蘇巧梅，李凱新，陶偉恒，梅詩光

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

城市化水平是衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo)。城市地域空間演化(也稱景觀型城市化)是城市用地逐漸覆蓋地域空間的過程，是城市化最直接的物質(zhì)表現(xiàn)[1]。城市化占用了耕地、林地和河道，對生態(tài)環(huán)境造成威脅，影響城市可持續(xù)發(fā)展[2]，因此，對不同尺度和等級的城市群或城市的擴(kuò)展研究一直是城市化研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的城市化研究多從人口轉(zhuǎn)換的角度進(jìn)行，遙感和GIS的發(fā)展為城市化研究提供了新的手段，可以實(shí)時動態(tài)監(jiān)測城市地域空間演化過程。基于DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[3-8]對中國系列城市群的空間擴(kuò)張和空間特征進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9-13]研究了北京、武漢和南京等特大城市演化的時空格局，但DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率低，對大尺度城市群或城市的研究效果較好，對中小尺度城市研究效果較差。文獻(xiàn)[14-15]利用Landsat影像進(jìn)行了城市用地?cái)U(kuò)張和用地效益分析，指出其分辨率較低，存在城區(qū)邊界難以確定等問題。張翰超等人[16]利用航空影像、Worldview和Quickbird等衛(wèi)星影像等高分?jǐn)?shù)據(jù)，研究了中國省會城市高精度擴(kuò)張規(guī)律，開展城市規(guī)模分布變化和城市區(qū)域擴(kuò)展分析，并提出了城市發(fā)展建議。上述研究數(shù)據(jù)以國外遙感影像為主，且主要分析不同的城市群、特大城市和大城市的城市擴(kuò)展。隨著我國高分系列衛(wèi)星的發(fā)射成功，城市地域空間演化分析有了新手段。本文以國產(chǎn)高分2號(GF-2)結(jié)合Landsat ETM+/OLI影像為數(shù)據(jù)源，提取2000—2019年運(yùn)城市鹽湖區(qū)城市地域邊界，分析2000年以來鹽湖區(qū)中心城市的形態(tài)變化和空間差異。研究結(jié)果拓展了我國GF-2數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為區(qū)域城市化研究提供了新的手段，對科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)城市、促進(jìn)城市精明增長和健康發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

鹽湖區(qū)位于黃河中游，山西省西南部，是運(yùn)城市政府所在地，運(yùn)城市的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。地理坐標(biāo)為34°47′45″N～35°23′20″N，110°43′10″～111°12′10″E。地勢呈東北——西南傾斜，南部為中條山，最高海拔1 274 m。鹽湖區(qū)光照充足，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。區(qū)內(nèi)土壤肥沃，礦產(chǎn)資源豐富，既是中國重要商品糧棉基地，也是最大的無機(jī)鹽生產(chǎn)基地[17]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年末，鹽湖區(qū)常住人口約72萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值約276.8億元。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)采用多期GF-2和Landsat ETM+/OLI。GF-2是我國于2014年發(fā)射成功的首顆高分辨率民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，影像分辨率全色為1 m，多光譜為4 m。本文選用2015年和2019年2期的GF-2影像(來源于山西省高分衛(wèi)星中心)，2000年，2005年和2010年的數(shù)據(jù)是Landsat ETM+/OLI數(shù)據(jù)(國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺下載)，分辨率全色為15 m，多光譜為30 m。對GF-2影像和Landsat影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過波段疊加、正射糾正、影像融合、影像鑲嵌、圖像配準(zhǔn)和裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，基于GIS軟件提取了鹽湖區(qū)城市邊界，分析了2000—2019年鹽湖區(qū)城市化地域空間演化規(guī)律。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical flow chart

2 研究方法

2.1 城市地域提取方法

張翰超等人[16]的城市地域考慮了城市用地功能，王雷等人[14]的城市地域注重市政公共設(shè)施的具備情況。土地集約利用作為提高土地利用效率的重要手段，對優(yōu)化城市土地資源，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[18]?？紤]土地資源的集約和節(jié)約高效利用，保護(hù)耕地資源，本文城市邊界的提取以中心城區(qū)為核心，城市化近域推進(jìn)過程中對城市周邊耕地的開發(fā)建設(shè)作為提取邊界，沒有考慮城市功能和市政公共設(shè)施情況。張翰超等人[16]利用高分影像手工提取了中國省會城市的高精度邊界，本研究采用了國產(chǎn)GF-2影像和Landsat ETM+/OLI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年鹽湖區(qū)城市邊界。

2.2 數(shù)量分析方法

城市地域演化數(shù)量分析方法主要用城市增長速率和增長強(qiáng)度指數(shù)表示。增長速率指城市面積的年均增長量，表征城市用地增長的快慢，是研究城市空間增長的常用指標(biāo)。增長強(qiáng)度指數(shù)指研究區(qū)域在研究時期內(nèi)的城市用地增長面積占城市用地總面積的百分比，實(shí)質(zhì)是用研究區(qū)的城市用地面積對其年均擴(kuò)展速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其具有可比性。增長速率和增長強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中，?為增長速率；R為增長強(qiáng)度指數(shù)；Sb,Sa分別為研究期末和研究期初的城市面積；T為時間間隔。

2.3 形態(tài)特征分析方法

城市空間形態(tài)的變化可以反映城市生長過程，揭示演化規(guī)律。本文用緊湊度指數(shù)和分維數(shù)分析鹽湖區(qū)城市地域空間過程的形態(tài)變化。城市空間緊湊度指數(shù)為：

(3)

式中，C為緊湊度；S為城市面積；P為城市周長。緊湊度指數(shù)與圖形的面積和距離大小無關(guān)，僅與幾何圖形的形狀有關(guān)。理論上，城市的平面幾何形狀越近似圓形，代表城市空間形態(tài)的緊湊度越近似等于1，城市地域空間形態(tài)表現(xiàn)越緊湊；相反，城市地域空間形態(tài)的緊湊度越低，城市空間形態(tài)的離散程度就越大，城市形態(tài)表現(xiàn)越不規(guī)則。

城市景觀實(shí)體地域空間有著復(fù)雜、非線性和不規(guī)則的空間形態(tài)，具有典型的分形分維特征，城市空間形態(tài)的分維數(shù)為：

(4)

式中，D為某一時刻城市的分維數(shù)?？臻g分維數(shù)描述城市形狀，反映城市用地的形狀變化。分維數(shù)值越大，表示城市的不規(guī)則程度越大。城市空間形態(tài)的分維數(shù)數(shù)值不斷提高，表明城市景觀地域空間演化以量的擴(kuò)張為主；分維數(shù)數(shù)值持續(xù)下降，表明城市景觀地域空間形態(tài)的變化是以邊緣的填充為主；分維數(shù)值保持穩(wěn)定，表明城市處于穩(wěn)定狀態(tài)，城市地域空間演化以內(nèi)部質(zhì)的填充為主。

2.4 空間差異性分析

空間差異性可以用重心位移和方位變化來分析。城市地域空間的重心位置可以認(rèn)為是該城市的平均位置，是描述城市地域空間演化的重要量算和分析指標(biāo)。城市地域空間演化可以用城市的重心位置的變化情況來體現(xiàn)。遙感影像提取的城市圖斑，其面積大小表征人類活動的強(qiáng)弱。以所提取的城市圖斑為對象，面積為權(quán)重，提取城市重心，并計(jì)算重心點(diǎn)坐標(biāo)，即:

(5)

式中，Xt，Yt分別表示t時刻的城市地域空間的重心坐標(biāo)；Xi，Yi分別表示第i個城市地域的幾何重心坐標(biāo)值；Sti表示第i個城市地域的面積大小。通過分析不同研究年期的城市地域空間的重心位移，得到城市空間形態(tài)增長方向，追蹤多個研究時段城市重心位移走向，可以預(yù)測城市地域空間演化的特點(diǎn)。

城市增長的方位變化也可以表達(dá)城市地域空間演化的特征。根據(jù)所提取的城市邊界，通過繪制風(fēng)玫瑰圖來分析。風(fēng)玫瑰圖繪制的方法如下：以初期的城市中心為圓心，以末期的城市地域演化的邊界到圓點(diǎn)的最長距離為半徑畫圓，過圓心分別做水平線和鉛垂線，其中，橫軸是水平線0°～180°線，代表東西方向，縱軸是鉛垂線90°～270°線，代表南北方向。以初期的城市中心為圓心，從正東方向開始，每隔10°做一條方向線，制作一個可以覆蓋城市地域最大范圍的圓，分別顯示初期和末期城市地域的位置和形狀。

2.5 合理性分析方法

城市用地增長速度和城市人口增長速度應(yīng)該相適應(yīng)，如果城市地域增長過快，而城市人口增長緩慢，則造成土地利用粗放，資源浪費(fèi)；而城市人口增長過快，城市用地增長過慢，易造成土地利用強(qiáng)度過高，居民生活質(zhì)量水平降低。城市化地域空間演化過程的合理性用城市面積-人口彈性系數(shù)衡量，它反映城市擴(kuò)展速度與城市人口增長速度之間的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[19]：

(6)

式中，R(i)為第i時段城市區(qū)域擴(kuò)展彈性系數(shù)；Pop(i)為市區(qū)第i時段人口平均增加率；A(i)為第i時段城市區(qū)域面積平均增長率。R(i)值越接近1，城市化地域空間演化過程合理程度越高；數(shù)值偏離越大，表示地域空間演化過程與人口發(fā)展之間的協(xié)調(diào)性越低。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市邊界提取結(jié)果

人機(jī)交互手工提取了2000年，2005年，2010年，2015年和2019年的鹽湖區(qū)城市邊界，如圖2所示。

圖2 鹽湖區(qū)城市邊界Fig.2 Boundary of the urbanized area in the Salt Lake district

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2000—2019年近20年間，鹽湖區(qū)城市面積增長了70.05 km2，增長速率達(dá)3.69 平方千米/年，增長強(qiáng)度指數(shù)為337.91%。其中，2000—2015年增長最快，增長了62.65 km2，占增長總量的89.44%，是快速增長期；2015年以后僅增長了7.40 km2，占增長總量的10.56%，城市面積量的增長趨于放緩。鹽湖區(qū)城市地域空間演化監(jiān)測統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 鹽湖區(qū)城市地域空間演化監(jiān)測統(tǒng)計(jì)表

3.2 形態(tài)特征分析

鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)和分維數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)和分維數(shù)

在監(jiān)測期內(nèi)，鹽湖區(qū)城市緊湊度指數(shù)從2000年的0.32減少到2015年的0.15，一直呈下降趨勢，說明城市空間離散度不斷增加，城市地域演化以量的擴(kuò)展為主；2019年回升到0.16，說明城市發(fā)展緊湊度增加，城市發(fā)展空間離散度減少。分維數(shù)在2000年為1.67，2005年為1.73，2010年增加到1.86，2015年下降為1.79，2019年再下降為1.75，表示城市邊緣形態(tài)不規(guī)則程度先增大后減少，說明城市地域空間演化先以量的增長為主，后轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃吘壧畛錇橹鳌＞o湊度指數(shù)和分維數(shù)都說明，鹽湖區(qū)的城市演化2015年以前以量的擴(kuò)張為主，以后轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)的填充。

3.3 空間差異性分析

空間差異性通過對重心位置位移變化來描述，反映城市化地域空間演化軌跡和發(fā)展方位差異。在GIS軟件環(huán)境下，根據(jù)提取的2000—2019年鹽湖區(qū)城市邊界，計(jì)算各個研究年期的重心坐標(biāo)，如圖3所示。重心位移過程反映了城市地域空間演化的方向性和不均勻性。

圖3 鹽湖區(qū)城市重心位移圖Fig.3 Centre displacement diagram of the urbanized area in the Salt Lake district

由圖3可以看出，2000—2019年鹽湖區(qū)城市中心逐步向北移動。2000—2005年間，重心向北偏東33°方向移動1.70 km；2005—2010年間，向正北方向移動1.16 km；2010—2015年間，又向北偏西15°方向移動1.58 km；2015—2019年間，基本達(dá)到平衡狀態(tài)，僅向北偏東45°方向移動0.15 km。重心位移的距離在2000—2015年間最大，在整個研究時段，城市重心位移的距離是4.32 km，城市重心向北偏東10°方向移動，位移速度為0.23 千米/年。

以2000年鹽湖區(qū)城市地域范圍的中心為圓心，2019年城市地域演化邊界到圓心的最長距離為半徑畫圓，并將所提取的2000年和2019年2期城市地域范圍進(jìn)行疊加，黃色區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域分別為2000年和2019年鹽湖區(qū)城市區(qū)域，如圖4所示。鹽湖區(qū)城市發(fā)展特點(diǎn)總體上呈現(xiàn)出從中心城區(qū)向北部觸須式擴(kuò)展，2000—2019年發(fā)展較快方向?yàn)?0°～60°和110°～130°方向，擴(kuò)展較慢的方向是南部180°～360°方向，鹽湖自然邊界限制了城市區(qū)域的演化。

圖4 鹽湖區(qū)城市演化方向圖Fig.4 Evolution directions of the urbanized area in the Salt Lake district

3.4 合理性分析

我國學(xué)者通過對中國歷年城市化過程綜合分析，認(rèn)為R(i)=1.12時較為合適，也就是城市人口每增加1個百分點(diǎn)，城市用地面積大約增加1.12個百分點(diǎn)[19]。運(yùn)城鹽湖區(qū)城市面積-人口彈性系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 運(yùn)城鹽湖區(qū)城市面積-人口彈性系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表3可以看出， 2000—2019年，運(yùn)城市城市面積變化增長率為17.79%，人口年均增長率為9.65%，城市面積-人口彈性系數(shù)R(i)=1.84，大于1.12，二者協(xié)調(diào)性低。分階段觀察，運(yùn)城市域2005—2010年和2010—2015年的城市面積-人口彈性系數(shù)為3.70和5.52，遠(yuǎn)高于經(jīng)驗(yàn)值1.12，說明期間城市用地?cái)U(kuò)張速率過快，城市人口增長緩慢，造成土地資源浪費(fèi)，城市擴(kuò)展與人口發(fā)展之間的協(xié)調(diào)性低。而在2000—2005年和2015—2019年間分別為0.55和0.90，前5年和近4年城市增長合理，城市演化發(fā)展與人口增長之間的協(xié)調(diào)性高。運(yùn)城城市地域演化總體呈現(xiàn)出“合理—不合理—合理”的發(fā)展模式。

3.5 城市化地域空間演化特征

根據(jù)城市地域空間演化各要素，以及多時相遙感影像與城市交通圖疊加分析，可以直觀地反映景觀型城市化地域空間演化特征。鹽湖區(qū)城市地域空間演化特征表現(xiàn)為3種類型：外延擴(kuò)展型、軸向擴(kuò)展型和飛地?cái)U(kuò)展型，如圖5所示。

(1) 外延擴(kuò)展型。城市區(qū)域的外延擴(kuò)展主要在北部、東北、西北方向，南部和東南部為運(yùn)城市鹽湖，自然邊界限制了城市區(qū)域的擴(kuò)張，主要表現(xiàn)為填充。

(2) 軸向擴(kuò)展型。軸向空間擴(kuò)展有3條主要的軸線：① 運(yùn)稷線擴(kuò)展帶，沿運(yùn)稷線從城市中心的解放南路向西北方向的擴(kuò)展；② 西部擴(kuò)展帶，沿209國道從南向西北方向擴(kuò)展；③ 機(jī)場路擴(kuò)展帶，有機(jī)場路、候風(fēng)線、南同蒲鐵路線等線路東北-西南向穿過，空港衛(wèi)星城鎮(zhèn)也在該方向，是鹽湖區(qū)城市地域演化的主導(dǎo)方向。

(3) 飛地?cái)U(kuò)展型?？崭坌聟^(qū)是2002年批準(zhǔn)建立的市級開發(fā)區(qū)，屬于東部的衛(wèi)星城，根據(jù)遙感影像，2010年空港區(qū)衛(wèi)星城鎮(zhèn)和鹽湖區(qū)城市區(qū)域連成一體。

圖5 鹽湖區(qū)城市地域空間演化Fig.5 Spatial evolution pattern of the urbanized area in the Salt Lake district

4 結(jié)束語

不合理的城市化會占用優(yōu)質(zhì)的耕地資源，造成一系列生態(tài)環(huán)境問題。研究城市地域空間演化的特征和規(guī)律，對于合理規(guī)劃國土空間、實(shí)現(xiàn)城市的綠色健康發(fā)展具有重要意義[20]。本文采用高中分辨率遙感影像數(shù)據(jù)GF-2和Landsat ETM+/OLI影像，提取了2000—2019 年間共5 期的鹽湖區(qū)城市邊界數(shù)據(jù)，對鹽湖區(qū)地域空間演化過程特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：① 在2000—2019 年，鹽湖區(qū)城市面積增加了70.06 km2，增長速率達(dá)3.69 平方千米/年，增長強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到337.91%。其中，2000—2015年增長最快，增長了62.65 km2，占總增長量的89.44%，是快速增長期；2015年以后僅增加了7.40 km2，占總增長量的10.56%，城市面積量的增長趨于放緩。② 緊湊度指數(shù)和分維數(shù)都說明鹽湖區(qū)地域空間的演化，2015年以前以量的擴(kuò)張為主，之后轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)的填充。③ 城市重心向北偏東10°方向位移4.32 km，位移速度為0.23 千米/年?？傮w上呈現(xiàn)出從中心向北部觸須式發(fā)展，發(fā)展較快方向依次為40°～60°和110°～130°。④ 鹽湖區(qū)城市地域演化總體呈現(xiàn)出“合理—不合理—合理”的發(fā)展模式。⑤ 外延擴(kuò)展型、軸向擴(kuò)展型和飛地?cái)U(kuò)展型為鹽湖區(qū)城市地域空間演化的3種類型。本研究拓展了我國GF-2 遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，為區(qū)域城市化的研究提供了新手段，為準(zhǔn)確地把握城市演化進(jìn)程、促進(jìn)城市精明增長和健康發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。