黑龍江工業(yè)城市建設用地時空擴張遙感監(jiān)測

郭晶鵬， 趙映慧， 諶慧倩， 項亞楠， 趙旭朦， 喬 暢

(東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030)

0 引言

工業(yè)在國家經(jīng)濟發(fā)展中起到了中流砥柱的作用，但快速工業(yè)化引發(fā)的一系列安全問題已成為困擾城市健康發(fā)展的嚴重障礙； 建設用地擴張問題掣肘城市的可持續(xù)發(fā)展，研究工業(yè)城市建設用地擴張的機理形勢刻不容緩。2014年國務院發(fā)布《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014─2020年)》明確要求改變城市的發(fā)展方式，包括速度型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變、外延式向內(nèi)涵式轉(zhuǎn)變等5種轉(zhuǎn)變方式； 2016年“兩會”期間又提出了地區(qū)性哈爾濱─長春(簡稱哈長)城市群的一體化建設方案。黑龍江省作為東北老工業(yè)基地和哈長城市群的重要組成部分，哈爾濱、大慶、齊齊哈爾(分別簡稱哈、大、齊)又是哈大齊工業(yè)走廊沿線重要的核心城市，以哈、大、齊為例研究黑龍江省工業(yè)城市建設用地擴張問題具有一定的前瞻性。但是目前尚缺乏一種自動化提取城市建設用地變化的機制，無法及時、客觀、真實地反映城市建設用地擴張變化的區(qū)域特性。為了有效改善黑龍江省工業(yè)型城市發(fā)展帶來的粗放式利用問題，推進工業(yè)4.0、新型城鎮(zhèn)化的進程和集約且高效的土地利用機制，必須分析哈、大、齊大型工業(yè)城市建設用地擴張過程的主要特征，探索城市擴張過程的內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律。

城市建設用地擴張是城市空間發(fā)展的變化，更是人類生產(chǎn)活動范圍的直接表征。國內(nèi)諸多學者開展了大量關于城市建設用地擴張的研究工作[1-6]，從最初采用統(tǒng)計與實地調(diào)研數(shù)據(jù)研究城市建設用地，到遙感監(jiān)測與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術在城市建設用地研究中的普及與深化，在研究尺度和空間特征分析等方面均取得了顯著成果[7-10]。不同空間尺度的城市建設用地，其空間特征存在著顯著的差異性[11-12]。在國家尺度上，劉紀遠等[13]基于全國城市功能分區(qū)及東、中、西、東北4大區(qū)域功能區(qū)規(guī)劃，進行了空間特征遙感對比分析； 葉昌東等[14]探討了1990─2010年間全國特大城市空間特征的演變； 黃永斌等[15]對比了全國地級市以上城市緊湊度的時空特征，發(fā)現(xiàn)其存在顯著的規(guī)模等級遞增效應； 舒幫榮等[16]通過面板計量數(shù)據(jù)分析法，對比了全國不同職能地級市建設用地擴張的特征及驅(qū)動機理。在區(qū)域尺度上，主要集中在對長三角、珠三角等5大城市群及經(jīng)濟特區(qū)城市變化的研究[17]： 施利鋒等[18]采用多源遙感數(shù)據(jù)剖析了1973─2013年間經(jīng)濟特區(qū)的城市空間擴張?zhí)卣鳎?曹銀貴等[19]運用聚類分析、判別分析研究了我國東部地區(qū)87個城市的建設用地變化規(guī)律； 李加林等[20]依托遙感和GIS分析了1979─2005年間長三角城市建設用地變化特征。在城市尺度上，多集中于北京、天津、上海、廣州、深圳、廈門、沈陽等發(fā)達城市[21]： 叢曉男等[22]探討了北京市1991─2011年間城市空間形態(tài)演變及增長態(tài)勢； 蘇建忠等[23]針對1980年廣州市建設用地蔓延及調(diào)控展開了研究； 孫雁等[24]利用GIS技術對比了1910─2010年間不同時段沈陽市建設用地擴張變化特征。目前，針對東北地區(qū)和資源型工業(yè)城市建設用地的相關研究較少，且對區(qū)域內(nèi)多個功能聯(lián)系密切的城市建設用地擴張問題亟待研究。本文以哈、大、齊工業(yè)城市為例，分析2000─2015年間哈、大、齊主城區(qū)建設用地擴張變化的時空特征，模擬城市重心遷移過程，以期為黑龍江省哈、大、齊等工業(yè)城市轉(zhuǎn)型、加快新型城鎮(zhèn)化建設并在一定程度上減少其對耕地的侵占提供參考。

1 數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本研究選取的數(shù)據(jù)包括： ①哈、大、齊工業(yè)城市2000年、2005年、2010年和2015年4個時間節(jié)點的Landsat遙感影像； ②研究區(qū)城市主城區(qū)《2010─2020總體規(guī)劃圖》； ③2000─2015年《城市統(tǒng)計年鑒》； ④《黑龍江統(tǒng)計年鑒》。由于2014年5月阿城區(qū)和雙城區(qū)剛剛撤縣變區(qū)，故本研究中哈爾濱市不包括阿城區(qū)和雙城區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先下載軌道號/行號為118/28、119/28和120/27，且含云量少于10%的Landsat遙感影像，空間分辨率為30 m； 其次，利用BIGMAP與ENVI5.0軟件，結(jié)合哈、大、齊《2010─2020年城市總體規(guī)劃圖》，對Landsat影像進行裁剪和糾正，得到多個波段的哈、大、齊主城區(qū)影像； 然后對主城區(qū)影像進行B7(R)，B6(G)，B4(B)波段假彩色合成，采用最大似然法進行監(jiān)督分類，通過人工目視解譯進行糾正，得到分類圖，并用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行驗證，以保證圖斑屬性的解譯準確率達到90%以上； 最后，將分類結(jié)果導入ArcGIS10.2中，進行統(tǒng)計和空間疊置分析(圖1)。

1.3 測度指標

本文采用擴張強度與速度指數(shù)、緊湊度、增長彈性系數(shù)、分維指數(shù)、變異系數(shù)和空間重心轉(zhuǎn)移模型等6項測度指標，探討哈、大、齊城市建設用地擴張時空特征。

1)擴張強度與速度指數(shù)，計算公式為

(1)

(2)

式中：Q和S分別為擴張強度和擴張速度指數(shù)；Ai為i時期城市主城區(qū)建設用地面積；n為時間間隔；An+i為i+n時期的城市建設用地面積。

2)緊湊度，計算公式為

(3)

式中：J為緊湊度指數(shù)；A為城市主城區(qū)建設用地面積；Z為城市主城區(qū)輪廓周長[18]。

3)增長彈性系數(shù)，計算公式為

Ii=[(Pit-Pi0)/Pi0]/[(Yit-Yi0)/Yi0]，

(4)

式中：Ii為i時期的增長彈性系數(shù)；Yit和Yi0分別為某一要素(人口、經(jīng)濟、社會固定資產(chǎn)投資)i時期期末和期初的總量；Pit和Pi0分別代表期末和期初的建設用地總量[10]。

4)分維指數(shù)，計算公式為

Fi=2ln(Zi/4)/ln(Ai),

(5)

式中：Fi為斑塊i城市分維指數(shù)；Ai為斑塊i的面積；Zi為斑塊i的周長。F范圍在1～2之間，F(xiàn)越大表示城市內(nèi)部的填充能力越弱，城市形態(tài)越復雜。當F<1.5時，圖形趨向于簡單； 當F=1.5時，說明圖形處于布朗運動的邊緣，越接近該值穩(wěn)定性越差； 當F>1.5時，圖形更趨向于復雜。以城市形態(tài)為研究對象時，F(xiàn)極限值應在1.71上下[21]。

5)變異系數(shù)，計算公式為

(6)

6)空間重心轉(zhuǎn)移模型，空間重心轉(zhuǎn)移距離為

(7)

空間重心轉(zhuǎn)移角度為

(8)

式中：yi+1和yi為y軸上相鄰兩點；xi+1和xi為x軸上相鄰兩點；xi為i時期地理單元的重心橫坐標；yi為i時期地理單元的重心縱坐標；Di+1為從i到i+1時期地理單元空間重心轉(zhuǎn)移距離；βi+1為從i到i+1時期地理單元空間重心轉(zhuǎn)移方向與正東方向夾角[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市建設用地擴張總體特征

2.1.1 擴張強度與速度

對哈、大、齊城市建設用地信息進行提取與統(tǒng)計分析的結(jié)果表明，2000─2015年間哈、大、齊城市建設用地發(fā)生強烈擴張，2000年建設用地總面積為800.16 km2，2015年增至1 526.41 km2，擴張近1倍； 受2003年振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略及哈大齊工業(yè)走廊項目的實施誘導，2000─2005年間哈、大、齊城市建設用地面積增長量最大，2010─2015年增長量次之，增長量最小時段在2005─2010年(表1)。

表1 城市擴張建設用地擴張強度與速度指數(shù)變化Tab.1 Change of expansion strength and speed index of urban construction land

從城市擴張強度指數(shù)來看，2000─2015年間哈、大、齊工業(yè)城市整體擴張強度指數(shù)呈波動遞減態(tài)勢，由7.01%降至3.88%； 齊齊哈爾和哈爾濱的擴張強度指數(shù)維持在3.50%～5.90%之間，大慶呈現(xiàn)寬幅波動態(tài)勢，擴張強度指數(shù)在3.50%～10.40%之間； 2000─2005年間大慶市擴張強度指數(shù)最大(10.36%)，遠大于齊齊哈爾(5.80%)和哈爾濱(4.61%)； 2005─2010年間哈、大、齊3市的擴張強度基本相同，擴張強度指數(shù)穩(wěn)定在3.50%左右； 2010─2015年間齊齊哈爾和哈爾濱擴張強度保持在4.50%左右，大慶相對較弱，僅為3.04%。

從建設用地擴張速度分析，2000─2015年間哈、大、齊城市建設用地總擴張速度維持在50 km2/a左右，其中齊齊哈爾和哈爾濱分別穩(wěn)定在10 km2/a和15 km2/a左右，大慶擴張速度呈“跳躍”式波動； 2000─2005年間大慶速度最高，高達33.51 km2/a，齊齊哈爾及哈爾濱擴張速度分別為11.21 km2/a及13.06 km2/a； 2005─2010年間大慶市擴張速度驟降到16.50 km2/a，但與齊齊哈爾(9.28 km2/a)和哈爾濱(12.08 km2/a)相比仍較高； 2010─2015年間哈爾濱擴張速度最高(19.03 km2/a)，大慶次之(17.41 km2/a)，齊齊哈爾最低(13.17 km2/a)，且相比前一時段處于加速狀態(tài)。大慶為石油城市，建設用地與石油開發(fā)用地交叉進行，擴張速度高于其他城市； 2010─2015年間哈爾濱由于對平房區(qū)(南)、松北區(qū)(北)大規(guī)模開發(fā)建設，故在該時段擴張速度最大。

2.1.2 擴張形態(tài)

利用緊湊度指數(shù)和分維指數(shù)分析城市建設用地擴張空間形態(tài)。2000─2015年間哈大齊工業(yè)城市緊湊度持續(xù)下降，說明哈、大、齊城市居民主活動區(qū)外擴，建設用地多處擴張； 2000年和2005年大慶市緊湊度最大(分別為0.47和0.28)，說明大慶城市的城區(qū)比較緊湊； 2010年和2015年緊湊度發(fā)生反轉(zhuǎn)，齊齊哈爾趨于緊湊，大慶和哈爾濱相對分散，即齊齊哈爾緊湊度(分別為0.21和0.19)高于大慶(分別為0.18和0.13)及哈爾濱(分別為0.15和0.13)(表2)。

2000─2015年間城市分維指數(shù)不斷上揚，反映出城市發(fā)展趨向不規(guī)則； 2000年各城市的分維指數(shù)均小于1.44，說明城市形態(tài)簡單，趨于穩(wěn)定； 2005年的分維指數(shù)均接近于1.5，處于布朗運動邊緣，穩(wěn)定性差，城市顯露出擴張現(xiàn)象； 2010─2015年間分維指數(shù)均大于1.5，映射出趨于復雜的城市形態(tài)，外擴趨勢明顯，填充能力弱(表2)。

表2 城市擴張緊湊度與分維指數(shù)Tab.2 Compactness and fractal dimension index of urban expansion

2.1.3 時間序列上擴張評價

運用彈性系數(shù)，從人口、經(jīng)濟和固定投資角度剖析建設用地擴張情況(表3)。

表3 2000─2015年間城市擴張增長彈性系數(shù)與變異系數(shù)Tab.3 Elastic coefficient and coefficient of variation of urban expansion during 2000─2015

①Ia為人口增長彈性系數(shù)； ②Ib為經(jīng)濟增長彈性系數(shù)； ③Ic為固定資產(chǎn)投資增長彈性系數(shù)。

2000─2015年間齊齊哈爾Ia最大(28.95)，遠大于大慶和哈爾濱，且三地都大于1，揭示哈、大、齊建設用地相比其人口數(shù)量處于蔓延狀態(tài)，其中齊齊哈爾蔓延最為顯著； 2000─2015年間大慶市Ib和Ic最大(分別為0.38和0.25)，遠大于齊齊哈爾及哈爾濱，表明大慶市相比齊齊哈爾和哈爾濱市，土地利用效益最低； 2000─2015年間哈、大、齊城市用地Ia與Ib之比遠大于2，說明工業(yè)城市過度重視經(jīng)濟產(chǎn)出，而忽視了“人”的發(fā)展；Ib與Ic之比在40左右，映射出東北振興戰(zhàn)略、哈大齊工業(yè)走廊給工業(yè)城市帶來海量資金的投入，但與收益相比，投資效益不高，土地要素投入粗放。

為比較城市時間序列上年均建設用地變化率的變異程度，計算出2000─2015年間城市建設用地年均擴張變化率變異系數(shù)(表3)。大慶市的變異系數(shù)最大(0.74)，齊齊哈爾次之(0.23)，哈爾濱市的最小(0.16)，表明2000─2015年大慶市建設用地年均變化率波動較大，而齊齊哈爾和哈爾濱的建設用地年均變化率近乎穩(wěn)定，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因大慶市石油工業(yè)用地與城市居住用地同時開發(fā)導致，這與擴張強度是吻合的。

2.2 2000─2015年間城市建設用地擴張空間分異

2.2.1 城市空間擴張模式分析

把不同時段建設用地信息與2005年城市主要公路、鐵路進行空間疊置分析(圖2)，探索2000─2015年間哈、大、齊城市的主要空間擴張模式。本文的擴張模式參考周翔等[26]對蘇錫建設用地擴張的分析，因篇幅所限，本文不再贅述。

圖2 哈、大、齊城市建設用地變化Fig.2 Changes of Ha-Da-Qi urban construction land

哈爾濱市2000─2010年間以道里、道外、南崗和香坊4區(qū)為核心，以填充式、邊緣式為主向外擴張，呈圈層結(jié)構； 2010─2015年間以邊緣式、外延式為主向西南、西北2個方向擴張，道路兩側(cè)條帶狀特證明顯[26]。大慶市在2000─2005年間以讓胡路區(qū)、龍鳳區(qū)、薩爾圖區(qū)為核心，以邊緣式為主、填充式為輔向外擴張，城市形態(tài)相對簡單，呈核心-邊緣結(jié)構； 2005─2015年間以外延式、飛地式為主，朝紅崗區(qū)、大同區(qū)擴張，擴張模式趨于多元化，城市邊緣不規(guī)則，呈T型軸帶。齊齊哈爾2000─2015年間以原來的建華、龍沙、鐵峰區(qū)為核心，沿軸帶狀向昂昂溪區(qū)延伸，再朝富拉爾基區(qū)延伸，G111和G302國道對齊齊哈爾城市擴張具有導向作用。

2.2.2 城市空間擴張方向分析

為明確2000─2015年間工業(yè)城市主要的擴張方向，以2000年各個城區(qū)建設用地的重心為圓心，按照北、東北、東、東南、南、西南、西和西北8個方向，將城市主城區(qū)空間分割為8個象限(圖3)，并按象限依次統(tǒng)計各城市不同年份的建設用地面積，生成各個時段城市擴張的雷達圖(圖4)。

(a) 哈爾濱 (b) 大慶 (c) 齊齊哈爾

圖3哈、大、齊城市擴張8象限統(tǒng)計圖

Fig.3StatisticalmapofHa-Da-Qiurbanexpansionineightquadrants

(a) 哈爾濱 (b) 大慶 (c) 齊齊哈爾

圖4城市分時段各象限空間擴張強度對比

Fig.4ComparisonofspatialexpansionintensityofeachquadrantinHa-Da-Qicitiesduringdifferentperiods

結(jié)合圖3與圖4總體來看，哈爾濱市2000─2015年間建設用地擴張明顯方向為北、西北、南3個方向，西和西南方向次之，東、東南和東北方向最弱，呈現(xiàn)出“北躍南拓、東優(yōu)西擴”空間發(fā)展格局； 大慶市2000─2015年間建設用地主要的擴張方向包括北、東、南、西南4個方向，東北、西北、東南方向擴張均勻，西城區(qū)擴張最不顯著，呈現(xiàn)出斜“T”形擴張格局(圖2)； 齊齊哈爾市2000─2015年間建設用地擴張顯著方向為東北、東、南和西南4個方向，西和東南方向擴張穩(wěn)定，西北和北方向擴張最弱，城內(nèi)交通線路對城市擴張影響顯著，表現(xiàn)出一個斜“上”字擴張格局(圖2)。

結(jié)合圖3與圖4分時期剖析來看，哈爾濱市2000─2005年間明顯的擴張為西北和南方向，東北、北、東、西南和西方向均勻擴張，東南方向最弱； 2005─2010年間南─北軸帶擴張最為顯著，西北、西南和西方向擴張次之，東、東南和東北方向擴張微弱； 2010─2015年間主要擴張為北、西、西南、南、東和西北方向，且南北軸帶擴張顯著，東南和東北擴張較弱。2010─2015年間西、南、東南方向強烈擴張，其他方向擴張較弱。大慶市2000─2005年間主要的擴張方向為北、西北、東3個方向，西、西南、東北、東南和南方向均勻擴張； 2005─2010年間以東─東南、西南─北為上、下底，其他擴張方向為斜邊，呈“梯形”狀擴張； 2010─2015年間主要的擴張方向為西南、東北與南，構成“三角形”發(fā)展格局，其他方向擴張不顯著。齊齊哈爾市2000─2005年間顯著的擴張方向為東北、東、南3個方向，東南、北和西南次之，西和西北方向擴張不顯著； 2005─2010年間東北—西南軸帶擴張最為顯著，東、南、北次之，西、西北、東南擴張較弱。

2.2.3 建設用地空間重心轉(zhuǎn)移模擬

2000─2015年間哈、大、齊城市主城區(qū)建設用地均向多個方向擴張，為了更直觀地反映城市建設用地重心遷移過程，把同一時間節(jié)點主城區(qū)的多個斑塊作為一個整體，僅生成一個重心，并在重心轉(zhuǎn)移過程中標注上市政府在重心空間上的相對位置，繪制出市政府與城市用地重心遷移相對位置圖(圖5)。

同時，為了比較各城市重心遷移距離和方向，利用生成的城市重心的經(jīng)緯度坐標，計算出城市建設用地重心變化情況(表4)。

(a) 哈爾濱 (b) 大慶 (c) 齊齊哈爾

圖5 城市建設用地重心遷移路線Fig.5 Shift of gravity center of urban construction land表4 城市建設用地重心變化Tab.4 Changes of gravity center of urban construction land

綜合分析圖5與表4的結(jié)果表明，哈爾濱市在2000─2015年間城市建設用地重心依次向西北—西北—西南移動，移動距離和移動角度分別為1 528.21 m(124.46°)、391.90 m(170.46°)以及415.93 m(233.07°)，其中2000—2010年間城市重心向市政府方向移動，2010—2015年間向市政府方向移動跡象減弱，說明未來哈爾濱市西南(平房區(qū))和西北(松北區(qū))將成為城市擴張的熱點區(qū)。大慶2000─2015年間城市建設用地重心分別朝西南—東南—西南方向移動，逐漸偏離市政府的空間位置，移動距離和移動角度分別為4 527.90 m(239.71°)、465.30 m(352.20°)和3 889.92m(259.92°)，表明未來大慶市西南方向的紅崗區(qū)和大同區(qū)將成為城市擴張的熱點區(qū)。齊齊哈爾市2000─2015年間城市建設用地重心移動軌跡為東北—東北—西南移動，移動距離和移動角度(與正東方向夾角)分別為635.87 m(18.38°)、1 338.37 m(25.91°)和2 016.08 m(243.71°)，2000—2010年間城市重心向靠近市政府的位置移動，2010—2015年間城市重心向偏離市政府的位置移動，說明市政府周圍開發(fā)短期之內(nèi)達到飽和狀態(tài)，未來齊齊哈爾市的西南將成為城市擴張的熱點區(qū)。

3 結(jié)論與建議

1)從擴張強度、擴張速度、緊湊度和分維指數(shù)來看，2000─2015年間哈、大、齊的城市擴張快慢交替，其中大慶市波動最大，齊齊哈爾和哈爾濱市波動相對較?。?2000─2015年間城市緊湊度不斷下降，2000年最緊湊的是大慶市，2015年最緊湊的為齊齊哈爾市； 2000─2010年間城市擴張形態(tài)簡單，城市分維指數(shù)小于1.5； 2010─2015年間各城市存擴張模式趨于多元化，城市邊緣不規(guī)則，形態(tài)復雜。

2)從彈性增長系數(shù)和變異系數(shù)來看，在2000─2015年間城市建設用地快速擴張態(tài)勢中，齊齊哈爾城市用地-人口蔓延最為突出，大慶市次之，哈爾濱市最弱； 2000─2015年間哈、大、齊城市整體投資效益不高，其中大慶市建設用地的土地利用效益最低； 2000─2015年間大慶年均擴張變化率顯示較大波動的跡象，齊齊哈爾和哈爾濱市則相對穩(wěn)定。

3)2000─2015年間哈爾濱市建設用地呈現(xiàn)出“北躍南拓、東優(yōu)西擴”發(fā)展格局； 大慶市則呈現(xiàn)出斜“T”形擴張格局； 齊齊哈爾市呈現(xiàn)出一個斜“上”字擴張態(tài)勢。

4)城市重心向市政府空間位置方向移動，2010年后，這種移動減弱，甚至反向移動。2000─2015年間哈爾濱市重心沿西北—西北—西南移動，西北(松北區(qū))和西南(平房區(qū))將成為城市擴張的熱點區(qū)； 大慶市重心朝西南—東南—西南方向移動，西南方向的紅崗區(qū)和大同區(qū)是城市擴張的熱點區(qū)； 齊齊哈爾市建設用地重心向東北—東北—西南移動，西南方向為擴張的熱點區(qū)。

需要說明的是，雖然本文通過多指標的方法研究了哈、大、齊城市建設用地的擴張?zhí)卣鳎⑷〉昧穗A段性結(jié)論與認識，但隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化不斷推進，各城市擴張受到多種因素共同作用，無論是測度方法還是基礎數(shù)據(jù)仍有很大的挖掘和研究潛力； 城市擴張的測度方法除本文采用的方法外，還有優(yōu)勢度指數(shù)、景觀擴張指數(shù)等方法[27]； 基礎數(shù)據(jù)除Landsat數(shù)據(jù)外，還有城市面板數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)等，可供進一步提高城市邊界的提取精度。因此，僅靠增長彈性系數(shù)和變異系數(shù)對建設用地在時間序列上的擴張進行評價是不夠的，且目前對建設用地空間擴張布局的自相關性還缺少研究，對城市擴張的時空耦合也有待進一步研究。