蘭州新區(qū)城市空間擴展研究

葉萍萍

(甘肅省基礎地理信息中心，甘肅 蘭州 730000)

隨著全球經濟快速發(fā)展，各國城市建設空前活躍，城市空間擴展也引起國內外學者的廣泛關注。國外對城市空間擴展的研究，最早可以追溯到19世紀末城市地理學對城市空間形態(tài)結構的研究[1]。上世紀80年代，隨著國內城市化進程加快，國內學者開始研究城市空間擴展，主要利用RS和GIS技術[2-3]，但是國內研究的重點集中在東部發(fā)達城市，西北部城市涉獵較少[4]。

蘭州地處中國西北地區(qū)的中心，是古絲綢之路的重要節(jié)點。2012年8月12日，蘭州新區(qū)成立，作為西北第一個、全國第五個國家級新區(qū)，新區(qū)自成立之初就受到各級政府和社會各界的高度重視，城市化進程不斷加快。研究新區(qū)城市空間擴展歷程,總結不同時期不同社會經濟發(fā)展背景下城市擴展規(guī)律，可以為城市的建設發(fā)展提供地理信息支撐，更好的服務于“一帶一路”建設。

1 新區(qū)概述

蘭州新區(qū)坐落于甘肅省蘭州市北部秦王川盆地，位于東經103°26′20″～103°58′18″，北緯36°12′30″～36°52′27″之間?，F新區(qū)下轄六鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為永登縣中川鎮(zhèn)、秦川鎮(zhèn)、上川鎮(zhèn)、樹屏鎮(zhèn)和皋蘭縣西岔鎮(zhèn)、水阜鎮(zhèn)。

2 數據來源

2.1 遙感影像數據

選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年共計6期的航空影像和Pleiades、WorldView2、WorldView3、GF1、GF2、ZY3等多源高分辨率衛(wèi)星遙感影像，范圍覆蓋蘭州新區(qū)全域。為了保證遙感解譯提取信息的精度和準確性，影像要求層次豐富、清晰易讀、色調均勻、反差適中、色彩接近真實自然、色彩均衡、時相盡量保持一致[5]。

2.2 地理國情普查和監(jiān)測數據

地理國情普查數據包括2013年蘭州新區(qū)地理國情普查試點成果數據和2015年地理國情普查標準時點核準成果數據，地理國情監(jiān)測數據包括2016年、2017年、2018年蘭州市基礎性地理國情監(jiān)測成果數據。數據覆蓋蘭州新區(qū)全域，具體內容包括地形地貌數據、正射影像數據、地表覆蓋與地理國情要素數據、遙感影像解譯樣本數據等[6]。

2.3 專題數據

主要由蘭州新區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃建設局提供的最新版本的《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》、由蘭州新區(qū)經濟發(fā)展局提供的統(tǒng)計年鑒等。

3 技術路線和方法

3.1 技術路線

基于地理國情普查和監(jiān)測數據等豐富的地理信息數據資源[7]，結合高分辨率遙感影像，采用遙感技術手段，提取蘭州新區(qū)從2010～2018年城市建成區(qū)范圍，結合收集整理的行業(yè)專題資料，采用空間分析方法，從城市空間擴展的規(guī)模和強度、擴展的方向性以及空間形態(tài)演變等方面對新區(qū)城市空間擴展的歷程進行分析。

圖1 總體技術路線

3.2 技術方法

3.2.1 數據資料整理整合

根據各類專題數據的類型，通過格式轉換和坐標系統(tǒng)一，實現專題空間數據時空基準歸一化。地理國情普查和監(jiān)測數據的處理包括按照新區(qū)范圍裁切；遙感影像數據的處理包括幾何精校正、輻射糾正、輻射增強、鑲嵌、裁切、格式轉換、坐標系轉換、配準等；專題數據的處理包括數據裁切、格式轉換、坐標系統(tǒng)轉換、信息提取。

3.2.2 遙感影像解譯

基于地理國情普查和監(jiān)測數據，對遙感影像進行判讀解譯，生成歷史年份的城市建成區(qū)范圍，在此基礎上，利用疊合分析，獲得城市擴展的時空變化信息。

本文引入“城市建成區(qū)”這一概念來反映城市已建設開發(fā)的范圍。城市建成區(qū)，是指城市行政區(qū)內實際已成片開發(fā)建設、市政公用設施和公共設施基本具備的地區(qū)[8]。在劃分標準上，依據遙感影像圖上城市建成區(qū)的特征表現，可以按照“成規(guī)模連片、多層建筑為主、具備街區(qū)形態(tài)、基礎設施配套”原則，提取城市建成區(qū)范圍。

3.2.3 統(tǒng)計與分析

基于解譯結果，統(tǒng)計各個年份城市建成區(qū)的面積、兩個相鄰年份間的面積變化量、擴展強度和年均擴展速率等，以反映城市擴展規(guī)模和強度，在此基礎上，對城市建成區(qū)擴展的方向性和空間形態(tài)演變進行統(tǒng)計，分析蘭州新區(qū)時空尺度的變化歷程。

4 城市空間擴展分析

4.1 城市空間擴展規(guī)模和強度

為了準確反映蘭州新區(qū)設立前后城市建成區(qū)范圍的持續(xù)變化情況，本文選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年6個時期的遙感影像進行解譯，提取城市建成區(qū)邊界?；诮庾g結果，統(tǒng)計蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積變化，擴展強度和擴展速率，進而分析城市空間擴展規(guī)模和強度。

擴展強度是指某一時間段內城市建成區(qū)面積相對于基期城市建成區(qū)面積的年擴展比例，表示單位時間內不同城市建成區(qū)擴展快慢的相對比例差異；擴展速率是指某一時間段內城市建成區(qū)面積的年增長速率，表示單位時間內不同城市建成區(qū)擴展快慢的絕對面積差異。

圖2 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積

從圖2可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)一直處于擴展狀態(tài)。2010年，蘭州新區(qū)設立之前，城市建成區(qū)只有2.5 km2。2012年8月，蘭州新區(qū)被確定為國家級新區(qū)后，城市建成區(qū)面積飛速增長，至2018年已達79.08 km2。

表1 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)擴展信息

從表1中可以看出，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)的擴展速率呈現“先升后降再緩升再降”的特點。新區(qū)自2012年8月成立后，便開展大規(guī)模的開發(fā)建設，所以2010～2015年，城市建成區(qū)的擴展速率一直在上升階段。經過幾年的建設，城市框架基本成形， 2015～2016年擴展速率相對放緩。2016年，新區(qū)職教園區(qū)開始建設，所以，2016～2017年擴展速率有小幅度回升，到2018年，職教園區(qū)基本框架已成形，所以，2017～2018年擴展速率有所下降。

4.2 城市空間擴展的方向性

城市擴展的方向性可以用扇形分區(qū)統(tǒng)計法或者城市空間重心遷移這兩個指標來描述，本文選用城市空間重心遷移指標。

空間重心是描述城市空間分布的一個重要指標，通過追蹤其不同時期的移動，可以得到城市擴展方向變化的軌跡，預測城市的空間發(fā)展趨勢[9]。其計算公式如下：

式中，Xt、Yt分別為t時間城市建成區(qū)的重心坐標，Ati為第i個地塊面積，Xi、Yi為第i個城市建成區(qū)地塊的幾何中心坐標。

根據公式分別計算出2010、2013、2015、2016、2017和2018年的空間重心坐標，如圖3所示。

從圖3可以看出，2010～2018年，城市建成區(qū)空間重心總體上呈現出向東北方向移動的趨勢，2015～2016年呈現輕微向西北方向移動的趨勢,2017～2018年呈現向輕微東方向移動的趨勢。由于新區(qū)職教園區(qū)在東北部，平山造地區(qū)域主要集中在東部和東南部，結合新區(qū)的規(guī)劃相關資料，可預測未來幾年新區(qū)城市空間擴展的主要方向依然在東、東北及東南方向。

圖3 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間重心變化圖

4.3 城市空間形態(tài)演變

4.3.1 城市建成區(qū)空間形態(tài)

城市建成區(qū)占據著一定的地表空間，并在各種自然、人為因素的制約和影響下，形成一定的用地輪廓形態(tài)，這種形態(tài)稱為城市建成區(qū)空間形態(tài)。城市建成區(qū)空間形態(tài)主要模式有集中團塊型、帶型、放射型、組團型、星座型、散點型。

根據《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》中的空間結構規(guī)劃，蘭州新區(qū)呈現出“兩區(qū)一城四片”的總體空間結構?！皟蓞^(qū)”為北部的生態(tài)農業(yè)示范區(qū)以及南部的生態(tài)林業(yè)休閑區(qū)?！耙怀恰睘楹诵某菂^(qū)，包括保稅物流、科技研發(fā)、行政辦公、金融商業(yè)、職業(yè)教育、文化旅游等綜合服務職能?！八钠卑ㄊa業(yè)片區(qū)、機場北飛地經濟產業(yè)片區(qū)、樹屏飛地經濟產業(yè)片區(qū)以及綜合產業(yè)片區(qū)，為新區(qū)主導產業(yè)空間落實的地區(qū)。規(guī)劃對“一城”空間結構進行指引，為“T軸、六組團”。T軸由核心城區(qū)東部依托自然山體形成的生態(tài)綠化廊道及沿緯三路、緯五路以及緯七路形成的功能軸組成，為新區(qū)風貌特色重要的組成部分。六組團包括綜保產業(yè)組團、高新技術產業(yè)組團、綜合服務組團、職教園區(qū)組團、區(qū)域中心組團及文化旅游組團。

從影像解譯結果看，目前蘭州新區(qū)城市建成區(qū)呈現出“一片五團”的組團型空間形態(tài)。“一片”為位于建成區(qū)北部的綜合產業(yè)片區(qū)；“五團”分別為綜保產業(yè)組團、高新技術產業(yè)組團、綜合服務組團、區(qū)域中心組團和職教園區(qū)組團。

4.3.2 城市建成區(qū)空間緊湊度

空間緊湊度表征城市形態(tài)的變化，是城市空間布局和結構變化的綜合反映。從城市空間形態(tài)的變化可以分析城市的生長過程，揭示擴展規(guī)律[9]。緊湊度是反映城市空間布局形態(tài)的重要指標，其值一般在0～1之間，空間緊湊度越接近1，城市形狀越接近圓形，城市空間越緊湊；反之，城市緊湊度越低，空間離散程度就越大。通常采用Batty提出的計算公式[10]：

式中，BCI指城市建成區(qū)的空間緊湊度，A指城市建成區(qū)的面積，P指城市建成區(qū)的輪廓周長。

圖4 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間緊湊度

從圖4可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間緊湊度總體呈下降趨勢，空間離散程度較大。主要是近年新增的城市建成區(qū)與原有的城市建成區(qū)在空間上不連續(xù)，造成資源集聚不凸顯。隨著新區(qū)的發(fā)展，城市建成區(qū)連接地帶完成建設，空間緊湊度會有所上升。

4.3.3 城市建成區(qū)空間分形維數

城市空間形態(tài)是城市各構成要素的空間分布模式，是城市實體的地域空間投影。城市有著復雜的、非線性的空間形態(tài)，這種空間形態(tài)具有分形特征[9]。城市空間的分形維數可以描述城市邊界形狀的復雜性。描述城市建成區(qū)形態(tài)的分形維數主要有網格維數、半徑維數和邊界維數等，使用邊界維數來衡量建成區(qū)空間形態(tài)的分形特征，采用格子計數法進行分維估值。使用不同大小的正方形格網覆蓋的城市建成區(qū)平面輪廓圖形，當正方形長度r出現變化時，覆蓋有城市建成區(qū)輪廓邊界線的網格數目N(r)和覆蓋面積的網格數目M(r)必然會出現相應的變化。根據分形理論有如下公式成立：

InN(r)=C+DInM(r)1/2

式中，C為待定常數，D為建成區(qū)平面輪廓分形維數。只需在不同大小正方形格網覆蓋下獲得不同點對(InN(r),InM(r)1/2)，然后擬合這些點對，求得回歸方程，其斜率即為D的估值。

由于城市建成區(qū)平面圖斑為二維空間，故D的理論值范圍在1.0～2.0之間，D值越大表示圖形形狀越復雜。當D<1.5時，說明圖形趨向于簡單；當D=1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態(tài)，越接近該值，穩(wěn)定性越差；當D>1.5時，則圖形更為復雜。1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，2.0表示等面積的情況下周邊最復雜的斑塊。

圖5 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間分形維數

從圖5可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間分形維數總體呈先降后升的趨勢。2010～2015年，空間分形維數下降，城市內部變化比較顯著，擴展方式主要為內部填充；2015～2018年，空間分形維數上升，城市空間擴展方式主要為外部延伸。

4.4 城市空間擴展占地分析

從地表覆蓋類型的時空轉換來看，2010～2018年，蘭州新區(qū)地表覆蓋分類變化主要為種植土地、林草覆蓋等自然地類逐年減少，人工堆掘地、房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路等人工地類逐年增加，這與新區(qū)的建設進程相符合。新區(qū)城市空間擴展以占用種植土地、林草覆蓋等為主。

圖6 2010～2018年蘭州新區(qū)地表覆蓋分類面積變化統(tǒng)計圖

5 結 論

(1)蘭州新區(qū)城市空間擴展遵循著“內部填充擴展-外部延伸擴展”的模式，空間形態(tài)呈現組團型，這使得蘭州新區(qū)空間形狀較為簡單，穩(wěn)定性較好。

(2)蘭州新區(qū)城市空間擴展方向總體呈現出向東北方向移動的趨勢，2018年空間重心呈輕微向東南方向移動的趨勢。這種變動在很大程度上與城市規(guī)劃和地方政府政策引導的結果有關。

(3)蘭州新區(qū)城市空間擴展以占用種植土地、林草覆蓋等非建設用地為主。

(4)蘭州新區(qū)自設立以來開展了大規(guī)模的城市建設，城市空間發(fā)展總體保持擴張趨勢，擴展速率呈現“高-低-高-低”波動式增長的特點。近幾年，新區(qū)城市框架已經基本成型，空間擴展速度有所放緩。