太原市建成面积扩张及驱动力分析

太原市建成面积扩张及驱动力分析

贺鹏，李晓静，徐立帅，郑超(山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801)太原市建成面积扩张及驱动力分析贺鹏，李晓静，徐立帅，郑超(山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801)[目的]为分析近30年太原市建成面积扩张方式、特点及驱动因素。[方法]利用改进归一化差异城镇指数(NDBI)分别提取1987、1996、2006年TM遥感数据和2016年OLI遥感数据中城市用地信息，结合人工目视解译提取不同时期太原市建成区边界，并采用分形维数模型进行建成区空间动态变化的定量研究。[结果]1987—2016年建成区面积扩张显著，但不同时期扩张的特点和结构的合理性不同。1987—2006年受到经济政治等社会因素影响，建成区以向四周扩展为主但不规则程度较高、结构不合理；2006—2016年在地形和政治经济双重因素影响下，南部成为建成区扩展的主要方向并将长期保持向南发展的趋势，同时由于城市规划作用的增强，该时段建成区表现出线性扩展的特点，扩展的方向性较强，结构较为合理。[结论]受地形、经济和政治因素的影响，不同时期建成区扩展方式和特点不同。建成区；分形维数；时空动态；驱动力近年来，城市化速度的不断加快给城市带来气候、生态和环境等多方面的问题。结合城市用地扩张规律和驱动力因素,制定符合客观实际的城市土地利用优化对策，对城市可持续发展具有重要意义[1]。遥感(RS)、地理信息系统(GIS)及全球定位系统(GPS)技术为城市化的发展研究提供了新的研究方法和技术保障[2]。国内外学者以3S技术为基础对城市区划和用地扩展作了大量研究[3～5]，提高了相关部门决策效率，但无法精确表示城市用地扩张过程中的稳定性和复杂性[6]。分形理论由Mandelbrot[7]创立于20世纪60—70年代，是一种跨自然科学、社会科学和思维科学的新理论。它相对于欧式几何更适于描述大自然中复杂的真实物体，已被广泛应用于包括地理学、土壤学等在内的众多学科领域[8,9]。将分形理论与RS、GPS、GIS相结合可以进行对城市用地扩张规则性、稳定性和复杂性的细化研究[10～12]。本文以TM和OLI遥感数据为基础，将改进NDBI与人工目视解译相结合提取1987、1996、2006和2016年太原市建成区边界，应用分形维数模型计算建成区不同时期的分形维数，以期确定太原市建成区近30年的时空变化趋势，为城市交通规划、绿地和公共设施布局及居民住宅建设提供可靠依据。1材料与方法1.1研究区域太原市地处山西省中部，是山西省政治，经济和文化的中心。其北、东、西三面环山，中部和南部为河谷平原，市区座落在汾河河谷平原上，汾河自北向南纵贯城市全境。由于其地形复杂多样，海拔高度差异较大形成北温带大陆性气候，冬无严寒，夏无酷署，年均气温9.5℃；夏秋降雨集中，冬春旱且多风，年均降水量为456mm且存在明显的波动性。太原市辖1市3县6区，即古交市、清徐县、阳曲县和娄烦县；其市区包括杏花岭区、迎泽区、小店区、尖草坪区、万柏林区和晋源区(图1)。图1研究区概况图Fig.1Mapofstudyarea1.2研究方法1.2.1改进NDBI指数NDBI是基于Landsat数据构建的归一化差异城镇指数[13]，根据TM影像在4波段和5波段之间(OLI影像在5波段和6波段之间)大多数地类灰度值变小，而城市用地信息灰度值走高的光谱特性，实现TM影像和OLI影像中城市用地信息的初步自动提取：NDBI=(band5-band4)/(band4+band5)(1)式中，band4、band5分别指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过程中，由于遥感影像同物异谱和异物同谱的影响，裸地光谱特征、稀疏植被光谱特征与城市用地信息的光谱特征相似，仅利用NDBI初步自动提取结果，不能有效地将裸地信息、稀疏植被信息与城市用地信息区分开[14]。由于裸地灰度值在TM影像5波段和6波段之间(OLI影像6波段和10波段之间)呈下降趋势，这与其它地类的光谱特性都不相同。所以将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)之间呈下降趋势的像元赋值为0，达到去除裸地信息的目的。稀疏植被不仅具有植被光谱特征，同时具有城市用地信息的光谱特征，本文利用NDVI进行阈值设定，剔除植被以减少植被信息对城市用地信息的干扰。在去除裸地信息基础上，当像元的NDVI大于等于0时将该像元赋值为0，达到除去稀疏植被信息的效果。结合裸地和稀疏植被的光谱特征建立基于裸地和稀疏植被光谱特征的改进NDBI。将改进NDBI二值化，把NDBI取值小于或等于零的像元赋值为0；大于零的像元赋值为255，这些像元即为城市用地信息。在校正1987年、1996年、2006年太原市城区同期TM数据和2016年OLI数据基础上，利用改进NDBI提取城市用地信息，同时结合人工目视解译提取太原市城区不同时期的建成区边界，为了保持城市实体空间结构上的连续性，本文将城市内部水体划入建成区范围内(图2)。图2太原市建成区1987—2016年扩展过程Fig.2Theexpandingofbuild-upareainTaiyuanfrom1987to20161.2.2分形维数模型分形维数模型采用分形几何中的格子法模型，即建立不同大小的格网边长与涵盖建成区的格网数之间的双对数曲线模型：(2)式中，ε为格子边长，N(ε)为格子边长为ε时涵盖建成区的格子数，k建成区分形维数，c为待定系数。本文选取格子边长为100m、200m、500m、1000m、2000m、5000m和10000m，求取相应的建成区格子数并带入式(2)构成多元回归方程组：(3)式中，n代表多元回归方程组个数，即选取的格子边长的数量。用最小二乘法对上述多元回归方程进行最优化求解，得到k建成区分形维数和c待定系数。当分形维数接近1时，空间分布接近线状，图形不规则程度较小；当分形维数接近2时，空间分布接近面状，图形不规则程度较大[15]。2结果与分析2.1不同时期建成区空间变化分析资料表明[16]，70年代建成区面积为123.71km2，到2010年已经扩展到322.55km2。提取太原市建成区面积(表1)可知，20世纪80年代太原市主要建成区面积约为135.08km2，到2016年建成区已经扩展到344.91km2，年均扩展6.99km2。城市建成区扩展以南北为主，东西为辅，其中向北扩展主要在尖草坪区，向南扩展主要在晋源区和小店区。由于东西临山，建成区在东西方向扩展较为缓慢，30年间扩展主要是以环城高速公路、新修省道及配套基础设施为主。80年代末建成区以汾河为界基本呈对称分布，汾河以西建成区以万柏林区为主，汾河以东建成区以迎泽区和杏花岭区为主。万柏林区主要以焦化和建材企业和市场为主，杏花岭区为政府所在地和商业中心区域，迎泽区为客运聚集地。尖草坪区、小店区和晋源区大部分区域以村落为主，交通及基础设施落后。城市四条主干道包围建成区，即东接建设路、西至和平路、北起北大街、南到长风街并向南延伸至武宿机场。90年代初，改革开放政策影响力大大增强，城市经济迅速发展，建成区扩展较快。在强调“能源重化工基地”建设的方针下，建成区扩展以工业建设及配套设施建设为主。到1996年，建成区面积较1987年增长34.89%，建成区向北发展至火车北站；西部从下元沿西山方向扩展到桃杏站，东部和南部发展较缓慢。随着改革开放政策的不断深入，城市经济和人口迅速膨胀，居住和商业用地面积需求增大导致建成区极速扩张。1996—2006年是城市建成区扩展最迅速的时期。期间建成区面积增加45.63%，扩展方向以南北为主，东西为辅。建成区继续向北延展到向阳、阳曲两地，并建立该区域的环城高速公路；南部发展主要以小店区为主，在完善该区域环城高速公路基础上向南进行大范围建设包括东南方向武宿机场的扩建和南部汾东教育园区的规划建设；东部发展至东山并建立完成东部环城高速；西北部扩展到西山脚下，完善西山煤矿交通体系及相应配套设施，西南部扩展以晋源区为主，建立完成西南环城高速公路并向南延伸到晋祠旅游区。21世纪初，受城市规划和土地市场作用的影响，工业用地从城市中心置换并向郊区迁移，建成区面积增长速度放缓。受地形和水资源因素的影响，建成区以向南发展为主，西南方向晋祠旅游区向汾河西岸建设与规划，建立晋阳湖生态旅游度假区，东南方向扩展至晋中市榆次区，实现“太榆同城化”；建成区在北、东、西三个方向以公路扩建和生态公园修建为主，扩展速度缓慢。表1太原市不同时期的建成区面积Table1Theareaofbuild-upareainTaiyuanfrom1987to2016年份Year面积/km2Area1987135.081996182.212006265.362016344.912.2不同时期建成区分形特征分析计算不同时期太原市建成区的分形维数可知(图3)，四个时期的分形维数分别为1.7327、1.7549、1.7941、1.7430(R2值均大于0.99)，1987年到2006年建成区分形维数呈逐渐增加的趋势，说明建成区扩展方式以向外扩张为主，以内部填充为辅且扩展的不规则程度较高，结构合理性较差。1987—1996年建成区扩展主要以工业用地及配套设施建设为主，扩展方向以向北和向西扩展为主，太钢集团、西山煤矿集团分别与太原北站、杏桃车站连接，构成“产运一体”的工业化结构，在促进经济发展的同时扩展西部和北部建成区面积。但由于仅考虑城市经济发展，建成区扩展呈不规则状；1996—2006年建成区面积增长45.63%且向四周均有明显扩展，但扩展的方向性不强，结构细碎。该时段在深化改革开放的大环境下，城市经济飞速发展、人口迅速膨胀，居住和商业用地面积的需求快速增加，北部、东部和西部的扩展仍以工业用地及配套设施建设和公路建设为主；南部扩展以商业、住宅和旅游为主。由于城市规划作用不强，该时段扩展仍为不规则扩展；2016年分形维数比2006年有较大幅度下降，说明建成区扩展方向性增强，受地形因素影响，城市北、东和西三个方向基本没有扩展空间，扩张以内部填充为主，速度缓慢；城区南部则成为建成区扩展的主要方向，该时期由于城市规划作用的加强，建成区扩展的结构合理性增强并进入到相对稳定的发展阶段。图3太原市建成区1987、1996、2006、2016年分形维数Fig.3Thefractaldimensionofbuild-upareainTaiyuanat1987、1996、2006、20162.3建成区扩展驱动力分析2.3.1自然因素自然因素在宏观尺度上对城市发展影响较大，主要表现为对建成区扩展方式的影响[17]。太原市地处太原盆地，城区北、西和东三面环山，限制在该方向上建成区的向外扩展，北、西、东三面以工业园区改造、公路扩建和生态公园建设为主，将工业发展与环境保护相结合；城区南部汾河贯穿而过，水资源条件较丰富，城市生活用水充足，利于住宅及商业用地的建设。同时南部地势平坦开阔，为城市基础设施建设和交通道路规划奠定了良好的基础。2.3.2政治经济因素城市发展离不开国家政策。政策制约着土地利用的变化，甚至对土地利用起着主导性的作用[18]。1987—1996年在“以经济建设为中心”的政策影响下，政府提出加快建设“能源重化工基地”，以工业建设带动地区经济增长。该时期城区北部的太钢集团向北延伸与火车北站连接，西部的西山煤矿集团则与桃杏站相通，城市工业与交通运输业相结合，构建了“产运一体”的工业化结构，极大程度提高了城市经济的增长幅度，到1996年底太原市城区第二产业占到城区生产总值的46.14%，其中工业生产总值占第二产业生产总值的79.83%。工业发展在影响经济增长的同时带动周围地区基础设施建设。作为老工业基地，能源开采用地和工业建设用地分布广泛，城区建设依靠工矿企业自然蔓延的现象普遍，促进建成区向北和向西扩展。但由于规划力度不强，扩展中逐步形成城乡居住用地与工矿企业用地相互穿插、相邻布局的格局[16]，扩展不规则程度较高，合理性较差；1996—2006年在深化改革开放政策影响下，太原市经济继续保持较快的发展，该时期城区城镇居民可支配收入和消费性支出年增长率分别为10.28%和8.64%。随着可支配收入和消费性支出的增加，城镇居民对住房及配套基础设施建设的要求增多，建成区向四周迅速扩展。北部和西部扩展以工矿企业用地和城乡居住用地为主，南部扩展以住宅和商业用地为主，东部扩展以完善道路等基础设施为主。同时政府通过修建环城高速带动城市工业、商业及旅游业同步发展，但是由于土地市场影响作用不强，建成区扩展不规则程度高，结构较细碎。2006—2016年受城市规划和土地市场作用的影响，建成区以向南扩展为主且方向性较强，扩展速度相对放缓，但结构更加合理并进入到相对稳定的发展阶段。建成区在东南方向扩展至晋中市榆次区，实现“太榆同城化”，带动区域经济发展。同时在建设“生态太原”的政策影响下，建成区西南方向以晋祠旅游区向汾河西岸建设与规划为主，建立晋阳湖生态旅游度假区，以达到改善城市环境的效果。2.3.3人口因素人口因素是社会因素中十分重要的影响因素，是推动城市用地规模扩展的内在动力，大量外来人口进入城市，占用城市资源的同时促进了城市建成区的扩展[19]。从1987—2015年太原市城区人口数量(图4)可以看出，近30年城区人口总数量呈递增趋势且增长率不断增加，1987—1996年尖草坪区、万柏林区人口分别增长58.22%、52.85%，人口增长速度远超其他行政区。该时期由于尖草坪区和万柏林区工业迅速发展，大量劳动力涌入该区从事工业建设。劳动力的大量涌入带来区域住宅需求的大量增加，据统计，1987—1996年尖草坪区和万柏林区增加住宅用地面积占城区增加住宅用地面积的60%。2015年底小店区成为城区人口数量最大的行政区域，占城区人口总数的23.49%，人口的大量增加，加快住宅楼、商业中心、交通设施等城市基础设施的建设，促进建成区扩展。通过计算城市面积-人口弹性系数(表2)发现，1987—2006年建成区扩展面积明显快于人口增长速度，造成建成区空间结构不合理；2006—2016年建成区面积扩展速度略小于城区人口增长速度，该时期弹性系数与合理值(1.12)[20]差值的绝对值最小，说明建成区扩展与人口增长关系相对协调、合理。图4太原市城区分区人口数量Fig.4ThepopulationofcitysubdivisioninTaiyuan3结论与讨论从1987年到2016年太原市建成区面积年均扩展6.99km2，扩展速度较快且以向外扩展为主。通过分形维数模型分析发现，不同时期建成区扩展的速度、规模和结构不同。1987—2006年建成区面积扩张速度较快、规模较大，结构细碎化程度高，不合理性较强。2006—2016年建成区扩张速度相对放缓，方向性增强，以向南扩展为主，该时期建成区扩展与人口增长关系相对协调，结构合理，城市发展进入相对稳定的阶段。表2不同时期城区面积-人口弹性系数受到人口、经济、政策等社会条件影响，建成区南部扩展以居民地、商业及旅游为主，北、东、西方向建成区则以工业园区及配套基础设施和生态公园为主。由于地形原因太原市建成区在北、东、西方向发展的限制性较大。城区南部汾河贯穿而过，水资源条件较丰富，城市生活用水充足，同时南部地势平坦开阔，为城市基础设施和交通道路规划建设奠定了良好的基础。因此，建成区以向南扩展为主，北、东、西为辅并将长期保持向南发展的趋势。[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]戴昌达,唐伶俐,陈刚,等.卫星遥感监测城市扩展与环境变化的研究[J].环境遥感,1995,10(1):1-8.[5]吝涛,李新虎,张国钦,等.厦门岛城市空间扩张特征及其影响因素分析[J].地理学报,2010,65(6):715-726.[6]朱晓华,蔡运龙.中国土地利用空间分形结构及其机制[J].地理科学,2005,25(6):6671-6677.[7]MandelbrotBB.HowlongisthecoastofBritain:Statisticalself-similarityandfractionaldimension[J].Science,1967,156(3775):636-638.[8]曾志远,曹锦铎.分数维几何学在地学和土壤制图学上的应用[J].土壤,1991(3):117-122.[9]王国梁,周生路,赵其国.土壤颗粒的体积分形维数及其在土地利用中的应用[J].土壤学报,2005,42(4):545-550．[10]邵怀勇,仙巍,马泽忠,等.土地利用/土地覆被镶嵌体的分形结构模型研究[J].水土保持学报,2004,18(5):155-158．[11]刘纯平,陈宁强,夏德深.土地利用类型的分数维分析[J].遥感学报,2003,7(2):136-141．[12]徐建华,艾南山,金炯,等.西北干旱区景观要素镶嵌结构的分形研究:以黑河流域为例[J].干旱区研究,2001,18(1):35-39．[13]陈志强,陈健飞.基于NDBI指数法的城镇用地影像识别分析与制图[J].地球信息科学,2006,8(2):137-140.[14]黄小巾,李家存,丁凤.基于改进NDBI指数法的不透水面信息提取[J].地理空间信息,2013,11(5):63-64，77.[15]谭文彬,刘斌,张增祥,等.近三十年来昆明市建成区扩展遥感监测与分析[J].地球信息科学学报,2009,11(1):117-124.[16]乔玉良,余双琳.遥感动态监测太原市城市建设用地及其扩展变化分析[J].气象与环境科学,2011,34(1):1-4.[17]谈明洪,李秀彬,吕昌河.我国城市用地扩张的驱动力分析[J].经济地理,2003,23(5):635-639.[18]周玉杰,靳凤攒,高玉荣,等.开封市城市空间扩展及其驱动力分析[J].测绘地理信息,2015,40(4):67-69.[19]熊皓,郑伯红,贾磊.驱动力与制约力相互作用下我国城市空间扩张[J].经济地理,2016,36(1):82-88.[20]王青.城市形态空间演变定量研究初探——以太原市为例[J].经济地理,2002,22(3):339-341.(编辑：武英耀)Expansionanddrivingforcesofbuild-upareaintaiyuanHePeng,LiXiaojing,XuLishuai,ZhengChao(CollegeofResourceandEnvironmentalScience,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)[Objective]Thispaperwastoanalyzeexpansionanddrivingforcesofbuild-upareainTaiyuan.[Methods]BasedonLandsatTMimageof1987,1996,2006andOLIimageof2016,theTaiyuanurbanareaindifferentperiodswereobtainedbyImprovingNormalizedDifferenceBuildingIndexmethodandvisualinterpretation.Thespatial-tempoarlfeaturesoftheurbanexpansionwereanalyzedbyfractaldimensionmodel.[Result]Theresultindicatedthattheareaofthebuild-up