1975-2014年河套綠洲城市化遙感監(jiān)測與區(qū)域差異分析

董 苗, 劉普幸, 張彥龍, 雍國正

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

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1975-2014年河套綠洲城市化遙感監(jiān)測與區(qū)域差異分析

董 苗, 劉普幸, 張彥龍, 雍國正

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 對近40 a來河套綠洲城市化進(jìn)行遙感監(jiān)測與區(qū)域差異分析，以期為河套綠洲各城市的規(guī)劃管理、城市間協(xié)調(diào)發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。[方法] 利用1975，1989，1995，2000，2006和2014年6景Landsat MSS/TM/ETM+遙感影像，結(jié)合7個(gè)城市擴(kuò)展評價(jià)指標(biāo)及主成分分析法等開展研究。[結(jié)果] (1) 河套綠洲3座城市的擴(kuò)展趨勢不同，擴(kuò)展速度、強(qiáng)度及城市擴(kuò)展彈性系數(shù)不同。 (2) 三座城市擴(kuò)展的空間形態(tài)不同。 (3) 三座城市的城市重心轉(zhuǎn)移方向和距離各不相同。 (4) 房地產(chǎn)開發(fā)投資額和第三產(chǎn)業(yè)是影響銀川市城市擴(kuò)展的主要社會因素，第一產(chǎn)業(yè)是影響臨河區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，而第二產(chǎn)業(yè)是影響石嘴山市的支柱性產(chǎn)業(yè)。 [結(jié)論] 近40 a來，河套綠洲3座城市中，銀川市年均擴(kuò)展速度最快，強(qiáng)度最大，且城市擴(kuò)展彈性系數(shù)更趨于人地關(guān)系的合理值；銀川市和臨河區(qū)的城市擴(kuò)展形態(tài)趨向緊湊穩(wěn)定型發(fā)展，復(fù)雜程度減??；而石嘴山市趨于離散發(fā)展，形態(tài)逐漸復(fù)雜化；同時(shí)，銀川市城市重心向東南方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離最大，石嘴山市、臨河區(qū)分別向西南、東北方向轉(zhuǎn)移；且影響3座城市擴(kuò)展的主因子不同。

城市擴(kuò)展; 時(shí)空分異; 驅(qū)動力; 河套綠洲城市

文獻(xiàn)參數(shù)： 董苗, 劉普幸, 張彥龍, 等.1975—2014年河套綠洲城市化遙感監(jiān)測與區(qū)域差異分析[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：1-8.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.001

城市化已經(jīng)成為人類活動改造自然環(huán)境的主要方式之一，城市化水平是一個(gè)地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[1]。目前，中國的城市化正以空前速度進(jìn)行；城市化過程當(dāng)中所引起的大規(guī)模土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)格外引人關(guān)注[1-3]。城市化過程中一系列問題的出現(xiàn)，迫使人們對城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展及其與自然生態(tài)環(huán)境的和諧相處進(jìn)行思考，而這其中，對城市擴(kuò)展時(shí)空特征及其驅(qū)動機(jī)制的研究已經(jīng)成為城市地理、土地利用等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[4]。

遙感數(shù)據(jù)具有空間尺度大、獲取周期短、信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為城市擴(kuò)張研究的主要手段[5]。目前，國內(nèi)已有很多學(xué)者運(yùn)用遙感影像對不同城市擴(kuò)展形態(tài)及其模式與驅(qū)動力做了研究，并取得了豐碩成果[5-15]，且其研究內(nèi)容主要集中在城市擴(kuò)展的數(shù)量、強(qiáng)度、形態(tài)和模式[5-9]，城市擴(kuò)展驅(qū)動機(jī)制等方面[10-12]?？傊瑢Τ鞘袛U(kuò)展的研究內(nèi)容不斷向更深的機(jī)理分析和調(diào)控措施發(fā)展，研究的時(shí)間跨度逐步向中長期延伸，研究區(qū)域也從東部大城市向中西部城市過渡。目前，也偶有學(xué)者對幾個(gè)大城市或幾個(gè)地區(qū)的城市擴(kuò)展的時(shí)空差異進(jìn)行對比分析[13-15]。河套綠洲作為黃河中上游水土氣熱條件匹配最為協(xié)調(diào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件最好、區(qū)域經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，早在2000年前就得到了開發(fā)，在歷史的長河中，一直是干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵[16]。但自1975年以來，對河套綠洲三座典型城市的城市化進(jìn)程的特點(diǎn)及其內(nèi)部差異如何尚不清楚。因此，本研究選取河套綠洲銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)3座典型城市作為研究區(qū)，利用Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用7個(gè)城市擴(kuò)展指標(biāo)及主成分分析等方法，對其近40 a來城市擴(kuò)展的時(shí)空差異與影響因子進(jìn)行深入細(xì)致的研究與對比，以期為河套綠洲各城市的規(guī)劃管理、城市間協(xié)調(diào)發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

銀川市是寧夏回族自治區(qū)的首府，位于寧夏平原中部，地處38°08′—38°53′N 和105°49′—106°35′E。其東以明長城、黃河為界，西連賀蘭山脈，南抵吳忠市，北接石嘴山市的平羅縣。行政上轄興慶區(qū)、金鳳區(qū)、西夏區(qū)3區(qū)及永寧、賀蘭兩縣，地貌以山地、平原為主，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，平均氣溫為9 ℃，平均降水為193.6 mm。土壤多為灰褐土、灰鈣土、灌淤土、風(fēng)沙土等；主要天然植被類型為草原植被，包括荒漠草原、干草原和草甸草原。

石嘴山市位于銀川平原綠洲北部，地處38°21′—39°25′N,105°58′—106°39′E。東依陜北黃土高原，西連賀蘭山脈，南抵銀川市，北臨內(nèi)蒙古烏海市，行政上轄大武口區(qū)、惠農(nóng)區(qū)、平羅縣，地貌以沖積平原、山地為主，屬于典型溫帶大陸性氣候，平均氣溫為8.6 ℃，平均降水為178.2 mm。蒸發(fā)強(qiáng)烈，冬春少雨雪且寒冷，夏秋多暴雨而冷暖變化大。主要土壤類型有灌淤土、灰鈣土、風(fēng)沙土，主要天然植被以溫帶灌木、半灌木荒漠植被為主。

臨河區(qū)(原稱臨河市)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，居后套綠洲腹地，地處40°34′—41°17′N,107°06′—107°44′E，南鄰鄂爾多斯高原，北依陰山，東連烏拉特草原。地貌以沖積平原為主，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫為7.8 ℃，平均降水為144.8 mm。蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)大且頻繁，晝夜溫差大。土壤類型以灌淤土為主，主要天然植被為溫帶叢生矮禾草、矮半灌木草原。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究劃分研究階段分別為1975，1989，1995，2000，2006和2014年，主要考慮到3座城市在1975年代表20世紀(jì)70年代文革基本結(jié)束時(shí)的城市緩慢發(fā)展的狀況，1989年代表80年代改革開放前7 a的城市發(fā)展?fàn)顩r，1995年代表90年代同時(shí)也反映改革開放較快的7～13 a的城市擴(kuò)展特征，2000年西部大開發(fā)，中國特別是西北城市發(fā)展迎來了前所未有的契機(jī)，城市發(fā)展的步伐明顯加快，選取2000年數(shù)據(jù)作為城市擴(kuò)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)的代表；隨著城市化進(jìn)程的加快，西北綠洲城市涌現(xiàn)了一批工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，故選擇2006年來反映新世紀(jì)前10 a的發(fā)展特征。隨著城市化的快速發(fā)展，人口的迅猛增長，城市究竟如何擴(kuò)展？所以選擇2014年既代表最近新的一年城市發(fā)展，也想看看城市發(fā)展的方向問題。數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http:∥datamirror.csdb.cn)。具體日期及條帶號詳見表1。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)源于寧夏及內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒。數(shù)據(jù)預(yù)處理在ERDAS 9.2軟件支持下完成，采用多項(xiàng)式法對2014年影像進(jìn)行幾何校正，在1∶5萬地形圖上選擇控制點(diǎn)，二元二次多項(xiàng)式作為校正模型，對影像進(jìn)行幾何精校正，RMS誤差控制在1個(gè)像元內(nèi)[2,5,10-11,17]，用校正后的2014年影像對其余年份影像進(jìn)行配準(zhǔn)，并對影像進(jìn)行邊緣銳化增強(qiáng)處理。

表1　河套綠洲城市遙感影像的成像日期和條帶號

注：銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)MSS條帶號分別為：139/33，139/33，139/32。

2.2研究方法

2.2.1城市邊界提取城市建成區(qū)邊界的準(zhǔn)確提取是進(jìn)行城市擴(kuò)展研究的前提，城市建成區(qū)是指城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施基本具備的地區(qū)[9]。銀川城市建成區(qū)不僅包括銀川市中心城市，還包括賀蘭縣、永寧縣建成區(qū)；石嘴山城市建成區(qū)包括石嘴山市區(qū)、惠農(nóng)區(qū)及其平羅縣縣城建成區(qū)；臨河區(qū)的建成區(qū)為巴彥淖爾市建成區(qū)。對預(yù)處理后的遙感影像，采用假彩色合成、線性拉伸和邊緣銳化等方法增強(qiáng)地物可識別性，結(jié)合監(jiān)督分類中的最大似然法與人機(jī)交互式解譯法來獲得各時(shí)期像城市建成區(qū)的矢量邊界圖，再利用取隨機(jī)點(diǎn)的方法進(jìn)行精度驗(yàn)證，其精度均達(dá)到87%以上。

2.2.2城市擴(kuò)展評價(jià)指標(biāo)為了更直接地理解城市擴(kuò)展過程的時(shí)空變化特征，選取城市擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、人口—城市擴(kuò)展指數(shù)、彈性系數(shù)、緊湊度、分形維數(shù)以及重心轉(zhuǎn)移指數(shù)7個(gè)評價(jià)指標(biāo)來測算時(shí)空變化特征值[5-6,17]。其中擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、擴(kuò)展彈性系數(shù)、緊湊度、分形維數(shù)4個(gè)指標(biāo)的計(jì)算參見文獻(xiàn)[5-6]，人口—城市擴(kuò)展指數(shù)，重心轉(zhuǎn)移指數(shù)參見文獻(xiàn)[5]，擴(kuò)展速度參見文獻(xiàn)[17]。

(1)

(2)

式中：Ua,Ub——研究初期與末期城市建成區(qū)面積(km2)； T——研究時(shí)序跨度(a)。

人口—城市擴(kuò)展指數(shù)B： B=P/A

(3)

式中：P——市區(qū)非農(nóng)人口數(shù)(萬人); A——城市建成區(qū)面積(km2)。

城市擴(kuò)展彈性系R(i): R(i)=A(i)/Pop(i)

(4)式中：A(i)——城市面積年均增長率(%)；Pop(i)——城市非農(nóng)業(yè)人口年均增長率(%)，該指標(biāo)反映一定時(shí)期內(nèi)城市擴(kuò)張速度與人口增長速度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

(5)

式中：A——城市建成區(qū)面積; P——城市建成區(qū)周長。C值在0～1之間變化，其值越大，表明地物的形狀緊湊度越高。

分形維數(shù)D： D=2ln(P/4)lnA

(6)

該指標(biāo)是描述城市邊界曲折性和復(fù)雜性的一個(gè)指標(biāo)，其合理范圍值在1～2；其值越大，表明城市斑塊形狀越復(fù)雜。

重心轉(zhuǎn)移指數(shù)的計(jì)算：

(1) 空間重心坐標(biāo)：

(7)

式中：Xt,Yt——t時(shí)像城市建成區(qū)重心;Xi,Yi——第i塊城市建設(shè)用地的幾何中心坐標(biāo);Cti——第i個(gè)片區(qū)面積。

(2) 空間重心轉(zhuǎn)移距離(L)：

(8)

式中：Lt+1——從t到t+1時(shí)期地理單元空間重心轉(zhuǎn)移距離(m)。

(3) 空間重心轉(zhuǎn)移角度(a)：

(9)

式中：at+1——從t到t+1時(shí)期地理單元空間重心轉(zhuǎn)移方向與正東方向夾角。

3　結(jié)果與分析

3.1城市擴(kuò)展的時(shí)間變化特征分析

利用GIS空間疊置分析方法對河套綠洲3座典型城市6個(gè)時(shí)像的建成區(qū)矢量圖進(jìn)行疊置分析，得到銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)3座城市1975年(臨河區(qū)為1977年)、1989，1995，2000，2006和2014年6個(gè)時(shí)像的城市擴(kuò)展面積的分布特征圖(圖1)。

由圖1可知，20世紀(jì)70年代，銀川市建成區(qū)面積最大為50.23 km2，分別是石嘴山市(20.03 km2)和臨河區(qū)(30.06 km2)的2.51和1.67倍。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市人口快速增加，城市發(fā)展加快步伐，特別是西部大開發(fā)政策提出以后，城市面貌更是煥然一新，城市擴(kuò)展迅速。利用公式(1)—(4)計(jì)算河套綠洲城市的擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、人口-城市擴(kuò)展指數(shù)、城市擴(kuò)展彈性系數(shù)等指標(biāo)，對河套綠洲城市1975—2014年城市擴(kuò)展時(shí)間變化進(jìn)行比較分析(圖2)。

圖1　河套綠洲城市1975-2014年擴(kuò)展?fàn)顩r

圖2　河套綠洲城市1975-2014年擴(kuò)展時(shí)間變化對比

從圖1—2可知，近40 a來，銀川市總體比石嘴山市和臨河區(qū)擴(kuò)展迅速。銀川市各個(gè)時(shí)段中顯然2000—2006年，2006—2014年這兩個(gè)時(shí)段擴(kuò)展更為迅速，擴(kuò)展面積分別達(dá)到84.38和101.75 km2，建成區(qū)面積分別是1975年的3.76和5.80倍。石嘴山市明顯2000—2006年這一時(shí)段擴(kuò)展迅速，擴(kuò)展面積達(dá)到43.20 km2。臨河區(qū)各個(gè)時(shí)段的擴(kuò)展均很緩慢，但相比1995—2000年這一時(shí)段擴(kuò)展較為迅速。而各時(shí)段銀川市、石嘴山市的擴(kuò)展速度和強(qiáng)度均呈增大-增大-增大-減小的趨勢，在2000—2006年這一時(shí)段擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均達(dá)到最大，擴(kuò)展速度分別為14.06 km2/a和13.50%，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)分別為7.20 km2/a和18.02%。臨河區(qū)的擴(kuò)展速度與強(qiáng)度均呈減小—增大—減小—減小的趨勢，1995—2000年這一時(shí)段擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均達(dá)到最大2.73 km2/a和6.43%。

1975—1995年，由于社會經(jīng)濟(jì)落后，3座城市擴(kuò)展均很緩慢。1995—2000年這一時(shí)期，石嘴山市大武口區(qū)迅速發(fā)展，加上包蘭鐵路的建設(shè)，形成包蘭鐵路產(chǎn)業(yè)帶，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和便捷的交通促使城市擴(kuò)展速度迅速增大，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到9.25%高于同期銀川市和臨河區(qū)；同時(shí)，十五屆三中全會提出小城鎮(zhèn)的發(fā)展戰(zhàn)略，使得臨河區(qū)的擴(kuò)展加快步伐，擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度均達(dá)到其最大值。2000—2006年是銀川市和石嘴山市近40 a來城市擴(kuò)展最快的一個(gè)時(shí)期，2002年，銀川市進(jìn)行行政區(qū)劃調(diào)整，城市市區(qū)范圍擴(kuò)大；2006年銀川市將各級領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)從老城區(qū)遷入新城區(qū)，賀蘭縣、永寧縣的擴(kuò)展也達(dá)到了空前規(guī)模；而石嘴山市工業(yè)、煤炭的興起帶動了全市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，2006年石嘴山市的大武口區(qū)著力建設(shè)“一湖兩翼三區(qū)”，且平羅縣擴(kuò)展明顯，因此銀川市和石嘴山市城市擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均達(dá)到了其最大值。2006—2014年，3座城市的擴(kuò)展相比前一階段都有所減慢，尤以石嘴山市的減慢趨勢最為明顯，而銀川市仍處于快速擴(kuò)展時(shí)期。

近40 a來，銀川市和石嘴山市人口—城市擴(kuò)展指數(shù)呈先增后減再增的趨勢，而臨河區(qū)則呈先增后減再增，最后趨于不變的趨勢；對于城市擴(kuò)展彈性系數(shù)，銀川市和石嘴山市呈先增后減的趨勢，臨河區(qū)呈先減后增的波動趨勢(圖2)。銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)的市區(qū)非農(nóng)人口近40 a里分別以年均4.52%，2.28%，3.54%的速度快速增加，建成區(qū)的擴(kuò)展速度分別為年均4.61%，4.26%和2.72%，3座城市的城市擴(kuò)展彈性系數(shù)分別為1.02，1.82，0.77。根據(jù)中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院《2000年城鎮(zhèn)用地預(yù)測綜合報(bào)告》指出的城市人口年增率與城市用地年增率之間的合理比例不應(yīng)大于1∶1.12，這也是國際上公認(rèn)較為合理的比例[18]，顯然銀川市更趨于合理，石嘴山市趨于不合理。

1975—1995年，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，城市發(fā)展規(guī)模受到各種限制，城市用地緊張。1995—2000年，3座城市擴(kuò)展速度加快，城市擴(kuò)展彈性系數(shù)均迅速增大，以石嘴山市和臨河區(qū)增大最為顯著，彈性系數(shù)分別達(dá)到5.90和1.20，顯然臨河區(qū)城市擴(kuò)展彈性系數(shù)在這一時(shí)段達(dá)到最大值并接近于合理。2000—2006年，銀川市、石嘴山市人口-城市擴(kuò)展指數(shù)均迅速減小至最小，分別為0.38和0.39，而城市擴(kuò)展彈性系數(shù)均達(dá)到最大，分別為1.64和6.77。這一時(shí)期銀川市為實(shí)現(xiàn)“大銀川”這一城市構(gòu)想而大量征地，老城區(qū)改造及周邊用地?cái)U(kuò)展達(dá)到空前規(guī)模，使城市擴(kuò)展速度大于人口增長速度；而此時(shí)石嘴山市大武口區(qū)南充東進(jìn)，平羅縣西拓南進(jìn)，惠農(nóng)區(qū)南進(jìn)趨勢明顯，城市建設(shè)用地在短期內(nèi)出現(xiàn)了跳躍式擴(kuò)展，使城市擴(kuò)展速度與人口增長速度極不協(xié)調(diào)。2006—2014年，銀川市、石嘴山市城市擴(kuò)展彈性系數(shù)均減小，尤以石嘴山市減小迅速，這一時(shí)期，石嘴山市擴(kuò)展速度明顯減緩，建成區(qū)空間范圍除了平羅縣和惠農(nóng)區(qū)向周圍稍有擴(kuò)充外基本保持不變。

3.2城市擴(kuò)展的空間差異分析

城市緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)是度量城市空間擴(kuò)展過程中建成區(qū)形狀變化的重要指標(biāo)，緊湊度指數(shù)越大表明城市形態(tài)越緊湊，分形維數(shù)越小則城市形態(tài)越簡單。利用公式(5)—(9)計(jì)算河套綠洲城市緊湊度指數(shù)、分形維數(shù)(圖3)和重心轉(zhuǎn)移指數(shù)，分析其城市擴(kuò)展的空間分異特征(圖4)。

圖3　河套綠洲城市1975-2014年緊湊度指數(shù)與分形維數(shù)對比

從圖3可知，近40 a來，銀川市的城市緊湊度指數(shù)介于0.10～0.16，分形維數(shù)在1.63～2.04變動。石嘴山市的緊湊度指數(shù)介于0.13～0.22，分形維數(shù)在1.82～1.94變動。臨河區(qū)的城市緊湊度指數(shù)介于0.11～0.14，分形維數(shù)在1.83～2.19變動。顯然，幾個(gè)發(fā)展階段，3座城市的緊湊度指數(shù)變化在0～1，計(jì)算結(jié)果合理；而分形維數(shù)均大于1.5，城市形態(tài)比較復(fù)雜。但整體而言，銀川市和臨河區(qū)城市形態(tài)趨于緊湊規(guī)則簡單，而石嘴山市城市形態(tài)偏離緊湊但復(fù)雜程度減小。

從各時(shí)段來看，1975—1989年，銀川市呈條帶狀分布，主要為西夏區(qū)和興慶區(qū)兩大片，兩區(qū)中部斷開，這一時(shí)期城市形態(tài)最為復(fù)雜，緊湊度指數(shù)為最小值0.10，分形維數(shù)為最大值2.04；2000—2006年，城市空間擴(kuò)展以興慶區(qū)、金鳳區(qū)和西夏區(qū)為中心，點(diǎn)式快速擴(kuò)展，迅速填充東西軸間空地，銀川市緊湊度指數(shù)增大到最大值0.16，分形維數(shù)也迅速減小至1.67，城市形態(tài)趨于緊湊和規(guī)則。1975—1989年，石嘴山市呈分散塊狀分布，城市形態(tài)最為復(fù)雜但很緊湊，緊湊度指數(shù)、分形維數(shù)均達(dá)到最大值0.22，1.94；1995—2000年，石嘴山市城市擴(kuò)展以沿交通線的東西軸間擴(kuò)展為主，分形維數(shù)達(dá)到最小值1.82，城市形態(tài)復(fù)雜程度減??；2000—2014年，石嘴山市由沿交通線的外延式擴(kuò)展期進(jìn)入分散組團(tuán)擴(kuò)展期，各類經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園的建設(shè)，使城市形態(tài)復(fù)雜化，且偏離緊湊，緊湊度指數(shù)下降并穩(wěn)定在0.13，分形維數(shù)上升至1.85并趨于穩(wěn)定。1977—1989年，臨河區(qū)西部和南部零星鄉(xiāng)鎮(zhèn)率先發(fā)展，緊湊度指數(shù)較小為0.12，而分形維數(shù)最大2.19，城市形態(tài)最為復(fù)雜；2006—2014年，臨河區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)競相發(fā)展，城市內(nèi)部空隙大為減小，緊湊度指數(shù)增至最大0.14，分形維數(shù)減至最小1.83，城市形態(tài)趨于緊湊規(guī)則，復(fù)雜程度減小。

近40 a來，總體上銀川市城市重心向東南方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離最大為3 198 m，石嘴山市、臨河區(qū)分別向西南、東北方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離分別為574和854 m。從各時(shí)段看，銀川市的城市重心呈東南—東南—偏東—東北—東南方向轉(zhuǎn)移，石嘴山市呈東北—西南—西南—西北—東北方向轉(zhuǎn)移，臨河區(qū)呈西南—偏西—東北—西南—東北方向轉(zhuǎn)移，并且不同時(shí)期城市擴(kuò)展的地域空間分異明顯(圖4)。

圖4　河套綠洲城市1975-2014年重心轉(zhuǎn)移情況對比

1975—2000年，銀川市由于西夏區(qū)經(jīng)濟(jì)水平低，擴(kuò)展緩慢，隨著中東部銀川經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)一期工程的啟動帶動了金鳳區(qū)崛起，城市重心明顯向東南轉(zhuǎn)移，重心轉(zhuǎn)移角度繼而迅速增大；石嘴山市由于惠農(nóng)區(qū)距市區(qū)較遠(yuǎn)，發(fā)展不及大武口區(qū)及平羅縣迅速，使得城市重心向西南方向轉(zhuǎn)移，尤以1995—2000年城市重心轉(zhuǎn)移距離最大，為1 380.44 m；同時(shí)，臨河區(qū)東北方向的八一鄉(xiāng)、新華鎮(zhèn)發(fā)展迅速，使城市重心向東北方向大幅度回移，回移角度和距離均達(dá)到了幾個(gè)時(shí)期內(nèi)最大值，分別為322.37°和1 200.88 m。2000—2006年，銀川市繼續(xù)向東擴(kuò)展，興慶區(qū)改造發(fā)展達(dá)到頂峰，賀蘭縣擴(kuò)展迅速，使城市重心向東北移動，重心轉(zhuǎn)移角度達(dá)到其最大值340.67°；這個(gè)時(shí)期石嘴山市大武口區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)片、星海新區(qū)片等各類經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)迅速崛起，加上平羅縣快速發(fā)展，大武口區(qū)與平羅縣同城化發(fā)展趨勢明顯，導(dǎo)致城市重心迅速向西北回移；這個(gè)時(shí)期臨河區(qū)西南部的黃羊木頭鎮(zhèn)、千召廟鎮(zhèn)、烏蘭淖爾鄉(xiāng)迅速崛起，使城市重心向西南方向回移。2006—2014年，銀川市城市重心轉(zhuǎn)移距離達(dá)到最大值1 281.91 m，這與太中銀鐵路和銀青高速以及繞銀高速公路、新開發(fā)區(qū)的大量建設(shè)使得城市建設(shè)用地向東南擴(kuò)展密切相關(guān)；這個(gè)時(shí)期石嘴山市惠農(nóng)區(qū)擴(kuò)展加速，加上京藏高速公路等的建設(shè)使石嘴山市城市用地向東、向北擴(kuò)展，城市重心向東北方向大幅移動，重心轉(zhuǎn)移角度達(dá)到其最大值340.80°，轉(zhuǎn)移距離也增大到1 316.48 m，回移趨勢明顯；此時(shí)臨河區(qū)隨著古城鎮(zhèn)、狼山鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展，城市重心又明顯向東北方向移動。

3.3城市擴(kuò)展及驅(qū)動力差異分析

3.3.1自然地理因素的不同自然地理因素是城市擴(kuò)展的基礎(chǔ)條件，也決定了城市擴(kuò)展過程中的總體趨勢[17]。銀川市地勢西山東川，東部地區(qū)比較適合城市發(fā)展；西部受賀蘭山地影響，限制城市發(fā)展。同時(shí)，銀川市城市發(fā)展還受到東西兩側(cè)各存在的南北偏東兩條斷裂帶的制約，從而決定了銀川市以東西方向擴(kuò)展為主，南北方向?yàn)檩o的城市擴(kuò)展特征。而石嘴山市大武口區(qū)西側(cè)、北側(cè)依賀蘭山脈，惠農(nóng)區(qū)東側(cè)緊鄰黃河，迫使石嘴山市城市擴(kuò)展的總體方向是大武口區(qū)“東進(jìn)、南擴(kuò)、西限、北禁”，惠農(nóng)區(qū)“東限、南進(jìn)、西禁、北控”，平羅縣西拓南進(jìn)，所以銀川市、石嘴山市城市擴(kuò)展受地形影響較大。而臨河區(qū)地理位置相對偏遠(yuǎn)，全境為黃河沖積平原，地面開闊平坦，城市發(fā)展基本不受地形的限制。

3.3.2城市職能及歷史長短的差異城市職能是指某城市在國家或區(qū)域中所起的作用，所承擔(dān)的分工，影響城市發(fā)展的繁榮程度[19]。銀川市是寧夏回族自治區(qū)的省會，是首府型城市，1929年建市，歷史悠久，屬于綜合性城市，是寧夏自治區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，國家、寧夏回族自治區(qū)均對其的投資建設(shè)強(qiáng)度較高，所以城市擴(kuò)展較快。石嘴山市是一座因煤而建因工而興的工業(yè)城市，1960年建市，起步較晚，城市發(fā)展僅次于銀川市，但石嘴山市屬于資源城市衰退型，城市發(fā)展后勁不足，面臨迫切轉(zhuǎn)型需要。臨河區(qū)作為巴彥淖爾市政府所在地，是一般型城市，1958年建市，隸屬于巴彥淖爾市，受制于其發(fā)展水平，城市擴(kuò)展緩慢。表明城市建市起點(diǎn)不同，城市職能不同，直接影響城市發(fā)展速度，而城市職能對銀川市城市擴(kuò)展的促進(jìn)作用最為顯著。

3.3.3社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異經(jīng)濟(jì)增長是城市用地?cái)U(kuò)展最重要、最根本的驅(qū)動因素，城市用地實(shí)質(zhì)上是一個(gè)綜合性的經(jīng)濟(jì)問題[20]。因此采用能夠表征城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的城市化指數(shù)即城市人口、固定資產(chǎn)投資總額、房地產(chǎn)開發(fā)投資總額等指數(shù)(圖5)來進(jìn)一步分析3座城市城市擴(kuò)展驅(qū)動力的差異。

圖5　河套綠洲城市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化趨勢

人口是城市構(gòu)成要素中最活躍的因素，城市人口對空間的需求是城市擴(kuò)展的最初動力[21]。從圖5可以看出，銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)的市區(qū)年末總?cè)丝趶?985—2012年分別增加了3.34,1.94,1.53倍?？梢姵鞘惺袇^(qū)人口的快速增加為城市的發(fā)展提供堅(jiān)定的支撐。由圖5可知，銀川市GDP總量最大且增長最為迅速，為其城市擴(kuò)展提供強(qiáng)有力的資金保障。同時(shí)，3座城市固定資產(chǎn)投資額具有顯著差異，銀川市固定資產(chǎn)投資額明顯高于石嘴山市和臨河區(qū)。此外，迅速崛起的房地產(chǎn)業(yè)成為城市擴(kuò)展的重要動力因素，尤其是2000年以后，銀川市房地產(chǎn)開發(fā)投資額增長遠(yuǎn)高于石嘴山市與臨河區(qū)。

為了找出3座城市社會經(jīng)濟(jì)的主驅(qū)動因子，進(jìn)一步利用1991—2012年3座城市的經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取8個(gè)因子進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果表明，第一、二特征值分別為2.38和0.46，方差貢獻(xiàn)率分別為79.21%和15.45%，且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為94.66%(≥85%)；從而以第1,2特征值的特征向量計(jì)算主成分載荷，就可以滿足主成分分析的要求。由圖6可知，varB，varD，varC，varH，varA與第1主成分靠近，且varF和varG與第2主成分關(guān)系密切，而varE在第1與第2主成分之間的歸屬較為模糊。因此，將第1因子可以命名為區(qū)域生產(chǎn)因子，主要包括一些投入與產(chǎn)出方面的信息，第2因子為第一、二產(chǎn)業(yè)值。銀川市在第1因子上得分高，表明其經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，其城市擴(kuò)展受房地產(chǎn)開發(fā)投資額與第三產(chǎn)業(yè)影響最大；而臨河區(qū)和石嘴山市在第2因子上得分高，表明以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的臨河，其城市擴(kuò)展受第一產(chǎn)業(yè)影響最大；工礦業(yè)是石嘴山的支柱產(chǎn)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)對其城市擴(kuò)展影響最大。

注：varA為市區(qū)總?cè)丝?，varB為固定資產(chǎn)投資，varC為房地產(chǎn)開發(fā)投資額，varD為GDP，varE為人均GDP，varF為第一產(chǎn)業(yè)，varG為第二產(chǎn)業(yè)，varH為第三產(chǎn)業(yè)。

圖6主成分載荷與得分雙重散點(diǎn)圖

3.3.4交通牽引作用的影響城市發(fā)展離不開交通的牽引作用，交通建設(shè)對城市擴(kuò)展有指向性作用。銀川市交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速，形成了以市區(qū)為中心，以國道、省道為主軸，以東西6縱和南北16橫為骨架的城市交通網(wǎng)體系。包蘭鐵路縱貫市區(qū)，1996年寶中鐵路的開通，2011年太中銀鐵路的運(yùn)營，1997年河?xùn)|機(jī)場的正式通航均促進(jìn)了城市的擴(kuò)展。石嘴山市60 km多的包蘭鐵路過境，其初步形成了以國道為骨架，省道為支干，農(nóng)村道路為支線連接而成的“六縱五橫”公路網(wǎng)運(yùn)輸體系。臨河區(qū)公路僅京藏高速，110國道過境，鐵路只有包蘭線過境。顯然3座城市中，銀川市完善、便捷的交通網(wǎng)絡(luò)有力地推動其城市擴(kuò)展。

3.3.5政府政策與規(guī)劃的差異政府決策與規(guī)劃在城市擴(kuò)展過程中發(fā)揮引導(dǎo)作用，引領(lǐng)城市發(fā)展方向，影響城市擴(kuò)展速度。2000年西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的實(shí)施，2002年銀川市提出了“中心城市”帶動戰(zhàn)略，同年進(jìn)行行政區(qū)劃調(diào)整，2006年將各級領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)從老城區(qū)遷入金鳳區(qū)，這些均促進(jìn)了其城市發(fā)展?！笆晃濉逼陂g，石嘴山市確定了城市總體規(guī)劃城區(qū)發(fā)展方向，并且利用沙湖的輻射帶動作用，2008年寧夏自治區(qū)政府提出銀川—石嘴山同城化發(fā)展戰(zhàn)略，促使石嘴山市向南擴(kuò)展明顯。1998年十五屆三中全會明確提出小城鎮(zhèn)的發(fā)展戰(zhàn)略，2006年提出建設(shè)社會主義新農(nóng)村戰(zhàn)略，在一定程度上加速了臨河區(qū)城市擴(kuò)展。可見，政府政策與規(guī)劃對城市擴(kuò)展進(jìn)程影響顯著。

4　結(jié) 論

(1) 近40 a來，銀川市擴(kuò)展趨勢比石嘴山市、臨河區(qū)快得多。銀川市、石嘴山市、臨河區(qū)的年均擴(kuò)展速度分別為6.15，2.10，1.31 km2/a；年均擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)分別為12.30%，10.50%，4.36%。銀川市的城市擴(kuò)展彈性系數(shù)為1.02，較石嘴山市(1.86)及臨河區(qū)(0.77)，更趨于人口增長與城市用地之間關(guān)系的合理值1.12。

(2) 近40 a來，銀川市和臨河區(qū)的緊湊度指數(shù)呈增大趨勢，分形維數(shù)呈減小趨勢，城市形態(tài)趨于緊湊、整齊規(guī)則，復(fù)雜程度減小。石嘴山市緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)均呈減小趨勢，城市形態(tài)復(fù)雜程度減小但偏離緊湊。

(3) 近40 a來，銀川市的城市重心呈東南—東南—偏東—東北—東南方向的變化趨勢，石嘴山市的城市重心呈東北—西南—西南—西北—東北方向的變化趨勢，臨河區(qū)的城市重心呈西南—偏西—東北—西南—東北方向的變化趨勢?？傮w上銀川市城市重心向東南方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離最大為3 198 m，石嘴山市、臨河區(qū)分別向西南、東北方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離分別為574和854 m。

(4) 從驅(qū)動因素來看，地貌、城市職能、交通、政策是影響銀川市城市擴(kuò)展的主要驅(qū)動因子，影響石嘴山市的主要驅(qū)動因子是地貌、政策，政策則是影響臨河區(qū)的主要驅(qū)動因子。且各城市社會經(jīng)濟(jì)主驅(qū)動因子不盡相同，主成分分析結(jié)果表明，銀川市城市擴(kuò)展受房地產(chǎn)開發(fā)投資額、第三產(chǎn)業(yè)影響最大，第二產(chǎn)業(yè)對石嘴山市城市擴(kuò)展影響顯著，第一產(chǎn)業(yè)對臨河區(qū)城市擴(kuò)展貢獻(xiàn)最大。

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Remote Sensing Monitoring of Urbanization in Hetao Oasis and Regional Difference Analysis During 1975-2014

DONG Miao, LIU Puxing, ZHANG Yanlong, YONG Guozheng

(CollegeofGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The urbanization in Hetao Oasis was monitored through remote sensing and the regional difference in the past 40 years was analyzed to provide a scientific base for urban plan and management, and for city coordinative and sustainable development. [Methods] Based on 6 term’s scene of landsat MSS/TM/ETM+remote sensing image in the years of 1975, 1989, 1995, 2000, 2006 and 2014, 7 evaluation indices of urbanization expansion were included and principal component analysis was used. [Results] (1) The expansion trends of Yinchuan, Shizuishan and Linhe cities had different expansive speed, strength and elasticity. (2) There were different space expansive patterns among the three cities. (3) The gravity transfer directions and distances of city center were different. (4) The real estate development investment and the tertiary industry were the major factors that affected the urban expansion of Yinchuan City, the first sector was the leading one for Linhe District while second sector was the pillar in Shizuishan City. [Conclusion] In recent 40 years, it was Yinchuan City that had the fastest annual expansion rate, the largest expansion intensity and more reasonable relationship between population growth and urban land. Yinchuan City and Linhe district urban expansion tended to be compact, stable and had decreasing complexity development; Shizuishan City had the tendency of discrete development and showed an increasing complex forms. In addition, the city center transferred to the southeast for Yinchuan City with the maximum transfer distance of 3 198 m; while Shizuishan City and Linhe District expanded toward to the southwest and northeast. Additionally, the dominating factors that influenced the urban expansion for the three cities were different.

urbanization expansion; spatial and temporal difference; driving force; cities in Hetao Oasis

2015-06-16

2015-09-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“河西綠洲天然胡楊林生長的水鹽過程和衰退機(jī)制研究” (40961035); 甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(0803RJZA094); 甘肅省級重點(diǎn)學(xué)科自然地理學(xué)項(xiàng)目

董苗(1992—),女(漢族),甘肅省合水縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)域環(huán)境與綠洲建設(shè)。E-mail:dongmiaosunshine@163.com。

水保監(jiān)測與應(yīng)用技術(shù)

B

1000-288X(2016)04-0001-08

F291