徐州市城市不透水面變化及其影響因素分析

石春艷，張連蓬，趙 清

（1.江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院， 江蘇 徐州 221000；3.江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，江蘇 徐州 221000）

不透水面是指由水泥等筑成，阻止水分滲入到土壤中的一種人工地表類型，一般由建筑、道路、廣場等構成[1]。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的不斷提高，建設用地面積大幅增加，不透水面覆蓋度也隨之上升。不透水面的擴展為城市發(fā)展拓展了空間，也為改善生產(chǎn)、生活條件提供了基礎。同時也引起了城市地域下墊面結構的變化，進而引起城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化[2]。因此，利用不透水面信息研究城市空間發(fā)展、土地利用/覆被變化及其生態(tài)環(huán)境效應，已受到城市規(guī)劃學、地理學、遙感科學、生態(tài)學、環(huán)境學等學科的高度重視。

隨著RS和GIS技術的發(fā)展，不透水面信息的獲取已較為便捷和成熟[3-4]。自Ridd提出植被、土壤、不透水面3種地表覆被分類模型后，Wu等[5]結合V-I-S 模型運用LSMA模型提取了美國Columbus地區(qū)的不透水面信息。徐涵秋[6]采用復合波段形式，利用不同地表反射率的強弱，提出了歸一化差值不透水面指數(shù)（NDISI），可快速提取較大范圍內(nèi)地表不透水面信息，該方法不用進行水體掩模，能有效減少陰影的影響，最大限度突出地表不透水面信息，國內(nèi)學者對該方法進行了大量的運用和驗證[7-10]。目前不透水面信息的應用研究多集中于城區(qū)不透水面變化特征及其環(huán)境效應，研究區(qū)域主要是北京、上海、南京、廣州、西安等特大城市[11-15]，市縣級城市關注較少。大城市地價、房價持續(xù)上漲，部分企業(yè)和人口為降低生產(chǎn)生活成本，有向中小城市遷移趨勢，尤其是隨著“新型城鎮(zhèn)化”的落實和“新農(nóng)村建設”的推進，及基礎設施快速現(xiàn)代化，城鄉(xiāng)不透水面的面積正發(fā)生顯著變化。因此，中小城市不透水面變化研究應受到足夠重視。

綜上可知，城市不透水面是一種重要的下墊面或地表覆被類型，其與建設用地有密切關系，但又不同于一般意義上的建設用地。城市不透水面變化是人類經(jīng)濟社會發(fā)展的結果，同時也會影響到人類經(jīng)濟社會和環(huán)境，因此不透水面變化信息可視為人地關系特性的直觀反映。在發(fā)展新型城鎮(zhèn)化背景下，對各類城市不透水面變化及其形成機制、生態(tài)環(huán)境效應的分析，有助于了解城市發(fā)展過程和現(xiàn)狀特點，預測城市未來發(fā)展格局，也可為城市規(guī)劃、城市可持續(xù)發(fā)展及城市人地關系性質(zhì)研究提供新途徑。本文以徐州市為研究區(qū)域，擬分析研究區(qū)內(nèi)不同等級和類型城市的不透水面時空變化特征及其影響因素。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省北部，為蘇魯豫皖四省交接處，地處33°43′N～34°58′N、116°22′E～118°40′E間，市域包括徐州市區(qū)及所轄的泉山、鼓樓、云龍、賈汪、銅山等5個區(qū)，豐縣、沛縣、邳州市、新沂市、睢寧縣等5個縣市，總面積11258km2。黃河和京杭大運河縱橫穿過市域，也是京滬線、隴海線等鐵路的交匯點，是我國重要的交通樞紐，同時也是徐州都市圈、淮海經(jīng)濟區(qū)的中心城市。圖1為研究區(qū)市域的區(qū)位示意圖。

圖1 研究區(qū)示意圖

徐州市地處黃淮海平原的中南部，主要是平原地貌，地勢由西北向東南緩降，局部有少數(shù)石灰?guī)r殘丘。徐州屬暖溫帶濕潤半濕潤季風氣候，年均溫約14℃，年均降水量800～930mm，四季分明、光照充足、雨熱同期，利于農(nóng)作物的生長，是江蘇省重要的商品糧生產(chǎn)基地。市內(nèi)沂河、沭河、京杭大運河和故黃河穿境而過，瀕臨駱馬湖和微山湖。此外，還有眾多水庫，境內(nèi)大小水庫與河、湖、溝、渠等構成了完整的水網(wǎng)系統(tǒng)，徐州市區(qū)有“半城青山半城湖”的美譽，并獲得了2018年的聯(lián)合國人居環(huán)境獎。此外徐州礦產(chǎn)資源富集，有煤、鐵、大理石等30多種礦產(chǎn)，儲存量大、品位高，其中煤炭儲量達69億噸，號稱“百里煤?！保俏覈匾拿禾慨a(chǎn)地和華東地區(qū)電力基地。

自改革開放以來，徐州市經(jīng)濟社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。2017年，徐州市地區(qū)生產(chǎn)總值達到6605.95億元、在全國地級市中位列29位。在經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，徐州市區(qū)及其所轄市縣的城鎮(zhèn)建設也不斷發(fā)展，城市建成區(qū)迅速擴張。在城市規(guī)劃建設中，徐州市堅持不同等級城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展，初步形成以徐州市區(qū)為核心，以所轄5縣市城區(qū)為骨干，30個重點鎮(zhèn)區(qū)為基礎的新型城鎮(zhèn)等級體系（見表1）。

據(jù)表1可知，徐州市區(qū)及其所轄市縣總體經(jīng)濟社會發(fā)展較高，共同特點是第二產(chǎn)業(yè)比重較高，且都較為接近。但6個單元據(jù)其人均生產(chǎn)總值及其產(chǎn)業(yè)結構差異可分為3種類型：徐州市區(qū)作為中心城市，綜合實力最強，第三產(chǎn)業(yè)比重最高；經(jīng)濟社會發(fā)展水平較低的豐縣和睢寧縣，第一產(chǎn)業(yè)比重較高，人均生產(chǎn)總值也最低；沛縣、邳州市和新沂市屬于綜合實力較強的地區(qū)，都是多年入圍全國經(jīng)濟百強縣。

表1 2017年徐州市區(qū)及所轄市縣經(jīng)濟社會主要指標

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要分析研究區(qū)內(nèi)的徐州市區(qū)（包括5個區(qū)）、邳州市區(qū)、新沂市區(qū)、豐縣縣城、沛縣縣城、睢寧縣城等6個單元的城市不透水面變化狀況，研究數(shù)據(jù)包括：①源自美國地質(zhì)調(diào)查局（https://glovis.usgs.gov/）1997年和2007年Landsat-5TM遙感數(shù)據(jù)，及2017年Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m，詳細參數(shù)見表2。②徐州市區(qū)及下轄5縣市的矢量圖等。③各行政單元的《經(jīng)濟社會統(tǒng)計年鑒》、《城市總體規(guī)劃》和《土地利用總體規(guī)劃》等。

表2 研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)信息表

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

首先使用ENVI5.1軟件對3個時相的遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌、圖像裁剪等預處理，獲得研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)，然后利用各研究單元的矢量數(shù)據(jù)進行剪裁，圖2為數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 不透水地表信息提取流程

1.2.3 不透水面提取

本文采用了改進型的歸一化不透水面指數(shù)法獲取研究區(qū)不透水面信息[16]。指數(shù)法中水體對不透水面的提取影響較小，不需要事先對水體掩脫。城市內(nèi)地表覆蓋類型主要由不透水面、植被、裸土、水體等4類構成，利用不透水面與裸土在可見光波段光譜特征相似，在近紅外、短波紅外波段光譜差異明顯的特性，將二者進行差值運算可以最大程度突出不透水面信息，其表達式為：

式中，MNDISI為改進型歸一化不透水面指數(shù)；RN、RS、RB分別代表近紅外、短波紅外、藍波段反射率值（對應TM影像的4、5、1波段和OLI影像的5、6、2 波段）。由于MNDISI指數(shù)具有歸一化特征，其數(shù)值在-1～1之間[9,16]，因此需要設置閾值來剔除干擾信息，突出不透水面信息。通過對照原始遙感影像，目視解譯來確定不透水面的閾值，最終得到研究區(qū)不透水面的二值化圖像。圖3為徐州市主城區(qū)及所管轄縣市1997年、2007年和2017年的城市不透水面分布圖。

圖3 研究區(qū)1997、2007、2017年不透水面分布

1.2.4 精度驗證

由于閾值法提取不透水面后生成的圖像為二值圖像，無法直接計算kappa系數(shù)，所以采用迭代次數(shù)為一次的ISODATA算法將二值圖像轉變?yōu)镋NVI標準分類圖像，最終獲取的分類結果與二值圖像具有一致性。本文精度驗證選用Google Earth作為對比驗證材料，在ENVI分類結果中隨機選取200個樣本點進行驗證，并進行人工判讀，最終獲取縣市主城區(qū)不透水面提取精度，結果見表3。據(jù)表3可知，kappa系數(shù)均大于0.7，3個時期的不透水面提取精度均高于85%。研究表明運用歸一化不透水面指數(shù)法提取不透水面簡單快捷且精度高。

表3 精度驗證

2 研究區(qū)不透水面變化特征分析

2.1 時間變化特征

將1997年、2007年、2017年3個時期的不透水面提取結果做差值，再進行小斑塊處理，過濾掉面積較小的斑塊得到差值圖像。圖4為徐州市主城區(qū)及所管轄縣市1997年、2007年和2017年的城市不透水面變化圖。

圖4 研究區(qū)各個時期的不透水面變化

利用ArcGIS10.2通過計算像元個數(shù)獲得不透水面面積，表4是徐州市主城區(qū)及所轄市縣的3個年份的城市不透水面及其變化狀況。

表4 研究區(qū)1997、2007、2017年的城市不透水面 及其變化狀況

據(jù)表4可知，研究區(qū)城市1997－2017年間不透水面變化特征主要有：

1）全市的城市不透水面以每年年均4%的增長率持續(xù)增長，期間城市不透水面總面積增長了一倍，目前城市不透水面已達全市總面積的10%左右。前期（1997－2017）的增長率為4.37%，后期（2007－2017）為3.64%，因此不透水面增長率總體上有減緩的趨勢。

2）城市不透水面變化特征具有顯著的地域差異。在6個研究單元中，盡管各單元各時期都是增長型，但增長幅度差異很大，最高的達9.14%，最低的僅0.39%。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)各單元不透水面前后期增長率變化特點，可分3種變化模式：①持續(xù)穩(wěn)定型，特點是持續(xù)增長，但增幅略有減緩，如徐州市區(qū)；②先快后慢型，特點是前期擴張速度較快，后期明顯降低，如豐縣城區(qū)、邳州市區(qū)、睢寧縣城區(qū)；③先慢后快型，特點是前期增長較慢，后期增度明顯加快，如沛縣縣城、新沂市區(qū)。

3）城市特性與不透水面變化特點有密切關系。城市區(qū)域的綜合實力越強，經(jīng)濟社會發(fā)展水平越高，其不透水增速的變化幅度越小，如徐州市區(qū)變幅最小，而豐縣和睢寧縣變幅最大。

4）同類或同級城市的不透水面的總面積的差距有不斷縮小的趨勢。1997年面積最大的與面積最小的比為3.6，2007年為1.9，而2017年則降為1.6。同時， 最大面積城市和最小面積城市也不是固定不變的， 實際上一直在變化中。

2.2 空間變化特征

對比分析圖3、4可以看出，研究區(qū)不透水面空間變化特征主要有：

1）始終保持了團塊狀格局，并且得到了進一步強化。6個研究單元的不透水面形狀，早期以一個集中的團塊為主，個別有副中心，但副中心一般也呈團塊狀。經(jīng)過20a的發(fā)展變化，原主要的團塊中心與原副中心或新形成的副中心逐漸融合，團塊狀結構得以加強。目前團塊狀空間結構都是以主城中心不透水面密度較高，集中連片，隨著距城中心距離的變大，不透水面密度降低，更為分散。

3）空間格局變化方式具有多樣性。目前的團塊狀結構的形成方式主要有3種：①逐步蔓延式，即新增不透水面以原團聚式主中心和副中心為基礎逐步向外蔓延，如徐州市區(qū)、沛縣城區(qū)，該形式的不透水面年均增長率變幅較小，呈穩(wěn)步增長態(tài)。②先外擴后內(nèi)填式，該模式的不透水面變化一般是前期快速增長，后期增速急劇下降，如豐縣縣城、睢寧縣城。 ③先內(nèi)填后外擴式：該模式不透水面增長方式較為復雜，既可是先快速增長后慢增，也可以是先慢增后快增，如邳州城區(qū)、新沂城區(qū)。

2）空間格局變化過程多是點-軸-面的順序。首先是出現(xiàn)分離的副中心，這些副中心一般是工業(yè)園區(qū)、新行政中心、新住宅區(qū)等，軸線主要是交通線路和河流等，經(jīng)過一段時間的發(fā)展，副中心逐漸通過沿軸線擴展的新增面積與主城區(qū)融合，形成新的團塊 結構。

3 不透水面變化的影響因素

3.1 自然地理條件因素

自然條件對城市不透水面的變化的影響是顯而易見的，其既可起到強化作用，也可作為限制性因素，其作用還與經(jīng)濟社會發(fā)展因素間有密切聯(lián)系?？傮w而言，自然條件對不透水面變化的影響主要是影響了城市不透水面的空間格局及其形成過程。

地形是影響城市不透水面空間總體格局的重要因素。徐州市以平原地形為主，地勢變化緩和，這是不透水面呈團塊狀的自然基礎。但局部的地形變化也會影響到不透水面的覆蓋度、聚集度和擴展方向，如市內(nèi)的銅山區(qū)因有部分丘陵存在，導致不透水面斑塊數(shù)量增多，面積變小，聚集度降低。

水文條件則多是影響城市不透水面擴張方向。河流沿岸地區(qū)地勢平坦，環(huán)境承載力大，通航能力強，因此早期城市也多依河而建，并沿河擴張。新沂市區(qū)和邳州市區(qū)分別由沂河和京杭大運河從南向北穿過，邳州市不透水面沿河向北擴展，而新沂市不透水面沿河向南擴張。

自然資源，如礦產(chǎn)資源、旅游資源等是城市不透水面副中心形成的重要原因。如徐州市賈汪區(qū)由最初的煤炭資源開發(fā)再到后來的濕地旅游資源開發(fā)，導致不透水面副中心形成；沛縣北部煤炭資源豐富，是大屯煤電集團公司所在地，集團公司對煤炭資源的開發(fā)也導致不透水面增加。

此外，自然條件有時也是引起不透水面向透水面轉化的原因，如城區(qū)中的水域附近因綠化植被增多，導致部分不透水面向透水面轉化。

3.2 經(jīng)濟社會發(fā)展因素

3.2.1 不同經(jīng)濟社會發(fā)展指標的作用

評價區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展狀況的指標很多，這些指標與不透水面的形成有直接或間接關系，理論分析可知，不同經(jīng)濟指標與不透水面變化間的關系也是不同的。為進一步確定不同經(jīng)濟指標與不透水面變化間的關系，本文選取地區(qū)生產(chǎn)總值等8個常用的經(jīng)濟社會指標，并利用熵值法[17]計算了各指標的權重，結果 如表5所示。據(jù)表5可知，對研究區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展狀況影響排在前列的分別是建筑業(yè)增加值、年末總人口、政府財政支出、第二產(chǎn)業(yè)增加值。

表5 熵值法計算權重結果

為進一步明確社會經(jīng)濟因素與城市不透水面的相關性，將社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)與城市不透水面做相關性分析，結果如圖5、6所示。結果顯示研究區(qū)的主要經(jīng)濟指標、社會指標與不透水面間呈顯著正相關，這表明1997－2017年間，徐州市的經(jīng)濟發(fā)展、人口增長導致建設用地的需求也持續(xù)增長，這是導致不透水面增長的根本原因，其中不透水面與政府財政支出的相關擬合系數(shù)為R2=0.985、與第二產(chǎn)業(yè)增加值的相關擬合系數(shù)為R2=0.965、與建筑業(yè)增加值的相關擬合系數(shù)為R2=0.76、與人口的相關擬合系數(shù)為R2=0.739，這說明經(jīng)濟指標與城市不透水面的相關性要高于人口與城市不透水面的相關性，即研究區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展對城市不透水面變化的影響要大于人口因素的影響。

圖5 經(jīng)濟指標與不透水面的關系

3.2.2 不同經(jīng)濟社會發(fā)展水平的作用

研究區(qū)內(nèi)6個單元分屬地級市、縣級市、縣區(qū) 3種類型，其經(jīng)濟發(fā)展水平也存在明顯差異。為進一步了解經(jīng)濟發(fā)展水平與不透水面變化的關系，本文對 6個研究單元分別進行不透水面與經(jīng)濟社會指標的相關性分析，結果如圖7所示。結果表明經(jīng)濟發(fā)展水平較高的徐州市區(qū)、邳州市、新沂市的經(jīng)濟指標與不透水面變化的相關性由高到低分別為：財政支出R2=0.9953、建筑業(yè)增加值R2=0.9872、第二產(chǎn)業(yè)增加值R2=0.952，即3個經(jīng)濟指標與不透水面變化都呈高度相關，表明不透水面的變化是多種經(jīng)濟因素影響的綜合結果，即基礎設施建設、住宅和產(chǎn)業(yè)發(fā)展共同促進了不透水面的增長。但經(jīng)濟社會發(fā)展水平較低的豐縣縣城、睢寧縣縣城經(jīng)濟指標與不透水面的相關性由高到低分別為：財政支出R2=0.9742、第二產(chǎn)業(yè)增加值R2=0.6111、建筑業(yè)增加值R2=0.4422，由此可見，其不透水面變化主要受財政支出的影響，其城市不透水面增長變化主要是政府投入進行基礎設施建設與完善的結果，居住和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是次要 原因。

圖7 市級城市和縣級城市不透水面與經(jīng)濟指標相關性擬合

圖6 人口變化與不透水面的關系

為驗證上述結論，將徐州市區(qū)、邳州市、新沂市不透水面前后期變化特點與其建筑業(yè)增加值、政府財政支出、第二產(chǎn)業(yè)增加值的前后期變化特點進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的吻合度，這說明綜合經(jīng)濟實力較強的城市不透水面變化影響因素較多，是多因素綜合作用的結果。

4 結 語

4.1 主要結論

本文以徐州市為研究區(qū)，基于1997年、2007年和2017年遙感數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)近20 a來的城市不透水面時空變化特征及其影響因素。研究得出的主要結論有：

1）研究區(qū)內(nèi)6個研究單元的不同時期的城市不透水面都是以不同速率增長，20 a間城市不透水面總面積增加了一倍。因此，隨著城鎮(zhèn)化進程和城市經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市不透水面增長是一種普遍現(xiàn)象和必然趨勢。

2）研究區(qū)內(nèi)6個研究單元在不同時間段內(nèi)城市不透水面的增速差異很大，根據(jù)不透水面前后期增長率變化特點，可分持續(xù)穩(wěn)定型、先快后慢型和先慢后快型，根據(jù)空間格局變化方式可分逐步蔓延式、先外擴后內(nèi)填式和先內(nèi)填后外擴式，這表明即使在同一個研究區(qū)域內(nèi)，其城市不透水面時空變化特征也存在復雜的內(nèi)部差異，這說明城市不透水面變化是多因素復雜作用的結果。

3）研究區(qū)內(nèi)城市不透水面變化仍有一定共性特征。如：城市區(qū)域綜合實力越強，經(jīng)濟社會發(fā)展水平越高，其不透水增速的變化幅度越??；同類或同級城市的不透水面的總面積的差距有不斷縮小的趨勢；不透水面空間結構始終呈團塊狀，并有進一步強化的趨勢；點-軸-面的擴展過程是不透水面空間演化的主要形式。

4）研究區(qū)內(nèi)，自然條件和經(jīng)濟社會發(fā)展狀況對城市不透水面變化都有顯著作用，自然條件主要影響了不透水面空間結構形式和空間變化方向，而經(jīng)濟社會因素主要影響了城市不透水面變化的規(guī)模和速率。

5）研究表明，研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展因素對城市不透水面變化的作用要大于人口因素的作用；經(jīng)濟社會發(fā)展水平較高，綜合實力較強的城市，不透水面變化受多種經(jīng)濟因素綜合作用，基礎設施建設、住宅和產(chǎn)業(yè)發(fā)展共同促進了不透水面的增長，而經(jīng)濟社會發(fā)展水平較低的城市，不透水面變化主要受財政支出影響，城市不透水面增長變化主要是政府投入進行基礎設施建設與完善的結果。

4.2 討 論

1）研究中發(fā)現(xiàn)，運用歸一化差值不透水面指數(shù)法提取不透水面信息時，城中心高樓產(chǎn)生的陰影部分以及部分紅色的地物，如塑膠跑道、紅色屋頂?shù)鹊匚镆妆划斪魍杆嫣蕹?/p>

2）本文研究得出的結論僅適用于徐州市，其是否具有遷移價值，需要進行更多的實際研究驗證。

3）不透水面持續(xù)擴張必然對城市景觀和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，進一步研究不透水面的生態(tài)環(huán)境效應，為城市規(guī)劃、協(xié)調(diào)城市人地關系和城市可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)，是今后不透水面變化研究的重心。