太原市建成面積擴張及驅(qū)動力分析

太原市建成面積擴張及驅(qū)動力分析

賀鵬，李曉靜，徐立帥，鄭超(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801)太原市建成面積擴張及驅(qū)動力分析賀鵬，李曉靜，徐立帥，鄭超(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801)[目的]為分析近30年太原市建成面積擴張方式、特點及驅(qū)動因素。[方法]利用改進歸一化差異城鎮(zhèn)指數(shù)(NDBI)分別提取1987、1996、2006年TM遙感數(shù)據(jù)和2016年OLI遙感數(shù)據(jù)中城市用地信息，結(jié)合人工目視解譯提取不同時期太原市建成區(qū)邊界，并采用分形維數(shù)模型進行建成區(qū)空間動態(tài)變化的定量研究。[結(jié)果]1987—2016年建成區(qū)面積擴張顯著，但不同時期擴張的特點和結(jié)構(gòu)的合理性不同。1987—2006年受到經(jīng)濟政治等社會因素影響，建成區(qū)以向四周擴展為主但不規(guī)則程度較高、結(jié)構(gòu)不合理；2006—2016年在地形和政治經(jīng)濟雙重因素影響下，南部成為建成區(qū)擴展的主要方向并將長期保持向南發(fā)展的趨勢，同時由于城市規(guī)劃作用的增強，該時段建成區(qū)表現(xiàn)出線性擴展的特點，擴展的方向性較強，結(jié)構(gòu)較為合理。[結(jié)論]受地形、經(jīng)濟和政治因素的影響，不同時期建成區(qū)擴展方式和特點不同。建成區(qū)；分形維數(shù)；時空動態(tài)；驅(qū)動力近年來，城市化速度的不斷加快給城市帶來氣候、生態(tài)和環(huán)境等多方面的問題。結(jié)合城市用地擴張規(guī)律和驅(qū)動力因素,制定符合客觀實際的城市土地利用優(yōu)化對策，對城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)為城市化的發(fā)展研究提供了新的研究方法和技術(shù)保障[2]。國內(nèi)外學(xué)者以3S技術(shù)為基礎(chǔ)對城市區(qū)劃和用地擴展作了大量研究[3～5]，提高了相關(guān)部門決策效率，但無法精確表示城市用地擴張過程中的穩(wěn)定性和復(fù)雜性[6]。分形理論由Mandelbrot[7]創(chuàng)立于20世紀(jì)60—70年代，是一種跨自然科學(xué)、社會科學(xué)和思維科學(xué)的新理論。它相對于歐式幾何更適于描述大自然中復(fù)雜的真實物體，已被廣泛應(yīng)用于包括地理學(xué)、土壤學(xué)等在內(nèi)的眾多學(xué)科領(lǐng)域[8,9]。將分形理論與RS、GPS、GIS相結(jié)合可以進行對城市用地擴張規(guī)則性、穩(wěn)定性和復(fù)雜性的細化研究[10～12]。本文以TM和OLI遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將改進NDBI與人工目視解譯相結(jié)合提取1987、1996、2006和2016年太原市建成區(qū)邊界，應(yīng)用分形維數(shù)模型計算建成區(qū)不同時期的分形維數(shù)，以期確定太原市建成區(qū)近30年的時空變化趨勢，為城市交通規(guī)劃、綠地和公共設(shè)施布局及居民住宅建設(shè)提供可靠依據(jù)。1材料與方法1.1研究區(qū)域太原市地處山西省中部，是山西省政治，經(jīng)濟和文化的中心。其北、東、西三面環(huán)山，中部和南部為河谷平原，市區(qū)座落在汾河河谷平原上，汾河自北向南縱貫城市全境。由于其地形復(fù)雜多樣，海拔高度差異較大形成北溫帶大陸性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷署，年均氣溫9.5℃；夏秋降雨集中，冬春旱且多風(fēng)，年均降水量為456mm且存在明顯的波動性。太原市轄1市3縣6區(qū)，即古交市、清徐縣、陽曲縣和婁煩縣；其市區(qū)包括杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)和晉源區(qū)(圖1)。圖1研究區(qū)概況圖Fig.1Mapofstudyarea1.2研究方法1.2.1改進NDBI指數(shù)NDBI是基于Landsat數(shù)據(jù)構(gòu)建的歸一化差異城鎮(zhèn)指數(shù)[13]，根據(jù)TM影像在4波段和5波段之間(OLI影像在5波段和6波段之間)大多數(shù)地類灰度值變小，而城市用地信息灰度值走高的光譜特性，實現(xiàn)TM影像和OLI影像中城市用地信息的初步自動提取：NDBI=(band5-band4)/(band4+band5)(1)式中，band4、band5分別指TM影像的第4、5波段(OLI影像的第5、6波段)。在利用NDBI提取城市用地信息的過程中，由于遙感影像同物異譜和異物同譜的影響，裸地光譜特征、稀疏植被光譜特征與城市用地信息的光譜特征相似，僅利用NDBI初步自動提取結(jié)果，不能有效地將裸地信息、稀疏植被信息與城市用地信息區(qū)分開[14]。由于裸地灰度值在TM影像5波段和6波段之間(OLI影像6波段和10波段之間)呈下降趨勢，這與其它地類的光譜特性都不相同。所以將TM影像中像元灰度值在第5、第6波段(OLI影像第6、第10波段)之間呈下降趨勢的像元賦值為0，達到去除裸地信息的目的。稀疏植被不僅具有植被光譜特征，同時具有城市用地信息的光譜特征，本文利用NDVI進行閾值設(shè)定，剔除植被以減少植被信息對城市用地信息的干擾。在去除裸地信息基礎(chǔ)上，當(dāng)像元的NDVI大于等于0時將該像元賦值為0，達到除去稀疏植被信息的效果。結(jié)合裸地和稀疏植被的光譜特征建立基于裸地和稀疏植被光譜特征的改進NDBI。將改進NDBI二值化，把NDBI取值小于或等于零的像元賦值為0；大于零的像元賦值為255，這些像元即為城市用地信息。在校正1987年、1996年、2006年太原市城區(qū)同期TM數(shù)據(jù)和2016年OLI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用改進NDBI提取城市用地信息，同時結(jié)合人工目視解譯提取太原市城區(qū)不同時期的建成區(qū)邊界，為了保持城市實體空間結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，本文將城市內(nèi)部水體劃入建成區(qū)范圍內(nèi)(圖2)。圖2太原市建成區(qū)1987—2016年擴展過程Fig.2Theexpandingofbuild-upareainTaiyuanfrom1987to20161.2.2分形維數(shù)模型分形維數(shù)模型采用分形幾何中的格子法模型，即建立不同大小的格網(wǎng)邊長與涵蓋建成區(qū)的格網(wǎng)數(shù)之間的雙對數(shù)曲線模型：(2)式中，ε為格子邊長，N(ε)為格子邊長為ε時涵蓋建成區(qū)的格子數(shù)，k建成區(qū)分形維數(shù)，c為待定系數(shù)。本文選取格子邊長為100m、200m、500m、1000m、2000m、5000m和10000m，求取相應(yīng)的建成區(qū)格子數(shù)并帶入式(2)構(gòu)成多元回歸方程組：(3)式中，n代表多元回歸方程組個數(shù)，即選取的格子邊長的數(shù)量。用最小二乘法對上述多元回歸方程進行最優(yōu)化求解，得到k建成區(qū)分形維數(shù)和c待定系數(shù)。當(dāng)分形維數(shù)接近1時，空間分布接近線狀，圖形不規(guī)則程度較??；當(dāng)分形維數(shù)接近2時，空間分布接近面狀，圖形不規(guī)則程度較大[15]。2結(jié)果與分析2.1不同時期建成區(qū)空間變化分析資料表明[16]，70年代建成區(qū)面積為123.71km2，到2010年已經(jīng)擴展到322.55km2。提取太原市建成區(qū)面積(表1)可知，20世紀(jì)80年代太原市主要建成區(qū)面積約為135.08km2，到2016年建成區(qū)已經(jīng)擴展到344.91km2，年均擴展6.99km2。城市建成區(qū)擴展以南北為主，東西為輔，其中向北擴展主要在尖草坪區(qū)，向南擴展主要在晉源區(qū)和小店區(qū)。由于東西臨山，建成區(qū)在東西方向擴展較為緩慢，30年間擴展主要是以環(huán)城高速公路、新修省道及配套基礎(chǔ)設(shè)施為主。80年代末建成區(qū)以汾河為界基本呈對稱分布，汾河以西建成區(qū)以萬柏林區(qū)為主，汾河以東建成區(qū)以迎澤區(qū)和杏花嶺區(qū)為主。萬柏林區(qū)主要以焦化和建材企業(yè)和市場為主，杏花嶺區(qū)為政府所在地和商業(yè)中心區(qū)域，迎澤區(qū)為客運聚集地。尖草坪區(qū)、小店區(qū)和晉源區(qū)大部分區(qū)域以村落為主，交通及基礎(chǔ)設(shè)施落后。城市四條主干道包圍建成區(qū)，即東接建設(shè)路、西至和平路、北起北大街、南到長風(fēng)街并向南延伸至武宿機場。90年代初，改革開放政策影響力大大增強，城市經(jīng)濟迅速發(fā)展，建成區(qū)擴展較快。在強調(diào)“能源重化工基地”建設(shè)的方針下，建成區(qū)擴展以工業(yè)建設(shè)及配套設(shè)施建設(shè)為主。到1996年，建成區(qū)面積較1987年增長34.89%，建成區(qū)向北發(fā)展至火車北站；西部從下元沿西山方向擴展到桃杏站，東部和南部發(fā)展較緩慢。隨著改革開放政策的不斷深入，城市經(jīng)濟和人口迅速膨脹，居住和商業(yè)用地面積需求增大導(dǎo)致建成區(qū)極速擴張。1996—2006年是城市建成區(qū)擴展最迅速的時期。期間建成區(qū)面積增加45.63%，擴展方向以南北為主，東西為輔。建成區(qū)繼續(xù)向北延展到向陽、陽曲兩地，并建立該區(qū)域的環(huán)城高速公路；南部發(fā)展主要以小店區(qū)為主，在完善該區(qū)域環(huán)城高速公路基礎(chǔ)上向南進行大范圍建設(shè)包括東南方向武宿機場的擴建和南部汾東教育園區(qū)的規(guī)劃建設(shè)；東部發(fā)展至東山并建立完成東部環(huán)城高速；西北部擴展到西山腳下，完善西山煤礦交通體系及相應(yīng)配套設(shè)施，西南部擴展以晉源區(qū)為主，建立完成西南環(huán)城高速公路并向南延伸到晉祠旅游區(qū)。21世紀(jì)初，受城市規(guī)劃和土地市場作用的影響，工業(yè)用地從城市中心置換并向郊區(qū)遷移，建成區(qū)面積增長速度放緩。受地形和水資源因素的影響，建成區(qū)以向南發(fā)展為主，西南方向晉祠旅游區(qū)向汾河西岸建設(shè)與規(guī)劃，建立晉陽湖生態(tài)旅游度假區(qū)，東南方向擴展至?xí)x中市榆次區(qū)，實現(xiàn)“太榆同城化”；建成區(qū)在北、東、西三個方向以公路擴建和生態(tài)公園修建為主，擴展速度緩慢。表1太原市不同時期的建成區(qū)面積Table1Theareaofbuild-upareainTaiyuanfrom1987to2016年份Year面積/km2Area1987135.081996182.212006265.362016344.912.2不同時期建成區(qū)分形特征分析計算不同時期太原市建成區(qū)的分形維數(shù)可知(圖3)，四個時期的分形維數(shù)分別為1.7327、1.7549、1.7941、1.7430(R2值均大于0.99)，1987年到2006年建成區(qū)分形維數(shù)呈逐漸增加的趨勢，說明建成區(qū)擴展方式以向外擴張為主，以內(nèi)部填充為輔且擴展的不規(guī)則程度較高，結(jié)構(gòu)合理性較差。1987—1996年建成區(qū)擴展主要以工業(yè)用地及配套設(shè)施建設(shè)為主，擴展方向以向北和向西擴展為主，太鋼集團、西山煤礦集團分別與太原北站、杏桃車站連接，構(gòu)成“產(chǎn)運一體”的工業(yè)化結(jié)構(gòu)，在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時擴展西部和北部建成區(qū)面積。但由于僅考慮城市經(jīng)濟發(fā)展，建成區(qū)擴展呈不規(guī)則狀；1996—2006年建成區(qū)面積增長45.63%且向四周均有明顯擴展，但擴展的方向性不強，結(jié)構(gòu)細碎。該時段在深化改革開放的大環(huán)境下，城市經(jīng)濟飛速發(fā)展、人口迅速膨脹，居住和商業(yè)用地面積的需求快速增加，北部、東部和西部的擴展仍以工業(yè)用地及配套設(shè)施建設(shè)和公路建設(shè)為主；南部擴展以商業(yè)、住宅和旅游為主。由于城市規(guī)劃作用不強，該時段擴展仍為不規(guī)則擴展；2016年分形維數(shù)比2006年有較大幅度下降，說明建成區(qū)擴展方向性增強，受地形因素影響，城市北、東和西三個方向基本沒有擴展空間，擴張以內(nèi)部填充為主，速度緩慢；城區(qū)南部則成為建成區(qū)擴展的主要方向，該時期由于城市規(guī)劃作用的加強，建成區(qū)擴展的結(jié)構(gòu)合理性增強并進入到相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。圖3太原市建成區(qū)1987、1996、2006、2016年分形維數(shù)Fig.3Thefractaldimensionofbuild-upareainTaiyuanat1987、1996、2006、20162.3建成區(qū)擴展驅(qū)動力分析2.3.1自然因素自然因素在宏觀尺度上對城市發(fā)展影響較大，主要表現(xiàn)為對建成區(qū)擴展方式的影響[17]。太原市地處太原盆地，城區(qū)北、西和東三面環(huán)山，限制在該方向上建成區(qū)的向外擴展，北、西、東三面以工業(yè)園區(qū)改造、公路擴建和生態(tài)公園建設(shè)為主，將工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護相結(jié)合；城區(qū)南部汾河貫穿而過，水資源條件較豐富，城市生活用水充足，利于住宅及商業(yè)用地的建設(shè)。同時南部地勢平坦開闊，為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和交通道路規(guī)劃奠定了良好的基礎(chǔ)。2.3.2政治經(jīng)濟因素城市發(fā)展離不開國家政策。政策制約著土地利用的變化，甚至對土地利用起著主導(dǎo)性的作用[18]。1987—1996年在“以經(jīng)濟建設(shè)為中心”的政策影響下，政府提出加快建設(shè)“能源重化工基地”，以工業(yè)建設(shè)帶動地區(qū)經(jīng)濟增長。該時期城區(qū)北部的太鋼集團向北延伸與火車北站連接，西部的西山煤礦集團則與桃杏站相通，城市工業(yè)與交通運輸業(yè)相結(jié)合，構(gòu)建了“產(chǎn)運一體”的工業(yè)化結(jié)構(gòu)，極大程度提高了城市經(jīng)濟的增長幅度，到1996年底太原市城區(qū)第二產(chǎn)業(yè)占到城區(qū)生產(chǎn)總值的46.14%，其中工業(yè)生產(chǎn)總值占第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的79.83%。工業(yè)發(fā)展在影響經(jīng)濟增長的同時帶動周圍地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。作為老工業(yè)基地，能源開采用地和工業(yè)建設(shè)用地分布廣泛，城區(qū)建設(shè)依靠工礦企業(yè)自然蔓延的現(xiàn)象普遍，促進建成區(qū)向北和向西擴展。但由于規(guī)劃力度不強，擴展中逐步形成城鄉(xiāng)居住用地與工礦企業(yè)用地相互穿插、相鄰布局的格局[16]，擴展不規(guī)則程度較高，合理性較差；1996—2006年在深化改革開放政策影響下，太原市經(jīng)濟繼續(xù)保持較快的發(fā)展，該時期城區(qū)城鎮(zhèn)居民可支配收入和消費性支出年增長率分別為10.28%和8.64%。隨著可支配收入和消費性支出的增加，城鎮(zhèn)居民對住房及配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求增多，建成區(qū)向四周迅速擴展。北部和西部擴展以工礦企業(yè)用地和城鄉(xiāng)居住用地為主，南部擴展以住宅和商業(yè)用地為主，東部擴展以完善道路等基礎(chǔ)設(shè)施為主。同時政府通過修建環(huán)城高速帶動城市工業(yè)、商業(yè)及旅游業(yè)同步發(fā)展，但是由于土地市場影響作用不強，建成區(qū)擴展不規(guī)則程度高，結(jié)構(gòu)較細碎。2006—2016年受城市規(guī)劃和土地市場作用的影響，建成區(qū)以向南擴展為主且方向性較強，擴展速度相對放緩，但結(jié)構(gòu)更加合理并進入到相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。建成區(qū)在東南方向擴展至?xí)x中市榆次區(qū)，實現(xiàn)“太榆同城化”，帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。同時在建設(shè)“生態(tài)太原”的政策影響下，建成區(qū)西南方向以晉祠旅游區(qū)向汾河西岸建設(shè)與規(guī)劃為主，建立晉陽湖生態(tài)旅游度假區(qū)，以達到改善城市環(huán)境的效果。2.3.3人口因素人口因素是社會因素中十分重要的影響因素，是推動城市用地規(guī)模擴展的內(nèi)在動力，大量外來人口進入城市，占用城市資源的同時促進了城市建成區(qū)的擴展[19]。從1987—2015年太原市城區(qū)人口數(shù)量(圖4)可以看出，近30年城區(qū)人口總數(shù)量呈遞增趨勢且增長率不斷增加，1987—1996年尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)人口分別增長58.22%、52.85%，人口增長速度遠超其他行政區(qū)。該時期由于尖草坪區(qū)和萬柏林區(qū)工業(yè)迅速發(fā)展，大量勞動力涌入該區(qū)從事工業(yè)建設(shè)。勞動力的大量涌入帶來區(qū)域住宅需求的大量增加，據(jù)統(tǒng)計，1987—1996年尖草坪區(qū)和萬柏林區(qū)增加住宅用地面積占城區(qū)增加住宅用地面積的60%。2015年底小店區(qū)成為城區(qū)人口數(shù)量最大的行政區(qū)域，占城區(qū)人口總數(shù)的23.49%，人口的大量增加，加快住宅樓、商業(yè)中心、交通設(shè)施等城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，促進建成區(qū)擴展。通過計算城市面積-人口彈性系數(shù)(表2)發(fā)現(xiàn)，1987—2006年建成區(qū)擴展面積明顯快于人口增長速度，造成建成區(qū)空間結(jié)構(gòu)不合理；2006—2016年建成區(qū)面積擴展速度略小于城區(qū)人口增長速度，該時期彈性系數(shù)與合理值(1.12)[20]差值的絕對值最小，說明建成區(qū)擴展與人口增長關(guān)系相對協(xié)調(diào)、合理。圖4太原市城區(qū)分區(qū)人口數(shù)量Fig.4ThepopulationofcitysubdivisioninTaiyuan3結(jié)論與討論從1987年到2016年太原市建成區(qū)面積年均擴展6.99km2，擴展速度較快且以向外擴展為主。通過分形維數(shù)模型分析發(fā)現(xiàn)，不同時期建成區(qū)擴展的速度、規(guī)模和結(jié)構(gòu)不同。1987—2006年建成區(qū)面積擴張速度較快、規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)細碎化程度高，不合理性較強。2006—2016年建成區(qū)擴張速度相對放緩，方向性增強，以向南擴展為主，該時期建成區(qū)擴展與人口增長關(guān)系相對協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)合理，城市發(fā)展進入相對穩(wěn)定的階段。表2不同時期城區(qū)面積-人口彈性系數(shù)受到人口、經(jīng)濟、政策等社會條件影響，建成區(qū)南部擴展以居民地、商業(yè)及旅游為主，北、東、西方向建成區(qū)則以工業(yè)園區(qū)及配套基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)公園為主。由于地形原因太原市建成區(qū)在北、東、西方向發(fā)展的限制性較大。城區(qū)南部汾河貫穿而過，水資源條件較豐富，城市生活用水充足，同時南部地勢平坦開闊，為城市基礎(chǔ)設(shè)施和交通道路規(guī)劃建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，建成區(qū)以向南擴展為主，北、東、西為輔并將長期保持向南發(fā)展的趨勢。[1]ForaythA.Fiveimagesofasuburb:Perspectivesonanewurbandevelopment[J].JournalofAmericanPlanningAssociation,1997,63(1):45-60.[2]WuF,WebsterCJ.SimulatingartificialcitiesinaGISenvironment:Urbangrowthunderalternativeregulativeregimes[J].InternationalJournalofGeographicalInformationScience,2000,14(7):625-648.[3]QiG,LiX,LiS,etal.Measuringsocialfunctionsofcityregionsfromlarge-scaletaxibehaviors[C].IEEEInternationalConferenceonPervasiveComputingandCommunicationsWorkshops,2011:384-388.[4]戴昌達,唐伶俐,陳剛,等.衛(wèi)星遙感監(jiān)測城市擴展與環(huán)境變化的研究[J].環(huán)境遙感,1995,10(1):1-8.[5]吝濤,李新虎,張國欽,等.廈門島城市空間擴張?zhí)卣骷捌溆绊懸蛩胤治鯷J].地理學(xué)報,2010,65(6):715-726.[6]朱曉華,蔡運龍.中國土地利用空間分形結(jié)構(gòu)及其機制[J].地理科學(xué),2005,25(6):6671-6677.[7]MandelbrotBB.HowlongisthecoastofBritain:Statisticalself-similarityandfractionaldimension[J].Science,1967,156(3775):636-638.[8]曾志遠,曹錦鐸.分數(shù)維幾何學(xué)在地學(xué)和土壤制圖學(xué)上的應(yīng)用[J].土壤,1991(3):117-122.[9]王國梁,周生路,趙其國.土壤顆粒的體積分形維數(shù)及其在土地利用中的應(yīng)用[J].土壤學(xué)報,2005,42(4):545-550．[10]邵懷勇,仙巍,馬澤忠,等.土地利用/土地覆被鑲嵌體的分形結(jié)構(gòu)模型研究[J].水土保持學(xué)報,2004,18(5):1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