宋潔, 劉敏
太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院, 山西 太原 030619
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),太原市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)城市規(guī)劃提出了更高的要求,因此,2005年,市規(guī)劃院對(duì)原有的城市總體規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整,太原市迎來(lái)了城市發(fā)展建設(shè)的新契機(jī).2010年,太原市總體規(guī)劃再次修編,更加明確了太原市城市發(fā)展方向,也使得太原市城市發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道[1,2].在城市化快速發(fā)展時(shí)期,明確城市空間擴(kuò)展的階段性特征及其重心轉(zhuǎn)移過(guò)程,對(duì)于摸清城市發(fā)展軌跡,優(yōu)化城市空間布局具有重要意義.近年來(lái),借助多時(shí)像遙感影像和GIS 空間分析技術(shù),對(duì)城市重心轉(zhuǎn)移進(jìn)行定量分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)城市空間擴(kuò)展格局,進(jìn)一步優(yōu)化空間布局,已成為研究城市空間格局演變的主流手段[3~6].目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在沿海發(fā)達(dá)地區(qū),而針對(duì)中西部城市的相關(guān)研究較少.隨著沿海地區(qū)過(guò)剩產(chǎn)能逐漸向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移,中西部地區(qū)也必將經(jīng)歷快速的城市化過(guò)程.本文以快速發(fā)展時(shí)期的太原市為研究對(duì)象,借助遙感與 GIS 分析技術(shù),分析2005年~2010 年、2010年~2015 年兩個(gè)時(shí)間段太原市建成區(qū)重心演變過(guò)程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制.為合理利用土地資源,進(jìn)一步做好太原市城市總體規(guī)劃以及推進(jìn)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)提供科學(xué)依據(jù).
太原市位于山西省境中部,介于 111°30′~113°09′E,37°27′~38°25′N(xiāo) 之間,東西跨度2°39′,長(zhǎng)約144 km,南北跨度 58′,寬約 107 km,區(qū)域輪廓呈現(xiàn)蝙蝠形.處于太原盆地的北段,華北地區(qū)黃河流域中部,西、北、東三面環(huán)山,中、南部為河谷沖積扇平原,汾河貫穿其間,全市地形呈北高南低簸箕形.海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別為 2 670 m和 760 m,平均海拔約 800 m.屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候.市中心位于 112°33′E,37°54′N(xiāo).太原市共轄 6個(gè)市轄區(qū)、3 個(gè)縣、1 個(gè)縣級(jí)市.全市總面積6 988 km2.截至 2015 年底,太原市市區(qū)人口達(dá)到352.54 萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化水平達(dá)到 55.03 %.
研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于 2005 年、2010 年、2015 年的 LandsatTM 遙感影像及相應(yīng)年份的統(tǒng)計(jì)年鑒.首先,在 ArcGIS 軟件支持下,分別對(duì) 2005 年、2010 年、2015 年的單波段影像進(jìn)行融合拼接和切割,對(duì)相關(guān)影像進(jìn)行幾何校正配準(zhǔn)并定義好投影坐標(biāo).其次,確定城市行政區(qū)政府,通過(guò)對(duì)2005年、2010年、2015年太原市的Landsat TM 影像進(jìn)行目視解譯,確定城市中心周?chē)B片的建設(shè)用地為中心城區(qū),并將城市邊緣城區(qū)與中心城區(qū)連接起來(lái)的大片建設(shè)用地也歸類(lèi)為城市建成區(qū),但注意除去大型的河流湖泊.
1.3.1 建成區(qū)空間擴(kuò)張分析
本文主要選取擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、擴(kuò)展彈性系數(shù)以及重心轉(zhuǎn)移指數(shù)來(lái)測(cè)度2005年~2010 年、2010年~2015 年太原市城市空間擴(kuò)展的時(shí)空特征,各指數(shù)公式詳見(jiàn)表 1.
表 1 城市空間擴(kuò)展時(shí)空特征測(cè)度指標(biāo)Tab.1 Index of spatial and temporal characteristics of urban space expansion
1.3.2 等扇方位法
等扇方位法是指以研究區(qū)的幾何中心為原點(diǎn),選取可以包含建成區(qū)的適當(dāng)半徑,將研究區(qū)劃分為若干相等的扇形區(qū)域,與各時(shí)相建成區(qū)邊界矢量圖疊加,統(tǒng)計(jì)各時(shí)間段建成區(qū)在各扇區(qū)的擴(kuò)展面積,據(jù)此計(jì)算不同時(shí)段各扇區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度[7].本文以太原市政府所在地為原點(diǎn),以東西方向?yàn)闄M軸,南北方向?yàn)榭v軸,把研究區(qū)平均劃分為 8 個(gè)方位,分別為正東、東北、正北、西北、正西、西南、正南和東南,調(diào)用 ArcGIS 軟件中的疊加分析工具對(duì)各個(gè)方位的擴(kuò)展特征進(jìn)行定量分析.
1.3.3 空間重心轉(zhuǎn)移模型
空間重心是描述地理對(duì)象空間分布的重要指標(biāo),分析城市重心轉(zhuǎn)移情況,可以掌握城市空間變化的過(guò)程與特點(diǎn)[8].通過(guò)分析建成區(qū)用地變化引發(fā)的重心變化情況,反映城市在不同時(shí)期的發(fā)展方向.運(yùn)用重心轉(zhuǎn)移指數(shù)構(gòu)建太原市建成區(qū)分別在 2005年~2010 年、2010年~2015 年的重心轉(zhuǎn)移模型.
建成區(qū)空間擴(kuò)展速度反映建成區(qū)空間擴(kuò)展的總體趨勢(shì),通常用研究時(shí)間段的年平均建成區(qū)面積變化來(lái)表征[9].由表 2 可知,2005年~2010 年間,太原市建成區(qū)面積由 253.28 km2增加到328.31 km2,面積增加量為 73.03 km2,擴(kuò)展速度為15 km2/a.2010年~2015年間,2015年建成區(qū)面積為398.39 km2,比2010 年凈增70.08 km2,擴(kuò)展速度為 14 km2/a.2005年~2015 年整個(gè)研究時(shí)間段建成區(qū)空間擴(kuò)展速度相對(duì)均衡.兩個(gè)時(shí)間段的擴(kuò)展速度無(wú)明顯波動(dòng),建成區(qū)空間擴(kuò)展方式主要以向東南部外延擴(kuò)展為主,輔以其他方向不同強(qiáng)度的內(nèi)部填充.2005年~2015年太原市建成區(qū)總體呈現(xiàn)出整體性發(fā)展,無(wú)明顯破碎斑塊狀單獨(dú)擴(kuò)展.
擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)建成區(qū)空間空戰(zhàn)的強(qiáng)度和快慢,是衡量建成區(qū)空間擴(kuò)展規(guī)模和輕度的常用指標(biāo)[10].由表 2 可知,2005年~2010 年、2010年~2015 年建成區(qū)的擴(kuò)展速度都相對(duì)較高,但是由于這兩個(gè)時(shí)間段的基期面積都較大,結(jié)果反而使這兩個(gè)時(shí)間段的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)變小.2005年~2010 年建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為5.92 %,2010年~2015年建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為4.23 %,比上一時(shí)間段低了 1.69 %.
表2 2005年~2015年太原市建成區(qū)空間擴(kuò)展概況Tab.2 Space expansion of the built-up area in Taiyuan from 2005 to 2015
擴(kuò)展彈性指數(shù)用來(lái)描述建成區(qū)擴(kuò)張速度與人口增長(zhǎng)速度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,主要用于衡量城市用地?cái)U(kuò)展的合理性[11].研究表明擴(kuò)展彈性指數(shù)為1.12 較為合理.由表 3可知,2005年~2010年建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)為0.92,較接近于合理值.說(shuō)明該時(shí)間段太原市建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展速度慢于人口增長(zhǎng)速度,但總體來(lái)說(shuō)該時(shí)間段太原市用地?cái)U(kuò)展基本處于合理狀態(tài).2010年~2015 年建成區(qū)擴(kuò)展彈性指數(shù)高達(dá) 7.11,是合理值的 6.35 倍.說(shuō)明該時(shí)間段太原市建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展速度大于人口增長(zhǎng)速度,擴(kuò)張不合理.建成區(qū)用地面積增長(zhǎng)過(guò)快,可能造成土地資源不能有效開(kāi)發(fā)利用,造成土地資源浪費(fèi).
以太原市政府幾何中心(112°32′1″E,37°52′7″N)為圓心,作出距離為23 km 的圓形緩沖區(qū),將緩沖區(qū)等分為8 個(gè)等分的扇形區(qū)域,計(jì)算不同時(shí)間段各扇形區(qū)域建成區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度.
由于各扇區(qū)的夾角、面積均相等,因此計(jì)算出各扇區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度具有時(shí)空上的可比性.
從圖 1 可以看出,2005年~2010 年、2010年~2015 年這兩個(gè)時(shí)間段太原市建成區(qū)空間擴(kuò)展在不同方位上呈現(xiàn)出明顯的不均衡性.2005年~2010年,太原市建成區(qū)空間形態(tài)以南向、北向擴(kuò)展為主,S-SE 擴(kuò)展幅度相較于 N-NW的擴(kuò)展幅度大,東向和西向也有不同程度的擴(kuò)展,但是擴(kuò)展強(qiáng)度較低,西向擴(kuò)展幅度大于東向擴(kuò)展幅度,東西向擴(kuò)展面積小于南北向的擴(kuò)展面積,這一時(shí)間段的建成區(qū)邊界比較破碎,建成區(qū)邊界地區(qū)的通達(dá)度相對(duì)受限.2010年~2015 年,太原市建成區(qū)空間形態(tài)擴(kuò)展呈現(xiàn)出與上一時(shí)間段(2005年~2010年)同樣的擴(kuò)展方向,建成區(qū)空間向南有較大幅度擴(kuò)展,S-SE 擴(kuò)展幅度明顯,主要以填充式和外延式繼續(xù)向南發(fā)展,北向擴(kuò)展幅度小于南向的擴(kuò)展幅度.伴隨以南向發(fā)展為主線,E-SE 方向相對(duì)擴(kuò)展面積較明顯,這一時(shí)間段建成區(qū)擴(kuò)展面積較上一時(shí)間段有非常明顯的變化,2010 年建成區(qū)呈現(xiàn)連片集中發(fā)展態(tài)勢(shì),建成區(qū)邊界區(qū)域通達(dá)度加強(qiáng).綜上所述,自 2005 年以來(lái),建成區(qū)擴(kuò)展主要集中在S-SE、NE-NW范圍內(nèi),具有明顯的軸向性,建成區(qū)擴(kuò)展以東南向?yàn)橹饕较?,西北向?yàn)檩o的擴(kuò)展態(tài)勢(shì).
表3 太原市建成區(qū)空間擴(kuò)展彈性系數(shù)Tab.3 The elastic coefficient of space expansion in the built-up area of Taiyuan
圖1 2005年~2015年太原市建成區(qū)擴(kuò)展等扇分析圖
Fig.1 Equal fan analysis map of built-up
area in Taiyuan from 2005 to 2015
從城市重心轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)看,2005年~2010 年間,建成區(qū)重心向東偏南方向轉(zhuǎn)移1 214 m,轉(zhuǎn)移角度為59.74°.2010年~2015 年間,建成區(qū)重心繼續(xù)向南轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移距離為996 m,轉(zhuǎn)移角度為61.11°(表4).2005年~2010 年、2010年~2015 年太原市建成區(qū)重心一直保持向東南方向轉(zhuǎn)移,兩個(gè)時(shí)間段的轉(zhuǎn)移角度非常接近,2005年~2010 年的轉(zhuǎn)移距離略高于 2010年~2015 年.
表4 太原市建成區(qū)空間重心轉(zhuǎn)移情況Tab.4 The transfer of space center of gravity in the built-up area of Taiyuan
區(qū)域自然地理要素為城市發(fā)展提供了原生動(dòng)力,但是隨著城市的進(jìn)一步發(fā)展,自然地理要素可能成為制約城市發(fā)展的一個(gè)因素.同時(shí),區(qū)位、地形等綜合地理因素也會(huì)影響城市的發(fā)展,隨著城市的發(fā)展,在一定程度上制約和引導(dǎo)城市的空間擴(kuò)展方向,間接改變著城市的外部形態(tài)[12].太原市三面環(huán)山,汾河流域貫穿其間,形成了地理?xiàng)l件相對(duì)優(yōu)越的太原盆地.
北、東、西三面環(huán)山的地理格局限制了太原市建成區(qū)向這三個(gè)方向發(fā)展,南部成為太原市建成區(qū)發(fā)展的主要方向,南部地區(qū)地勢(shì)平坦,腹地開(kāi)闊,符合建設(shè)南部新城的發(fā)展戰(zhàn)略.對(duì)接太原市南部新城的晉中市榆次區(qū),地勢(shì)相對(duì)平坦,腹地開(kāi)闊,是晉中市的經(jīng)濟(jì)文化中心,為太原市向東南方向擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ).
經(jīng)濟(jì)方面,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶動(dòng)城市持續(xù)發(fā)展,為城市發(fā)展提供不竭的動(dòng)力[13].2005年~2015年,太原市人均地區(qū)生產(chǎn)總值由 12 495 元/人上升至 63 483 元/人,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們生活水平提高,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯,建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展以南向軸線為主快速蔓延.建成區(qū)的空間擴(kuò)展形態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化一致.經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的逐步調(diào)整也進(jìn)一步反映出建成區(qū)擴(kuò)展的用地變化特征.2005年~2015 年間,太原市第一產(chǎn)業(yè)比重由 1.14 %下降到 0.80 %;第二產(chǎn)業(yè)比重由 65.84 %下降到 59.32 %,下降幅度較大,并呈現(xiàn)繼續(xù)下降的趨勢(shì);第三產(chǎn)業(yè)比重由32.70 %上升到39.87 %.近年來(lái),太原市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、小店民營(yíng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、山西綜改試驗(yàn)區(qū)起步區(qū)等大型開(kāi)發(fā)區(qū)紛紛落戶太原南部地區(qū),在促進(jìn)太原市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),使得城市空間不斷向南發(fā)展.太原市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)作為國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū),位于科研人員密集、工業(yè)基礎(chǔ)和城市設(shè)施良好的塢城片區(qū),發(fā)展產(chǎn)學(xué)研一體化,形成以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主,第二、第三產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的立體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu).全區(qū)總收入達(dá)到太原市經(jīng)濟(jì)總量的四分之一.太原市小店區(qū)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū),主要大力發(fā)展非公有制經(jīng)濟(jì),積極扶持發(fā)展民營(yíng)經(jīng)濟(jì)企業(yè),主要發(fā)展養(yǎng)老服務(wù)業(yè)、旅游產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè),形成產(chǎn)業(yè)集群,為民營(yíng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供良好的投資環(huán)境.2017 年,全面啟動(dòng)建設(shè)的山西綜改試驗(yàn)區(qū)太原起步區(qū)將重點(diǎn)打造先進(jìn)制造、新能源、新材料、電子信息、健康醫(yī)療、文化創(chuàng)意等 6 大專(zhuān)業(yè)化產(chǎn)業(yè)園區(qū),為太原市經(jīng)濟(jì)注入新的活力,也必將進(jìn)一步促進(jìn)建成區(qū)向南轉(zhuǎn)移.
人口方面,2005 年太原市區(qū)常住人口為261.66 萬(wàn),2015 年太原市區(qū)常住人口為 352.54萬(wàn)人,十年間增長(zhǎng)了 1.35 倍.人口增長(zhǎng)對(duì)城市用地需求增加,人口的遷移帶動(dòng)城市重心的轉(zhuǎn)移.太原市人口的快速增加,對(duì)城市的基礎(chǔ)設(shè)施需求量變大,中心城區(qū)人口壓力較大,房?jī)r(jià)飆升.為了降低在中心城區(qū)的生活壓力,城市空間向外延展,形成新的發(fā)展重心.太原市建成區(qū)向南擴(kuò)展,形成南部新城.位于太原市與晉中市榆次區(qū)交界處的山西大學(xué)城于 2013年正式投入使用,與教育文化相關(guān)的產(chǎn)業(yè)和人口逐漸向大學(xué)城附近聚集,也在一定程度上促進(jìn)了太原市城市空間向東南部擴(kuò)張. 交通方面,隨著太原市新晉祠路改造工程、濱河?xùn)|西路的南延工程、長(zhǎng)治路和太行路的南延工程,龍城大街東延工程的相繼開(kāi)工建設(shè),也在一定程度上帶動(dòng)了太原市建成區(qū)向東南方向發(fā)展.2007 年,太原市武宿機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建.2014 年,太原市火車(chē)南站投入運(yùn)營(yíng),都促使太原市東南部地區(qū)建設(shè)用地快速增長(zhǎng)且土地利用更加集約化.
政府的決策和規(guī)劃在一定程度上會(huì)激勵(lì)或約束城市的發(fā)展,在不同時(shí)期,決定城市土地利用空間擴(kuò)展的方向和規(guī)模[14].2004 年以來(lái),太原市總體規(guī)劃對(duì)城市發(fā)展方向、性質(zhì)進(jìn)行了定位.2010年,太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制了太原南部區(qū)域規(guī)劃方案(2010年~2020 年),指出將太原南部區(qū)域作為太原市區(qū)的發(fā)展方向,南部新區(qū)主要以晉陽(yáng)湖片區(qū)和汾東新區(qū)兩部分為主.在太榆一體化的戰(zhàn)略指導(dǎo)下,太原南部新城與晉中市榆次區(qū)順利對(duì)接,太原市建成區(qū)重心也隨之向東南方向轉(zhuǎn)移.2010 年,國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)設(shè)立山西省國(guó)家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū),并在太原市率先建立山西轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū),這一舉措進(jìn)一步推進(jìn)了太原市城市化進(jìn)程,城市空間擴(kuò)展的步伐也逐步加快.
本文借助 GIS 空間分析技術(shù),融合多時(shí)相衛(wèi)星遙感影像,提取出不同時(shí)間段太原市建成區(qū)的擴(kuò)展邊界信息,利用等扇方位法分析 2005年~2015 年太原市建成區(qū)擴(kuò)展過(guò)程.進(jìn)而,結(jié)合太原市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)發(fā)展政策分析建成區(qū)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制,更加深入、準(zhǔn)確地掌握太原市建成區(qū)空間擴(kuò)展演變的規(guī)律,為進(jìn)一步優(yōu)化太原市城市空間布局,維護(hù)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).研究得到以下結(jié)論:
(1)2005年~2010 年間,太原市建成區(qū)面積逐步增加,兩個(gè)時(shí)間段建成區(qū)擴(kuò)展速度接近,擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)下降.2005年~2010 年時(shí)間段建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)接近合理值,建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展速度基本與建成區(qū)人口增長(zhǎng)速度保持一致,但2010年~2015 年擴(kuò)展彈性指數(shù)接近7,建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展速度大于人口增長(zhǎng)速度,建成區(qū)用地集約度有待提高.
(2)2005年~2015 年間,太原市建成區(qū)重心向東南方向轉(zhuǎn)移.隨著太原市南部新城的快速發(fā)展和太榆一體化戰(zhàn)略的實(shí)施,未來(lái)太原市發(fā)展重心仍然呈現(xiàn)出向東南轉(zhuǎn)移的態(tài)勢(shì).
(3)太原市建成區(qū)空間擴(kuò)展是自然、社會(huì)、政策等諸多因素影響的結(jié)果.自然因素決定了太原市建成區(qū)的宏觀格局,是建成區(qū)空間擴(kuò)展的基礎(chǔ);交通因素也在一定程度上促進(jìn)和牽引建成區(qū)擴(kuò)展;社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素作為最重要的因素,是太原市建成區(qū)擴(kuò)張的不竭動(dòng)力;人口增長(zhǎng)相應(yīng)加速建成區(qū)向外延伸,以協(xié)調(diào)人地關(guān)系;政府決策指導(dǎo)和引領(lǐng)著建成區(qū)的擴(kuò)展方向和重心的轉(zhuǎn)移,使太原市建成區(qū)土地利用更加合理化.不同時(shí)間各個(gè)驅(qū)動(dòng)力因素的調(diào)整和改變使城市空間擴(kuò)展產(chǎn)生不均衡變化.
城市空間的擴(kuò)展導(dǎo)致城市不斷向外延伸擴(kuò)展,但是相應(yīng)的配套設(shè)施未跟上步伐,這樣從根本上還是無(wú)法解決中心城區(qū)的交通和生活壓力.然而,城市用地是否做到集約化,城市空間擴(kuò)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步調(diào)是否一致,如何避免鬼城的出現(xiàn)都是今后太原市城市擴(kuò)展過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題.在新的發(fā)展契機(jī)下,掌握城市擴(kuò)展規(guī)律,合理規(guī)劃太原市城市用地,提高城市綜合交通運(yùn)輸能力,使城市空間擴(kuò)展跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐,將太原建設(shè)成為既有金山銀山又有綠水青山的環(huán)境友好型城市.