基于RS和GIS的開封城市擴(kuò)展及其影響研究

劉劍鋒，王雙美

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程明顯加快，城市空間迅速擴(kuò)張，城市周邊地區(qū)土地利用急劇變化，人地矛盾日益突出［1］。利用不同時(shí)相多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合RS和GIS技術(shù)，來獲取城區(qū)邊界信息，已成為研究城市擴(kuò)展及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測的重要手段之一［2～4］。

開封古稱東京、汴京，有“十朝古都”、“七朝都會”之稱，文化積淀深厚，是世界上唯一一座城市中軸線從未變動(dòng)的都城，城摞城遺址在世界考古史和都城史上是絕無僅有的。在中原城市群崛起的背景下，鄭開多條通道的開通和鄭汴一體化的發(fā)展為城市建設(shè)和城市空間增長注入了新的活力，但同時(shí)也面臨了很多問題。如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)性發(fā)展和可持續(xù)性發(fā)展，成為未來城市空間增長能否高效的主要問題。這就需要對開封市城區(qū)發(fā)展擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化趨勢及其驅(qū)動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行剖析。

1 開封城市擴(kuò)展研究技術(shù)路線及信息提取

1．1 研究數(shù)據(jù)及技術(shù)路線

以開封市城區(qū)為研究對象，利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合開封市縣界圖及其他相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料（《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒 2001-2011》［5］），利用Erdas Imagine和ArcGIS軟件進(jìn)行信息解譯、提取、處理和分析［6-8］，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS空間分析方法，系統(tǒng)地從開封市城區(qū)格局歷史演變分析入手，對開封市2000～2010年的城區(qū)空間格局的動(dòng)態(tài)變化趨勢、驅(qū)動(dòng)因子及城區(qū)未來發(fā)展模式和所應(yīng)采取的措施進(jìn)行了綜合研究。技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 開封城市擴(kuò)展研究技術(shù)路線圖Fig.1 Technique route of Kaifeng

1．2 開封城市化信息的提取

通過非監(jiān)督分類方法獲取開封市城區(qū)的邊界信息，利用不同目標(biāo)地物的光譜特征，采用人機(jī)交互的目視解譯方法，來確定開封市城區(qū)的邊界信息。采用濾波等方法將城市內(nèi)部的非城鎮(zhèn)用地歸類到城鎮(zhèn)用地，將城市外部的城鎮(zhèn)用地歸類到非城鎮(zhèn)用地，由此提取出開封市2000年城區(qū)邊界圖。

通過監(jiān)督分類，將開封市土地利用類型分為耕地、林地、園地、水域、城鎮(zhèn)用地（居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地）、未利用地等幾種類型。為獲得城區(qū)邊界信息，應(yīng)用濾波方法將不同土地利用形式進(jìn)行歸類合并，最終提取開封市2006、2010年城區(qū)邊界信息，如圖2所示。

2 開封城市空間動(dòng)態(tài)擴(kuò)張趨勢

2．1 開封城市空間擴(kuò)張的數(shù)量特征

2．1．1 開封城市擴(kuò)張強(qiáng)度指標(biāo)［9］

城市空間擴(kuò)展度反映的是不同時(shí)期城市擴(kuò)張強(qiáng)弱和快慢的變化，主要用于分析和描述城市建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展?fàn)顟B(tài)，比較不同時(shí)期建成區(qū)面積擴(kuò)展的程度、速度及擴(kuò)展趨勢的指標(biāo)。本文利用開封市年均增加面積與基年面積之比值來表示城市的擴(kuò)張強(qiáng)度。其計(jì)算公式為

圖2 開封市2000～2010年不同時(shí)段的邊界圖Fig.2 Boundary graphs of Kaifeng city from 2000 to 2010

式中：I為城市年均擴(kuò)張強(qiáng)度；UAn+i為第n＋i年城市面積；UAi為第i年城市面積；n、i均為整數(shù)。

2．1．2 空間擴(kuò)張的數(shù)量特征

根據(jù)2000年、2006年、2010年開封市邊界圖，分別對開封市建成區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算城市擴(kuò)張強(qiáng)度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，求得開封市2000～2006年6年間城市擴(kuò)張面積為 14 km2，擴(kuò)張強(qiáng)度為3．48；2000～2010 年 10 年間城市面積擴(kuò)展 28．05 km2，擴(kuò)張強(qiáng)度為 4．34。

2．2 開封城市擴(kuò)張的空間分異特征

2．2．1 緊湊度指標(biāo)［10～11］

緊湊度是反映地物形狀的參數(shù)，其變化可表征城市用地?cái)U(kuò)展的空間特征。緊湊度表達(dá)式為

式中：A為建成區(qū)面積；P為建成區(qū)輪廓的周長。C為城市緊湊度指標(biāo)，其值在0～1之間，值越大，形狀就越緊湊，越接近于圓形，反之，形狀的緊湊性就越差。

2．2．2 空間擴(kuò)張的趨勢特征

通過計(jì)算，開封市2000年、2006年、2010年各年的緊湊度指標(biāo)分別是 0．64、0．45、0．56。 由此看出，開封市這10年間的緊湊度指標(biāo)由大變小，再由小變大，從而表明了城市發(fā)展的實(shí)質(zhì)是城市地域空間的不斷擴(kuò)大，通過進(jìn)一步的發(fā)展和完善，使得內(nèi)部空間的市政設(shè)施等得到補(bǔ)充和完整化，最終實(shí)現(xiàn)城市的不斷擴(kuò)展，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2．2．3 空間擴(kuò)張的空間特征

將2000年、2006年、2010年的TM影像經(jīng)處理后得到的開封市邊界圖進(jìn)行疊加分析，如圖3所示。

由圖3可以看出，開封市2000～2010年10年間城市擴(kuò)展的主導(dǎo)方向是向西發(fā)展，東部發(fā)展最慢。這主要是由于鄭開大道的開通使得開封市西部呈明顯的軸向發(fā)展模式。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)鄭汴一體化，開封市規(guī)劃了新的快速發(fā)展區(qū)——汴西新區(qū)，從而在經(jīng)濟(jì)上互相合作、互通有無。向南依托機(jī)場高速和南郊鄉(xiāng)金明工業(yè)園區(qū)，形成綜合發(fā)展軸模式而穩(wěn)步擴(kuò)展。向北由于受黃河限制，形成了北部的綜合生活服務(wù)區(qū)而保守發(fā)展。

圖3 2000、2006和2010年城區(qū)邊界空間疊置圖Fig.3 City boundary superposed graphs of 2000,2006 and 2010

3 開封城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力研究

3．1 社會經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)是城市發(fā)展的基石，其增長快慢決定著城區(qū)的擴(kuò)展速度和空間格局的演變，是推動(dòng)城區(qū)擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿?。開封市2000～2010年的國內(nèi)生產(chǎn)總值從226．2409億元增長到927．16億元，增長幅度為309．8%。其中，第一、二、三產(chǎn)業(yè)2010年產(chǎn)值分別為2000年的3倍、5倍、4．2倍。同時(shí)，人均GDP由2000 年的 4876（元 ／人）增長到 2010 年的19749．93（元／人），增幅達(dá) 305．04%；人均工資水平由 2000 年的 5 883（元／人）增長到 2010 年的 23 948．24（元 ／人），增幅為307．08%。各年具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可以看出，人均GDP增長與人均年工資水平增長呈明顯的強(qiáng)線性相關(guān)。

伴隨開封市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，其城市化進(jìn)程步伐逐步加快，再加上工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、整合及其產(chǎn)業(yè)化，加速了城市居住、交通、倉儲、工業(yè)等用地不斷向外擴(kuò)張。

3．2 人口因素

開封市積極貫徹計(jì)劃生育工作，總?cè)丝趶?000年的464萬人增加到2010年的467．69萬人，人口增長緩慢。開封市2000～2010年總?cè)丝?、城?zhèn)人口和鄉(xiāng)村人口變化如圖5所示。

由圖5可以看出，開封市城鎮(zhèn)人口2000～2003年呈穩(wěn)定狀態(tài)，2003年之后持續(xù)增長，增幅較大。究其原因是，第二、三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展引發(fā)城市人口急劇膨脹。城市人口數(shù)量的增加又導(dǎo)致住房、工業(yè)等用地面積的不斷增加，致使城市不斷向周邊的郊區(qū)擴(kuò)張，使得城區(qū)邊界不斷擴(kuò)大。

圖4 2000～2010年開封市平均工資、人均生產(chǎn)總值統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistics of Kaifeng average wages and per capita productivity from 2000 to 2010

圖5 2000—2010年開封市人口統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistics of population in Kaifeng city from 2000 to 2010

3．3 政策導(dǎo)向型因素

《國務(wù)院關(guān)于支持河南省加快建設(shè)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的指導(dǎo)意見》以及河南省發(fā)改委頒布的《中原城市群總體發(fā)展規(guī)劃綱要》出臺之后，為開封市經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的活力，促進(jìn)了城市空間格局的變化，促使農(nóng)業(yè)用地向非農(nóng)用地的轉(zhuǎn)化。民營科技產(chǎn)業(yè)園、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的設(shè)立及發(fā)展，推動(dòng)了城區(qū)的迅速外擴(kuò)，使得城市空間格局向西發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)鄭汴一體化空間格局，并形成南部工業(yè)產(chǎn)業(yè)軸和北部的綜合生活服務(wù)區(qū)。

4 結(jié)語

本文對開封市2000~2010年10年來的空間擴(kuò)張數(shù)量、分異特征和擴(kuò)張趨勢作了詳細(xì)論述，并深入剖析了開封市城區(qū)不斷擴(kuò)張的影響因子，最后得出以下結(jié)論。

（1）10 年間，開封市城區(qū)面積擴(kuò)張了 0．42 倍，主要是由于近10年來開封市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展快所致，尤其是房地產(chǎn)市場的快速崛起。

（2）開封市10年間的擴(kuò)張空間主要集中在西部，向南擴(kuò)展較穩(wěn)妥，向北擴(kuò)展較保守（開封市向北10 km就到了黃河邊，因而限制了邊緣區(qū)的北向發(fā)展）。

（3）開封市緊湊度呈現(xiàn)由大變小、由小變大的趨勢。這是由于城市的市政設(shè)施不斷完善，以及眾多經(jīng)濟(jì)實(shí)體的建設(shè)、發(fā)展和擴(kuò)張用地造成的。

（4）從城市化影響因子的多元化出發(fā)，著重分析了影響開封市不斷擴(kuò)張變化的影響因素——社會經(jīng)濟(jì)因素、人口因素、政策導(dǎo)向性因素。得出影響開封市城區(qū)不斷擴(kuò)張的關(guān)鍵因素是在政策導(dǎo)向性的前提下社會經(jīng)濟(jì)（GDP）增長因素。

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