基于GIS和RS的西安、咸陽城市擴(kuò)展特征研究

王　娟，卓　靜，何慧娟

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安　710014)

基于GIS和RS的西安、咸陽城市擴(kuò)展特征研究

王娟，卓靜，何慧娟

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安710014)

摘要：以1988年、2000年及2014年TM影像為數(shù)據(jù)源提取了西安、咸陽兩市的城鎮(zhèn)建設(shè)用地信息，運(yùn)用擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、年均擴(kuò)展速率、景觀指數(shù)、城市形態(tài)分形維數(shù)及提取城市重心等方法對1988—2014年西安、咸陽兩市的城市擴(kuò)張狀況及其擴(kuò)張的驅(qū)動力機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)西安、咸陽兩市建成區(qū)面積分別從1988年1.13×108m2、2.37×107m2擴(kuò)張到2014年4.80×108m2、2.18×108m2，分別擴(kuò)張了4.2倍及9.2倍；(2)所有城區(qū)中年均擴(kuò)展速率最高的為西安市未央?yún)^(qū)，達(dá)38.43%，灞橋區(qū)及咸陽市兩城區(qū)城市擴(kuò)展速率均以兩位數(shù)增長；(3)西安市城市重心轉(zhuǎn)移大體上呈向北遷移的趨勢，咸陽市城市重心一直向東北方向即西安市方向發(fā)展。各指數(shù)表明西安、咸陽兩市總體擴(kuò)展較快，西安市城三區(qū)以點(diǎn)的方式填充擴(kuò)展，城郊區(qū)以面的方式快速擴(kuò)展，咸陽市城區(qū)擴(kuò)展經(jīng)歷了外圍擴(kuò)展到內(nèi)部填充的過程。

關(guān)鍵詞：GIS；RS；城鎮(zhèn)建設(shè)用地；城市擴(kuò)展；西安市；咸陽市

城市化是20世紀(jì)以來最為顯著的人類活動過程 。在過去的30年間，中國城市化進(jìn)程加快，隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，城市建設(shè)和發(fā)展需要大量的土地，由于各地的社會、自然、經(jīng)濟(jì)等條件存在地域差異性，使得城市擴(kuò)張呈現(xiàn)出不同的空間形態(tài)[1]。隨之而來的城市擴(kuò)展問題成為當(dāng)前城市發(fā)展中的研究熱點(diǎn)[2]。城市擴(kuò)張的過程中造成一系列問題，如區(qū)域資源短缺、交通擁堵、綠地空間的喪失及城市生態(tài)惡化等[3]。因此對城市建設(shè)用地時空變化規(guī)律研究及驅(qū)動力分析，對于優(yōu)化城市空間，推動城市可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[4]。國內(nèi)外學(xué)者對城市擴(kuò)張過程、形態(tài)特征、變化趨勢、驅(qū)動機(jī)制都做出了許多研究[5-9]，遙感(Remote Sensing,RS)和地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System,GIS)技術(shù)的發(fā)展,為城市擴(kuò)展時空研究及多種數(shù)據(jù)的集成研究提供了有力支持[10]。

西安、咸陽兩座城市直線距離僅25 km，兩市不論地理位置還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展在西北地區(qū)均占有舉足輕重的地位。目前相關(guān)研究僅對西安市的城市擴(kuò)展時空變化及驅(qū)動力進(jìn)行分析[11],而對于西安市分區(qū)及咸陽市分區(qū)的城市擴(kuò)展空間差異性研究及驅(qū)動力分析相對較少。鑒于此，以遙感數(shù)據(jù)TM為西安、咸陽兩市城鎮(zhèn)擴(kuò)展動態(tài)變化的主要信息來源,在GIS的支持下，定量分析了1988—2014年西安咸陽城市的建成區(qū)擴(kuò)張的時空變化特征，為“西咸一體化”合理科學(xué)的規(guī)劃與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

西安市位于陜西省關(guān)中平原，地處107°40′E～109°49′E和33°39′N～34°45′N之間，東西長約204 km，南北寬約116 km，總面積9 983 km2。東以零河和灞源山地為界，西以太白山地及青化黃土臺塬為界，南至北秦嶺主脊，北至渭河。轄新城、碑林、蓮湖、灞橋、未央、雁塔等城六區(qū)(圖1)和藍(lán)田、周至、戶縣、高陵、長安、臨潼等六縣區(qū)。其中城六區(qū)為研究區(qū)域。近年來,隨著城市化進(jìn)程的加快,城市人口急劇增加,2013年西安市區(qū)六區(qū)人口為795.98萬人, GDP達(dá)到4 366.10億元。全社會固定資產(chǎn)投資額為4 243.43億元。

咸陽市地處陜西關(guān)中平原腹地，位于107°38′E～109°10′E，北緯34°11′N～35°32′N之間，南與西安市隔水相望，距西安僅17 km，北與甘肅相連，東與渭南、銅川市毗鄰，西與寶雞市接壤。氣候類型同西安市一樣，共轄秦都、渭城、楊陵三區(qū)和興平、涇陽、永壽、乾縣、禮泉、三原、武功、淳化、旬邑、彬縣、長武等11個市縣，其中秦都、渭城兩區(qū)為研究區(qū)域(圖1)。2013年咸陽市人口達(dá)527.92萬人，GDP達(dá)到1 573.68億元，全社會固定資產(chǎn)投資額為1 614.47億元。

圖1　研究區(qū)范圍

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

采用的遙感數(shù)據(jù)包括：條帶號為127_36的1988年8月TM數(shù)據(jù)，2000年6月TM數(shù)據(jù)及2014年6月TM數(shù)據(jù)及西安市城六區(qū)及咸陽市城區(qū)行政邊界矢量圖。

在Erdas 9.3 環(huán)境下，對影像做幾何糾正、輻射糾正等預(yù)處理。選用主成分分析法進(jìn)行城鎮(zhèn)用地提取，提取3期城鎮(zhèn)用地信息，并結(jié)合Google Earth西安及咸陽相應(yīng)年份影像以及實地調(diào)查進(jìn)行分類精度評價，通過選取若干樣本區(qū)域計算分類誤差矩陣及Kappa系數(shù)，3個時相的總體分類精度均在86%以上，基本達(dá)到分類精度要求。將生成的城鎮(zhèn)建設(shè)用地圖進(jìn)行疊加,得到了西安市及咸陽市城鎮(zhèn)擴(kuò)展圖，與行政區(qū)劃矢量圖進(jìn)行疊置，分別得到了研究區(qū)內(nèi)各行政單位的擴(kuò)展圖。

2研究方法

2.1城市年均擴(kuò)展強(qiáng)度

城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是某空間單元在研究時期內(nèi)的城市土地利用擴(kuò)展面積占其土地總面積的百分比，用于比較不同研究時期城市土地利用擴(kuò)展的強(qiáng)弱，計算公式[3]為

KZ=[(An-Am)/AzT]×100%，

(1)

式中，KZ為城市年均擴(kuò)展強(qiáng)度，An為研究末期城市建設(shè)用地面積，Am為研究初期年城市建設(shè)用地面積，T為研究時間長度，Az為研究區(qū)總面積。

2.2城市年均擴(kuò)展速率

城市年均擴(kuò)展速率定義為研究城區(qū)在一定時間段內(nèi)城市土地的擴(kuò)展速率，表達(dá)某研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)城市建成區(qū)用地的數(shù)量變化情況，反應(yīng)年平均增長率[12]，其公式為

KS=[(Ub-Ua)/Ua] T×100%，

(2)

式中，KS為城市年均擴(kuò)展速率，Ub為研究末期城市建設(shè)用地面積，Ua為研究初期城市建設(shè)用地面積，T為研究時段。

2.3城市形態(tài)的分形維數(shù)

建設(shè)用地形態(tài)的變化是城市發(fā)展過程中空間格局和結(jié)構(gòu)變化的綜合反映。分型維數(shù)用于刻畫自然界不規(guī)則的、不穩(wěn)定的并具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象[13]。城市擴(kuò)展分形維數(shù)可以反映城市擴(kuò)展的形態(tài)特征及變化過程，其公式為

D(n)=2ln(P(n)/4)/lnA(n)

(3)

式中，D(n)為分形維數(shù)，P(n)為研究區(qū)邊緣周長，A(n)為研究區(qū)面積，n為研究時期；D值介于1～2之間，越大表示圖形形狀越復(fù)雜，當(dāng)D<1.5時,說明圖形趨向于簡單，當(dāng)D>1.5時，則圖形更為復(fù)雜。

2.4城鎮(zhèn)建設(shè)用地中心測算

城鎮(zhèn)建設(shè)用地的最大斑塊往往在主城區(qū)，通過計算不同年份間最大斑塊的重心變化，可得出不同年份城市的中心變化，從而得出城市擴(kuò)展的方向、規(guī)模的變化規(guī)律。利用ArcGIS 9.3的“Feature to point”功能提取最大斑塊的質(zhì)心[14]，用經(jīng)緯度做橫縱坐標(biāo),在坐標(biāo)系內(nèi)顯示研究區(qū)重心變化的軌跡。

3結(jié)果與分析

3.1西安、咸陽城市擴(kuò)展分析

在Arcgis 9.3軟件環(huán)境下，提取1988年、2000年、2014年3期城鎮(zhèn)建設(shè)用地信息(表1)，并對其進(jìn)行統(tǒng)計分析。1988—2000年，西安、咸陽兩市城區(qū)建設(shè)用地面積均顯著增加，其中西安市的未央?yún)^(qū)增加最多，增加了5.25×107m2，咸陽市秦都區(qū)增加了2.54×107m2；2000—2014年，西安市城區(qū)仍以未央?yún)^(qū)面積擴(kuò)展最多，增加了1.16×108m2，占城區(qū)總增加面積的42.07%，但新城區(qū)、碑林區(qū)及蓮湖區(qū)均有略微下降。上述城三區(qū)是西安市的老城區(qū)，20世紀(jì)90年代后期，政府規(guī)劃明城墻內(nèi)為觀光及商業(yè)集中區(qū)域，與此同時，由于城市的擴(kuò)展，城三區(qū)人口也逐步的向市郊遷移；老城區(qū)城市建設(shè)用地增加得到控制，城市用地擴(kuò)展放緩；2000年后，城市規(guī)劃大力開展城市綠地建設(shè)，綠地面積有所增加，對違章建筑的拆除力度加大，因此建設(shè)用地略有減少。

表1　西安、咸陽1988—2014年城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積　107m2

3.2西安、咸陽城市擴(kuò)展強(qiáng)度與年均擴(kuò)展速率分析

從兩市城區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度與速率來看，如表2所示：1988—2000年西安和咸陽市城區(qū)不論是擴(kuò)展強(qiáng)度還是年均擴(kuò)展速率均大于2000—2014年，在此期間西安和咸陽市城區(qū)城市建設(shè)均保持高速發(fā)展；西安市城六區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度最強(qiáng)的為未央?yún)^(qū)，其次是雁塔區(qū)，年均擴(kuò)展速率均以兩位數(shù)增長，西安市以城墻區(qū)域為中心向四個方向擴(kuò)張，尤其是南北兩個方向；咸陽市兩區(qū)的擴(kuò)展速率也均達(dá)到兩位數(shù)增長；2000—2014年，西安市城六區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度最強(qiáng)的為灞橋區(qū)，年均增速達(dá)14.38%，未央?yún)^(qū)仍保持二位數(shù)增長，而老城區(qū)的新城、碑林、蓮湖三區(qū)，由于地理位置及政策指導(dǎo)的原因，擴(kuò)展速度放緩，甚至出現(xiàn)了小幅下降，這一時期為緩慢有序發(fā)展期；城市建設(shè)按照政策規(guī)劃有條不紊地進(jìn)行，咸陽市兩城區(qū)仍處在快速發(fā)展階段。

表2　西安、咸陽城區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)及擴(kuò)展速率

3.3西安、咸陽城市分形維數(shù)分析

一般情況下，城市發(fā)展模式包括填充式及分散隨機(jī)式，若以填充式為主要模式,那么在城市擴(kuò)張過程中的空隙會逐漸被填充,城市的邊界會趨向規(guī)則；而當(dāng)城市受到政策指導(dǎo)或經(jīng)濟(jì)發(fā)展的非理性影響時，城市土地的開發(fā)會處于一種相對分散隨機(jī)的狀態(tài)，外圍輪廓又會變得越來越不規(guī)則[15]。根據(jù)公式(3)計算西安市城六區(qū)及咸陽市城二區(qū)的分形維數(shù)，結(jié)果如2所示：不同年份的西安市城六區(qū)及咸陽市城二區(qū)分形維數(shù)均小于1.5，且新城、碑林、蓮湖三個老城區(qū)在不同年份的分形維數(shù)均是最低，說明受地理位置和政策指導(dǎo)的影響，這三個城區(qū)建設(shè)集中，建設(shè)用地擴(kuò)展主要以內(nèi)部填充為主；1988—2000年，西安市六區(qū)的分形維數(shù)降低，而2000—2014年分形維數(shù)又有所增加，說明西安市城六區(qū)城市擴(kuò)展呈先以點(diǎn)狀填充為主再以面狀擴(kuò)展的規(guī)律發(fā)展，城市規(guī)模在2000—2014年間擴(kuò)大迅速；咸陽市兩區(qū)則以先以外圍擴(kuò)展再以內(nèi)部填充的方式擴(kuò)展。

圖2　西安、咸陽城市分形維數(shù)

3.4西安、咸陽城市擴(kuò)展的空間特征

在Arcgis 9.3軟件的支持下，提取不同時期兩市的用地重心分布(圖略)，西安市在1988—2014年，城市重心轉(zhuǎn)移大體上呈向北遷移的趨勢。1988—2000年，城市重心向西北方向轉(zhuǎn)移(重心由108.938°E，34.262°N移到108.932°E，34.273°N)，此時是改革開放后城市迅猛發(fā)展的時期，城市主要以填充式擴(kuò)展，在人口、商業(yè)區(qū)密集的老城區(qū)，城市建設(shè)用地迅速擴(kuò)展，重心的轉(zhuǎn)移仍在老城區(qū)內(nèi)進(jìn)行。2000—2014年，城市重心向東北方向遷移(重心移到108.944°E，34.293°N)，且遷移速度很快，這與西安市城市規(guī)劃有很大關(guān)系，西安市北郊未央?yún)^(qū)與東郊的灞橋區(qū)一河之隔，與西邊的咸陽一橋之隔，2000年后，未央?yún)^(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，面對市政府北遷、未央新城、鐵路北客站、大明宮遺址區(qū)保護(hù)改造、大興路地區(qū)城市綜合改造等重大項目落戶，西安城北已經(jīng)成為了西安市新的經(jīng)濟(jì)政治中心。灞橋區(qū)在此期間大力發(fā)展生態(tài)建設(shè)，先后開發(fā)與建成灞柳生態(tài)園、西安納米科技產(chǎn)業(yè)園并承辦了2011年的世界園藝博覽會，在世園會建設(shè)的帶動下，灞橋區(qū)的城市建設(shè)得到了快速發(fā)展，這些工程拆除了許多村莊，并征用了周邊農(nóng)田，城市建設(shè)用地面積快速增加。咸陽市城市重心一直朝東北方向遷移(重心1988年在108.708°E，34.340°N，2000年在108.718°E，34.351°N，2014年在108.729°E，34.357°N)，這主要是在政府規(guī)劃下，在“西咸一體化”的背景下，咸陽市城市建設(shè)用地一直朝著西安市的方向擴(kuò)展的結(jié)果。

4結(jié)論

利用遙感影像對西安市、咸陽市1988—2014年的城市擴(kuò)展做了時空特征、分形維數(shù)及重心變化分析，結(jié)果表明：西安、咸陽兩市建成區(qū)面積在1988年分別是1.13×108m2、2.37×107m2，2014年城市建成區(qū)面積分別為4.80×108m2、2.18×108m2，分別增長了4.2倍及9.2倍，增長速度迅猛；其中西安市的碑林、新城、蓮湖三區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度及年均擴(kuò)展速率較未央、灞橋、雁塔三區(qū)低，未央?yún)^(qū)為西安市城區(qū)內(nèi)擴(kuò)展強(qiáng)度及年均擴(kuò)展速率最大的區(qū)域；西安市城市擴(kuò)展方式先以點(diǎn)的方式填充擴(kuò)展，擴(kuò)展主要集中在城三區(qū)，再以面的方式向城郊快速擴(kuò)展，咸陽市則先以外圍擴(kuò)展再以內(nèi)部填充的方式擴(kuò)展；1988—2014年，西安市城市重心轉(zhuǎn)移大體上呈向北遷移的趨勢，在2000年以后城市重心朝東北方向遷移明顯，咸陽市城市重心一直向東北方向發(fā)展。研究旨在為“西咸一體化”的城市規(guī)劃朝著良性的方向可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。不足之處在于，遙感數(shù)據(jù)時間跨度較大，不利于進(jìn)一步分析城市建設(shè)用地的擴(kuò)展規(guī)律。

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中圖分類號：F291

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A