基于GIS的綠洲城市時空擴展特征研究
——以新疆伊寧市為例

趙禾苗，阿里木江·卡斯木

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054）

自地球邁入“人類世”后，認(rèn)知人類活動與地表環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用機理從而對人類行為調(diào)控和管理，已成為國際“Future Earth”研究計劃、IPCC項目、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)-政策平臺（IPBES）等重大研究計劃倡導(dǎo)的前沿領(lǐng)域與優(yōu)先級主題［1，2］。隨著全球城市化進程的迅猛發(fā)展，城市規(guī)模發(fā)展成為各國參與國際競爭的重要內(nèi)容，作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，城鎮(zhèn)化進程有了質(zhì)的飛躍，城市規(guī)模日趨龐大復(fù)雜［3-5］。20世紀(jì)90年代以來，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施促使西北部地區(qū)經(jīng)濟社會快速發(fā)展，導(dǎo)致西部干旱區(qū)城市化、經(jīng)濟化發(fā)展進程迅速，但城市急速擴張過程導(dǎo)致地表覆被發(fā)生明顯變化，大量瀝青、水泥等人造景觀代替了自然土地覆被，使其面臨著城市“三生”（生態(tài)-生產(chǎn)-生活承受能力）空間比例失調(diào)、城市局部熱島、區(qū)域景觀格局破碎、生態(tài)退化等一系列問題［6，7］。

遙感數(shù)據(jù)能大面積同步觀測及獲取瞬時信息，監(jiān)測城市擴展動態(tài)，已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域城市發(fā)展及時空變化特征研究。目前，國內(nèi)學(xué)者通過借助GIS及RS相關(guān)技術(shù)對城市擴展及驅(qū)動力因素、影響機制等做了大量工作，如采用擴張面積、擴張速度等指標(biāo)分析城市時空擴展變化態(tài)勢［8，9］；通過緊湊度、重心轉(zhuǎn)移模式等反映城市擴張方向及重心遷移特點［10］；應(yīng)用景觀格局指數(shù)、地統(tǒng)計學(xué)方法和空間測算模型等分析城市擴張模式及驅(qū)動力等［11，12］，但對于西部干旱地區(qū)城市擴張及空間驅(qū)動力因素研究還較少。

由于水資源的有限性及生態(tài)環(huán)境及其脆弱等特點，中西部干旱半干旱區(qū)人地關(guān)系更加緊張［13］。在2014年5月召開的第二次中央新疆工作會議上，新疆被確認(rèn)為絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)，在此背景下，研究絲綢之路重要節(jié)點的中小型城市城鎮(zhèn)擴張動態(tài)具有現(xiàn)實意義［14］。鑒于此，本研究以新疆伊犁州首府城市——伊寧市為研究對象，基于2000、2005、2010、2015和2018年5年Landsat TM/ETM/OLI影像數(shù)據(jù)，采用最大似然法（MLC）對伊寧市土地利用進行分類，提取城市建成區(qū)范圍，采用擴張速度、擴張強度、綜合擴張程度指數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓等指標(biāo)分析伊寧市2000—2018年城市建設(shè)用地擴張及其空間分異特征。

1 研究區(qū)概況

伊寧市位于新疆伊犁哈薩克自治州，地處中國西北邊陲，伊犁河谷綠洲中部，市區(qū)轄五鄉(xiāng)四鎮(zhèn)二場，北緯43°50′—44°09′、東經(jīng)80°04′—81°29′，區(qū)域內(nèi)地形總體分為北部山區(qū)、南部平原及河谷平原，坐落于人民渠以南，伊犁河以北。作為絲綢之路經(jīng)濟帶建設(shè)新疆段的重要節(jié)點，新亞歐大陸橋中西部的主要窗口，連接中西亞間的樞紐，戰(zhàn)略與地理位置至關(guān)重要。自1992年被黨中央確認(rèn)為沿邊開放城市后，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展進程，伊寧市已成為西部地區(qū)最大的開放城市。

市區(qū)屬半干旱大陸性氣候，四季分明，年均降水量超245 mm，空氣相對濕度達(dá)60%，因位于“天然濕島”——伊犁，素有“塞外江南”“不到新疆，不知新疆之大；不到伊犁，不知新疆之美”等美譽，其所在的伊犁河谷由于氣候濕潤與特殊地理環(huán)境，為世界薰衣草三大種植基地之一。伊寧市先后榮獲“中國十座宜居中小城市之一”“中國優(yōu)秀旅游城市”“國家歷史文化名城”等稱號。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究主要采用軌道號為147/29的美國Landsat系列5景衛(wèi)星影像（2000、2005、2010、2015和2018年），5年影像數(shù)據(jù)均來自美國地質(zhì)勘探局（USGS）網(wǎng)站，云量均低于10%且季相相近（6—7月），夏季遙感影像云量偏低，植被易于區(qū)分，地物識別度較高，更有利于提高結(jié)果的精確度，滿足研究需求（表1）。研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（http：//www.webmap.cn）1∶100萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，DEM數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心。

表1 影像基本信息

借助ENVI5.3軟件平臺中Flash模塊對5年遙感數(shù)據(jù)進行大氣校正、裁剪等預(yù)處理工作，以2018年影像為基準(zhǔn)，對其余4年數(shù)據(jù)影像進行幾何精糾正，誤差控制在0.5個像元內(nèi)。同時對2000年和2005年ETM影像進行條帶修復(fù)，然后通過所獲研究區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)對遙感影像進行裁剪處理提取研究區(qū)影像。

此外，除了遙感數(shù)據(jù)，在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本研究還收集了伊寧市相應(yīng)年份的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，用于城市建設(shè)用地擴張驅(qū)動因素分析，數(shù)據(jù)來源于《伊犁哈薩克族自治州統(tǒng)計年鑒》；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

2.2 研究方法

2.2.1 監(jiān)督分類法 監(jiān)督分類是指在目視解譯的基礎(chǔ)上，利用已知地物樣本判別遙感影像上未知區(qū)域單元屬性類別的過程，其特點具有分類結(jié)果精度高、準(zhǔn)確性好以及與實際地物類別吻合度高等優(yōu)點［15］。本研究利用監(jiān)督分類法中的最大似然分類法（MLC），參照中國土地資源分類系統(tǒng)的土地分類標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21010—2007）及《2006—2020年新疆維吾爾自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃》［16］，同時考慮伊寧市目前土地覆被情況，把研究區(qū)LUCC劃分為建設(shè)用地、林地、草地、耕地及水體5類（圖1），進而提取城市建成區(qū)范圍，此項操作在ArcGIS軟件平臺中進行，為確保土地分類結(jié)果的精確性，采用精度評估工具（Accuracy assessment）對5期遙感影像分類結(jié)果進行精度評價，Kapper系數(shù)均達(dá)到0.80以上，滿足試驗要求。

圖1 伊寧市土地利用類型及覆被空間分布狀況

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是用來表示一定時間內(nèi)各土地利用類型之間隨時間的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)化量的方法［17］，能直觀反映出土地利用類型數(shù)量的分布特征及相互轉(zhuǎn)化的方向，具體計算公式如下：

式中，Sij為研究初期與研究末期的土地利用狀態(tài)；n為土地利用類型數(shù)。

2.2.3 建設(shè)用地擴展指數(shù) 主要引入的指標(biāo)包括城市擴張速度指數(shù)指標(biāo)、擴張強度指數(shù)和綜合擴張程度指數(shù)以揭示伊寧市城市擴張?zhí)卣骷翱臻g變化狀況。ESI表征建設(shè)用地的年均增長速率，體現(xiàn)了城市的擴展速度以及增長趨勢，但未能對研究區(qū)內(nèi)土地利用總體變化情況進行概括；EII指單位時間內(nèi)城市建設(shè)用地面積占研究區(qū)土地利用總面積的百分比，表示城市建成區(qū)在不同時期擴展的強弱程度，但缺點是未對基期建設(shè)用地面積進行考慮；EDI指數(shù)在內(nèi)梅羅公式（當(dāng)前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算的常用方法之一）的基礎(chǔ)上被提出，通過將ESI和EII2個指數(shù)指標(biāo)合成標(biāo)準(zhǔn)化得到，EDI指數(shù)兼顧前兩者優(yōu)點，彌補了ESI、EII單一指數(shù)的不足［18］。3個指標(biāo)具體計算公式如下：

式中，At和A（t+n）分別為t年和（t+n）年建設(shè)用地面積；S為研究區(qū)土地總面積。

2.2.4 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法（SDE）是通過橢圓中心、長軸、短軸及旋轉(zhuǎn)角參數(shù)來度量數(shù)據(jù)方向和分布狀況以表征城市空間擴展特征的一種方法，能精確地理清要素空間分布的中心性、方向性，揭示空間要素時空演化過程［19，20］。該方法被廣泛用于城市擴張狀況、經(jīng)濟分布格局等方面。橢圓長半軸表示數(shù)據(jù)的分布方向；其短半軸表示垂直主方向上數(shù)據(jù)的主要分布趨勢，短半軸越短，數(shù)據(jù)所表示的向心力則越明顯，扁率（長短半軸距離差值）越大，則表示數(shù)據(jù)分布的方向性越明顯。

方位角α為：

x軸標(biāo)準(zhǔn)差δx和y軸標(biāo)準(zhǔn)差δy分別為：

式中，（xi，xi）表示研究對象的空間區(qū)位；Wi表示對應(yīng)權(quán)重；（xi，yi）表示各研究對象區(qū)位到重心的坐標(biāo)偏差。

2.2.5 相關(guān)分析 相關(guān)分析是研究兩個或兩個以上相關(guān)變量間相互關(guān)系的統(tǒng)計分析方法，使用Pearson相關(guān)系數(shù)分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張的驅(qū)動因子及相關(guān)系數(shù)，變量間相關(guān)性越顯著，相關(guān)系數(shù)則越大［21］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用空間變化特征

在GIS平臺中，通過監(jiān)督分類獲得5年土地利用類型空間變化圖，即LUCC時空變化特征，由圖1、圖2可知，伊寧市土地利用/土地覆被在2000—2018年發(fā)生了明顯變化，建設(shè)用地、耕地及林地變化最為顯著，草地和水域變化較穩(wěn)定。2000—2005年城市擴展較緩慢，2005年城市化進程加快，耕地空間范圍縮退明顯，2015年建設(shè)用地取代大部分農(nóng)用耕地。2000—2005年，研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地、草地為主，兩種土地類型占比分別為45.22%、40.21%，2015年耕地及草地占比分別為36.32%、40.08%，林地面積由2000年的30.37 km2減少至2015年的10.39 km2（表2）。城市擴張形態(tài)由2000年的散射式轉(zhuǎn)變?yōu)?018年“攤大餅”式外沿擴張，同時在市區(qū)西北部低植被覆蓋草地有少部分“飛地式”建設(shè)用地。

表2 2000—2018年伊寧市不同土地利用類型面積及比例

圖2 伊寧市土地利用類型變化趨勢

伊寧市建設(shè)用地大多集中在東南部及伊犁河谷盆地，城鎮(zhèn)空間擴展呈穩(wěn)步增加，由初期的伊犁河域附近，逐漸向北遞進，北部為天山山脈，經(jīng)過實地調(diào)查，多為半荒漠草原草地及草甸草地，由于地勢等原因，土地利用及開發(fā)較為困難，導(dǎo)致建設(shè)用地選址多集中在南部的平原區(qū)；伊犁河豐沛的水資源及良好的生態(tài)環(huán)境形成了初期的伊寧市建成區(qū)，后來人地關(guān)系的不斷演變促使建設(shè)用地等人造下墊面不斷在伊犁河沿岸及中部平原及河谷盆地落成，同時機場附近還分布有零星點狀建設(shè)用地。近19年來，伊寧市建設(shè)用地空間持續(xù)擴展，面積增長加快，但建設(shè)用地區(qū)域始終集中在北部人民渠與南部伊犁河水域之間，2015年后，城市區(qū)域西北向擴展緩慢，受水域阻隔，城區(qū)已有向東北向擴張的趨勢。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過不同時期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3、表4）可得出，伊寧市2000—2018年各類土地利用類型轉(zhuǎn)移變化情況。2000—2010年，耕地轉(zhuǎn)出面積286.04 km2，是轉(zhuǎn)出面積最多的土地利用類型，其中，41.70 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，9.20 km2轉(zhuǎn)化為草地；轉(zhuǎn)入面積最多的土地利用是耕地，轉(zhuǎn)入面積255.60 km2，其次為草地。建設(shè)用地轉(zhuǎn)入91.94 km2，轉(zhuǎn)出47.54 km2，面積增加明顯。伊寧市土地利用空間范圍的劇烈變化主要由于快速城鎮(zhèn)化對建設(shè)用地的大量需求所致，而主要的轉(zhuǎn)入來源為農(nóng)用耕地及草地，所占比例分別為66.96%和31.81%。

表3 2000—2010年伊寧市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

由表4可以看出，2010—2018年，伊寧市耕地轉(zhuǎn)出面積255.22 km2，為面積最多的土地轉(zhuǎn)出類型，其中，28.56 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，其他類型土地利用轉(zhuǎn)入較少；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為127.51 km2，主要來自耕地，來自草地占比較少。相比2000—2010年，近8年間建設(shè)用地增長轉(zhuǎn)入面積增加，建成區(qū)擴張速率有所下降。

表4 2010—2018年伊寧市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

3.3 城市擴展分析

伊寧市不同時段的城市建設(shè)用地擴張指數(shù)如表5所示。2000—2018年，近19年間建設(shè)用地共擴展了80.03 km2，與2000年建設(shè)用地面積相比，增加了1.68倍。2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3個時間段城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴展面積分別為5.40、39.01和35.62 km2，分別占19年間擴張面積的6.66%、48.14%和45.19%；ESI分別為2.27%、14.73%、4.84%；ESI分別為0.17%、1.23%、1.12%，2005—2010年（中期5年）建設(shè)用地擴張速率及強度最大，表明這5年間伊寧市建設(shè)用地呈加速擴張態(tài)勢，后期擴張強度有輕微下降趨勢。

表5 伊寧市2000—2018年間城市建設(shè)用地擴張情況

3.4 伊寧市空間分異特征分析

利用ArcGIS 10.7軟件建立伊寧市城區(qū)建設(shè)用地的空間點格局，在伊寧市范圍內(nèi)生成隨機樣點，然后將隨機點樣層與研究區(qū)建設(shè)用地進行疊加分析，計算研究區(qū)2000—2018年建設(shè)用地空間分布橢圓（圖3）。2000—2018年間，伊寧市建設(shè)用地擴張總體呈“東南-西北”空間分布格局，人造下墊面及城鎮(zhèn)用地主要分布在伊寧市老城區(qū)中心，2000—2005年，橢圓重心有緩慢向西北移動趨勢，前期5年城市化進程較緩慢，建設(shè)用地擴張強度較低，2010—2015年（中期5年）重心移動明顯，城市建設(shè)用地變化強度加大，由于地理位置影響，南部人民渠水域與北部伊犁河流域限制了建設(shè)用地的擴張，2010—2018年后期建設(shè)用地擴張速率降低，重心轉(zhuǎn)移變?nèi)?，伊寧市建設(shè)用地已有向人民渠水域與伊犁河流域夾角處即西北向擴張的趨勢。

圖3 2000—2018年伊寧市城市擴展標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

由表6可以看出，伊寧市建設(shè)用地面積持續(xù)擴張的過程中，短半軸持續(xù)增加，隨著年份增加增幅變大，尤其2010年和2018年變化趨勢增大且離散程度增加。2000—2010年，扁率增幅持續(xù)上升，建設(shè)用地西北向擴張，方向性趨于明顯，而2010—2018年，長半軸增幅變小，扁率呈下降趨勢，建設(shè)用地趨于均衡擴張，方向性不如此前年份明顯。

表6 2000—2018年伊寧市城市擴展空間分布SDE參數(shù)

3.5 城市空間擴展驅(qū)動因素分析

3.5.1 自然因素 自然地理環(huán)境是城市形成與發(fā)展的基礎(chǔ)，地勢、地貌等自然因素主導(dǎo)著城市空間擴張形態(tài)的演變及土地覆被變化形式，某種程度上對城市擴展有一定的約束作用。新疆伊寧市位于伊犁河谷盆地中央，市區(qū)北依天山支脈科古爾琴山，南瀕伊犁河，整體地勢北高南低，北部巨大山脈導(dǎo)致近19年伊寧市城市擴展范圍主要集中在南部伊犁河沖擊平原。隨著時間推移，北部山地區(qū)域雖然出現(xiàn)一定面積的建設(shè)用地，但地塊破碎化明顯，且不集中連片，利用潛力較低，建設(shè)用地受到明顯制約。伊犁河從區(qū)內(nèi)南沿由東向西蜿蜒流過，北部人民渠由東北流經(jīng)市區(qū)匯入伊犁河，導(dǎo)致南部建設(shè)用地擴展只能在兩條河流夾角處。2000—2015年城市急劇向西北擴展，直至河流邊緣，西北方向擴展空間明顯受限，隨后建設(shè)用地擴展呈東北向轉(zhuǎn)移的趨勢。

3.5.2 社會經(jīng)濟因素 已有研究表明［21］，經(jīng)濟發(fā)展、人口增長等社會經(jīng)濟因素對城市擴張具有直接推動性。為探明伊寧市建設(shè)用地擴張的時間驅(qū)動機制，選取2000—2018年地區(qū)生產(chǎn)總值、年末人口總數(shù)、固定資產(chǎn)投資、財政支出等指標(biāo)，利用同時間段城市建成區(qū)增量與4個指標(biāo)增量通過SPSS軟件進行相關(guān)性分析，結(jié)果（表7）表明，各因素與城市建設(shè)用地面積增長量間存在較強相關(guān)性，其中財政支出與城市擴張的相關(guān)性最高，地區(qū)生產(chǎn)總值及固定資產(chǎn)投資變化量相關(guān)性次之，說明國家政策強有力地推動著區(qū)域發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，黨中央開始注重對邊疆經(jīng)濟扶持，加大了對各市縣的經(jīng)濟投資，隨著社會經(jīng)濟與二、三產(chǎn)業(yè)所占比重不斷增加，伊寧市城市化速度增加明顯，建設(shè)用地范圍不斷向原有耕地蔓延；2000年伊寧市城鎮(zhèn)人口為34.27萬人，2018年人口增至55.78萬人，近8年間人口上升了62.77%，人口總數(shù)與城市擴張呈中等相關(guān)，間接促進城市的擴展（圖4）。

表7 城市擴張驅(qū)動因素分析

圖4 城市建設(shè)用地發(fā)展與社會經(jīng)濟因素關(guān)系分析

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究利用2000—2018年間5幅Landsat TM/ETM/OLI多時相衛(wèi)星遙感影像，采用最大似然法（MLC）對伊寧市土地利用進行分類，提取城市建成區(qū)范圍，采用ESI、EII、EDI和SDE等指標(biāo)分析伊寧市2000—2018年19年間的城市空間擴張?zhí)卣骷捌潋?qū)動力因素，結(jié)論如下：

1）伊寧市持續(xù)發(fā)展過程中，耕地、草地利用類型不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；2000—2010年和2010—2018年的耕地轉(zhuǎn)出面積分別為286.04和255.22 km2，為轉(zhuǎn)出面積最多的土地利用類型，其中大部分土地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，小部分轉(zhuǎn)化為草地。

2）伊寧市建設(shè)用地面積持續(xù)增長，共增加了80.03 km2，為凈增初期的1.7倍。由標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析可得，研究區(qū)建設(shè)用地呈西北向蔓延式擴張，2005—2010年間，建設(shè)用地擴展強度最大，城市化呈急劇擴張態(tài)勢，2010年后城市擴張較之前緩慢，且由于河流阻擋，后期城市有向東北擴張的趨勢。

3）2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3個時間段城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴展面積分別為5.40、39.01和35.62 km2，ESI分別為2.27%、14.73%、4.84%，建成區(qū)不斷向西北遠(yuǎn)郊區(qū)推進，中期城市建設(shè)用地擴張變化劇烈。

4）地區(qū)生產(chǎn)總值、政府財政支出等社會經(jīng)濟因素是區(qū)域建設(shè)用地擴展的主要驅(qū)動因素，兩者相關(guān)性分別達(dá)0.78、0.99，區(qū)域的持續(xù)發(fā)展與政策密不可分；地形地勢、海拔及水域條件等自然因素影響城市擴展空間形態(tài)，河流的分割導(dǎo)致北部山地出現(xiàn)破碎不規(guī)則建設(shè)用地，緊湊度偏低。

4.2 討論

通過對伊寧市城市擴展演變格局的分析，較為全面地掌握了城市土地利用強度及建設(shè)用地的時空演變過程及形成的驅(qū)動因素，結(jié)果可為更精確地判斷伊寧市城市擴展規(guī)律及未來城市改造及區(qū)域資源可持續(xù)利用提供理論支撐。由于研究區(qū)南緣河流及北部山脈的影響，2000—2018年伊寧市城市擴張始終集中于市區(qū)南部平原地帶，伊犁河與人民渠水域的阻隔促使建設(shè)用地擴展方向有“西北→東北”轉(zhuǎn)移的趨勢。隨著城市化進程加快，城鎮(zhèn)范圍持續(xù)擴展，西南方向已無充?？衫玫?，市區(qū)東北部人民渠水域附近平原地帶還余少量可發(fā)展空間，城鎮(zhèn)通過侵占大量耕地、林地發(fā)展區(qū)域空間的過程，造成了地表植被覆蓋變化劇烈，由此也引發(fā)一些區(qū)域生態(tài)問題，此后的土地利用及城鎮(zhèn)化建設(shè)應(yīng)以資源集約利用為主，在提高土地利用效率基礎(chǔ)上實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟與社會協(xié)調(diào)發(fā)展，同時加強區(qū)域生態(tài)保護。