資源枯竭型城市建成區(qū)用地擴張時空特征

范 強，史 月，王戲游

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.廣州南方測繪科技股份有限公司 導(dǎo)航事業(yè)部，廣東 廣州 510663）

0 引言

城市建成區(qū)用地擴張為城市發(fā)展帶來城市地表溫度變化[1]、PM2.5 污染程度變化[2]和區(qū)域生態(tài)安全性變化[3]等多種城市問題.現(xiàn)今國內(nèi)外學(xué)者針對城市擴張的研究逐漸增多，其中，中國學(xué)者關(guān)于城市擴張?zhí)卣餮芯考胺治鲆灾袊?、珠三角、京津冀、江西省和武漢市等國家、省和大中發(fā)達城市為主[4-7]；國外則以亞利桑那州、美國和印度等西方南亞國家為主[8-11].國內(nèi)外對于大中城市或城市群以及發(fā)達地區(qū)的建成區(qū)用地研究逐漸升溫，但長時間序列的資源枯竭型城市建成區(qū)用地擴張研究較少.資源枯竭型城市作為獨特的城市類型，其建成區(qū)用地擴張導(dǎo)致的城市問題尤為嚴重，而且資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型是國家可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，因此，對資源枯竭型城市建成區(qū)用地擴張?zhí)卣鬟M行量化分析、合理解讀資源枯竭型城市的擴張?zhí)卣?，對資源枯竭型城市規(guī)劃及決策等有著重大意義.

綜上所述，本文利用Landsat TM/OLI 遙感影像，綜合運用RS、GIS 和景觀學(xué)相結(jié)合的方式，分析1999—2019 年阜新市建成區(qū)用地擴張的時空特征，對資源枯竭型城市的發(fā)展及轉(zhuǎn)型有著重要的參考意義.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

由圖1 可知，阜新市位于遼寧省西北部，東經(jīng)121°01′～122°56′，北緯41°41′～42°56′.下設(shè)細河區(qū)、太平區(qū)、新邱區(qū)、清河門區(qū)、海州區(qū)、彰武縣和阜新蒙古族自治縣（下文簡稱阜蒙縣）7 個行政區(qū).礦產(chǎn)資源十分豐富，是中國重要的礦業(yè)開發(fā)基地之一，除礦產(chǎn)資源外，煤層氣及地?zé)岬荣Y源也相繼被開發(fā)使用.自1897 年以來，經(jīng)過120 多年的開采，地下煤礦幾近枯竭，而且造成水污染、大氣污染、土地資源嚴重破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問題.2001 年被國務(wù)院正式認定為全國第一個資源枯竭型城市.

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采集1999 年、2004 年、2009 年、2014 年和2019 年5 個年份的Landsat TM/OLI 遙感影像（來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站：http://glovis.usgs.gov/），利用隨機森林分類方法對5 期遙感影像進行解譯.最終提取得到建成區(qū)用地的Kappa 系數(shù)為0.85～0.92，符合研究精度要求.

1.3 用地擴張時空特征

（1）城市擴張強度指數(shù)

城市擴張強度指數(shù)（UEI）表示同一城市在不同時間段的擴張強度，對于研究城市擴張強度及擴張?zhí)卣骶哂辛己玫谋碚饕饬x，公式[12]為

式中，UEIn為第n年城市擴張強度指數(shù)；分別為t2和t1時間段的城市建成區(qū)面積，m2；t為t2和t1的間隔年份.

單一時間段的城市擴張強度指數(shù)可以較好地反映出研究區(qū)域各縣區(qū)建成區(qū)用地的擴張強度，但是缺乏縣區(qū)間的橫向?qū)Ρ?，故?gòu)建城市擴張強度均指數(shù)（AUEI）為

式中，N為年份時間間隔個數(shù).

（2）Voronoi 圖變異系數(shù)

離散的點集在空間上一般分為均勻、隨機和聚集3 種空間布局分布方式.離散點集的Voronoi 圖可以較為直觀地描述區(qū)域內(nèi)建成區(qū)用地的分布情況.本文引用Voronoi 圖的變異系數(shù)來描述城市建成區(qū)用地的空間分布情況.DUYCKAERTS[13]等認為Voronoi 圖的變異系數(shù)小于33%時，點集呈均勻分布；變異系數(shù)在33%～64%時，點集呈隨機分布；變異系數(shù)大于64%時，點集呈聚集分布.本文采用的離散點集是由建成區(qū)用地的質(zhì)心集合而成.

式中，CV為Voronoi 圖的變異系數(shù)；Ai為第i個Voronoi 多邊形的面積，m2；n為Voronoi 多邊形的總數(shù).

（3）景觀格局指數(shù)

隨著時間的演變，城市建成區(qū)用地逐漸擴張，從而導(dǎo)致景觀格局隨之變化.利用景觀學(xué)中指數(shù)分析方式進行城市建成區(qū)情況分析，可以較好地反映建成區(qū)用地的演變規(guī)律.本文選用最大斑塊指數(shù)、斑塊類型比例、景觀形狀指數(shù)、結(jié)合度指數(shù)和分維數(shù)共5 個景觀格局指標.

2 城市建成區(qū)用地擴張時空格局

2.1 城市擴張強度時空分析

將1999—2004 年、2004—2009 年、2009—2014年和2014—2019 年4 期阜新市各縣區(qū)建成區(qū)用地擴張強度進行量化分析，見圖2.

圖2 阜新市各縣區(qū)用地擴張強度Fig.2 UEI of Fuxin each county area

1999—2019 年，阜新市各縣區(qū)的建成區(qū)面積不斷增加，不同時間段內(nèi)各縣區(qū)擴張強度存在較大差異.1999—2019 年，彰武縣的UEI指數(shù)在阜新市各縣區(qū)內(nèi)維持在最高數(shù)值.1999—2004 年，細河區(qū)的UEI指數(shù)位于彰武縣之后，阜蒙縣次之，海州區(qū)、清河門區(qū)、太平區(qū)和新邱區(qū)UEI指數(shù)均處于0.04%以下.2004—2009 年，阜蒙縣UEI指數(shù)超過細河區(qū)，細河區(qū)為0.0472%，其余海州區(qū)、清河門區(qū)、太平區(qū)和新邱區(qū)四區(qū)依然維持在0.04%以下.2009—2014 年，阜蒙縣和細河區(qū)UEI指數(shù)為0.092%和0.043 6%，清河門區(qū)首次達到0.04%，海州區(qū)、太平區(qū)和新邱區(qū)依然處于0.04%以下.2014—2019 年，海州區(qū)、新邱區(qū)和太平區(qū)的擴張強度維持在0.04%以下，其余各縣市的擴張強度處于0.04%之上.另外通過AUEI指數(shù)橫向?qū)Ρ雀沸率懈骺h區(qū)建成區(qū)用地擴張強度，可以得知，20 年間，阜新市各縣區(qū)的建成區(qū)用地擴張強度均指數(shù)以彰武縣為首；阜蒙縣和細河區(qū)在其之后；海州區(qū)、清河門區(qū)、太平區(qū)和新邱區(qū)的AUEI指數(shù)較小.

2.2 城市建成區(qū)用地分布模式

根據(jù)阜新市各縣區(qū)建成區(qū)用地質(zhì)心構(gòu)成的點集生成Voronoi 圖，計算變異系數(shù)Cv值見圖3.

圖3 各縣區(qū)變異系數(shù)Fig.3 variation index of each county district

Voronoi 圖的變異系數(shù)Cv可以較為直觀地表示城市建成區(qū)用地分布情況，由圖3 可以看出阜蒙縣在1999—2019 年，呈現(xiàn)均勻分布模式，變異系數(shù)值均小于33%；海州區(qū)的變異系數(shù)在各年趨近于64%，總體為隨機分布模式；清河門區(qū)在1999—2004 年從聚集模式轉(zhuǎn)為隨機模式后，在2004—2019 年保持聚集模式分布；太平區(qū)的變異系數(shù)在1999—2019 年逐年遞減，但總體分布模式為聚集模式；細河區(qū)的變異系數(shù)維持在33%以下，屬均勻分布模式；新邱區(qū)1999—2019 年的變異系數(shù)均大于64%，保持在聚集模式；而彰武縣的整體分布模式是由均勻分布轉(zhuǎn)為隨機分布，變異系數(shù)數(shù)值呈“V”型分布.

2.3 景觀生態(tài)效應(yīng)

由圖4 可以看出，1999—2019 年阜新市各縣區(qū)的景觀格局變化趨勢.海州區(qū)、太平區(qū)、新邱區(qū)和清河門區(qū)的LPI指數(shù)在1999—2019 年保持穩(wěn)定態(tài)勢，阜蒙縣和彰武縣呈現(xiàn)下降趨勢，細河區(qū)則呈現(xiàn)上升趨勢，表示海州區(qū)、太平區(qū)、新邱區(qū)和清河門區(qū)的建成區(qū)用地優(yōu)勢斑塊地位幾乎沒有改變；阜蒙縣和彰武縣的優(yōu)勢斑塊地位有所下降，而細河區(qū)則出現(xiàn)上升態(tài)勢.所有縣區(qū)的PLAND指數(shù)呈現(xiàn)逐年增長趨勢，其中細河區(qū)和清河門區(qū)增長的線條更為陡峭，說明20 年間，城市建成區(qū)的面積相對自身來說，增長的幅度較大.海州區(qū)、細河區(qū)、新邱區(qū)、太平區(qū)和清河門區(qū)的LSI指數(shù)變化較為平緩，1999—2019年，形狀幾乎沒有太大的改變；而彰武縣和阜蒙縣呈現(xiàn)的波動性十分巨大，二者的數(shù)值都有增大后穩(wěn)定的趨勢，彰武縣變化幅度較大.海州區(qū)、太平區(qū)和新邱區(qū)在COHESION指數(shù)上表現(xiàn)為變化較為平緩，但是數(shù)據(jù)值較大，說明三區(qū)內(nèi)部建成區(qū)用地的連通性較好；細河區(qū)建成區(qū)用地的內(nèi)部連通性也在不斷地增大；隨著時間的變化，阜蒙縣、彰武縣和清河門區(qū)的建成區(qū)用地內(nèi)部連通性較差，其中以彰武縣變化最為明顯.PAFRAC指數(shù)作為一個衡量建成區(qū)用地受人為干擾程度的指數(shù)，在1999—2019 年表示為清河門區(qū)和海州區(qū)受人為干擾程度振蕩遞減；其余5 縣區(qū)，受人為干擾程度總體呈上升趨勢，其中彰武縣在2009 年以后受人為干擾程度最大.

圖4 各縣區(qū)景觀格局指數(shù)變化Fig.4 landscape pattern of each county area changes exponentially

3 結(jié)論

阜新市作為中國第一個資源枯竭型城市，是資源枯竭型城市的典型代表，基于1999—2019 年城市建成區(qū)用地數(shù)據(jù)，綜合運用城市擴張強度指數(shù)、擴張強度均指數(shù)、Voronoi 圖變異系數(shù)Cv和景觀格局指數(shù)對城市擴張強度、用地分布模式及景觀生態(tài)效應(yīng)進行分析，得出結(jié)論：

（1）1999—2019 年，隨著阜新市各縣區(qū)建成區(qū)用地面積逐漸增加，建成區(qū)范圍逐漸擴大，城市擴張強度也隨之發(fā)生變化.從全市視角來看，東部城市擴張強度高于西部，整體的擴張中心由西部向東部移動.其中，彰武縣的擴張強度變化程度最大，呈高速擴張趨勢.2009 年以后，由于資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型工作不斷推進，致使除細河區(qū)外的所有縣區(qū)城市擴張強度變大；而細河區(qū)的城市擴張強度在20 年間，基本保持相對穩(wěn)定的趨勢.

（2）由于阜新市各縣區(qū)建成區(qū)建設(shè)情況不均.各縣區(qū)的用地分布模式以聚集、隨機和均勻3 種分布模式共存，其中阜蒙縣和細河區(qū)呈均勻分布模式；太平區(qū)和新邱區(qū)呈聚集分布模式；海州區(qū)呈隨機分布模式；而彰武縣和清河門區(qū)則由于建成區(qū)用地的擴張，用地分布模式發(fā)生了轉(zhuǎn)換.

（3）20 年間，阜新市各縣區(qū)建成區(qū)用地面積不斷增大，人類與自然相互作用程度也不斷增大，景觀格局隨之發(fā)生較大的變化.其中彰武縣、阜蒙縣和細河區(qū)的優(yōu)勢斑塊地位發(fā)生了明顯改變；所有縣區(qū)的建成區(qū)面積均呈上升趨勢，導(dǎo)致建成區(qū)用地內(nèi)部連通性演變趨勢也隨之變化；從建成區(qū)用地形狀上來說，彰武縣和阜蒙縣波動情況較為明顯，且彰武縣受人為干擾程度較大.

（4）從縣區(qū)尺度上分析阜新市建成區(qū)用地時空擴張?zhí)卣?、用地分布及景觀格局，對深刻了解阜新市建成區(qū)用地擴張?zhí)卣骶哂兄匾饬x.但是資源枯竭型城市的建成區(qū)用地擴張是一個集經(jīng)濟、社會、政策和環(huán)境等多種元素影響的過程，本文以阜新市為例，對于資源枯竭型城市的用地擴張分析的不夠全面，在后續(xù)的研究中將進一步對不同類型的資源枯竭型城市進行分析，從而全面地分析資源枯竭型城市建成區(qū)用地演變規(guī)律.