地理國情普查成果在城市空間格局變化分析中的應(yīng)用

熊長喜，竇小楠

(河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450003)

地理國情是指那些與地理相關(guān)的自然和人文要素的國情，反映了一定時(shí)期內(nèi)地理信息的發(fā)展和變化，如城市擴(kuò)展、地表覆蓋等方面的信息，因而具有明顯的時(shí)間屬性[1]。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，及時(shí)了解和掌握城市空間格局變化信息及其時(shí)空演變規(guī)律，是城市科學(xué)規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展的決策基礎(chǔ)。高分辨遙感影像和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是監(jiān)測城市空間格局變化的最主要技術(shù)手段，自從我國開展地理國情普查與監(jiān)測以來，城市空間格局變化監(jiān)測已成為地理國情監(jiān)測的一個(gè)重要組成部分[2]。張法等采用4個(gè)年份的高分辨率遙感影像，從城市擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度、緊湊度、分維數(shù)等方面對成都市的空間擴(kuò)展進(jìn)行了分析[3]；付治河采用8個(gè)年份的遙感影像，從空間密度、擴(kuò)張數(shù)量、擴(kuò)張速率等方面對鄭汴一體化區(qū)域的城市擴(kuò)展進(jìn)行了監(jiān)測分析[4]；田燕云等通過研究石家莊市5個(gè)歷史時(shí)期地理國情要素的變化來實(shí)現(xiàn)對城市空間擴(kuò)展數(shù)據(jù)精確的定量檢測[5]；黎夏通過多時(shí)段土地利用地理國情數(shù)據(jù)，獲取區(qū)域城市化發(fā)展的時(shí)空動態(tài)特征，為科學(xué)合理地制定區(qū)域城市發(fā)展政策服務(wù)[6]。

上述研究雖然取得了一定的效果，但由于這些方法主要基于建筑物、道路、自然景觀等城市景觀特征從高分辨率影像中提取城市邊界，使得提取結(jié)果難以反映城市的真實(shí)范圍。針對上述存在問題，本文以鄭州市為例，基于地理國情普查與監(jiān)測成果，以提取的交通網(wǎng)絡(luò)、居民地與設(shè)施、地理單元等人文地理要素的類別、位置、范圍作為城市空間格局變化因子，提取出城市建成區(qū)邊界要素，并結(jié)合同時(shí)期的經(jīng)濟(jì)、人口數(shù)據(jù)，從地理空間角度分析研究城市綜合實(shí)力和城市發(fā)展變化情況[7]，以及中心城區(qū)監(jiān)測要素的演變機(jī)理與變化趨勢，實(shí)現(xiàn)城市空間格局?jǐn)U展變化的有效監(jiān)測。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市，國家重要的綜合交通樞紐。近年來，隨著中原城市群和鄭州航空港區(qū)建設(shè)的加快，城市用地?cái)U(kuò)張迅速，空間格局變化十分明顯。本文通過收集鄭州市第一次地理國情普查成果與最新的基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測成果，提取2000、2005、2010、2015、2016年5個(gè)年份的城區(qū)邊界，結(jié)合收集的專題資料對鄭州城市格局變化狀況進(jìn)行分析研究，揭示城市城鎮(zhèn)化發(fā)展歷程、空間結(jié)構(gòu)和布局演變過程，為城市進(jìn)一步發(fā)展與科學(xué)規(guī)劃提供技術(shù)支持。

1.2 源數(shù)據(jù)

使用的源數(shù)據(jù)主要有地理國情普查與監(jiān)測數(shù)據(jù)、高分辨率衛(wèi)星遙感影像及其他資料。地理國情普查與監(jiān)測成果數(shù)據(jù)為鄭州市2015年第一次全國地理國情普查成果和2016年地理國情監(jiān)測成果，以及數(shù)字鄭州地理空間框架建設(shè)成果、1∶10 000基礎(chǔ)地理信息等數(shù)據(jù)成果。選擇2000、2005、2010、2015、2016年5個(gè)年份的航空影像，以及SPOT5、WorldView等衛(wèi)星影像(分辨率優(yōu)于2.5 m)，并以2015年第一次全國地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)核準(zhǔn)影像成果作為參考影像，對其他4個(gè)時(shí)相的影像進(jìn)行正射影像生產(chǎn)，作為城區(qū)邊界和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息提取的源數(shù)據(jù)。

同時(shí)，搜集鄭州市2000、2005、2010、2015、2016年的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市經(jīng)濟(jì)年鑒》《中國人口統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)。

1.3 城市空間格局變化信息提取

依據(jù)先宏觀再精細(xì)的研究思路，按照“行政界線”限定、“城市景觀特征”符合原則[8]，本文基于鄭州市國情普查與監(jiān)測成果，從衛(wèi)星遙感影像中提取2000、2005、2010、2015、2016年間的鄭州市城區(qū)邊界范圍。具體技術(shù)步驟如下：

(1) 將2015年第一次全國地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)核準(zhǔn)影像成果與2010、2005、2000年多期數(shù)字正射影像進(jìn)行空間疊加，從歷史變遷的視角綜合分析鄭州市的整體布局和擴(kuò)展情況。

(2) 將2015年的影像數(shù)據(jù)與第一次地理國情普查成果數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，綜合分析國情成果的人文要素，提取2015年的鄭州市城區(qū)邊界；同理，提取2010年、2005年和2000年的城區(qū)邊界。

(3) 將2016年影像與2016年監(jiān)測成果套合，提取2016年的城區(qū)邊界。

1.4 城市空間格局變化研究策略

利用鄭州市5個(gè)年份城區(qū)邊界數(shù)據(jù)及城市擴(kuò)展存在的時(shí)空差異，采用RS和GIS相結(jié)合方法分析不同形態(tài)類型的城市擴(kuò)展模式，以城區(qū)擴(kuò)展面積、擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度、地均人口、地均GDP、城市用地增長彈性系數(shù)等因子作為城市空間擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)[9]，對鄭州市城區(qū)擴(kuò)展變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究。

2 鄭州市城市空間格局?jǐn)U展變化研究

選取鄭州市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2016年4個(gè)年點(diǎn)的城市空間格局變化量，對城區(qū)面積與擴(kuò)展、城市用地效率、城市空間擴(kuò)展協(xié)調(diào)性、城市空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化4個(gè)方面進(jìn)行分析研究，揭示鄭州市歷年的城市空間格局?jǐn)U展及其變化規(guī)律。

2.1 城區(qū)面積及其擴(kuò)展

城區(qū)面積擴(kuò)展以5年的變化值作為分析單元，城區(qū)擴(kuò)展速度是指某一時(shí)間段內(nèi)城區(qū)面積的年增長速率[10]，而城區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度則是指某一時(shí)間段內(nèi)各城市城區(qū)面積相對于基期城區(qū)的年擴(kuò)展比例，表示單位時(shí)間內(nèi)不同城區(qū)擴(kuò)展快慢的相對(比例)差異。

城區(qū)擴(kuò)展速度的計(jì)算式為

Vi=ΔUij/(Δtj)·100%

(1)

式中，Vi為城市擴(kuò)展速度；ΔUij為j時(shí)段第i個(gè)研究單元城區(qū)擴(kuò)展面積；Δtj為j時(shí)段的時(shí)間跨度。

城區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度計(jì)算式為

Ni=ΔUij/(Δtj·Mi)·100%

(2)

式中，Ni為城市擴(kuò)展強(qiáng)度；ΔUij為j時(shí)段第i個(gè)研究單元城區(qū)擴(kuò)展面積；Δtj為j時(shí)段的時(shí)間跨度；Mi為j時(shí)段初期第i個(gè)單元城區(qū)總面積。

依據(jù)式(1)和式(2)，可計(jì)算鄭州市16年間城區(qū)擴(kuò)展變化情況見表1和表2。

表1 2000—2016年鄭州市城區(qū)面積 km2

由表1和表2可知，鄭州市2000年城區(qū)面積僅為166.77 km2，到2016年擴(kuò)展了122.78 km2達(dá)到289.55 km2，是2000年的1.74倍。其中，2005—2010年擴(kuò)展為67.12 km2，占比54.67%，說明該時(shí)段為城區(qū)面積快速增長期。城區(qū)面積擴(kuò)展速度的兩個(gè)峰值分別是2005—2010年間的13.42 km2/年和2015—2016年間的7.16 km2/年；2000—2010年間擴(kuò)展速度快速，2010—2015年間減緩，2015—2016年少量增加。

表2 2000—2016年鄭州市城區(qū)擴(kuò)展面積占比統(tǒng)計(jì)

2.2 城市用地效率

城市用地效率主要用地均人口B和地均GDP 2個(gè)指標(biāo)衡量，其相應(yīng)計(jì)算式為

(3)

式中，P為城區(qū)人口數(shù)；A為城區(qū)面積；Q為生產(chǎn)總值。從鄭州市統(tǒng)計(jì)年鑒中查找相應(yīng)年份的人口和GDP數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)可得到不同年份的用地效率見表3。

表3 鄭州市2000—2016年地均人口與地均GDP

由表3可以看出，鄭州市地均人口與地均GDP在2000—2016年間變化幅度較小，表明城區(qū)面積擴(kuò)展速度與人口增長速度持平；而2015年的地均人口相比2010年有明顯增加，表明2010—2015年間，城市面積擴(kuò)展低于人口增長速度；地均GDP在2000—2016年間均為增長趨勢，表明GDP的增長大于城區(qū)面積擴(kuò)展速度，城市用地效率在逐步提高。

2.3 城市空間擴(kuò)展的協(xié)調(diào)性

城市用地增長彈性系數(shù)是指一定時(shí)期內(nèi)城市用地增長率與人口增長率之比，是測定城市用地?cái)U(kuò)展程度的指標(biāo)[11]，中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院通過研究認(rèn)為該系數(shù)的最優(yōu)值為1.12，其計(jì)算式為

(4)

式中，K為城市用地增長彈性系數(shù)；PR為城市人口年均增長率；GR為城市用地年均增長率；At、A0表示某個(gè)時(shí)間段末期、初期的城區(qū)面積；Δt表示以年為單位的時(shí)間跨度[12]。

根據(jù)式(4)可計(jì)算出鄭州市5個(gè)時(shí)間段的用地增長率，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒中相應(yīng)時(shí)期的人口數(shù)量，得到各個(gè)監(jiān)測時(shí)段的擴(kuò)展彈性系數(shù)見表4。

表4 2000—2016年鄭州市城市用地增長彈性系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，2000—2016年間，鄭州市城市用地增長彈性系數(shù)為1.12，表明城市擴(kuò)展速度與人口增長速度之間在17年間基本一致，但僅在2005—2010年間用地增長彈性系數(shù)從0.48猛增至2.57(增加近5.35倍)，人口增長速度遠(yuǎn)低于城市擴(kuò)展速度，表明土地開發(fā)模式在城市發(fā)展中占據(jù)重要位置。

2.4 城市空間形態(tài)結(jié)構(gòu)及變化

2.4.1 城市空間擴(kuò)展類型演變

凸殼為城市區(qū)域或城市潛在的控制區(qū)域，利用凸殼原理可以識別城市用地空間擴(kuò)展類型，即填充類型和外延類型[13]。本文根據(jù)鄭州市2000年城區(qū)呈多邊形狀的邊界，計(jì)算生成該多邊形所有頂點(diǎn)的最小凸多邊形(凸殼)，即為鄭州市潛在的初始控制范圍；然后將該凸殼面與2016年鄭州市城區(qū)邊界疊加，2個(gè)面相交的部分即為填充面積，超出凸殼面的部分即為外延擴(kuò)展面積，如圖1所示。

圖1 鄭州城區(qū)擴(kuò)展類型

由圖1可以看出，鄭州市主城區(qū)為外延擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)域主要位于北部的惠濟(jì)區(qū)、東部的鄭東新區(qū)、南部的南三環(huán)區(qū)及西部的高新區(qū)；南部屬于蔓延式外延擴(kuò)展，其他3個(gè)方向均表現(xiàn)為跳躍式的外延方式。

2.4.2 城市空間形態(tài)演變

城市空間形態(tài)的演化是城市空間布局和機(jī)構(gòu)變化的綜合反映，據(jù)此可以分析城市的生長過程，揭示城區(qū)的擴(kuò)展規(guī)律[14]。本文以鄭州市2000—2016年4個(gè)階段的城市緊湊度指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)(見表5)，對各監(jiān)測時(shí)期城區(qū)的形態(tài)進(jìn)行分析，揭示鄭州市空間形態(tài)的演變規(guī)律。

表5 2000—2016年鄭州市城區(qū)緊湊度分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表5可知，鄭州市主城區(qū)各監(jiān)測年城市空間緊湊度最大值為2000年的0.36，最小值為2005年的0.3，城市空間整體離散程度較小。從2000年起鄭城區(qū)的城市緊湊度指數(shù)總體呈現(xiàn)先減后增的趨勢，2005年達(dá)到最小值，表明城市空間發(fā)展在2000—2005年間較為離散；從2005—2016年緊湊度逐漸增長，城市空間變得越來越緊湊。

2.5 鄭州市空間擴(kuò)展趨勢預(yù)測

綜上所述，鄭州市2000—2016年間城區(qū)空間擴(kuò)展主要集中在東、東南、西和西北方向，隨著航空港區(qū)的快速發(fā)展、中牟產(chǎn)業(yè)片區(qū)的高速推進(jìn)及鄭州市政府西遷帶動的向西發(fā)展，鄭州市未來會形成東西兩翼的發(fā)展趨勢，最終西與洛陽相連、東與開封貼近，形成鄭—汴—洛東西軸線格局，實(shí)現(xiàn)人口聚集與一體化區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的態(tài)勢，從而成為中原城市群的“龍頭”。

3 結(jié) 語

本文基于地理國情普查與監(jiān)測成果對鄭州市2000—2016年城市空間格局變化進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：①經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城區(qū)擴(kuò)展的主要驅(qū)動力[15]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶來固定資產(chǎn)投資投入增加，促使城市用地規(guī)模與擴(kuò)張速度的加快。②城市人口的增長和空間遷移是城市空間擴(kuò)展的又一重要驅(qū)動力[16]。③政府的政策引導(dǎo)是城市擴(kuò)展的最重要的推動力。