濟南市城市空間擴展動態(tài)監(jiān)測研究

尚媛

(山東省國土測繪院，山東濟南250102)

0 引言

城市是“城”與“市”的組合，是非農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和非農(nóng)業(yè)人口集聚形成的較大居民點，其占據(jù)著一定的地表空間，形成了一定的用地輪廓形態(tài)，即為城市空間形態(tài)[1]。城市空間形態(tài)是指城市發(fā)展變化過程中城市空間在外部形狀、緊湊度和破碎性等方面所表現(xiàn)出的特征[2]，是城市自身動態(tài)發(fā)展與其所處的地域與自然人文環(huán)境、城市功能結(jié)構(gòu)、空間規(guī)劃管理等共同作用的結(jié)果[3-4]。城市空間擴展是城市中心的經(jīng)濟、社會、政治和文化等人文因素和土地利用、地貌形態(tài)等自然因素在地域上的向外推進與擴散[5]。城市空間擴展動態(tài)變化也是城市當(dāng)前各領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點問題[6-7]。目前，國內(nèi)學(xué)者開展了大量全球化、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、低碳城市、智慧城市、宜居城市、生態(tài)保護等背景下的新城市空間形態(tài)研究，提出城市形態(tài)信息圖譜和新城—協(xié)作式、擴展—回波式等城市空間形態(tài)模式，同時也關(guān)注城市空間破碎化、城市形態(tài)趨同化、城市形態(tài)的歷史文化和精神內(nèi)涵的表面化和淺薄化等城市形態(tài)發(fā)展過程中出現(xiàn)的新問題[8]。利用穩(wěn)定、高效、嚴(yán)密的監(jiān)測指標(biāo)持續(xù)監(jiān)測城市空間擴展情況，可以為構(gòu)建科學(xué)合理的城市化格局、生態(tài)安全格局和實現(xiàn)緊湊集約、高效綠色發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

濟南市位于山東省中西部，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南山地丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。濟南是山東省的政治、文化、教育中心，近年來發(fā)展迅速，城市空間不斷擴張。為了把握濟南市城市空間格局的結(jié)構(gòu)性特征和發(fā)展模式，選取市中區(qū)、歷下區(qū)、天橋區(qū)、槐蔭區(qū)、歷城區(qū)、長清區(qū)、章丘區(qū)7個市轄區(qū)作為監(jiān)測對象，利用多光譜遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合專題資料和多源數(shù)據(jù)對濟南市城市空間擴展變化進行高精度、動態(tài)監(jiān)測分析，研究結(jié)果對于把握城市土地利用變化情況、可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)與布局、了解城市空間格局的演變有著十分重要的意義[9]，能夠為濟南市城區(qū)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、國土資源節(jié)約集約利用等提供客觀的監(jiān)測信息和有力的技術(shù)保障[10]。

1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

城市空間擴展動態(tài)主要利用2000、2005、2010、2015和2017年共5期的遙感影像數(shù)據(jù)來確定。其中，2000年使用 SPOT衛(wèi)星影像，全色分辨率為10 m，多光譜分辨率為20 m；2005年使用DMC數(shù)碼影像，全色分辨率2.5 m；2010年使用ALOS衛(wèi)星影像，全色分辨率2.5 m，多光譜分辨率為10 m；2015年使用天繪、資源一號、資源三號、高分一號等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，影像分辨率為全色2 m，多光譜為10 m；2017年使用0.5 m分辨率的航空遙感影像。

為了進行城市邊界提取及動態(tài)分析，使用了研究區(qū)域1∶10 000的“十一五”和“十二五”基礎(chǔ)測繪DLG數(shù)據(jù)、2015年地理國情普查數(shù)據(jù)、2017年基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用了中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2000、2005、2010和2015年中國1∶10萬比例尺的土地利用數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影像類型多樣，經(jīng)過像素工廠、PixelGrid等影像自動化處理系統(tǒng)進行糾正、融合、勻色、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理后用于濟南市城區(qū)邊界的提取[11]。

城區(qū)邊界指行政界線內(nèi)以一個或多個中心城區(qū)為基礎(chǔ)，在城鄉(xiāng)結(jié)合部通過邊緣擴展、軸線擴展或多中心擴展等擴展模式發(fā)展起來的，符合城市功能、具有城市景觀特征的集中連片的區(qū)域[12]。城區(qū)范圍包括街道辦事處所轄地域，城市公共設(shè)施、居住設(shè)施和市政公用設(shè)施等連接到的其他鎮(zhèn)(鄉(xiāng))地域，面積＞600 000 m2的獨立的工礦區(qū)、開發(fā)區(qū)、科研單位、大專院校、大型社區(qū)等特殊區(qū)域。城區(qū)的界線為城區(qū)邊界。

依據(jù)歷年遙感影像資料解譯提取濟南市2000、2005、2010、2015和 2017年 5期的城區(qū)邊界[13-14]。采集城區(qū)邊界時沿城區(qū)邊緣邊界較明顯的地物(如院落、圍墻、道路、河流等)實際走向勾繪，地塊邊界不明顯或整個地塊未建成面積比例較大，則沿實際地物邊界勾繪。

2 城市空間擴展動態(tài)監(jiān)測研究方法

2.1 城市擴展速度與強度

城市擴展強度是指在各個監(jiān)測時期城市空間擴展的強弱和快慢。城市擴展速度表示在各個監(jiān)測時期內(nèi)城市空間擴展面積的年增長速率，表征各監(jiān)測時期城市空間擴展的總體規(guī)模和趨勢。計算公式分別為

式中:Ni為城市擴展強度指數(shù)；Vi為城市擴展速度指數(shù)；ΔUij為j時段第i個研究單元城區(qū)擴展面積，km2；Δtj為j時段的時間跨度；Ai為第i個單元城區(qū)總面積，km2。

2.2 城市擴展空間方位

利用象限分位分析法，以2000年濟南市城市主城區(qū)輪廓質(zhì)心為中心，以最小外接圓為半徑，將城區(qū)劃分為面積相等的8個扇形區(qū)，進行分區(qū)統(tǒng)計，比較分析不同空間方位的城市空間擴展差異，得到濟南市城市擴張空間分異特性，從總體上勾畫出城市建設(shè)用地擴展的空間形態(tài)，并分析得出主要擴展方位。

2.3 城市擴展空間形態(tài)

(1)分形維數(shù)

分形維數(shù)是利用面積和周長來衡量的，主要用來研究城市空間形態(tài)與空間，計算公式為

式中:St為t時期城市擴展分形維數(shù)；At為t時期城市斑塊的面積，km2；Pt為t時期城市斑塊的周長，km。分形維數(shù)的理論范圍在1～2之間，其值越大表示城區(qū)邊界形狀越復(fù)雜。當(dāng)分形維數(shù)＜1.5時，說明圖形趨向于簡單；當(dāng)分形維數(shù)＞1.5時，圖形相對復(fù)雜；當(dāng)分形維數(shù)為接近1.5時，城區(qū)邊界的穩(wěn)定性越差。

(2)緊湊度

城市形態(tài)的緊湊度隨著城市的周期性擴展而發(fā)生變化，是城區(qū)中心板塊群與城區(qū)中心斑塊群最小外接圓的面積的比值進行計算的，計算公式為

式中:C為城市空間擴展的緊湊度；R為城區(qū)中心斑塊群面積，km2；G為城區(qū)中心斑塊群最小外接圓的面積，km2。緊湊度在0～1之間時，其值越大，緊湊度越接近1，形狀接近于圓形，其緊湊度越好；反之，形狀緊湊度越差。

(3)城市空間擴展類型

利用凸殼原理識別城市用地空間擴展類型，以各監(jiān)測時段基期年凸殼為基準(zhǔn)，疊加分析各監(jiān)測時段的城市空間擴展用地范圍，明確區(qū)分城市擴展用地為凸殼內(nèi)用地和凸殼外用地，即填充類型和外延類型。

2.4 城市擴展占用土地類型

將城區(qū)邊界及各階段的擴展區(qū)域與土地利用數(shù)據(jù)套合，采用疊置分析方法獲得各監(jiān)測時期城市空間擴展的各類土地類型的面積，并計算其百分比。

3 城市空間擴展動態(tài)監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 擴展速度與強度分析

4個研究時段的城區(qū)擴展情況研究結(jié)果見表1。2000至 2017年間，濟南市城區(qū)擴展面積約為222.27 km2，濟南市城區(qū)空間規(guī)模擴展至監(jiān)測初期的2倍，平均擴展速度為13.07 km2/a。濟南市城市空間擴展速度和擴展強度均呈“快—慢”交替、整體趨緩的態(tài)勢，2000至2005年均擴展速度和年均擴展強度最快，2005至2010年均擴展速度和擴展強度減緩，2010至2015年均擴展速度和擴展強度增快，2015至2017年均擴展速度和擴展強度最緩慢，且此監(jiān)測段年均擴展強度僅約為2000至2005年監(jiān)測段的28.5%。

表1 濟南市城區(qū)擴展情況研究結(jié)果表

3.2 擴展方位分析

2000至2017年間濟南市城區(qū)擴展分布圖如圖1所示。2000至2017年間濟南市城區(qū)向東擴展約為127 km2，東北方向擴展約為24 km2，西方向擴展約為19 km2，西南方向擴展約為26 km2，西北方向擴展約為12 km2，且在5個監(jiān)測時段，城區(qū)向東擴展面積均大于向西擴展面積。

圖1 2000—2017年濟南市城區(qū)擴展分布圖/km2

濟南市城區(qū)擴展方位主要沿東西方向發(fā)展，以向東發(fā)展為主，與濟南市“東拓、西進、南控、北跨、中優(yōu)”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略相符合。城市空間擴展受自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟因素影響較大[15]，其中城區(qū)人口的增長、經(jīng)濟發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資等是影響城區(qū)空間擴張的方向主要社會經(jīng)濟因素，城市的地形、地貌等條件是影響城市城市空間擴展的主要自然因素[16]。濟南市城區(qū)北臨黃河，中部山前平原帶，南部為魯中南山地丘陵區(qū)，一定程度上抑制了濟南市在山地方向的城市空間擴展情況。

3.3 擴展空間形態(tài)分析

3.3.1 分形維數(shù)及緊湊度

濟南市城區(qū)的分形維數(shù)如圖2所示。分形維數(shù)值在這5個監(jiān)測時相均＞1.5，城區(qū)邊界圖形復(fù)雜。監(jiān)測時間段中分形維數(shù)呈現(xiàn)增長變化，2000至2005年分形維數(shù)增大，城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度變大，此監(jiān)測期內(nèi)濟南市城區(qū)面積的增加是以外部擴展為主；2005至2017年，分形維數(shù)變化較小，城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度基本不變。

圖2 濟南市城區(qū)5個時段的分形維數(shù)圖

濟南市城區(qū)的緊湊度如圖3所示。濟南市城區(qū)的緊湊度在5個研究時＜1，2000年緊湊度指數(shù)相對于其他年份數(shù)值略大，2000至2017年緊湊度先降低再增大，整體呈現(xiàn)降低的趨勢，說明濟南市從迅速發(fā)展的階段逐漸內(nèi)部填充、改造發(fā)展階段。

3.3.2 擴展類型

圖3 濟南市城區(qū)5個時段的緊湊度圖

采用凸殼原理計算濟南市城區(qū)空間擴展情況，因濟南市行政區(qū)劃分布比較分散，將城區(qū)斑塊按空間布局分組后計算，得出濟南市擴展面積和外延面積，并對其擴展類型進行分類。濟南市城區(qū)空間擴展類型見表2，濟南市城區(qū)2000至2005年主要以外部擴展為主，2005至2017年以內(nèi)部填充為主。城市空間擴展用地逐漸以填充為主，不但減少了見縫插針式、沿邊沿路蔓延式的城市擴展方式，促進了城市的緊湊式發(fā)展，還提高了城市土地利用效率，縮短了城市內(nèi)各部分之間的聯(lián)系距離。

表2 濟南市城區(qū)空間擴展類型演變表

3.4 擴展占用土地類型

濟南市城區(qū)擴展占用的土地類型見表3?？梢钥闯霰O(jiān)測時段內(nèi)濟南市城區(qū)空間擴展土地類型以耕地為主。2000至2005年耕地的比例最高，隨著城市發(fā)展，耕地比例逐漸減少，由最高74.25%減少至49.59%，而建筑用地的比例逐漸增高，由最低16.33%增加至38.79%。與緊湊度、分形維數(shù)和擴展類型對應(yīng)分析，城區(qū)擴展模式由外部擴展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部填充。

表3 濟南市城區(qū)擴展占用土地類型統(tǒng)計表/%

4 結(jié)論

利用2000、2005、2010、2015 和 2017 年 5 個時相的遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等專題資料，對濟南市城區(qū)的擴展面積、擴展速度、擴展方位、擴展形態(tài)、擴展占用土地利用類型等進行了分析，得到以下結(jié)論:

(1)2000至2017年間，濟南市城區(qū)主要向東、西兩翼拓展。濟南市城區(qū)擴展面積約為222.27 km2，平均擴展速度為13.07 km2/a，年均擴展速度和擴展強度均呈“快—慢”交替、整體趨緩的態(tài)勢。

(2)濟南市城區(qū)在5個監(jiān)測時相的分形維數(shù)值均＞1.5，城區(qū)邊界圖形復(fù)雜；緊湊度指數(shù)均＜1，形狀緊湊度較差。2000至2017年擴展類型由外延逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樘畛?，城市發(fā)展由低密度的蔓延逐步向集約節(jié)約利用轉(zhuǎn)換。

(3)2000至2017年，濟南市新增城區(qū)的土地來源主要為耕地，其次為建設(shè)用地，且耕地占比逐年減少，建設(shè)用地占比增高。濟南市城區(qū)的城市空間擴展土地利用變化以單一的“耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地”為主轉(zhuǎn)向復(fù)合型的“耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地”和對建設(shè)用地的再利用。