基于VCM的建設(shè)用地空間分布格局對比研究

多斯波力·哈力木別克，王 江

（1.新疆寶地測繪有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830054；2.國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000）

城市是區(qū)域的核心，其在城市化影響下的土地利用分布格局已成為地理學(xué)研究的重點(diǎn)[1]。城市空間作為一種城市人口、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施等相對集中分布而產(chǎn)生的特定的城市地域空間，主要強(qiáng)調(diào)非行政區(qū)概念的地理空間，是城市各類社會生產(chǎn)、生活活動的場所空間以及作為城市景觀的地理載體，是城市所占有的地表區(qū)域[2]。城市空間結(jié)構(gòu)是不同功能的中心組合，不僅反映了城市的真實生活，而且詮釋了城市的變化，融合了人類文明的方方面面。城市建設(shè)用地作為城市化影響下的城市空間土地利用/覆被變化的最顯著的特征之一，其數(shù)量上的快速增長和空間上的迅速蔓延是建設(shè)用地變化的最明顯的表現(xiàn)[3-4]。研究城市建設(shè)用地空間分布格局有利于同步優(yōu)化區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的組合能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

對于城市空間布局的研究早在19 世紀(jì)開始，杜能和韋伯利用理想化的假設(shè)，提出了分別以農(nóng)業(yè)和工業(yè)為中心的農(nóng)業(yè)區(qū)位論和工業(yè)區(qū)位論，成為城市周圍空間分布格局研究的基礎(chǔ)。近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界越來越重視對城市空間格局的研究，國內(nèi)也形成了相應(yīng)的研究體系[5]。有學(xué)者利用Markov 隨機(jī)過程分析方法分析并得出隨著城市化的發(fā)展，土地利用方式和空間結(jié)構(gòu)都在不斷地變化[6]；Brabec 等[7]分析了土地保護(hù)方式在美國東部的空間效應(yīng)；陳曉軍等[8]把北京市房山區(qū)平原地區(qū)作為分析樣區(qū)，定量化測度了建設(shè)用地的空間部分格局，發(fā)現(xiàn)交通干線與建設(shè)用地的空間分布之間存在明顯的空間相關(guān)；陳昌玲等[9]從通州和南通中心城區(qū)以及主干道影響下分析了通州城鄉(xiāng)建設(shè)用地的空間分布格局；阿里木江·卡斯木等[10]利用低分辨率遙感數(shù)據(jù)在大尺度上對城市擴(kuò)展進(jìn)行研究，揭示了城市化和城鎮(zhèn)體系規(guī)模結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；玉蘇浦江·艾麥提等[11]利用ALOS 數(shù)據(jù)分析了烏魯木齊市的景觀格局的時空分異特征。

綜上述可知，我國有關(guān)建設(shè)用地的空間分布格局研究區(qū)主要以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市和西部地區(qū)的大城市為主。新疆阿勒泰地區(qū)位于新疆的最北部，作為歐亞大陸中心腹地，阿勒泰地區(qū)各縣分別換壤于哈薩克斯坦，蒙古等國家，我國在絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶向西開放的主要通道，對其進(jìn)行研究意義重大。本文使用landsat-8 TM 遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，提取阿勒泰地區(qū)各縣城的建設(shè)用地信息，并利用空間聚散程度的測度方法，通過建設(shè)用地中心和城市主干道路分別建立的VCM 曲線可呈現(xiàn)各縣的空間分布格局，對其進(jìn)行對比分析，可為該區(qū)域的城市發(fā)展和城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)包括福海縣、吉木乃縣、哈巴河縣、布爾津縣、富蘊(yùn)縣、青河縣，介于85°31′73″E ～91°01′15″E、45°00′00″N～49°10′45″N 之間。研究區(qū)地處歐亞大陸中心腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)，所占面積是17.1 萬km2。全地區(qū)常住人口為603 283 人、哈薩克占總?cè)丝诘?4.39%，是我國以哈薩克族為主的少數(shù)民族聚集地。其中吉木乃縣和青河縣作為絲綢之路的交通要道，分別與哈薩克斯坦和蒙古國換壤。

2 數(shù)據(jù)源及處理

考慮到遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的一致性，統(tǒng)一選取Landsa-8 OLI 遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m，Landsat-8 OLI 影像4 景，條帶號和成像日期分別為143/27，2013-07-27、143/28，2013-06-09、142/28，2013-07-24、141/28，2013-08-30，其他數(shù)據(jù)包括2013 年各縣的城市道路圖（圖1）。

本文對影像進(jìn)行幾何校正、正射校正、裁剪研究區(qū)等預(yù)處理后，影像進(jìn)行了一級分類，即分為建設(shè)用地、草地、林地、水體和未利用地等。

圖1 阿勒泰地區(qū)各縣2013 年建設(shè)用地分布圖

3 研究方法

3.1 空間聚散程度的測度

本文使用漸變尺度研究方法VCM，即使用“等步長等距離緩沖方法”，以研究阿勒泰地區(qū)各縣城的空間分布。VCM 方法是以某個空間目標(biāo)為中心，并以特定半徑執(zhí)行緩沖區(qū)分析，以計算空間目標(biāo)的總數(shù)和發(fā)生緩沖區(qū)重疊的空間數(shù)。當(dāng)不斷增加分析半徑時，緩沖區(qū)內(nèi)的空間目標(biāo)的數(shù)目會呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，通過記錄和分析該變化，可得出空間目標(biāo)的總體分布特征[12]。VCM 曲線是指以緩沖區(qū)半徑和與緩沖區(qū)疊加的空間目標(biāo)的數(shù)量分別作為X軸和Y軸得到的反映斑塊空間聚散分布的格局[13]。根據(jù)VCM方法得出關(guān)于建設(shè)用地中心和中心道路（縣城主干道）建立的不同半徑建設(shè)用地，分布如圖2、3 所示（以布爾津縣為例）。

可以看出，根據(jù)VCM 曲線圖上的曲線峰值的位置反映出建設(shè)用地的空間聚散分布格局，在區(qū)域面就恒定的情況下，根據(jù)曲線峰值位置可以分為以下3 種情況：①曲線峰值偏左，表示研究區(qū)中建設(shè)用地斑塊間距較小，分布集中；②曲線峰值偏右，表示研究區(qū)中建設(shè)用地斑塊間距較大，分布分散；③曲線峰值中，表示研究區(qū)中建設(shè)用地斑塊間距相對固定，分布方式主要為均勻分布。

圖2 布爾津縣距建設(shè)用地中心不同半徑下的建設(shè)用地分布圖

圖3 布爾津縣距中心道路不同半徑下的建設(shè)用地分布圖

3.2 回歸分析法

回歸分析法是分析某一個因素（自變量）是如何影響另一事物的（因變量）的過程[14]，如果假設(shè)Y為因變量，X1,X2,X3,……,Xn為隨機(jī)變量，則兩者之間有以下所示的線性關(guān)系：

此公式稱為回歸方程，其中a1,a2,……,an為回歸系數(shù)，C為常數(shù)?；谠摲匠?，將每個緩沖區(qū)的建設(shè)用地面積設(shè)置為Y，將緩沖區(qū)的距離設(shè)置為X，然后得到隨著緩沖區(qū)增加，建設(shè)用地與緩沖區(qū)距離的定量關(guān)系模型。

3.3 衰減趨勢分析法

通過對農(nóng)業(yè)區(qū)位論、工業(yè)區(qū)位論、城市結(jié)構(gòu)模型的分析，可以得出以下規(guī)律，為了使成本最小化和收益最大化，在進(jìn)行城市的社會再生產(chǎn)活動時，在選擇區(qū)位時存在一種規(guī)律，這種規(guī)律使得城市各結(jié)構(gòu)在空間分布布局上呈現(xiàn)圈層條帶分布格局[13]。根據(jù)該理論，本文采用衰減趨勢分析法，建設(shè)用地隨著選擇的城市中心和中心道路（主干道）的距離變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化的情況。其計算公式如下：

式中，Pi表示建設(shè)用地在第i個緩沖帶上的比重；Si表示建設(shè)用地在第i個緩沖帶上所占面積；S表示建設(shè)用地在研究區(qū)內(nèi)的總面積。

根據(jù)上述公式，將計算出來的各個緩沖帶上的建設(shè)用地比重設(shè)為X軸，以離城市中心和中心道路（主干道）的距離為Y軸，分別設(shè)置直方圖，該直方圖反映隨著距離的變化，建設(shè)用地所呈現(xiàn)的空間分布情況。

4 結(jié)果與分析

4.1 建設(shè)用地隨城市中心和主干道的距離的變化趨勢對比分析

使用漸變尺度研究方法（VCM）對阿勒泰地區(qū)各縣的建設(shè)用地進(jìn)行分析得出，距城市中心和中心道路不同距離的緩沖區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地所占比重的變化（如圖4 所示）。

圖4 建設(shè)用地隨城市用地中心和主干道的距離變化分布的VCM 曲線

通過圖4a，分析出建設(shè)用地隨著城市用地中心的距離的增加而變化的趨勢。以建設(shè)用地中心為中心做緩沖帶，從數(shù)量指標(biāo)上分析發(fā)現(xiàn)，在緩沖距離是500 m時，緩沖區(qū)與建設(shè)用地斑塊發(fā)生重疊區(qū)域的面積比重從低到高的排列順序為福海、吉木乃、哈巴河、富蘊(yùn)、布爾津、青河，發(fā)生重疊的面積占各自的總建設(shè)用地的占比重依次為13.94、15.47、17.46、21.11、21.22、40.34%；當(dāng)緩沖距離增加到1 000 m 時，占比依次上升到40.86、52.67、69.64、63.63、68.16、85.45%；當(dāng)再次把緩沖距離1 500 m 時，占比上升到了69.27、79.34、99.08、99.41、99.34、98.54%；當(dāng)緩沖區(qū)距離設(shè)置為2 000 m 時，占比分別為94.86、95.59、100、100、100、100%；當(dāng)福海和吉木乃的緩沖區(qū)增加到2 500 m 時，緩沖區(qū)中建設(shè)用地的比重達(dá)到了100%；在以建設(shè)用地中心為中心做緩沖區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)富蘊(yùn)、青河、哈巴河以及布爾津在1 500 m 緩沖區(qū)圍內(nèi)包涵了建設(shè)用地的99%以上的部分，這些縣城的建設(shè)用地空間分布格局具有相似性，吉木乃和福海緩沖區(qū)距離中心2 000 m 時達(dá)到了90%以上，因此吉木乃和福海具有相似的空間分布格局。

通過圖4b，可以分析出建設(shè)用地隨離干道的距離的增加而變化的趨勢。將城市主干道作為空間目標(biāo)設(shè)置緩沖區(qū)，以數(shù)量指標(biāo)進(jìn)行分析可以得出，緩沖距離為500 m 時，緩沖區(qū)與建設(shè)用地斑塊發(fā)生重疊區(qū)域的面積以比重從低到高進(jìn)行排列，順序依次為福海、哈巴河、布爾津、青河、吉木乃和富蘊(yùn)，發(fā)生重疊區(qū)域的面積占各自建設(shè)用地的比重依次為41.42、52.94、60.99、62.98、66.61、72.67%；緩沖區(qū)距離增加到1 000 m 時，占比分別為61.84、88.28、93.81、92.78、99.82、92.34%；當(dāng)再次增加緩沖區(qū)到1 500 m 時，占比依次上到74.87、100、100、98.31、100、100%；青河和福海的緩沖區(qū)距離上升到2 000 m 時，占比達(dá)到了100%；以主干道做緩沖區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，富蘊(yùn)、青河、布爾津和吉木乃在以1 000 m 緩沖區(qū)范圍內(nèi)，建設(shè)用地面積占總量的90%以上，而哈巴河和福海的建設(shè)用地比重分別為88.28、61.84%；當(dāng)緩沖區(qū)的距離增加到1 500 m 時，富蘊(yùn)、哈巴河、布爾津、吉木乃的建設(shè)用地比重達(dá)到了100%，而青河和福海建設(shè)用地的比重分別為98.31、74.87%；青河和福海的緩沖區(qū)距離上升到2 000 m 時緩沖區(qū)中建設(shè)用地比重達(dá)到了100%。以城市主干道為空間目標(biāo)設(shè)置緩沖區(qū)時，離主干道的距離達(dá)到1 000 m 時，富蘊(yùn)、青河、布爾津和吉木乃的建設(shè)用地的比重達(dá)到了90%以上，這些縣城的建設(shè)用地的空間分布格局上具有相似性，哈巴河和福海與這些縣城的空間分布不同，即哈巴河和福海在以主干道為空間目標(biāo)的分布上具有各自的空間分布格局。

4.2 建設(shè)用地中心與主干道對建設(shè)用地空間分布的影響程度對比分析

本文使用回歸分析法技術(shù)，以建設(shè)用地的中心的距離和主干道的距離為緩沖距離與緩沖區(qū)范圍內(nèi)的建設(shè)用地進(jìn)行計算得出，各縣以呈對數(shù)模型在遞增，為了反映中心和主干道對其的影響程度計算出了各自的R平方值，其對數(shù)模型及相關(guān)結(jié)果如表1所示。

通過表1 可知，各縣城建設(shè)用地的空間分布與建設(shè)用地中心和主干道之間存在一定的空間分布特性，類似于Y=aln(X)+b模型，并且相互之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)基于建設(shè)用地中心和主干道的空間分布的相關(guān)系數(shù)的大小可以分為與主干道強(qiáng)相關(guān)分布和與建設(shè)用地中心強(qiáng)相關(guān)空間分布。與道路強(qiáng)相關(guān)空間分布的縣城有青河、布爾津和哈巴河，相關(guān)系數(shù)分別為0.956 6、0.976 7 和0.992 5，它們的與建設(shè)用地中心的空間分布的相關(guān)系數(shù)與主干道的空間分布的相關(guān)系數(shù)相比較低，分別為0.923 9、0.962 8、0.959；與建設(shè)用地中心強(qiáng)相關(guān)空間分布的有富蘊(yùn)、福海和吉木乃，相關(guān)系數(shù)分別為0.964、0.9746 和0.991 4，它們的與中心道路的空間分布的相關(guān)系數(shù)分別為0.936 6、0.920 9 和0.941 8。

4.3 建設(shè)用地空間聚散程度對比分析

在理想的狀態(tài)下，假設(shè)城鎮(zhèn)只受建設(shè)用地中心或者主干道單因素的影響下，則各緩沖帶內(nèi)的建設(shè)用地比重隨著建設(shè)用地中心和主干道的距離的增加而呈現(xiàn)衰減的趨勢；為了反映隨著距離的增加各緩沖帶上的建設(shè)用地的變化情況，本文根據(jù)公式（2）計算出了各緩沖帶所包含的建設(shè)用地的比重，并對各縣的空間聚散程度進(jìn)行了對比。

4.3.1 各縣城基于建設(shè)用地中心的建設(shè)用地空間聚散程度對比分析

以建設(shè)用地中心為空間目標(biāo)進(jìn)行緩沖區(qū)，并把緩沖區(qū)分為0～500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m 等5 個部分，根據(jù)公式（2）可以得出各緩沖帶上的建設(shè)用地的比重，并得出基于城市中心的緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地分布的VCM 曲線圖，得出了建設(shè)用地在每個縣城隨緩沖帶的變化情況（如圖5 所示）。

根據(jù)圖5，可以了解建設(shè)用地以城市中心的緩沖區(qū)中建設(shè)用地的變化情況。由圖可知，在研究區(qū)各縣市建設(shè)用地都存在先增長后減少的趨勢，但其衰減程度各有所異，說明各自的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)有相應(yīng)差異。依據(jù)建設(shè)用地距離衰減圖上的建設(shè)用地的峰值的位置，可以將這些縣城的空間分布分為以下兩種類型：第一種是指以集中分布為主的縣城，包括青河縣、富蘊(yùn)縣、哈巴河縣、布爾津縣、吉木乃縣。這些縣城的峰值都處于偏左的位置，說明了建設(shè)用地圖斑之間的距離較小，建設(shè)用地以集中分布為主。第二種是指以分散分布為主的縣城，該分布類型的縣城只有福?？h，其縣城的峰值都處于偏右的位置，其建設(shè)用地圖斑之間的距離較大，因此建設(shè)用地以分散分布為主。

圖5 以建設(shè)用地中心為空間目標(biāo)的建設(shè)用地距離衰減圖

4.3.2 各縣城基于主干道的建設(shè)用地空間聚散程度對比分析

以主干道為空間目標(biāo)進(jìn)行緩沖區(qū)，并把緩沖區(qū)分為0 ～250 m、250 ～500 m、500 ～750 m、750 ～1 000 m、1 000～1 250 m、1 250～1 500 m、 1 500～1 750 m、 1 750 ～2 000 m 等8 個部分，并通過公式（2）計算出了各緩沖帶上的建設(shè)用地的比重，可以得出基于主干道的VCM 曲線圖（如圖6 所示），每個隨緩沖帶的變化情況。

根據(jù)圖6 可以得出建設(shè)用地以主干道建立的緩沖區(qū)中建設(shè)用地的變化情況，依據(jù)建設(shè)用地距離衰減圖上的建設(shè)用地的峰值的位置可以把各縣城的空間分布分為以下兩種類型：第一種為集中分布為主的縣城，包括青河縣、富蘊(yùn)縣、哈巴河縣、布爾津縣、吉木乃縣。這些縣城的峰值都處于偏左的位置，說明了建設(shè)用地圖斑之間的距離較小，建設(shè)用地集中分布為主。第二種為分散分布為主的縣城，即福海縣，其縣城的峰值都處于偏右的位置，建設(shè)用地圖斑之間的距離較大，建設(shè)用地以分散分布為主。

圖6 以縣城主干道為空間目標(biāo)的建設(shè)用地距離衰減圖

綜上述，建設(shè)用地的中心和主干道對建設(shè)用地的空間分布有很大的影響，且各縣城在兩者的影響下都呈現(xiàn)了各自的空間分布類型。

5 結(jié) 語

本文使用2013 年的Landsat-8 遙感影像數(shù)據(jù)，提取了阿勒泰地區(qū)6 個縣城的建設(shè)用地信息，并使用空間聚散程度分析法、回歸分析法、距離衰減趨勢法分析了建設(shè)用地的空間分布特征，為該區(qū)域發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1） 根據(jù)空間聚散程度分析方法對各縣進(jìn)行空間分布特征分析，青河、布爾津、吉木乃、富蘊(yùn)具有相似的空間分布特征，哈巴河和福海的空間分布特征各自具有各自的空間分布特征。

2）根據(jù)對各縣的VCM 曲線圖進(jìn)行分析，青河縣、布爾津縣、吉木乃縣、富蘊(yùn)縣和哈巴河縣建設(shè)用地分布較為集中，沿城市中心和主干道分布是其總體特征，而福海縣的建設(shè)用地分布較為分散。

3）隨著距城市中心和主干道的距離增加，研究區(qū)內(nèi)的縣城建設(shè)用地比重以類似Y=aln(X)+b模型變化，相關(guān)系數(shù)都呈現(xiàn)大于0.9，進(jìn)一步證明了建設(shè)用地中心和主干道對建設(shè)用地的分布具有重要影響。