福州及周邊地區(qū)城市的時空拓展及機制

陳清云，湯小華

?

福州及周邊地區(qū)城市的時空拓展及機制

陳清云，湯小華

（福建師范大學地理科學學院，福州 350107）

基于1984、1989、2001、2010年和2015年等5個時相的Landsat-5/8 TM/MSS遙感影像，利用監(jiān)督分類和目視解譯法對福州及其周邊地區(qū)城市土地利用類型進行分類，發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)在1984~2015年間經(jīng)歷了低速、低速、高速以及快速擴展等4個過程；城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)分別為0.15、0.53、1.99和1.75，擴展強度呈現(xiàn)增加趨勢；擴展彈性系數(shù)從0.91下降到0.75，說明城市的發(fā)展與區(qū)域的人口關系較為合理；緊湊度從0.09下降到0.06，分形維數(shù)從1.28增加至1.34，顯示出該區(qū)城鎮(zhèn)用地日益趨向復雜化趨勢，福州城區(qū)及周邊地區(qū)的城市擴展速率等明顯受自然條件、社會經(jīng)濟條件以及政策規(guī)劃等因素的影響較大。

福州；遙感；城市擴張

城市作為人類聚集活動的一個重要場所，是不斷變化和發(fā)展的，不僅是表現(xiàn)在城市的人口數(shù)量的增加或者減少，同時也表現(xiàn)在城市的總體輪廓和形態(tài)、城市內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)的變化等方面，目前有許多學者對城市形態(tài)的變化、城市的結(jié)構(gòu)以及城市擴展等方面進行研究，[1-4]試圖通過對城市在一段較長時期內(nèi)的變化的分析來尋找城市發(fā)展的規(guī)律或特征，并為未來城市的規(guī)劃和管理提供依據(jù)和參考。隨著目前遙感技術的發(fā)展和普及，遙感在城市形態(tài)、城市發(fā)展和城市規(guī)劃等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。通過遙感手段能夠比較準確和便捷地獲取城市不同時期的土地利用狀況以及發(fā)展的形態(tài)。[5]隨著改革開放和海峽西岸經(jīng)濟區(qū)建設的不斷推進，福州得到了不斷發(fā)展，文章試圖通過1984~2015年五期遙感影像，對福州以及與目前受福州城市擴展影響最大的閩侯縣近40年的城市發(fā)展變化進行分析，以期為今后福州城市規(guī)劃以及政府決策提供一定的參考。

一、研究區(qū)概況

福州是海峽西岸經(jīng)濟區(qū)的一座重要城市，也是該區(qū)政治、經(jīng)濟、文化、科研的中心要地，同時也在現(xiàn)代金融方面發(fā)揮著重要作用，全市陸地總面積11 968 km2，東臨太平洋，地處中國東南沿海、福建省中東部的閩江口，與臺灣省隔海相望。位于北緯25°15'~26°39'，東經(jīng)118°08'~120°31'，分別在南北西三個方位與莆田市、寧德市以及三明市接壤。福州屬典型的亞熱帶季風氣候，氣溫適宜，溫暖濕潤。福州研究區(qū)位見圖1。

圖1　研究區(qū)位置圖

二、數(shù)據(jù)來源與研究方法

（一）數(shù)據(jù)來源

為了研究區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)具有一致性和連續(xù)性，統(tǒng)一采用Landsat系列遙感影像進行分析處理，數(shù)據(jù)下載渠道來自以下網(wǎng)站：中國科學院科學數(shù)據(jù)庫地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.csdb.cn/）及美國美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，http://earthexplorer.usgs.gov/），成像時間分別為1984年、1989年、2001年、2010年以及2015年，影像空間分辨率均為60m和30m，選取影像質(zhì)量較好，云量較少為標準。

（二）研究方法

利用envi軟件對下載的五期遙感影像進行預處理（幾何校正、大氣校正、圖像的鑲嵌融合等），其次通過Acrgis軟件提取福州市區(qū)以及周邊主要地區(qū)的矢量格式文件，并結(jié)合envi軟件對五期遙感影像進行裁剪和分類。

三、分析及結(jié)論

通過envi軟件對目標地區(qū)對福州進行土地利用分類，文章將其利用類型分為5類，分別為：河道沿海水體、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)業(yè)用地、綠地森林、空地以及局部地區(qū)的云層類，并對影像的分類結(jié)果進行必要的后處理。結(jié)果如圖2所示。

圖2　福州不同時期土地利用類型

用土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣對福州40年的土地利用類型變化進行分析，其轉(zhuǎn)移矩陣模型為，其中，為面積轉(zhuǎn)移矩陣，A為k時期種土地利用類型轉(zhuǎn)移為+1時期種土地利用類型面積。通過轉(zhuǎn)移矩陣可以計算時期種土地利用類型轉(zhuǎn)化為+1時期種土地利用類型的比例，其公式為。計算k+1時期的種土地利用類型由k時期種土地利用類型轉(zhuǎn)化而來的比例，其公式為。

（一）福州土地利用類型變化

通過對1984-1989、1989-2001、2001-2010、2010-2015年分類結(jié)果進行疊加分析，并得到4個時間段的福州土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣，見表1-表4。

（二）矩陣分析

分析上述土地利用轉(zhuǎn)移矩陣從1984年-1989年的變化，其中水體面積和空地面積變化幅度不明顯；林地面積出現(xiàn)小幅度的下降；城鎮(zhèn)用地面積也從1984年的88.66 km2增加擴展到1989年的116.67 km2，城鎮(zhèn)面積有較大增加幅度增加，農(nóng)業(yè)類型的用地從1984年的1 442.70 km2持續(xù)減少到1989年的1 195.96 km2。

從1989~2001年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析可知，水體部分轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)以及農(nóng)業(yè)用地，林地面積減少了65.21 km2，城鎮(zhèn)用地面積增加了236 km2，農(nóng)業(yè)類用地減少了76 km2。水體和空地的變動微小，與1989~2001年變化相似，農(nóng)業(yè)用地在該時期內(nèi)減少了649 km2，城鎮(zhèn)面積持續(xù)在增加，該時期增加了355 km2。林地的變化幅度不大，大體在相似水平。農(nóng)業(yè)用地減少146 km2，城鎮(zhèn)用地面積繼續(xù)不斷擴大，增加面積為358 km2，林地面積減少了236 km2。

表1 泉州灣地區(qū)1984-1989年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

表2 泉州灣地區(qū)1989-2001年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

表3 泉州灣地區(qū)2001-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

表4 泉州灣地區(qū)2010-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

（三）城市用地擴展時序分析

為了描述研究區(qū)域的城市擴張?zhí)卣鳎恼乱氤鞘袛U展速率指標和城市擴展強度、城市擴展彈性系數(shù)、緊湊度和城市用地分行維數(shù)等指標對福州及周邊區(qū)域的城市擴展進行分析。[6-8]其中擴展速率為研究時段內(nèi)城市的平均擴展的面（即絕對擴展）；而擴展強度為研究時段內(nèi)城市面積的年際之間的面積增長速率（即相對擴展）；公式為，其中與表示在時間和時間城市建設用地的變化面積（km2）；表示該時間段內(nèi)的時間長度，本文以年為單位。表示城市建設用地年變化率。擴展強度公式為，式子中表示研究時期內(nèi)的城市建設用地擴展的面積（km2）；表示研究時間的長度（本文以年a為單位）；為研究區(qū)的總面積（km2）。根據(jù)公式可以計算出福州地區(qū)的城市擴展強度。

城市擴展彈性系數(shù)。該指標體現(xiàn)人口對城市建設用地的影響，是描述福州城市的整體擴張速度和福州人口增長速度之間的協(xié)調(diào)關系，也是用來衡量一個城市用地擴展是否合理的指標，城市擴展彈性系數(shù)公式為，式子中為城市擴展彈性系數(shù)，為的非農(nóng)業(yè)人口，為城市建成區(qū)面積，計算結(jié)果見表5。

表5 1984~2015年福州市及周邊城鎮(zhèn)用地擴展變化情況

福州市及周邊主要區(qū)域城市擴展速率每個階段都在不斷地提高，從5.64%增加到全區(qū)范圍內(nèi)10.62%，福州及周邊區(qū)域城鎮(zhèn)面積轉(zhuǎn)變的速率非常明顯。其次1984~2015年城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)分別為0.15、0.53、2.00和1.75，可以看出擴展強度指數(shù)在不斷提高，但在2010年之后有放緩的趨勢。文章借用已有的理論劃分對擴展強度這個指標進行如下劃分：[9-10]高速擴展階段：M＞1.92；快速擴展階段1.05～1.92；中速擴展階段0.59～1.05；低速擴展階段0.28～0.59；緩慢擴展階段0～0.28。依據(jù)研究結(jié)果，可以得出結(jié)論：1984~2015年福州市以及周邊地區(qū)的擴展強度分別屬于低速擴展、低速擴展、高速擴展以及快速擴展，總體上說明了福州市區(qū)以及周邊主要區(qū)域的城鎮(zhèn)擴展趨勢。

城市擴展彈性系數(shù)在1984~2015年的發(fā)展過程中，從0.908 0下降到0.751 6，在該指標上，城市規(guī)劃設計院認為城市人口每年的增長率與城市用地之間的比例比較合理的是1:1.12，該指標也是目前比較認可的一個合理比例。福州市從1984年到2015年其系數(shù)基本在合理范圍這之內(nèi)，且呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，這也體現(xiàn)和反應出福州城市的發(fā)展與該區(qū)域的人口關系較為合理。

（四）城市用地空間分異分析

表6　福州地區(qū)城鎮(zhèn)擴展空間變化特征指數(shù)

由表3可知福州市區(qū)及周邊主要地區(qū)的城鎮(zhèn)擴展緊湊度從1984~2015年是不斷的下降的，說明這一時期福州城區(qū)及周邊的用地在不斷發(fā)生變化，城市在不斷擴展，城市形態(tài)也在不斷地發(fā)生變化。城市用地擴展緊湊度越小，分形維數(shù)的值也會越來越大，分行維數(shù)值也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢說明福州地區(qū)的城鎮(zhèn)用地日益趨向復雜化，城市的形態(tài)也變得不規(guī)則，這主要與福州城市沿江分布的地形有很大關系。

四、擴展驅(qū)動力分析

（一）自然因素制約

城市的選址與自然地理環(huán)境有很大的聯(lián)系，福州城位于福州盆地內(nèi)部，福州盆地的四周被山地環(huán)繞，周邊區(qū)域主要是以海拔較低的丘陵地形為主。該區(qū)的地勢總體上為自西向東傾斜。南部為福州盆地的大部分；北部為山地，因此也影響了福州城市向北部擴展，導致福州城區(qū)向西，向南不斷擴展?？傮w地形從西南向東傾斜，閩江與烏龍江將福州城區(qū)分割，目前福州逐步向西和向南拓展的趨勢明顯。[11-12]

（二）社會經(jīng)濟因素影響

通過選取該區(qū)常住人口、非農(nóng)人口、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、GDP、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資等8項指標作為衡量標準，其中每個指標與該區(qū)城市土地變化的相關性分別為0.95、0.89、0.0005、0.64、0.87、0.99、1.00、0.93，除了第一產(chǎn)業(yè)與其相關性較弱之外，其余指標與該區(qū)城市面積擴展圾較大的相關性。其次借助SPSS分析軟件對指標進行主成分分析，得到常住人口與GDP這兩個主成分對城市擴展影響作用較大，因而根據(jù)兩個變量建立回歸方程，其中、分別代表地區(qū)常住人口與該地區(qū)的GDP。因此在社會經(jīng)濟方面可以發(fā)現(xiàn)福州及周邊地區(qū)的擴展主要受該地區(qū)的常住人口和GDP也就是經(jīng)濟發(fā)展水平的影響較大。

（三）政策與規(guī)劃誘導

政策對城市的發(fā)展有很大的影響，福州在2004年提出海峽西岸經(jīng)濟區(qū)建設后，較好地抓住發(fā)展機遇，使區(qū)域經(jīng)濟有了很大發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和空間布局得到調(diào)整，許多重大項目得到實施。福州周邊的閩侯上街大學城、青口汽車城以及南臺島等功能區(qū)在空間上的布局也符合福州發(fā)展西進南拓的發(fā)展策略，促使福州的城市建成區(qū)不斷的外擴，目前福州規(guī)劃方向更多往西部閩侯上街以及南部地區(qū)拓展，沿江濱調(diào)整城市功能區(qū)的空間結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)的趨勢也越來越明顯。

從對1984~2015年近40年的城市土地利用變化的分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)的城市建成區(qū)面積在不斷向外拓展，城鎮(zhèn)用地面積在不斷增加、農(nóng)業(yè)用地在縮小，林地面積大致變化幅度不大，較1984年略有縮小。城鎮(zhèn)用地擴展時序變化情況是1984~2015年城市的擴展速率分別為5.00、18.19、32.09、71.59，擴展的強度從0.15增加至1.75，城市擴展的彈性系數(shù)從0.91降低至0.33，總體上反應出福州城市擴展的速度較快，城市的發(fā)展與該區(qū)域的人口關系較為合理。

從福州及周邊地區(qū)城鎮(zhèn)擴展空間變化特征指數(shù)上看，緊湊度從0.09降低到0.05，分形維數(shù)從1.28增加至1.34，總體反應出該區(qū)的城鎮(zhèn)用地面積在不斷地變大，城市在不斷地向外拓展。研究區(qū)的城市拓展形態(tài)主要是受福州盆地以及四面環(huán)山的地形特征影響，其次城鎮(zhèn)用地的拓展與該區(qū)常駐人口、非農(nóng)人口、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、GDP、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資等7項人口與社會經(jīng)濟指標有很大相關性，福州及周邊主要地區(qū)的城市擴展也受到政府政策以及規(guī)劃的誘導，西進南拓的城市發(fā)展戰(zhàn)略影響著該區(qū)城市擴展的形態(tài)和方向。

在福州以及周邊地區(qū)的發(fā)展過程中，應該充分考慮福州的地勢特點以及沿江的優(yōu)勢，合理布局福州地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，適當合理地對城市內(nèi)部的功能區(qū)進行調(diào)整，充分利用海峽西岸經(jīng)濟區(qū)建設這一發(fā)展契機，提升福州地區(qū)的整體競爭力，促進福州城市空間的可持續(xù)發(fā)展道路。

[1] 徐涵秋. 近30a來福州盆地中心的城市擴展進程[J]. 地理科學, 2011(03): 351-357.

[2] 張治清, 陳靜, 胡艷, 等. 永川區(qū)城市時空擴展動力機制研究[J]. 重慶交通大學學報: 自然科學版, 2011(10): 180-184.

[3] 阿斯耶姆·圖爾迪, 阿里木江·卡斯木. 基于多源遙感數(shù)據(jù)的奎屯市城市擴展分析[J]. 水土保持研究, 2013(2): 233-237.

[4] 黃慶旭, 何春陽, 史培軍, 等. 城市擴展多尺度驅(qū)動機制分析——以北京為例[J]. 經(jīng)濟地理, 2009(5): 714-721.

[5] 陳龍乾, 郭達志, 胡召玲, 等. 城市擴展空間分異的多時相TM遙感研究[J]. 煤炭學報, 2004(3): 308-312.

[6] 吳曉青, 胡遠滿, 賀紅士, 等. 沈陽市城市擴展與土地利用變化多情景模擬[J]. 地理研究, 2009(5): 1264-1275.

[7] 李文亮, 張麗娟, 陳紅, 等. 哈爾濱市城市擴展與地表熱環(huán)境變化關系研究[J]. 地域研究與開發(fā), 2010(2): 49-52+58.

[8] 馮仕超, 高小紅, 亢健, 等. 西寧市30多年來土地利用/土地覆被變化及城市擴展研究[J]. 干旱區(qū)研究, 2012(1): 129-136.

[9] 方剛. 宿州市城市擴展的遙感動態(tài)變化監(jiān)測與評價[J]. 沈陽大學學報: 自然科學版, 2014(4): 284-289.

[10] 劉盛和, 吳傳鈞, 沈洪泉. 基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J]. 地理學報, 2000(4): 407-416.

[11] 廖其林, 王振明, 邱陶興, 等. 福州盆地及其周圍地區(qū)地殼深部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的初步研究[J].地球物理學報, 1990(2): 163-173.

[12] 吳文英. 福州城市空間結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)展[J]. 閩江學院學報, 2007(2): 98-104.

Mechanism of Time and Space to Expand in Fuzhou City Areas

CHEN Qingyun, TANG Xiaohua

（Colleg of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350107, China）

In order to explore the development features, based on the 1984, 1989, 2001, 2010 and 2015 when five phase of Lands at TM - 5/8 / MSS remote sensing image analysis, using the method of supervised classification and visual interpretation of fuzhou city and its surrounding areas of land use types are classified, it found in fuzhou and the surrounding areas of town land area is growing fast during the study, the agricultural land area is narrow.The analysis results show that the fuzhou and surrounding areas between 1984 and 2015 experienced a low speed, low speed, high speed and rapid expansion of the four process; Urban expansion intensity index were 0.1469, 0.5343, 1.9980 and 1.7525 changes in the process; Extended elasticity coefficient decreased from 0.9080 to 0.9080, indicating the development of the city and a reasonable relationship between the population of the region; Compact degree decreased from 0.09 to 0.09, fractal dimension increased from 1.28 to 1.34, showing the towns land increasingly complicated trend. Fuzhou city and surrounding areas of the change of the urban expansion rate significantly affected by natural conditions and social economic conditions and influenced by the policy planning.

Fuzhou; remote sensing; urban sprawl

（責任編校：賀常穎）

TU984

A

10.3969/j. issn. 2096-059X.2016.06.021

2096-059X(2016)06–0087–05

2016-08-30

陳清云（1990-），女，福建龍巖人，碩士研究生，主要從事城市與區(qū)域規(guī)劃及人文地理方面研究；湯小華（1957-），男，福建福州人，副研究員，碩士生導師，主要從事區(qū)域經(jīng)濟與規(guī)劃方面研究。