基于地理國情監(jiān)測的城市擴(kuò)張分析研究

付治河

（河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州450003）

一、引 言

地理國情是基本國情的重要組成部分，是對(duì)包括國土面積、地理區(qū)域劃分、地形地貌特征、道路交通網(wǎng)絡(luò)、江河湖海分布、土地利用與土地覆蓋、城市布局和城鎮(zhèn)化擴(kuò)展、生產(chǎn)力空間布局等在內(nèi)的自然和人文地理要素宏觀性的綜合表達(dá)。監(jiān)測地理國情就是對(duì)地理國情進(jìn)行動(dòng)態(tài)的測繪、統(tǒng)計(jì)和分析研究，并向政府、企業(yè)、社會(huì)公眾等各方面及時(shí)發(fā)布地理國情監(jiān)測報(bào)告，為政府部門決策提供參考，為社會(huì)公眾提供服務(wù)。開展地理國情監(jiān)測是新時(shí)期黨中央、國務(wù)院賦予測繪與地理信息服務(wù)工作的新使命，是黨和國家進(jìn)行科學(xué)決策的迫切需要，是準(zhǔn)確掌握國情國力的重要手段，是實(shí)施國家重大戰(zhàn)略和重大工程的重要保障，是發(fā)展地理信息產(chǎn)業(yè)的重要支撐。

目前，地理國情監(jiān)測在我國尚處于啟動(dòng)階段，系統(tǒng)完整的監(jiān)測體系還未形成。本文以地理國情監(jiān)測為目的，對(duì)城市建成區(qū)內(nèi)諸多要素的變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，對(duì)監(jiān)測對(duì)象的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和研究，并揭示其內(nèi)在動(dòng)力，可為城市發(fā)展提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可為對(duì)象區(qū)域地理國情監(jiān)測提供一定的示范作用。

二、監(jiān)測要素獲取

1.監(jiān)測要素和監(jiān)測年點(diǎn)

根據(jù)對(duì)已有地理空間數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)人文數(shù)據(jù)的收集與分析，本著先易后難、以點(diǎn)帶面的原則，確定監(jiān)測要素和監(jiān)測年點(diǎn)。根據(jù)分析確定監(jiān)測要素為鄭、汴一體化區(qū)域城市(鄭州、開封、中牟)建成區(qū)內(nèi)的建成區(qū)范圍、道路、綠化、建筑物用地、人口、GDP等。監(jiān)測年點(diǎn)為8個(gè)年份，它們分別為:1963年、1971年、1984年、1996年、2001年、2005年、2008年、2010年。

2.監(jiān)測要素獲取

（1）技術(shù)流程

技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測要素獲取技術(shù)流程

（2）技術(shù)方法

監(jiān)測要素獲取主要通過監(jiān)測年點(diǎn)已有的1∶1萬比例尺數(shù)字線化圖(DLG)、數(shù)字柵格圖(DRG)和影像圖，經(jīng)融合、糾正、采集、整合等處理后，再按照數(shù)據(jù)庫建庫要求，將提取的監(jiān)測要素入庫。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)源，采用如下方法:對(duì)于該年份已有1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)的，可直接從1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)庫中提取，結(jié)構(gòu)與屬性保持與1∶1萬比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫一致;對(duì)于該年份沒有1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)但有高分辨率遙感影像和鄰近年份的1∶1萬DLG數(shù)據(jù)的，利用反演法在ArcMap中將該年份糾正后的遙感影像與鄰近年份的1∶1萬DLG疊加，并對(duì)兩者進(jìn)行類比分析;對(duì)于1∶1萬DLG數(shù)據(jù)中有而影像上沒有的監(jiān)測要素進(jìn)行刪除，對(duì)于1∶1萬DLG數(shù)據(jù)中沒有而影像上有的監(jiān)測要素進(jìn)行采集，從而獲取所對(duì)應(yīng)監(jiān)測年點(diǎn)的監(jiān)測要素;對(duì)于監(jiān)測年點(diǎn)只有1∶1萬DRG數(shù)據(jù)的，在Arc-Map中利用糾正后的1∶1萬DRG進(jìn)行監(jiān)測要素?cái)?shù)據(jù)的采集;對(duì)于監(jiān)測年點(diǎn)只有遙感影像數(shù)據(jù)的利用ERDAS IMAGINE和ENVI軟件，采用最大似然法、監(jiān)督分類法和人機(jī)交互方式對(duì)監(jiān)測要素進(jìn)行采集;對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文要素信息，主要根據(jù)城市統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)來統(tǒng)計(jì)。

為了有效組織、管理和分析應(yīng)用鄭汴一體化區(qū)域鄭州、開封和中牟3個(gè)城市城區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測要素?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)按照國家1∶1萬比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確定監(jiān)測要素?cái)?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與分層代碼，并根據(jù)監(jiān)測要素具體內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)庫的層和代碼進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足后期監(jiān)測要素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需要。

三、監(jiān)測要素變化分析

1.空間密度分析

首先利用GIS的空間分析功能對(duì)建筑區(qū)與非建筑區(qū)、道路與非道路區(qū)、綠化和非綠化區(qū)進(jìn)行空間賦值;然后柵格化為100 m×100 m的格網(wǎng)，并利用鄰域分析功能計(jì)算出該格網(wǎng)所在的1 km2區(qū)域內(nèi)建筑用地、道路、綠化區(qū)的面積;最后分別對(duì)鄭州市、開封市和中牟縣建成區(qū)內(nèi)的建筑用地區(qū)、道路、綠化區(qū)進(jìn)行分析，并制作多年份建筑用地、道路、綠化區(qū)空間分析密度圖。從建筑用地空間密度來看，鄭州市、開封市、中牟縣建成區(qū)內(nèi)建筑用地在1963—1984年間用地密集區(qū)較為集中;1984—1996年間則由老城集中區(qū)向外分散;1996—2010年間建筑用地密集區(qū)范圍擴(kuò)大;由集中分布向均質(zhì)化發(fā)展，建筑用地密度有所提高。從道路空間密度來看，3個(gè)城市在1963—1984年間建成區(qū)面積較小，道路較為密集;2001年后，隨著建成區(qū)的擴(kuò)大，道路建設(shè)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，道路密度密集區(qū)增加，區(qū)域化的道路高密度區(qū)在各區(qū)均有分布。從綠化區(qū)空間密度來看，鄭州市建成區(qū)綠化用地的斑塊有由破碎到整合的趨勢，通達(dá)性較好;開封市建成區(qū)綠化用地的斑塊有由整合到破碎的趨勢，通達(dá)性變差;中牟縣建成區(qū)綠化用地的斑塊有由破碎到整合的趨勢，通達(dá)性有變好的趨勢。下面為建筑用地空間密度的一些例圖，如圖2、圖3所示。

圖2 鄭州市2008年空間密度分布圖

圖3 鄭州市2010年空間密度分布圖

2.擴(kuò)張數(shù)量分析

根據(jù)對(duì)3個(gè)城市建成區(qū)面積增長量、增長率與時(shí)間序列的關(guān)系，可以看出鄭州市各監(jiān)測年點(diǎn)建成區(qū)面積增長量均大于開封市、中牟縣，并且都呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的增長區(qū)段，分別是1984—1996年期間、2001—2005年期間，如圖4所示。

圖4 3城市建成區(qū)面積增量圖

3.擴(kuò)張速率分析

建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速率表示單位時(shí)間內(nèi)建設(shè)用地面積變化的幅度，其計(jì)算公式為

式中，Ua、Ub分別表示各監(jiān)測時(shí)段開始和結(jié)束時(shí)建設(shè)用地的面積;T為監(jiān)測時(shí)段的長度，時(shí)間步長設(shè)定為年;Rs表示年均變化率。城市建成區(qū)擴(kuò)張速率見表1。

表1 城市建成區(qū)擴(kuò)張速率分析統(tǒng)計(jì)表 (%)

城市建成區(qū)擴(kuò)張速率表明，鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張總體呈現(xiàn)出增—減—增—減的趨勢;開封市建成區(qū)擴(kuò)張總體呈現(xiàn)出增—減趨勢;中牟縣建成區(qū)擴(kuò)張總體呈現(xiàn)出與開封市相類似的增—減趨勢。

4.擴(kuò)張形態(tài)分析

城市形態(tài)的變化，是城市空間布局和機(jī)構(gòu)變化的綜合反映。從城市空間形態(tài)的變化可以分析城市的生長過程，揭示擴(kuò)展規(guī)律。分別從城市的緊湊度指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)、放射狀指數(shù)對(duì)鄭州市、開封市、中牟縣各監(jiān)測年點(diǎn)建成區(qū)的形態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，各監(jiān)測年點(diǎn)城市空間緊湊度指數(shù)總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，城市空間越來越離散，城市形態(tài)越來越復(fù)雜。從分維指數(shù)上看，鄭州市2001年前分維數(shù)減小，說明該時(shí)期城市以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主;2001年后分維數(shù)逐漸增加，說明建成區(qū)以向外擴(kuò)展為主;2001與2005分維數(shù)相差較大，說明該時(shí)期建成區(qū)向外擴(kuò)展程度大。開封市、中牟縣各監(jiān)測年點(diǎn)建成區(qū)城市分維指數(shù)接近1，說明開封市、中牟縣各監(jiān)測年點(diǎn)建成區(qū)空間形狀相對(duì)簡單。

5.擴(kuò)張空間特征分析

通過對(duì)建成區(qū)質(zhì)心位置變化和八方位區(qū)域建成區(qū)面積增量，來判斷城市發(fā)展軌跡和發(fā)展方位差異。

質(zhì)心位置是描述地理目標(biāo)空間分布的最有用的指標(biāo)之一。質(zhì)心是目標(biāo)保持均勻分布的平衡點(diǎn)，通過對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)值加權(quán)平均可以求得，公式如下

式中，i為離散目標(biāo)物;Wi為該目標(biāo)權(quán)重;Xi、Yi為目標(biāo)。

八方位建成區(qū)的面積擴(kuò)張是以1963年各城市建成區(qū)中心為城市擴(kuò)展的原點(diǎn)，并把建成區(qū)分割為8個(gè)區(qū)域，分別統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域內(nèi)城市建成區(qū)擴(kuò)張量在不同時(shí)期內(nèi)的變化，并繪制3個(gè)城市監(jiān)測年點(diǎn)城市建成區(qū)在8個(gè)區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)張分布圖。如圖5所示。

圖5 鄭州、開封、中牟建成區(qū)八方位分布圖

結(jié)果表明，鄭州市建成區(qū)質(zhì)心出現(xiàn)明顯的東移，總體擴(kuò)張方向?yàn)闁|向、北向;開封市建成區(qū)質(zhì)心出現(xiàn)明顯的西移，總體擴(kuò)張方向?yàn)槲飨?、西北?中牟縣城區(qū)質(zhì)心出現(xiàn)明顯的西移，總體擴(kuò)張方向?yàn)槲飨颉?/p>

四、城市擴(kuò)張內(nèi)在動(dòng)力

1.人口增加是城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力

人口是城市構(gòu)成要素中最活躍的因素，人口數(shù)量的增加將直接影響到城市建成區(qū)用地的擴(kuò)張。隨著城市化水平的提高，大量農(nóng)村人口轉(zhuǎn)入城市，使得城市市區(qū)人口不斷增加，人口的增加必將導(dǎo)致城市住宅用地、交通道路、公共建設(shè)用地的快速增加。因此，建成區(qū)擴(kuò)張將是必然結(jié)果。2010年鄭州市建成區(qū)面積是1963年的6.29倍，市區(qū)人口415.147萬人，是1963年的4.97倍。通過對(duì)鄭州市市區(qū)總?cè)丝谂c建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)鄭州市建成區(qū)面積與市區(qū)總?cè)丝诔尸F(xiàn)很強(qiáng)的冪函數(shù)相關(guān)性，且R2=0.909 4。2010年開封市建成區(qū)面積是1963年的2.88倍，市區(qū)人口89.606萬人，是1963年的2.18倍。通過對(duì)開封市市區(qū)總?cè)丝谂c建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)開封市建成區(qū)面積與市區(qū)總?cè)丝诔尸F(xiàn)很強(qiáng)的二次相關(guān)性，且 R2=0.985。2010年中牟縣建成區(qū)面積是1963年的11.72倍，市區(qū)人口10.874萬人，是1963年的12.08倍。通過對(duì)中牟縣市區(qū)總?cè)丝谂c建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)中牟縣建成區(qū)面積與市區(qū)總?cè)丝诔尸F(xiàn)很強(qiáng)的線性相關(guān)性，且R2=0.955。

2.經(jīng)濟(jì)發(fā)展助推城市擴(kuò)張

經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響城市建成區(qū)用地?cái)U(kuò)張的又一重要因素。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶來實(shí)際收入水平、固定資產(chǎn)投資的增加，促使城市用地規(guī)模與擴(kuò)張速度加快。鄭州市2010年GDP是1963年的4萬多倍，鄭州市建成區(qū)面積隨著GDP的增長而增加。通過建成區(qū)面積與GDP之間相關(guān)性分析知，二者之間的相關(guān)性很高，R2=0.910;開封市2010年GDP是1963年的148.62倍，開封市建成區(qū)面積隨著GDP的增長而增加。通過建成區(qū)面積與GDP之間相關(guān)性分析知，二者之間的相關(guān)性很高R2=0.971;中牟縣2010年GDP是1963年的2500多倍，中牟縣建成區(qū)面積隨著GDP的增長而增加。通過建成區(qū)面積與GDP之間相關(guān)性分析知，二者之間的相關(guān)性很高，R2=0.966。

3.居住環(huán)境變化促使城市擴(kuò)張

通過對(duì)鋪裝道路面積、園林綠地面積等居住環(huán)境與建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明建成區(qū)面積擴(kuò)張與二者分別呈現(xiàn)二次關(guān)系。這說明，隨著人口向建成區(qū)的轉(zhuǎn)移、城市外擴(kuò)的進(jìn)展、城區(qū)人民生活水平的改善，其對(duì)交通、綠地、市政設(shè)施用地的要求越來越高，更加促使城市建成區(qū)面積的擴(kuò)張。

4.政策支持是城市擴(kuò)張重要推力

鄭汴一體化作為“十一五”期間優(yōu)先推動(dòng)的建設(shè)項(xiàng)目，是要將鄭州建成全國重要的現(xiàn)代物流中心、區(qū)域性金融中心、先進(jìn)制造業(yè)基地和科技創(chuàng)新基地，將開封建成國際文化旅游城市和中原城市群的紡織、食品、化工和醫(yī)藥工業(yè)基地，成為鄭州都市圈重要功能區(qū)。同時(shí)，其還將加快鄭州的休閑、娛樂等服務(wù)功能與開封銜接，使開封成為鄭州都市圈中具有濃郁文化特色的休閑娛樂功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)鄭汴兩市互補(bǔ)。在鄭東新區(qū)與中牟之間、中牟與開封之間，發(fā)展都市型農(nóng)業(yè)和觀光農(nóng)業(yè)。受鄭汴一體化建設(shè)相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持，鄭州市建成區(qū)呈現(xiàn)明顯向東擴(kuò)張，開封市建成區(qū)呈現(xiàn)向西擴(kuò)張的趨勢，而處于鄭汴之間的中牟縣，其建成區(qū)向西擴(kuò)張。

五、結(jié)束語

城市擴(kuò)張是地理國情變化的重要組成部分。本研究基于多期歷史地理空間數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文數(shù)據(jù)，從地理空間的角度分析鄭汴一體化區(qū)域中心城區(qū)監(jiān)測要素的變化趨勢，研究結(jié)果表明，鄭汴一體化區(qū)域城市建成區(qū)保持著較高的城市擴(kuò)張速率。建成區(qū)質(zhì)心位置有著明顯的變化，形成相互凝聚的態(tài)勢。鄭汴一體化區(qū)域城市建成區(qū)城市緊湊度和放射狀指數(shù)說明鄭汴一體化區(qū)域城市空間發(fā)展經(jīng)歷了先聚集再離散過程，城市形態(tài)也經(jīng)歷了復(fù)雜到簡單再到復(fù)雜的過程，并且近年城市空間將會(huì)越來越離散，城市形態(tài)越來越復(fù)雜。鄭汴一體化區(qū)域城市建成區(qū)擴(kuò)張方位具有明顯的空間特征，具有重點(diǎn)的發(fā)展方向，這也體現(xiàn)出了一定政策性、規(guī)劃性。隨著城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和加大城市環(huán)境整治和生態(tài)保護(hù)的力度，3個(gè)城市的綠化用地均有所增加，區(qū)域生態(tài)景觀建設(shè)效果明顯?？傮w來看，高速外延式的發(fā)展是近年來鄭汴一體化區(qū)域城市擴(kuò)張的主要特征。

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