基于GIS的哈爾濱市城市擴建方向研究

孫景霞

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

城市化進程的飛速發(fā)展影響著全球土地利用類型的大面積變化.隨著人口的日益增多，人均占地面積日益減少，進行合理的城市建設(shè)可緩解土地資源的壓力，更合理高效的利用土地資源.因此，城市土地類型的變化及合理的規(guī)劃也逐漸成為人們關(guān)注的重點.自20世紀(jì)80年代以來，人們對城市規(guī)劃的研究和空間格局的探索取得了很大的進步，特別是新技術(shù)與新方法的應(yīng)用.GIS可以與多時相高光譜遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，監(jiān)控土地利用類型的動態(tài)變化，因此在區(qū)域規(guī)劃的分區(qū)、土地利用、適宜性開發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.應(yīng)用GIS的空間分析功能監(jiān)控城市動態(tài)，可以有效解決城市建設(shè)中的問題，并且為今后的發(fā)展、擴建、規(guī)劃等提供理論依據(jù)及指導(dǎo).

以GIS為手段的城市擴張研究在國外開展較早，理論和方法也較為成熟.加拿大、美國、新加坡等國家最先開始將GIS應(yīng)用在城市擴建，管理等方面，為世界其他國家學(xué)習(xí)效仿提供了范例.1923～1945年期間，對城市建設(shè)的研究主要關(guān)注在城市的空間結(jié)構(gòu)、用地空間分布和城市形態(tài)等方面.在城市的擴張過程中，Hakan在土耳其的卡赫拉曼馬拉什及其周邊地區(qū)利用Quick Bird和IKONOS衛(wèi)星影像進行了土地適宜性的評估研究[1].

與此同時，中國也在不斷學(xué)習(xí)外國較先進的理論和技術(shù)，以TM/ETM遙感影像作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過地理信息系統(tǒng)的空間分析功能提取研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù).探究城市發(fā)展的動態(tài)變化及擴展趨勢.楊存建等學(xué)者利用TM影像定義城市建筑物的覆蓋指數(shù)，對城市擴建的空間格局變化構(gòu)建模型，研究城市擴建的動態(tài)[2].魯東大學(xué)魏斌教授等學(xué)者以GIS和RS技術(shù)方法為手段，分析城市的空間擴張.各個學(xué)者選擇不同的研究區(qū)為研究對象，綜合的分析了中國城市空間擴張的變化規(guī)律.國內(nèi)學(xué)者的研究為城市擴建提供了新的發(fā)展思路，也使GIS和RS有了更為廣泛的應(yīng)用.北京、上海、廣州等28個省市自治區(qū)較早的應(yīng)用了這種技術(shù)進行城市的管理與規(guī)劃.

該文以哈爾濱市呼蘭區(qū)為研究區(qū)域，利用GIS和RS技術(shù)分析城區(qū)面積變化的歷史變遷，并探究哈爾濱市近年城市擴建變化趨勢，結(jié)合哈爾濱市周邊土地類型變化，為今后更合理的城市空間擴展提供輔助決策支持[3].哈爾濱市是東北比較具有代表性的工業(yè)城市，通過探究哈爾濱市的城市擴建情況，為其他中小型城市的擴張與發(fā)展提供極具實際意義的參考.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市位于中國的東北部，黑龍江省的西南部.其地理位置為北緯44°04′～46°40′，東經(jīng)125°42′～130°20′.哈爾濱市作為黑龍江省的省會，同時也是政治中心、經(jīng)濟中心和文化中心.到2015年，哈爾濱市共有9個市轄區(qū)，包括平房區(qū)、南崗區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)、呼蘭區(qū)等.共有7個縣，包括依蘭縣、賓縣、延壽縣、方正縣等.管理尚志市、五常市兩個縣級市.哈爾濱市的占地面積約為5.31 km2，定居人口大約為1066.5萬人.

哈爾濱市的中心區(qū)域以及呼蘭區(qū)和雙城區(qū)的地勢較為平緩，且部分地勢較低洼.城市東部山川丘陵較多，北部為小興安嶺，東南則主要為丘陵，水系主要來源于松花江與牡丹江水系及其支流.水勢空間分布不均勻，自西向東貫穿哈爾濱市中部，哈爾濱市平原范圍廣闊，河流縱橫，總體地勢較為平緩.哈爾濱市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春夏秋冬，四季分明，嚴(yán)冬非常寒冷且持續(xù)時間漫長，夏季則比較短暫涼爽.春季和秋季氣溫變化較大，時間略短.降水月主要為6～9月，年均降水量約為569.1 mm，夏季降水量大概占全年的60%，降雪期為每年的11月到次年的1月.

1.2 數(shù)據(jù)來源

影像數(shù)據(jù)來源于目視解譯在ArcMap運行環(huán)境下加載的在線地圖，地圖坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系.所加載數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，通過對在線柵格數(shù)據(jù)的目視解譯和矢量化編輯，獲取經(jīng)矢量化處理后生成的城區(qū)矢量圖斑，再結(jié)合城市行政區(qū)劃圖，對城區(qū)邊緣進行精細(xì)處理及修正，從而提取精細(xì)城區(qū)邊界.

統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于哈爾濱市人民政府官網(wǎng)、哈爾濱市統(tǒng)計年鑒、中國城市統(tǒng)計年鑒；哈爾濱市城市規(guī)劃歷史數(shù)據(jù)來源于哈爾濱市圖書館、哈爾濱市城市規(guī)劃館.

根據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》對哈爾濱市歷史影像數(shù)據(jù)的城市土地利用類型進行分類，可分為：居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉儲用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公用設(shè)施用地、綠地、特殊用地、水域和其他用地.

1.3 研究方法

緩沖區(qū)分析是以點實體、線實體、面實體為基礎(chǔ)，建立實際所需的寬度的緩沖區(qū)多邊形圖層.將所建立的緩沖區(qū)圖層與目標(biāo)圖層相疊加，分析出所需結(jié)果.緩沖區(qū)分析是一種強大的空間分析手段，在交通建設(shè)、城市規(guī)劃、資源管理等方面有著廣泛的應(yīng)用.

疊加分析是對兩個數(shù)據(jù)進行集合運算從而產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)的過程.數(shù)據(jù)可以是圖層數(shù)據(jù)，也可以是其他地物對象.通過兩層或多層數(shù)據(jù)的疊加分析，產(chǎn)生了新的空間關(guān)系和屬性關(guān)系，能更加清晰直觀的發(fā)現(xiàn)多層數(shù)據(jù)間的聯(lián)系、差異及變化特征.

2 哈爾濱市城市空間格局變化分析

2.1 城市空間格局演化

城市建筑面積是一個在發(fā)展中不斷變化的區(qū)域，由于人口不斷往城市中心匯集，導(dǎo)致了城市規(guī)模不斷擴張.城市的擴建與很多因素相關(guān)，在一定的條件下，城市的發(fā)展方向往往需要與城市功能和社會的經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)，已完成適宜公眾需求的城市擴建.不同的城市大小、環(huán)境、地理位置、以及不同的發(fā)展階段、發(fā)展等級都有著不同的擴建方式.

以Arcgis平臺為基礎(chǔ)，將哈爾濱市不同歷史時期的影像數(shù)據(jù)矢量化處理后進行疊加，可得到哈爾濱市城市空間擴張演變圖，如圖1所示.

圖1 哈爾濱市城市空間擴張變化

1946年以前，城市發(fā)展速度極其緩慢.這一時期受日本帝國主義的影響，城市的空間發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都受到了很大的影響.城區(qū)建設(shè)方向主要為中東鐵路沿岸，并向東南方向延伸，形成發(fā)展的雛形.隨著新中國的成立和第一個五年計劃的實施，哈爾濱市開始大力發(fā)展工業(yè)，城區(qū)的建設(shè)也因工業(yè)的迅速發(fā)展而進入較快的擴張階段，并呈扇形向四周全面擴張.改革開放之后，哈爾濱市經(jīng)濟得到了迅速的發(fā)展，各行各業(yè)發(fā)展都較為繁榮，人口也隨之大量增加.人口的增加和經(jīng)濟的快速發(fā)展，帶動了人民需求的日益增長.因此，城市擴建的規(guī)模與速度也愈發(fā)迅速.松花江以南主要向兩側(cè)擴張，松花江以北則以塊狀向北擴張.2005年之后，城市的擴建速度進入高速發(fā)展階段.由于經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求，哈爾濱市開始了經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和高新技術(shù)開發(fā)區(qū)的建設(shè).并于2006年開始了群力新區(qū)的建設(shè)，2009年開始了哈南工業(yè)新城區(qū)的建設(shè)[4].這些開發(fā)區(qū)的建設(shè)使城市建筑用地面積迅速擴大，且城市邊緣不斷向外擴張.截止到2010年，哈爾濱市的建筑面積用地約為252.5萬 km2.主要擴建方向為向南、西南方向建設(shè)，為發(fā)散式延伸，組團式的空間布局.2011～2018年，中心城區(qū)的建筑面積約為4187 km2，主要城區(qū)的建筑面積約為458.3 km2.在此期間，城市擴張建設(shè)的規(guī)劃為：“北躍、南拓、中興”和可持續(xù)發(fā)展的“一江、兩城、九大組團”的城市空間格局[5].

2.2 城市建筑面積變化分析

分析近年哈爾濱市城區(qū)空間格局的變化，可以發(fā)現(xiàn)主城區(qū)面積在不斷增加，但擴張速度和方向均有不同.哈爾濱市城市建筑面積變化如圖2所示.

圖2 哈爾濱市城市建筑面積變化

哈爾濱市城市建筑面積的擴大受到多種因素的影響，包括自然因素、歷史因素、城市經(jīng)濟的快速發(fā)展等多方面因素的影響.人口的快速增長、合理的城市規(guī)劃、交通設(shè)施建設(shè)的完善也是非常重要的影響因素，一系列相關(guān)政策的支持也起到了很大的促進作用.圖2為近50年哈爾濱市城市建筑面積變化折線圖，由此可見哈爾濱市的城市規(guī)模發(fā)生了很大的變化，城市各個方向上都進行了不同規(guī)模的擴建[6].

3 哈爾濱市城市未來擴建方向分析

3.1 城市擴建中存在的問題

城市化的進程不斷加快，哈爾濱市的城市擴建也在迅速發(fā)展.這不僅僅是機遇，而且也是挑戰(zhàn).與此同時，擴建過程中也出現(xiàn)了一些問題，主要有以下幾個方面：

(1)城市擴建方向的無序性

由于人口增長所帶來的實際需要和城市空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃的不合理性，致使哈爾濱市的城市形狀類似于“手掌”向外伸展，居民區(qū)、新興的企業(yè)、工廠、學(xué)校等分散在草地、耕地中，建筑不集中、不規(guī)范，這種盲目的擴建不僅浪費土地資源，使土地得不到合理的利用，而且也會破壞整個城市的空間結(jié)構(gòu)，引發(fā)一系列的問題.

(2)城市規(guī)劃的盲目性

城市擴建開展全面但盲目，無重點建設(shè)區(qū)域.沒有前期愿景和建設(shè)目標(biāo)，一邊建設(shè)一邊規(guī)劃，沒有明確的建設(shè)規(guī)劃.目前的城市建設(shè)極有可能對以后的長期規(guī)劃造成阻礙，是城市的發(fā)展不能系統(tǒng)的、有規(guī)劃的合理向外延伸.城市擴建重點不鮮明，層次混亂.多個區(qū)域同時擴建，城市邊緣向外大范圍擴張，但新城區(qū)的發(fā)展緩慢，需要很長時間才能逐步發(fā)展起來.

(3)老城區(qū)人口密度高，壓力大

過去幾十年哈爾濱市發(fā)展迅速，主要特征表現(xiàn)在城市大規(guī)模的擴建和更新.目前存在的主要問題就是老城區(qū)人口密度過高，資源環(huán)境壓力巨大，對歷史遺留下來的城市建筑、歷史文化造成一定程度的破壞.而新城區(qū)人口少，發(fā)展緩慢，不能夠有效分擔(dān)中心城區(qū)的壓力.舊城區(qū)與新城區(qū)之間不能緊密的聯(lián)系在一起.目前哈爾濱市城市擴建中存在的問題急需GIS等專業(yè)技術(shù)手段來快速合理的解決.可以應(yīng)用GIS來對城市空間布局進行合理的規(guī)劃，并可以通過監(jiān)測城市周圍土地利用類型及選址等空間分析技術(shù)來對哈爾濱市的城市擴建提出合理的決策.

3.2 擴建方向選擇分析

城市擴建中擴建方向的選擇尤為重要，關(guān)系到整個城市發(fā)展方向.應(yīng)用GIS強大的空間分析功能，利用其緩沖區(qū)分析和疊加分析功能可以科學(xué)的對城市擴建方向進行輔助決策.選取哈爾濱市呼蘭區(qū)為研究區(qū)域，應(yīng)用GIS相關(guān)軟件和在線遙感影像圖，分析研究區(qū)的土地利用類型和適宜擴建方向[7].將研究區(qū)的城市建筑面積進行矢量化存入面圖層，道路存入線圖層，并為各個圖層添加屬性字段，通過標(biāo)注要素表現(xiàn)出來.矢量化操作后如圖3所示.

通過對遙感影像的目視解譯和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢，確定呼蘭區(qū)的土地利用類型及分布[8].判讀結(jié)果如圖4所示.

圖3 呼蘭區(qū)矢量圖

圖4 呼蘭區(qū)土地類型分布圖

將呼蘭區(qū)土地利用類型分為建筑用地、濕地、水體、耕地等四大類型.通過確定研究區(qū)的土地利用類型，可以得到已有建筑用地的分布范圍和位置，及其周圍土地利用類型[9].

通過分析可得呼蘭區(qū)建筑用地一般分布在靠近哈爾濱市主城區(qū)方向且沿公路、鐵路向外延伸.邊緣部分為河流、濕地和大片耕地及分散的村落.在城市擴建方向的選擇中，以該研究區(qū)為例，應(yīng)避開河湖濕地等限建要素，以及遠(yuǎn)離主城區(qū)的大片耕地[10].選擇公路附近和建筑區(qū)周邊的少量耕地和未利用地作為擴建的主要方向.該研究通過緩沖區(qū)分析，以原有建筑用地為基礎(chǔ)，選擇200 m距離為緩沖半徑，形成緩沖區(qū)范圍，即該研究適宜擴建區(qū).經(jīng)以上分析，適宜擴建區(qū)如圖5所示.

圖5 呼蘭區(qū)適宜擴建區(qū)域圖

3.3 應(yīng)用GIS研究的意義

在中國城市擴建的關(guān)鍵期，對存在的問題應(yīng)及時解決，應(yīng)用GIS技術(shù)控制無序開發(fā)，引導(dǎo)合理規(guī)劃城市布局，保證城市的生態(tài)環(huán)境安全.

(1)有助于土地資源合理利用

中國人均占地面積少，隨著城市擴建速度的加快，擴建的不合理性、擴張方向的盲目性以及速度過快等問題，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)的土地資源得不到合理的利用，生態(tài)環(huán)境也遭到不同程度的破壞.因此，應(yīng)及時利用GIS對城市周圍的未利用地進行評估，用緩沖區(qū)分析、空間疊加分析等方法對城市擴建進行選址分析，明確建設(shè)用地和非建設(shè)用地，進行合理擴建.

(2)有助于合理規(guī)劃城市布局

目前中國很多中小型城市正處于城市擴建中，這個時期正是城市骨架形成的關(guān)鍵時期，所以應(yīng)用GIS及時對城市建設(shè)進行合理規(guī)劃尤為重要[11].借助這種技術(shù)方法對城市擴建進行規(guī)劃，不僅可以使各種資源得到合理利用，而且對城市未來的發(fā)展有著極其深遠(yuǎn)的意義.

4 結(jié)論與討論

隨著GIS應(yīng)用的越來越廣泛，其意義也越來越重大.GIS具有強大的空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，處理空間和非空間數(shù)據(jù)的同時，還提供了許多空間分析的方法.總而言之，地理信息系統(tǒng)對城市擴建方面提供了很大的幫助.

該文是以GIS技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以哈爾濱市呼蘭區(qū)為研究區(qū)域，分析城市擴建的方向選擇.考慮了城市結(jié)構(gòu)、限建要素、交通條件等因素，并根據(jù)已有建筑區(qū)，以直觀形象的可視化表達(dá)形式得出了比較合理的城市適宜擴建區(qū)，該項研究對哈爾濱市呼蘭區(qū)的合理擴建具有一定的參考價值和現(xiàn)實意義.