基于遙感的宜春主城區(qū)城市空間擴(kuò)展時(shí)空特征及形態(tài)演變

羅嘉東 華怡凱 熊光康 汪盛民 喻龍華

摘 要：基于宜春市多時(shí)相Landsat TM遙感影像提取不同時(shí)期城市建設(shè)用地信息，采用景觀指數(shù)法等空間方法對(duì)宜春市袁州區(qū)城市擴(kuò)張?zhí)卣骱托螒B(tài)演變進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，2000—2018年間宜春市建設(shè)用地的擴(kuò)張主要通過(guò)大面積侵占耕地實(shí)現(xiàn)，城市擴(kuò)張速度快于人口增長(zhǎng)速度，不利于城市空間結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展;建成區(qū)面積持續(xù)增長(zhǎng)，外部輪廓趨于緊湊，主城區(qū)擴(kuò)張減弱，城市擴(kuò)張的方向主要集中在袁州區(qū)東部和北部;城市擴(kuò)張過(guò)程中緊湊指數(shù)降低，土地利用開(kāi)發(fā)程度較低，建成區(qū)由緊變松。

關(guān)鍵詞：城市擴(kuò)張;演變;宜春;Landsat TM

中圖分類(lèi)號(hào) S757.2;P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2021）21-0182-04

Abstract： In this paper， the multi temporal Landsat TM remote sensing image of Yichun city is used to extract the urban construction land information in different periods. The spatial methods such as landscape index method are used to quantitatively analyze the urban expansion characteristics and morphological evolution of Yuanzhou District in Yichun city. The results show that， from 2000 to 2018， the expansion of construction land in Yichun city is mainly realized by large-scale occupation of cultivated land. Urban expansion is faster than population growth， which is not conducive to the sustainable development of urban spatial structure. The area of built-up areas continued to increase， mainly in the East and north of Yuanzhou district. In the process of urban expansion， the compactness index decreases， the degree of land use and development is low， and the built-up area changes from compact to loose.

Key words： Urban expansion; Evolution; Yichun; Landsat TM

城市是人類(lèi)走向文明和成熟的標(biāo)志，是人類(lèi)建立的“自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，城市空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展是衡量城市化的重要指標(biāo)[1，2]。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)發(fā)展水平低，但發(fā)展快，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，局部自然生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，造成人居環(huán)境質(zhì)量下降，阻礙城市的健康可持續(xù)發(fā)展[3-5]。

宜春的城市空間擴(kuò)展及形態(tài)演變?cè)谥械瘸鞘兄芯哂幸欢ǖ牡湫托院痛硇?。?duì)于城市空間擴(kuò)張和形態(tài)演變的研究，國(guó)外起步較早，早在19世紀(jì)就對(duì)城市的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了大量研究，“杜能圈”是德國(guó)學(xué)者杜能提出的較為著名的理論[6-8]。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，基于遙感技術(shù)的城市地理學(xué)和土地利用變化研究成為熱點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)基于遙感數(shù)據(jù)研究城市擴(kuò)張和演變的多集中在北京、上海、廣州等大城市。柴寶惠等[9]結(jié)合Landsat數(shù)據(jù)和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，采用分類(lèi)后比較法，分析天津市建成區(qū)的變化信息，比僅以單一數(shù)據(jù)源的精度有顯著提高。王佳等[10]以多源遙感數(shù)據(jù)，采用梯度分析、等扇形分析等方法研究北京城市邊緣時(shí)空結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。錢(qián)志友等[11]以Landsat數(shù)據(jù)對(duì)南京城市擴(kuò)張和形態(tài)演變進(jìn)行定量分析。遲文峰等[12]利用Landsat、SPOT5、GF2遙感數(shù)據(jù)，采用線(xiàn)性光譜混合模型得到內(nèi)蒙古的土地覆蓋結(jié)構(gòu)信息，監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)和土地覆蓋變化特征。宜春作為中等城市，是長(zhǎng)江中游城市群重要成員，各個(gè)城市間城市規(guī)模、水平、地域特征等方面存在較大差異。本研究利用2000年、2002年、2014年和2018年4期Landsat TM遙感影像，對(duì)江西省宜春市袁州區(qū)進(jìn)行土地覆蓋信息提取，分析和探討宜春袁州區(qū)18年來(lái)城市空間擴(kuò)展時(shí)空特征和形態(tài)演變。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 宜春市袁州區(qū)位于江西省西北部（113°54′～114°37′E、27°33′～28°5′N(xiāo)），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，無(wú)霜期長(zhǎng)，冬季溫暖，夏季涼爽，平均氣溫18.1℃，年平均降水量1624.9mm。袁州區(qū)總面積2532.36km2，森林覆蓋率62.7%[13，14]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 數(shù)據(jù)包括2000年、2002年、2014年、2018年4期Landsat TM遙感影像（見(jiàn)表1）和宜春市袁州區(qū)政府官網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。解譯遙感數(shù)據(jù)過(guò)程中結(jié)合實(shí)地調(diào)查GPS點(diǎn)位和宜春市袁州區(qū)市域圖，TM遙感數(shù)據(jù)提取結(jié)果如圖1所示。

1.3 研究方法 采用擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)、城市蔓延指數(shù)、緊湊度指數(shù)和城市用地分形維數(shù)來(lái)揭示宜春袁州區(qū)城市擴(kuò)張速度、蔓延態(tài)勢(shì)以及區(qū)域差異特征[8，15-19]。

1.3.1 擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù) 應(yīng)用城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)反映袁州區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的程度，定量比較袁州區(qū)城市擴(kuò)張程度和速度。

式中：I為從時(shí)間i至j跨度內(nèi)城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù);Si和Sj分別表示時(shí)間i和j時(shí)期的建設(shè)用地面積;S表示土地總面積（km2）;T表示時(shí)間i至j的時(shí)間變化。

1.3.2 城市蔓延指數(shù) 針對(duì)中小城市擴(kuò)張的無(wú)序蔓延情況，利用城市蔓延指數(shù)SI來(lái)測(cè)定宜春市袁州區(qū)的城市蔓延情況。

式中：SI為時(shí)間i到j(luò)時(shí)間段內(nèi)的城市蔓延指數(shù)，為建設(shè)用地面積與常住人口增長(zhǎng)速度之比;Si和Sj分別表示時(shí)間i和j時(shí)期的建設(shè)用地面積（km2）;Pi和Pj分別表示時(shí)間i和j時(shí)期的常住人口數(shù)量（萬(wàn)人）。

1.3.3 緊湊度指數(shù) 城市外圍輪廓形態(tài)緊湊度是反映空間斑塊完整性和聚集程度的指標(biāo)，值介于0～1，值越大表明城市斑塊越具有緊湊性，相反則緊湊性越差。

式中：C為城市外圍緊湊度指數(shù);S為建成區(qū)面積（km2）;P為城市外圍輪廓周長(zhǎng)（km）。

1.3.4 城市用地分形維數(shù) 城市用地分形維數(shù)用來(lái)描述城市邊界形狀的曲折性和復(fù)雜性。

式中：S為第i年城市斑塊分形數(shù);li和Pi分別為第i年城市斑塊面積（km2）和周長(zhǎng)（km）。S理論取值在1～2，維數(shù)越大表示形狀越復(fù)雜。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市空間擴(kuò)展特征

2.1.1 城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù) 進(jìn)入21世紀(jì)后，全國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，特別是隨著城市新區(qū)建設(shè)速度加快，城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)極其迅速。2000—2018年間宜春袁州區(qū)建成區(qū)域面積大幅增加，由20km2增至88km2，凈增加68km2，擴(kuò)大了4.4倍，年均擴(kuò)展3.78km2/a。由圖2可知，2014年之前，袁州區(qū)建成區(qū)面積增長(zhǎng)緩慢，之后進(jìn)入快速擴(kuò)張階段，城市建設(shè)進(jìn)入快車(chē)道;但由于袁州區(qū)全區(qū)面積大，達(dá)到2532.36km2，相比總面積而言，建成區(qū)擴(kuò)張面積較小，擴(kuò)張強(qiáng)度I僅為0.15%。

2.1.2 城市擴(kuò)展空間特征 利用ENVI提取各個(gè)時(shí)期建成區(qū)范圍，利用ArcGIS提取各個(gè)時(shí)期城市外圍輪廓。各個(gè)時(shí)期袁州區(qū)城市蔓延指數(shù)、緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)如表2所示。由表2可知，2000—2014年間城區(qū)蔓延指數(shù)穩(wěn)定在相對(duì)較小的4以下，而后上升至2018年的16.67，表明袁州區(qū)城區(qū)建設(shè)在2014年之前新增建設(shè)面積維持較低水平，而后至2018年進(jìn)入快速擴(kuò)張。緊湊度指數(shù)在2000—2002年維持在較高值，反映當(dāng)時(shí)城市建成區(qū)范圍較小，城市空間利用率較高;而后隨著高鐵新區(qū)、城北新城和工業(yè)區(qū)的發(fā)展，城市建成區(qū)不斷擴(kuò)大，但城市建成區(qū)各部分斑塊之間的緊密性逐漸降低，城市形態(tài)變得較松散，土地利用開(kāi)發(fā)程度較低，反映袁州區(qū)主城區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)由緊湊到較松散的過(guò)程。

2.1.3 城市空間擴(kuò)展分析 2000年袁州區(qū)城市主要由老城區(qū)及周邊的中心城區(qū)組成，2018年呈現(xiàn)明顯“一核三軸”的組團(tuán)式格局?！耙缓恕敝钢行某菂^(qū)，包括老城區(qū)及老城區(qū)周邊;“三軸”指中心城區(qū)至彬江和中心城區(qū)至西村和中心城區(qū)至三陽(yáng)發(fā)展軸。通過(guò)中心城區(qū)至彬江和中心城區(qū)至西村兩軸發(fā)展，加快東西交通功能軸發(fā)展，促進(jìn)宜新萍一體化進(jìn)程;通過(guò)中心城區(qū)至三陽(yáng)軸發(fā)展，推動(dòng)城市空間北拓，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)城融合。

2.1.4 城市空間擴(kuò)張過(guò)程中的土地利用變化 遵循全國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀分為建設(shè)用地、耕地、林地和水域四大類(lèi)，采用2000年和2018年Landsat TM遙感影像，采用監(jiān)督分類(lèi)方法識(shí)別城市擴(kuò)展過(guò)程中主要侵占的土地類(lèi)型。由表3可知，主要的侵占土地類(lèi)型為耕地。對(duì)比分類(lèi)識(shí)別結(jié)果如圖1所示，被侵占土地主要分布與“三軸”發(fā)展軸一致。

2.2 城市擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力

2.2.1 地形 袁州區(qū)城北和東西向存在較廣闊的平坦區(qū)域，適宜城市建設(shè)，因此成為城市擴(kuò)展的熱點(diǎn)區(qū)域。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)和人口 袁州區(qū)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大幅攀升，2000年GDP為9.21億元，2018年達(dá)300.79億元，全市增長(zhǎng)了32.66倍。袁州區(qū)人口2000年為93.31萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口22.32萬(wàn)人，2018年達(dá)107.92萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口62.44萬(wàn)人，全區(qū)凈增加14.61萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)了2.80倍。

2.2.3 行政區(qū)劃 袁州區(qū)作為宜春市委、市政府所在地，位于轄區(qū)邊界，不利于行政管理。袁州區(qū)的城鎮(zhèn)規(guī)模等級(jí)不明顯，輻射能力有限，而且轄區(qū)的東面更靠近南昌，進(jìn)一步制約了袁州區(qū)的人口吸引力。

2.2.4 政策 宜春作為長(zhǎng)江中游城市群重要成員，搶抓贛西經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展新機(jī)遇，將宜春建設(shè)為贛西地區(qū)的中心城市?！兑舜菏兄行某强傮w規(guī)劃（2008—2030年）》提出宜春中心城區(qū)將形成“一心一軸六板塊”的空間結(jié)構(gòu)布局，城鄉(xiāng)統(tǒng)籌上構(gòu)筑“一核三軸五組團(tuán)”的空間結(jié)構(gòu)。科學(xué)合理的城市規(guī)劃確定城市的發(fā)展方向、規(guī)模和布局，使整個(gè)城市的建設(shè)和發(fā)展具有有序性和持續(xù)性。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明：2000—2018年間袁州區(qū)建成區(qū)面積由20km2增加到88km2，擴(kuò)張了4.4倍，但由于轄區(qū)面積大，相比之下建成區(qū)擴(kuò)張面積較小，擴(kuò)張強(qiáng)度僅為0.15%;在此期間，袁州區(qū)東部的新城高鐵新區(qū)和北部新城發(fā)展進(jìn)入大規(guī)模擴(kuò)張期，城市擴(kuò)展空間特征明顯，主要向北和向東發(fā)展，城市重心向東北方向偏移，總體形成“一核三軸”的空間結(jié)構(gòu);但發(fā)展過(guò)程中緊湊指數(shù)降低，反映城市各個(gè)斑塊間緊密度降低，表明土地開(kāi)發(fā)程度在降低;建成區(qū)擴(kuò)張4.4倍，但人口僅增長(zhǎng)2.8倍，反映城市擴(kuò)張過(guò)快;城市擴(kuò)張過(guò)程中，以占用大量耕地為主，侵占了50.6km2，占總侵占面積的74.4%，侵占土地主要在“三軸”發(fā)展方向。由此可見(jiàn)，政府政策、城市規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市空間擴(kuò)張具有較大影響?；谶b感的城市空間擴(kuò)張研究有利于政府實(shí)時(shí)精準(zhǔn)掌握城市空間擴(kuò)展數(shù)據(jù)，對(duì)政府決策具有重要意義。

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（責(zé)編：徐世紅）