市擴(kuò)展過程Fig.1 Urban expansion processes of Xuzhou in different directions during 1979—2009

由圖2、圖3可見，1979—2009年間城市空間擴(kuò)展增幅較大的3個象限分別是1，8和7象限，平均增長速度分別是 0.88，0.78 和 0.69 km2·a－1。城市空間擴(kuò)展朝東部和東南方向擴(kuò)展，這是由于徐州市政府積極推進(jìn)新城區(qū)的建設(shè)和京滬高鐵的建設(shè)對城市擴(kuò)展的拉動作用。第3象限的城市用地空間擴(kuò)展在8個象限中擴(kuò)展速度和擴(kuò)展的幅度最低，主要是由于該區(qū)受到九里山的阻隔，對城市的空間擴(kuò)展起到阻礙作用。1979—1989年間城市空間擴(kuò)展幅度較大區(qū)域集中在第4象限，其主要是由于西北部礦區(qū)的發(fā)展對城市發(fā)展的拉動作用，使得城市向西北發(fā)展。1979—1989年間，徐州市城市在8個象限擴(kuò)展較均衡，主要沿“西北—東南”軸線發(fā)展，而在1989—2009年間，城市主要朝東部和東南方向擴(kuò)展。

由圖3可以看出，徐州市不同時期不同象限內(nèi)城市擴(kuò)展面積有所不同，擴(kuò)展強(qiáng)度也不相同。1979—1989年間，徐州市城市用地擴(kuò)展強(qiáng)度變化最大的出現(xiàn)在第4象限，其主要原因是由于徐州作為礦業(yè)城市正處于快速發(fā)展時期，城市發(fā)展的重要動力主要是由于煤炭資源的開采和礦區(qū)居民的增多所致。1989—1999年間，擴(kuò)展強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在第1，8象限，主要原因是該時段內(nèi)，徐州東部京福高速等的修建和徐州市新的行政區(qū)劃調(diào)整使得城市向東部發(fā)展。1999—2009年間，擴(kuò)展強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在第1，7和8象限。首先，主要是由于進(jìn)入21世紀(jì)以來，徐州處于后采礦時期并進(jìn)入快速發(fā)展時期，徐州西部和西北部主要是采煤塌陷地，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)等條件限制了城市朝該區(qū)發(fā)展;其次是徐州北部的九里山和京杭大運(yùn)河以及南部的云龍湖的阻隔作用，抑制城市朝西、南部發(fā)展;同時，由于政策因素，新城區(qū)的建設(shè)和京滬高鐵等設(shè)施的建設(shè)和使用，使得城市用地朝東部、東南部快速發(fā)展。

各監(jiān)測時段重心分布結(jié)果(圖2，表2)表明，不同時期城市擴(kuò)展的地域空間分異明顯，1979—1989年間，徐州市城市重心向西北方向移動，移動幅度較小，主要由于徐州市作為典型的礦業(yè)城市，該時段城市的發(fā)展主要依靠煤炭資源的開發(fā)，使得城市朝西北方向發(fā)展;1989—1999年間，城市重心向東部遷移，表明該時期城市整體向著東部方向擴(kuò)展顯著。1999年以后，城市逐漸向東部、東南方向發(fā)展，方向非常顯著，用地擴(kuò)展主要朝新城區(qū)方向(東部)發(fā)展，主要原因是城市東南部是城市主要的文教區(qū)、風(fēng)景區(qū)，適宜城鎮(zhèn)居民居住，使得城市朝東南方向發(fā)展。

表2 徐州市建成區(qū)重心位置移動(1979—2009年)Tab.2 The shift of urban gravity center of Xuzhou City during 1979—2009

從遷移方向可以看出，徐州城市空間擴(kuò)展與煤炭資源的開發(fā)密切相關(guān)，1979—1989年間主要是由于煤炭資源的開發(fā)，使得市區(qū)西北部礦區(qū)蓬勃發(fā)展，城市的中心朝西北方向移動;其次是城市的重心轉(zhuǎn)移跟交通網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，朝公路、鐵路等主要交通干線擴(kuò)展是其發(fā)展的另一大特點(diǎn)。

3.3 城市擴(kuò)展的空間形態(tài)演變特征

由表3可以看出，徐州市區(qū)城市用地的分維數(shù)隨時間的變化呈現(xiàn)先增大后不斷減少的趨勢，表明徐州市早期城市空間相對規(guī)則，由于煤炭資源的開發(fā)，使得城市的形狀變得不規(guī)則。1989年以來，隨著規(guī)劃的引導(dǎo)，城市空間變得更加規(guī)則;同時，城市的緊湊度得以提高，說明城市朝著更加合理的空間形態(tài)發(fā)展演化，城市的行政職能和服務(wù)水平得以提高。

表3 徐州市建成區(qū)分維數(shù)和緊湊度變化(1979—2009年)Tab.3 The variation of fractal index and compact index of Xuzhou City(1979—2009)

3.4 礦業(yè)城市空間擴(kuò)展機(jī)制

3.4.1 自然地理環(huán)境。自然地理環(huán)境是城市發(fā)展的基礎(chǔ)條件，城市的地質(zhì)、地貌、水文和氣候等是城市空間發(fā)展的重要因素。徐州市位于華北平原的東南部，區(qū)內(nèi)除中部和東部存在少數(shù)丘崗?fù)?，大部皆為平原。地勢西北高東南低，就城市擴(kuò)展的制約因素和發(fā)展條件而言，首先，城市南郊的云龍湖和云龍山的屏障作用抑制了城市向南發(fā)展;由于城市北部的九里山和京杭大運(yùn)河的阻隔，使得20多年來城市往北擴(kuò)展的速度很慢;而城市東部和東南部地區(qū)，地質(zhì)條件較好，地勢較為平坦，適合作為城市發(fā)展的主要方向。

3.4.2 煤礦的開采。徐州是江蘇省唯一的能源基地，有百余年的煤炭開采史。城市的空間擴(kuò)展受到煤炭開采的影響。礦區(qū)主要集中在市區(qū)西部和西北部，由于煤炭的開采，使1989年之前徐州市城市空間擴(kuò)展的方向主要朝西部和西北部;1989之后該區(qū)處于后采礦階段，隨著煤炭的開采，塌陷地的增多，抑制了城市向西部、西北部礦區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展。由此可見，礦區(qū)在礦業(yè)城市的空間擴(kuò)展中具有兩面性，一方面推動城市空間早期朝礦區(qū)擴(kuò)展，另一方面又抑制城市空間后期向礦區(qū)擴(kuò)展。

3.4.3 交通因素。交通是城市空間拓展的骨架，交通干線周圍通常是城市擴(kuò)展的熱點(diǎn)區(qū)域。徐州城市的交通網(wǎng)絡(luò)從1979—2009年經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的環(huán)狀交通格局到城市主干路與城市快速路共同構(gòu)成主城區(qū)路網(wǎng)骨架的環(huán)形加放射路網(wǎng)格局，從而改變了城市的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)。如在老城區(qū)與主城區(qū)各片區(qū)之間建立快速公共客運(yùn)系統(tǒng)和快速道路系統(tǒng);加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采用“交通設(shè)施發(fā)展為先導(dǎo)”策略，促進(jìn)城市新區(qū)開發(fā)和老城改造;建設(shè)與城市布局形態(tài)相協(xié)調(diào)的道路網(wǎng)絡(luò);在老城區(qū)向東、東南跨越鐵路、河湖和山體的交通薄弱截面，提高現(xiàn)有通道道路等級，增加通道，以支持城市向東、東南發(fā)展的戰(zhàn)略。

3.4.4 政策與規(guī)劃。城市規(guī)劃通過引導(dǎo)和控制干預(yù)城市空間發(fā)展，城市空間擴(kuò)展通過對規(guī)劃的適應(yīng)以期影響城市規(guī)劃方案，從而實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃和城市發(fā)展的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。《1984年徐州市總體規(guī)劃》規(guī)劃發(fā)展孟家溝、下淀、八里屯等5個工業(yè)區(qū)，使得城市工業(yè)用地面積急劇增加，同時，由于城南大學(xué)城和教育區(qū)的規(guī)劃擴(kuò)建，使得對城市的向南擴(kuò)展起到了一定推動作用。20世紀(jì)90年代，規(guī)劃建設(shè)了西苑、壩山、楊莊、九里山機(jī)場、金山橋、萬寨、拾屯、七里溝、桃園、羅王莊等生活區(qū)域，規(guī)劃下淀和金山橋經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、九里山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、萬寨、朱莊輕化工業(yè)區(qū)、礦山路機(jī)械工業(yè)區(qū)、喬家湖機(jī)械工業(yè)區(qū)、七里溝為輕工業(yè)區(qū)，規(guī)劃九里山區(qū)、孟加溝等為倉庫區(qū)，使得城市朝東北和東部方向發(fā)展?！?003年徐州市總體規(guī)劃》中確立了以老城區(qū)中心和徐州新區(qū)中心為“雙心”和“城市組團(tuán)”空間布局結(jié)構(gòu)，從而使得2003年以來城市向東、東南方向快速擴(kuò)展。

3.4.5 經(jīng)濟(jì)、人口因素。城市經(jīng)濟(jì)增長對城市空間擴(kuò)展起到推進(jìn)作用。分析1979—2009年徐州市GDP、第二產(chǎn)業(yè)增加值和第三產(chǎn)業(yè)增加值與城市擴(kuò)展之間的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為 0.946，0.957 和 0.929。由此可見，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是徐州市城市空間擴(kuò)展的重要原因之一。同時，人口增長是最具活力的城市擴(kuò)展驅(qū)動力，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口逐年增多，人口增長必然導(dǎo)致居住地、基礎(chǔ)設(shè)施的增加，加劇了人們對于生活、工作以及基礎(chǔ)設(shè)施的需求，進(jìn)一步推動了城市的擴(kuò)展。

4 結(jié)語

(1)以城市建成區(qū)土地利用時空演變?yōu)檠芯繉ο?，利用多時相衛(wèi)星遙感資料并輔以城市統(tǒng)計(jì)資料、城市土地利用圖為數(shù)據(jù)源，借助GIS空間分析、統(tǒng)計(jì)分析等方法對礦業(yè)城市徐州近30年來的城市空間擴(kuò)展時空分異和驅(qū)動力進(jìn)行分析。在改革開放30年來，礦業(yè)城市徐州的城市空間擴(kuò)展劃分為2個主要的發(fā)展階段:1979—1999為慢速發(fā)展階段;1999—2009為城市快速發(fā)展階段。

(2)煤炭資源的開采對礦業(yè)城市空間擴(kuò)展具有雙重作用:一方面，在1979—1999年間，由于煤炭資源的開發(fā)導(dǎo)致礦區(qū)的繁榮，使城市朝西北和西部礦區(qū)方向擴(kuò)展;另一方面，在1999—2009年間，礦區(qū)處于后采礦階段，塌陷地的增多和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性等諸多因素抑制了城市向礦區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致城市在1999年以后朝東部和東南方向擴(kuò)展。

(3)徐州市城市空間擴(kuò)展過程中分維數(shù)隨時間的變化呈現(xiàn)先增大后不斷減少的趨勢，表明徐州市早期城市空間形態(tài)相對規(guī)則，由于煤炭資源的開發(fā)，使得城市空間形態(tài)變得不規(guī)則。1990年以來，隨著規(guī)劃的引導(dǎo)，城市空間變得更加規(guī)則;同時，城市的緊湊度得以提高，說明城市朝著更加合理的空間形態(tài)發(fā)展演化，城市的行政職能和服務(wù)水平得以提高。

總之，城市的空間擴(kuò)展是自然、政策、人口和經(jīng)濟(jì)以及交通等多種因素綜合作用下的結(jié)果;另外，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也是城市發(fā)展演變的重要驅(qū)動力。因此，徐州市應(yīng)繼續(xù)以振興徐州老工業(yè)基地的政策為契機(jī)，強(qiáng)化城市內(nèi)涵挖潛，改善投資環(huán)境，推動城市健康轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展。

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