徐杰佳，臧淑英

(哈爾濱師范大學寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測與空間信息服務(wù)黑龍江省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025)

目前我國正在大力推進城市化進程，城市建成區(qū)面積正加速擴張，在此過程中城市空間的無序蔓延會對區(qū)域的土地資源承載力與生態(tài)安全形成巨大壓力[1]，因此需要準確把握城市擴展的過程和空間特征，為城市規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制定提供科學的現(xiàn)實基礎(chǔ)。遙感技術(shù)快速、實時、周期性、成本低的優(yōu)勢為城市擴展監(jiān)測提供了強有力的手段，有助于準確地了解和掌握城市的擴展特征。在相關(guān)研究中經(jīng)常使用多光譜遙感影像[2-7]，通過影像拼接裁剪和監(jiān)督分類等步驟得到城市的建成區(qū)范圍再加以分析，但數(shù)據(jù)量大、步驟繁瑣、費時費力。因此，夜間燈光數(shù)據(jù)就逐漸成為一種用于城市擴展監(jiān)測的理想遙感影像資源。

1976年美國軍事氣象衛(wèi)星計劃(defense meteorological satellite program，DMSP)開始獲取全球范圍內(nèi)的夜間燈光數(shù)據(jù)，后續(xù)新一代國家極軌合作伙伴(suomi national polar-orbiting partnership，Suomi NPP)衛(wèi)星能獲取更高分辨率的夜間燈光數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)以人口分布較為密集的城市區(qū)域夜間燈光為成像目標，具有波段單一、數(shù)據(jù)量小、全球一張圖等優(yōu)勢，能直觀反映城市輪廓的形態(tài)變化，是進行城市發(fā)展研究的理想數(shù)據(jù)資源。文獻[8]利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)構(gòu)建了反映我國城市化水平的燈光指數(shù)。文獻[9]從國家、8大經(jīng)濟區(qū)、省和地等4個尺度綜合分析了1992—2010年我國土地城鎮(zhèn)化水平的時空動態(tài)特征。文獻[10]綜合使用MODIS和DMSP/OLS數(shù)據(jù)對2001—2010年浙江省城市擴張情況進行了動態(tài)監(jiān)測。文獻[11]使用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對中國的城市體系等級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)進行了實證研究。此外，文獻[12]和文獻[13]還利用燈光數(shù)據(jù)估算人口密度。綜合來看，現(xiàn)有研究多以DMSP/OLS數(shù)據(jù)為主，同時使用上述兩種夜間燈光數(shù)據(jù)的研究較少，因此本文使用兩種數(shù)據(jù)對1992—2017年哈爾濱市建成區(qū)進行提取，計算擴展速度、圓度、緊湊度和分形維數(shù)等指標分析城市空間擴展特征，對城市擴展的驅(qū)動力進行探討，以期為哈爾濱的城市空間規(guī)劃提供參考。

1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)

本文使用的夜間燈光數(shù)據(jù)來自于美國國家地理信息中心，包括1992、1997、2002、2007和2012年的DMSP穩(wěn)定強度夜間燈光數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km；2017年1月的VIIRS燈光數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m；哈爾濱市建成區(qū)數(shù)據(jù)來源于《黑龍江統(tǒng)計年鑒》。

哈爾濱市是東北北部交通、政治、經(jīng)濟、文化和金融中心，也是全國省轄市中陸地管轄面積最大的城市，轄9區(qū)7縣，并代管兩個縣級市?？紤]到城市建成區(qū)的實際含義，本文的研究范圍僅包含道里區(qū)、南崗區(qū)、道外區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)和香坊區(qū)，以下簡稱為哈爾濱主城區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和建成區(qū)提取

將6個年份的夜間燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為蘭伯特等積投影，像元分辨率重采樣為1 km×1 km，裁剪得到1992、1997、2002、2007、2012和2017年哈爾濱市主城區(qū)建成區(qū)范圍。由于傳感器自身的特性導(dǎo)致DMSP影像在城市中心會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，即灰度值達到63后不再升高，因此參考文獻[14]提出的一元二次校正模型對影像的灰度值進行校正。采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較法提取哈爾濱市主城區(qū)，設(shè)定一個初始閾值并逐步提高，統(tǒng)計燈光數(shù)據(jù)中大于該閾值的像元面積。當像元面積與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的建成區(qū)面積差值最小時即為真實閾值，由此提取得到6個年份的哈爾濱主城區(qū)的建成區(qū)范圍。

2.2 城市空間擴展格局

城市空間擴展是城市化進程在時空尺度和空間格局的具體反映[15]，描述空間擴展特征的指標有很多，本文選擇擴展速度、圓度、緊湊度和分形維數(shù)等指標對哈爾濱主城區(qū)的擴展過程進行分析。

2.2.1 擴展速度

擴展速度表示某時間段內(nèi)建成區(qū)面積和輪廓周長的增長率，用以比較不同時間段內(nèi)建成區(qū)擴展的快慢和趨勢[15]。計算公式如下

a=(A2-A1)/A1×100%

(1)

p=(P2-P1)/P1×100%

(2)

式中，a為面積增長率；p為周長增長率；A1、A2和P1、P2為主城區(qū)首末年份的面積和周長。

2.2.2 圓 度

圓度是一種反映城市空間外圍輪廓的形狀指數(shù)，計算公式如下

C=4A/P2

(3)

式中，C為建成區(qū)的圓度指數(shù)；A為建成區(qū)面積；P為建成區(qū)周長。圓度值越大表明建成區(qū)的形狀越接近于圓形，反之則體現(xiàn)為明顯的帶狀特征。

2.2.3 緊湊度

緊湊度是用于測度區(qū)域形狀特征的指標，用于描述城市空間的聚集程度[16]。A、P分別為面積、周長；BCI為緊湊度，值越大，表明城市建成區(qū)的緊湊性越高。計算公式如下

(4)

2.2.4 分形維數(shù)

本文選用邊界維數(shù)來評價建成區(qū)的填充能力與邊界形狀的復(fù)雜程度，計算公式如下

S=2ln(P/4)/lnA

(5)

式中，A、P分別為面積、周長；S為建成區(qū)的分形維數(shù)，值越大，表明形狀越復(fù)雜。若在某時段內(nèi)分形維數(shù)增大，意味著空間形態(tài)的不規(guī)則程度加大，表明該時段內(nèi)建成區(qū)面積增加以外部擴展為主，反之則表明面積增加以內(nèi)部填充為主；保持穩(wěn)定則城市擴展也相對穩(wěn)定。

2.2.5 城市重心位置識別

重心理論從全局性角度定量解釋地理要素空間分布的中心性、展布性、方向性和空間形態(tài)等特征[17]。城市重心和轉(zhuǎn)移距離可以反映城市擴展的趨勢與軌跡，計算公式如下

(6)

(7)

式中，n為區(qū)域像元總數(shù)；(xi，yi)為第i個像元的坐標；DNi為第i個像元的灰度值；(X,Y)、(x1、y1)和(x2，y2)為重心坐標；S為重心轉(zhuǎn)移距離。

3 哈爾濱主城區(qū)空間擴展態(tài)勢

3.1 建成區(qū)提取結(jié)果

提取得到哈爾濱市主城區(qū)在1992—2017年的建成區(qū)范圍如圖1所示。由圖1可知，在不同時間段內(nèi)，建成區(qū)的擴張具有不同的特征。擴展方式既包括跳躍式的新城區(qū)建立，也有外延式的擴展，輔以圈層式的內(nèi)部填充擴展。城市輪廓形態(tài)則經(jīng)歷了從圓形到近似條帶形的轉(zhuǎn)變過程。

3.2 城市空間擴展分析

依據(jù)建成區(qū)提取結(jié)果，計算得到哈爾濱市主城區(qū)在1992、1997、2002、2007、2012和2017年的面積和周長的增速以及圓度、緊湊度和分形維數(shù)等指標，見表1、表2。

表1 哈爾濱市主城區(qū)面積和周長變化情況 (%)

表2 哈爾濱市主城區(qū)景觀指標變化情況

哈爾濱主城區(qū)面積和周長的增速表明二者都有較大幅度的波動且呈現(xiàn)間歇性變化。1992—2002年二者的增幅較為接近；2002—2017年則是面積增速大于周長增速，二者差距逐漸減小且放緩趨勢明顯。1992—2002年圓度、緊湊度和分形維數(shù)等指標的變化幅度最大，說明哈爾濱主城區(qū)空間形態(tài)的復(fù)雜度變化明顯，城區(qū)擴張方向較為集中，城市輪廓的形態(tài)變化較大。其他階段景觀指標較為穩(wěn)定，說明城區(qū)擴展方向較為分散?？傮w來看，隨著時間的推移，哈爾濱主城區(qū)的圓度和緊湊度持續(xù)減小，由接近圓形變?yōu)闂l帶形，基本保持外延式擴展狀態(tài)。分形維數(shù)增大，之后逐漸穩(wěn)定，表明主城區(qū)空間格局的復(fù)雜度呈先增加后基本保持穩(wěn)定。

3.3 城市重心位置及轉(zhuǎn)移規(guī)律

計算得到哈爾濱市6個年份的城市重心位置，繪制其轉(zhuǎn)移軌跡如圖2所示，并計算得到不同階段重心移動距離，可以發(fā)現(xiàn)哈爾濱主城區(qū)的重心移動具有明顯的階段性特征。1992—2002年，重心持續(xù)向南移動。1992—1997年，重心南移的距離最大，表明此階段內(nèi)城區(qū)向南擴張明顯。2002—2007年，城市重心向西移動。2007—2012年，重心向西北方向移動。2012—2017年，重心向東移動。由于哈爾濱市位于松花江南岸，因此在1992—1997年其城市擴展以向南為主，到哈大齊工業(yè)走廊等規(guī)劃決策提出之后，城市才逐漸向北擴張。

4 城市擴展驅(qū)動因素分析

城市空間擴展是多種因素共同作用的過程，隨著城市的不斷發(fā)展，各種因素對城市擴展的影響程度也在不斷變化，導(dǎo)致城市不同發(fā)展階段有著不同的形態(tài)特征。參考已有研究成果可知[18-20]，經(jīng)濟發(fā)展、人口數(shù)量、政策規(guī)劃等因素對城市空間擴展的影響程度最為顯著。因此本文選取國民生產(chǎn)總值、年末總?cè)丝诤统擎?zhèn)固定資產(chǎn)投資額等指標分別代表上述因素，計算與哈爾濱主城區(qū)面積的相關(guān)系數(shù)，分析城市擴展的驅(qū)動機制。

4.1 經(jīng)濟發(fā)展因素

經(jīng)濟發(fā)展是城市空間擴展的根本動力。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1992年哈爾濱市GDP為247.3億元，到2017年GDP增加到6355億元。分析表明GDP與哈爾濱市主城區(qū)面積的相關(guān)系數(shù)達0.963。經(jīng)濟快速發(fā)展意味著城市居民收入和生活水平的提高，消費需求多元化，對城市公園、綠地等市政基礎(chǔ)設(shè)施和商場、游樂場等娛樂設(shè)施的需求不斷增加。經(jīng)濟持續(xù)增長促進了第一、二、三產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展，主要表現(xiàn)為第一產(chǎn)業(yè)比重降低，第二、三產(chǎn)業(yè)比重升高，因此對于工業(yè)建設(shè)用地的需求增加。居民對于改善居住條件的需求也隨之升高，帶動了房地產(chǎn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，這都導(dǎo)致城市建設(shè)用地需求的加大，成為城市空間擴展的主要驅(qū)動因素之一。

4.2 人口數(shù)量因素

人口是城市活動構(gòu)成中最為活躍的組成要素，是城市空間擴展的直接動力[19]。1992年哈爾濱市轄區(qū)年末總?cè)丝跒?85.45萬人，2017年增長到550.8萬人，增幅將近一倍。人口數(shù)與主城區(qū)面積的相關(guān)性達0.956，僅次于GDP與面積的相關(guān)系數(shù)，是城市擴展的又一主要驅(qū)動因素。人口增長對城市空間擴展的推動作用主要體現(xiàn)在對住房建設(shè)用地、道路、學校和醫(yī)院等配套服務(wù)設(shè)施建設(shè)用地需求的增加。

4.3 政策規(guī)劃因素

政策規(guī)劃是政府對城市空間擴展的助推力量，具體表現(xiàn)為自上而下的固定資產(chǎn)投資、產(chǎn)業(yè)布局引導(dǎo)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等[21]。1984年通過的《中共中央關(guān)于經(jīng)濟體制改革的決定》將改革重心從農(nóng)村轉(zhuǎn)向城市，此后我國城市擴張步伐大大加快。哈爾濱市城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資額與城市面積的相關(guān)系數(shù)為0.916，足見政策規(guī)劃對城市擴展的影響之大。哈爾濱市緊鄰北側(cè)的松花江，隨著城市不斷發(fā)展，對建設(shè)用地需求加大，城區(qū)持續(xù)向南擴張。2004年黑龍江省提出建設(shè)哈大齊工業(yè)走廊的決策，在哈爾濱市規(guī)劃了江北工業(yè)新區(qū)、平房工業(yè)新區(qū)、群力新區(qū)、太平空港經(jīng)濟區(qū)和香坊工業(yè)新區(qū)5個大型工業(yè)區(qū)，總面積251.68 km2，建設(shè)用地39.79 km2，松北區(qū)迎來了快速發(fā)展的契機。2009年，哈爾濱市提出“北躍、南拓、中興、強縣”的發(fā)展戰(zhàn)略，加之工業(yè)走廊建設(shè)的深入推進，哈爾濱主城區(qū)向北擴張明顯。

5 結(jié) 語

利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取哈爾濱市主城區(qū)1992、1997、2002、2007、2012和2017年的空間范圍，通過計算城區(qū)面積、周長增速和圓度、緊湊度、分形維數(shù)等指標探究城市空間擴展特征，結(jié)合哈爾濱市經(jīng)濟發(fā)展情況、人口數(shù)量變化和城市規(guī)劃政策分析其擴展的驅(qū)動因素。從城區(qū)形態(tài)變化角度分析，城區(qū)形狀變化較大，城市擴展以外延式為主。城市格局的復(fù)雜度先增加后續(xù)保持穩(wěn)定。擴展方向則集中在東南和西北方向。從城市擴展驅(qū)動因素分析，經(jīng)濟發(fā)展因素對城市擴展的推動作用最大，體現(xiàn)為居民收入增加使得改善居住條件的需求得到滿足，人口數(shù)量增長對住房建設(shè)用地的需求加大，城市規(guī)劃政策對城市擴展具有明顯的導(dǎo)向作用。