成都市1988～2018年間主城區(qū)城市擴展時空特征分析

王鴻州,先 敏,蔡田杰,劉志紅

(成都信息工程大學(xué)，成都 610000)

引 言

城市是因人口聚集作用而形成的一個綜合體，會隨著社會生產(chǎn)力的提高而不斷向四周擴大發(fā)展[1-2]。當(dāng)前，城市化進程正在全球范圍內(nèi)以前所未有的速度進行。改革開放以來，得益于經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的城市化進程也駛上了“快車道”，城市化水平已經(jīng)從改革開放初期1978 年的17.9%上升到2018年的59.58%[3]；城市的國內(nèi)生產(chǎn)總值占到總量的60%以上[4],對城市擴展研究一直都是城市研究的主要領(lǐng)域，人們試圖藉此分析、揭示城市用地形成和演化的內(nèi)在和外在驅(qū)動機制，以及城市擴展帶來的影響。

從80年代后期開始，我國就進行了大量的城市擴展研究，其中包括城市形態(tài)分類、演變階段、城市擴展方式和速率、城市擴展的主要影響因素，城市擴展預(yù)測和模擬等[5-6]。在我國的城市擴展研究中，全國大尺度的城市擴展研究以東、西部城市擴展對比研究為主[7-8]，中等區(qū)域尺度的研究集中在長三角、珠三角和京津翼等城市集群[9]，單個城市擴展研究也主要選擇上海、北京、杭州、等大型城市[10]；在研究手段和數(shù)據(jù)獲取上，也越來越多地利用RS與GIS 相結(jié)合的方式: GIS技術(shù)提供了強大的空間分析能力、長時序的遙感數(shù)據(jù)為城市擴展監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)保障[11]。

現(xiàn)有城市擴展研究對西南地區(qū)城市的關(guān)注并不充分。成都是四川省省會，是四川省政治、經(jīng)濟、文化中心[12]，對它的城市擴展研究鮮有報道?；诖耍疚倪x擇以成都市主城區(qū)為研究對象，選取1988～2018年的Landsat遙感影像作為主要的數(shù)據(jù)源，以遙感解譯為主要的獲取信息的手段，以GIS空間分析方法定量分析成都市近20年間的城市擴展情況，結(jié)合成都市的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和城市規(guī)劃政策，分析了該區(qū)域城市擴展的驅(qū)動力因素。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

成都位于四川盆地西部，成都平原腹地，地勢平坦、河網(wǎng)縱橫、物產(chǎn)豐富、農(nóng)業(yè)發(fā)達，境內(nèi)有平原、丘陵、山地等多種地貌,東有龍泉山,西含南北方向的龍門山脈,南為總崗山、邛崍山,北則是廣闊的沖積平原,主城區(qū)平均海拔約500m，氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)。

成都經(jīng)緯度范圍在東經(jīng)102°54′～104°53′，北緯30°05′～31°26′之間。東西橫距192km，南北縱距166km，成都市現(xiàn)轄成華區(qū)、武侯區(qū)、青羊區(qū)、錦江區(qū)、金牛區(qū)、龍泉驛區(qū)、青白江區(qū)、新都區(qū)、溫江區(qū)、雙流縣、郫都區(qū)、大邑縣、金堂縣、蒲江縣、新津縣,代管都江堰市、彭州市、崇州市、鄧峽市,全市土地面積14 335km2。本文選取的研究區(qū)域為成都市主城區(qū)，位于成都平原東部,包括武侯區(qū)、青羊區(qū)、金牛區(qū)、成華區(qū)、龍泉驛區(qū)、溫江區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)、雙流區(qū)、郫都區(qū),總面積3 630.53km2,詳見圖1、圖2。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Survey of Research Areas

圖2 研究區(qū)三維景觀圖Fig.2 Three-dimensional Landscape Map of the Research Area

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

用于城市擴展研究的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)有多種，如Landsat, SPOT, QuickBird, IKONOS, Lidar等。為滿足城市擴展的研究對數(shù)據(jù)源的時間序列的要求，又考慮到本文研究對影像分辨率等方面因素的要求，本文遙感分類提取土地利用類型的數(shù)據(jù)源采用從USGS地球資源觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(https://www.usgs.gov/)獲取的7個不同時相的Landsat TM/OLI遙感影像。詳見表1。

影像的年份間隔分別為 4年、8年、4年、5年、4年、5年，從城市擴展研究的角度，7個時相的影像所包含的信息分別代表了1988～2018年成都市主城區(qū)城市擴展過程中的狀態(tài)，影像很具有代表性，滿足本文城市擴展變化研究的要求。

表1 所用遙感數(shù)據(jù)時間序列Tab.1 Time Series of Remote Sensing Data Used

1.2.2 專題數(shù)據(jù)

本文采用的專題數(shù)據(jù)包括:

(1)成都市1∶100萬縣級行政區(qū)劃矢量圖。

(2)成都市1∶50 000地形圖。

(3)2010年GlobeLand30地表覆蓋數(shù)據(jù)。

1.2.3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)

為了分析成都市1988～2018年30年間城市擴展動態(tài)演化過程及其驅(qū)動力因素，本文的研究過程中不僅用到了上述7個時相的遙感影像數(shù)據(jù)和作為輔助的專題數(shù)據(jù)，還結(jié)合使用這期間成都市的經(jīng)濟、政策等方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為參考，這方面的數(shù)據(jù)也主要是來源于相關(guān)的政府統(tǒng)計信息網(wǎng)站的統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 城市建設(shè)用地的遙感解譯方法

城市建設(shè)用地是一種復(fù)雜的土地利用類型，其電磁波譜與其他地物有許多相似的地方。因此，很難用簡便的方法將其從遙感影像中準確地提取出來。城市建設(shè)用地的提取通常采用手工方式和監(jiān)督分類自動提取，前者自動化程度低，后者如果不做后續(xù)處理，精度無法滿足要求。

自歸一化建筑指數(shù)NDBI[13]提出以來，使用指數(shù)法來進行建設(shè)用地的相關(guān)研究越來越多[14], 其中徐涵秋提出了一種新型的建筑指數(shù)IBI[15],其表達式見式(1)。

(1)

式中: SAVI為土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)[16]；MNDWI為改進水體指數(shù)[17]；NDBI為建筑指數(shù)[12]。

由于IBI是由3個指數(shù)波段構(gòu)造的，且3個指數(shù)代表的3種主要的地類(水體；植被；建筑)之間都為負相關(guān)，故而能很好的將建設(shè)用地與其他地物區(qū)分開來，且該指數(shù)經(jīng)過歸一化處理，所以使用IBI指數(shù)來提取城市建設(shè)用地能有較高的精度，滿足本文的研究需要[18]。

2.2 城市建設(shè)用地時空擴展分析方法

城市建設(shè)用地的時空擴展是指在一定的時間間隔內(nèi)，城市建設(shè)用地發(fā)生變化的面積、位置、形態(tài)、擴展方向等信息。利用遙感影像提取出不同時期的城市建設(shè)用地后，可以進行時空擴展分析，得到城市建設(shè)用地擴張布局和趨勢信息。本文將從擴展速率與強度、擴展形態(tài)和擴展各方向差異3 個方面來進行具體分析[11]。

2.2.1 擴展速率與強度：城市建設(shè)用地時空擴展的數(shù)量分析重要指標(biāo)為擴展速率和擴展強度，具體公式見式(2)、式(3)。

V=(△Sij)/(△Tij)

(2)

M=△Sij×100/A/△Tij

(3)

式中：△Sij為i到j(luò)時間間隔內(nèi)建設(shè)用地面積的變化量；△Tij為i到j(luò)的時間間隔；A為研究區(qū)總面積。

擴展強度指數(shù)的實質(zhì)是用研究區(qū)的面積對其年均擴展速率進行標(biāo)準化處理，使其具有可比性，根據(jù)其值的大小可將城市擴展模式分為高速擴展(>1)、快速擴展(>0.7)、中速擴展(>0.5)、低速擴展(>0.2)、或者緩慢擴展(>0)。

2.2.2 擴展形態(tài)：本文主要利用質(zhì)心指數(shù)、緊湊度指數(shù)、形狀分維數(shù)方面進行擴展形態(tài)分析。

質(zhì)心指數(shù)是描述城市空間分布的一個重要指標(biāo)，質(zhì)心遷移過程反映了城市建設(shè)用地的時空演變過程與規(guī)律。表達式見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：Xti、Yti為t時刻第i個地塊的質(zhì)心坐標(biāo)；Sti為t時刻第i個地塊的面積

緊湊度指數(shù)是通過計算城市中心與周長的關(guān)系，用以反映城市空間是否緊湊；值越高，土地利用率越高，公共設(shè)施設(shè)置相對集聚，反之城市功能區(qū)越分散。表達式見式(6)。

(6)

式中：Si為i時刻研究區(qū)域建設(shè)用地面積；Ci為i時刻研究區(qū)域建設(shè)用地周長。

形狀分維數(shù)用以反映城市邊界形狀的曲折性和復(fù)雜性；在城市面積不斷增加的情況下，分維數(shù)增大，說明在該時期城市以外部擴展為主；若減小，則說明城市面積的增加是以內(nèi)部填充為主。如果分維數(shù)基本不變，則說明城市進入相對穩(wěn)定發(fā)展階段。表達式見式(7)。

D=2ln(Ci/4)ln(Si)

(7)

式中：Si為i時刻研究區(qū)域建設(shè)用地面積；Ci為i時刻研究區(qū)域建設(shè)用地周長。

2.2.3 擴展各方向差異：描述城市空間擴展方向的各異性是以城市中心為原點，選取適當(dāng)?shù)陌霃綄⒀芯繀^(qū)分為若干個方向，利用Arc GIS的疊加分析功能與研究區(qū)各時期的圖層進行相交，通過各個時期城市建設(shè)用地在各方向上的擴展面積及擴展強度定量分析各個時期城市建成區(qū)形態(tài)擴展在各個方向的空間差異性。這種方法能夠從總體勾畫出城市擴展的空間形態(tài)，具有直觀簡單的優(yōu)點。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市建設(shè)用地的遙感解譯

本文在Envi軟件支持下，進行圖像預(yù)處理：①利用GCP(地面控制點)進行幾何校正。②采用黑暗像元法對圖像進行輻射定標(biāo)與大氣校正。③使用行政區(qū)劃矢量圖對圖像進行裁剪。并利用預(yù)處理后的圖像計算IBI指數(shù)，使用最鄰近法重采樣，再進行二值處理、矢量化后由此得到成都市主城區(qū)完整的城市建設(shè)用地分布圖，見圖3。

將得到的2009年成都市城市建設(shè)用地結(jié)果與準同時期的2010年 GlobeLand30 30m分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)進行對比，解譯精度達80%以上；

又根據(jù)成都市統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對解譯的數(shù)據(jù)進行一個比對(1988、2004、2009年統(tǒng)計年鑒無建設(shè)用地數(shù)據(jù))，詳見表2；遙感解譯的數(shù)據(jù)總體偏高可能是由于提取建設(shè)用地的包含一小部分的村莊，其總體精度達92.61%，滿足研究需要。

圖3 1988～2018年成都市中心建設(shè)用地遙感解譯結(jié)果Fig.3 Result of Remote Sensing Interpretation of Construction Land in Chengdu City Center from 1988 to 2018

表2 城市建設(shè)用地遙感解譯精度評價Tab.2 Accuracy Evaluation of Remote Sensing Interpretation of Urban Construction Land

3.2 城市建設(shè)用地擴展速率與強度

城市建設(shè)用地擴展最直觀的變化就是面積的增長。計算成都市中心建設(shè)用地擴展面積、擴展速率、年平均面積增長率和擴展強度見表3。

總的來說，1988～2018年成都市中心建設(shè)用地面積在數(shù)量上呈逐年上升趨勢。市中心建設(shè)用地面積增長了918.86km2，面積增長率1 074.56%，平均每年擴展30.63km2，總擴展強度指數(shù)為0.84。

成都市中心的面積增長率、擴展速率和擴展強度指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢，說明成都市中心建設(shè)用地的擴展由高速擴展向快速擴展轉(zhuǎn)變后再次進入高速速擴展階段。

表3 1988～2018年成都市中心建設(shè)用地擴展變化量Tab.3 Expansion of construction land in central Chengdu from 1988 to 2018

3.3 城市建設(shè)用地擴展形態(tài)

3.3.1 質(zhì)心指數(shù)

通過跟蹤不同時期城市空間質(zhì)心的移動，能夠得到城市建設(shè)用地時空擴展的演變過程。

在ArcGIS平臺下，根據(jù)質(zhì)心指數(shù)公式計算出各個時間節(jié)點的質(zhì)心位置見圖4。圖5顯示了1988～2018 年市中心質(zhì)心的移動過程，各個時期的移動方向為：西、西北、西南、東南、南，距離分別為0.37、1.27、0.93、0.28、1.50、0.32km，總遷移距離為4.67km。

圖5 各時期成都市中心建設(shè)用地質(zhì)心移動情況Fig.5 Centroid movement of construciton land in Chengdu city

3.3.2 緊湊度指數(shù)BCI

由圖6(a)可知，1988～2018年隨著建設(shè)用地的擴展，市中心緊湊度指數(shù)逐漸降低，基本維持在1.02～1.04。

3.3.3 形狀分維數(shù)

根據(jù)圖6(b)，1988～2018 年形狀分維數(shù)呈逐年增大的趨勢。

圖6 各時期成都市中心擴展形態(tài)指數(shù)Fig.6 The expansion form index of Chengdu city center in different periods

3.4 擴展各向差異性

描述城市空間擴展方向的各向差異性是以城市市中心為原點，選取適當(dāng)?shù)陌霃綄⒀芯繀^(qū)分為若干個方向，利用ArcGIS的疊加分析功能與研究區(qū)各時期的圖層進行相交，通過各個時期城市建設(shè)用地在各方向上的擴展面積及擴展速率定量分析各個時期城市建成區(qū)形態(tài)擴展在各個方向的差異性。這種方法能夠從總體勾畫出城市擴展的空間形態(tài)，具有直觀簡單的優(yōu)點。

以研究的7個年份中建設(shè)用地質(zhì)心坐標(biāo)的均值為中心，將成都市中心建設(shè)用地等分為8個方向，并計算出各年份在各方向的面積值，結(jié)果見表5，根據(jù)擴展速率的計算公式計算并繪制各時間段成都市城區(qū)各方向的空間擴展速率，見圖7。

表5 成都市中心建設(shè)用地在8個方向的面積Tab.5 Area of Construction Land in the Center of Chengdu in 8 Directions (km2)

圖7 各時間段成都市中心各方位空間擴展速率圖Fig.7 Spatial Expansion Rate Map of All Directions in the Center of Chengdu in Each Time Period

3.5 城市擴展的驅(qū)動力分析

3.5.1 從擴展速率和擴展強度來看，和我國大部分城市發(fā)展相似，成都市城市建設(shè)用地在研究期間亦呈外延擴態(tài)勢。根據(jù)研究結(jié)果，1988～1992年還是是改革開放初期，現(xiàn)代化，城市化主要發(fā)生在擁有經(jīng)濟特區(qū)的沿海省份，成都地處內(nèi)陸，所以表現(xiàn)出緩慢擴展模式；1992～2004年期間，由1992年鄧小平南方談話為契機，中國共產(chǎn)黨第十四次全國代表大會確立了社會主義市場經(jīng)濟體制改革目標(biāo)，且在2000年國務(wù)院通過了“西部大開發(fā)”政策，由此成都市開始了快速城市化的進程，建設(shè)用地的擴展速率有大幅提高；之后的2004～2009年，由于2008年經(jīng)濟危機爆發(fā)以及地震的影響，城市擴展有所放緩，但仍在快速擴展，2009年之后隨著內(nèi)陸經(jīng)濟的發(fā)展、城市的轉(zhuǎn)型、新一輪政策的刺激下，成都市中心的擴展速率與強度又出現(xiàn)增加趨勢。

3.5.2 從質(zhì)心的遷移規(guī)律來看，質(zhì)心的移動城市空間發(fā)展戰(zhàn)略基本吻合，即由于1988～2000年間溫江專區(qū)并入成都市，并提出積極發(fā)展小城鎮(zhèn)，城市向西擴展；2000年后，在成都市第三版城市規(guī)劃等決策影響下，城市郊區(qū)衛(wèi)星城區(qū)擴展迅速,并迅速與主城區(qū)連接在一起。

3.5.3 從擴展各向差異性來看，由于地質(zhì)條件的限制，成都市城市擴張并非單純的圈層式擴展，而是具有比較典型方向性，擴展方向為質(zhì)條件較好的東北及西南方向。1988～2000年市中心建設(shè)用地擴展速率較慢，最大方位為西方向；2000～2004 年市中心建設(shè)用地的擴展速率除了東部較小外，基本上呈現(xiàn)“攤大餅”式擴展；2004～2009 年城區(qū)擴展速率不高，東部和北部的擴展速率基本為0，主要是向西北擴展；2009～2013年市中心建設(shè)用地主要向南部及西南，也就是天府新區(qū)與雙流區(qū)擴展；2013～2018年間由于雙流區(qū)經(jīng)過之前的發(fā)展已基本和主城區(qū)連成一片，建設(shè)用地趨于飽和，所以西南方向擴展速率較低，以內(nèi)部填充為主。

4 結(jié) 論

本文以遙感和GIS為手段，在ENVI軟件支持下采用基于譜間特征和歸一化指數(shù)分析的城市建設(shè)用地的提取方法多時相解譯了成都市中心的建設(shè)用地，在ArcGIS軟件的支持下對成都市城區(qū)建設(shè)用地進行了擴展分析，得出結(jié)論如下。

4.1 1988～2018年間成都市中心建設(shè)用地面積增長了918.86km2，面積增長率1 074.56%，平均每年擴展30.63km2，擴展強度指數(shù)為0.84。城市建設(shè)用地質(zhì)心各個時期的移動方向為：西、西北、西南、東南、南，距離分別為0.37、1.27、0.93、0.28、1.50、0.32km，總遷移距離為4.67km。

4.2 由于地質(zhì)條件的限制，成都市城市擴張并非單純的圈型擴展，而是具有比較典型方向性，擴展方向為質(zhì)條件較好的東北及西南方向；形狀分維數(shù)呈逐年增大的趨勢；緊湊度指數(shù)BCI逐年降低，基本維持在1.02～1.04。

4.3 成都市主城區(qū)城市擴展受相關(guān)政府決策及經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r影響較大，90年代初還是是改革開放初期，現(xiàn)代化，城市化進程主要發(fā)生在沿海省份，因此呈現(xiàn)緩慢的圈層擴展而在進入21世紀后，在政府的引導(dǎo)下，由經(jīng)濟發(fā)展帶動，主城區(qū)以極快的速度向周邊發(fā)展，與周邊城鎮(zhèn)連成一片。