基于地學信息圖譜的礦業城市空間擴展研究——以徐州市為例

李保杰，顧和和，紀亞洲，陳 軍

(1.中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇徐州 221116;2.徐州師范大學城市與環境學院，江蘇徐州 221116)

我國正處于城市化進程高速發展階段，而城市建設用地的空間擴展是城市化進程的一個重要測度指標［1］。城市建設用地空間擴展是自然、經濟、政策等多方面因素共同作用的結果［2－3］。因此，通過研究城市建設用地的空間擴展變化以揭示城市的生長過程、演化規律，為城市的發展規劃、調控提供科學依據。近年來，國內外學者對城市擴展進行了深入的探討:Masek等利用TM數據研究了華盛頓特區城市擴展的動態變化［4］，我國學者相繼借助GIS和RS技術對我國主要大、中型城市，如北京［5－6］、上 海［7－8］、南 京［9－10］、西 安［11］、廈 門［12］、沈陽［13］、長春［14］、延吉市［15］、四平市［16］，中尺度區域，如蘇錫常地區［17］、長三角地區［18］從不同角度對不同的城市或區域的城市空間擴展進行了研究，并對不同城市的空間擴展特征和驅動力因子進行了探討。而對于中型礦業城市由于資源的開發和其他方面因素，對城市空間擴展的影響方面的研究則鮮見報道。徐州作為一個典型的礦業城市，近年來，城市擴張的速度明顯加快，而且經歷了資源大規模開采階段和資源枯竭階段，因此，研究礦業城市不同階段對城市空間擴展的影響具有一定的理論和實踐意義。為此，文章基于4期(1979—2009年)MSS/TM/ETM+遙感數據，利用地學信息圖譜并結合GIS空間分析技術，對1979—2009年間徐州市區(依據2005年徐州市行政區劃，不含賈汪)不同發展階段城市建設用地空間擴展進行探討，并結合礦業城市的發展特點和相關統計數據對建設用地空間擴展及其驅動力進行了分析，以期為城市規劃、城市用地結構調整和產業結構布局等提供理論依據。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域概況

徐州市位于北緯 34°15'、東經 117°11'，屬于黃淮河沖積平原，區內除少數丘崗外，地勢較為平坦，年平均氣溫為14.2℃，年平均降水量為834.7 mm。該區交通繁忙，煤炭資源豐富，重工業發達，是我國煤炭、電力工業的重要基地之一，2006年原煤產量282.7億t，占江蘇省原煤產量的93%，是我國12個年產量超過1 000萬t的煤炭產地之一，有百余年的煤炭開采史。

1.2 數據來源與處理

采用Landsat TM軌道號為122-37的4個時相遙感圖像作為數據源，時間分別為1979年6月15日、1989年9月20日、1999年9月26日和2009年9月14日，云量均為0%，以徐州市區1∶10 000的地形圖在ERDAS 9環境下對4期遙感影像進行精確配準，然后利用徐州市行政區劃矢量圖轉化成的AOI對徐州市區進行裁剪。解譯前，先采用監督分類中的最小距離分類法對遙感影像進行了預分類，結合地面調查，確定影像訓練區。在進行多種分類方法比較后，以分類精度較高的最大似然分類法進行分類，4期影像分類結果的Kappa系數在0.844 6和0.866 5之間，精度滿足分析的要求。本研究根據光譜特征將影像分為5類:建設用地、水體、農田、綠地、林地，然后將水體、農田、綠地、林地合并成一類地物，即對分類后的圖像進行二值化處理，得到建設用地和非建設用地兩類地物，然后，利用ArcGIS 9.2對二值化后的圖像進行矢量化即對建成區的邊界進行提取，獲得了徐州市1979，1989，1999和2009年的建成區矢量圖，并保存為SHP格式。最后，在矢量圖的基礎上利用ArcGIS軟件進行圖斑面積的計算，從而對不同時期的建成區空間擴展進行研究。

2 研究方法

用遙感圖像解譯的成果圖及徐州市區相關統計數據，以擴展強度和擴展指數作為城市空間面積擴展分異指標，以分維數和緊湊度作為城市空間擴展形態指標，研究城市空間擴展的形態特征變化，以城市重心轉移指標來研究城市的重心轉移情況［19－20］。

(1)城市擴展強度:城市擴展強度表征在某一時間段內年際城市面積增長比率。計算公式如下:

式中:R為研究末期城市擴展強度;Ub為研究末期城市用地面積;Ua為研究初期城市用地面積;T為時間間隔。

(2)人口－城市擴展指數:人口－城市擴展指數用于表征城市擴展的緊密程度，I值越小表明城市擴展越為緊密，城市用地的擴展有人口的支撐;反之，則城市用地擴展表現為稀疏模式，城市用地擴展超前于人口增長。計算公式如下:

式中:I為研究末期城市擴展指數;Ub為研究末期城市用地面積;Ua為研究初期城市用地面積;Pb為研究末期人口;Pa為研究初期人口。

(3)城市分形維數:分形維數用于描述城市形態，分析不同時期城市的空間復雜度和穩定性。計算公式如下:

式中:A(r)代表以r為量測尺度的某一樣本的面積;P(r)為同一樣本的周長;C為截距;D為分形維數。

(4)緊湊度:緊湊度是反映地物形狀的參數，緊湊度的變化可表征城市用地擴展的空間特征。計算公式如下:

式中:c為緊湊度;At，Pt分別為第t年城市斑塊的面積(km2)和周長(km)。c值在0～1之間，其值越大，表明地物形狀的緊湊性越好;反之越差。圓是形態最緊湊的圖形，其緊湊度為1。

(5)城市空間重心轉移計算公式如下:

式中:Xt，Yt分別為t時間城市用地重心坐標;Xi，Yi為第i塊城市用地的幾何中心坐標;Cti為第i個片區面積。

3 結果與分析

3.1 城市擴展的時空特征

徐州市區建成區面積從1979年的35.22 km2增加到2008年的157.20 km2，增長了4.46倍，擴展速度為4.06 km2·a－1，擴展強度指數為 7.75%。1979—1999年間，徐州市城市擴展速度相對穩定，20年間城市擴展了50.15 km2，擴展速度為2.51 km2·a－1。進入21 世紀以來，徐州進入城市快速發展時期，1999—2009年間城市面積擴展了 71.83 km2，擴展速度為 7.18 km2·a－1，是前20年擴展速度的2.86倍。這一時期，由于新城區的建設、城市基礎設施以及京滬高鐵等的拉動作用，使得城市向東擴展的速度空前提高(表1)。

表1 徐州市不同時段城市擴展情況(1979—2009年)Tab.1 Status of urban expansion in Xuzhou City during different periods(1979—2009)

3.2 城市擴展的空間分異特征

為了深入研究城市空間擴展的空間分異特征，以1979年徐州市區幾何中心為原點，東西方向為橫軸，南北方向為縱軸，按45°角將研究區劃分成8個象限區域，與不同時期城市空間分布圖疊加(圖1)，統計不同方向城市區擴展面積，分析不同時段各象限方位區內建成區擴展面積、擴展強度等特征(圖2，圖3)。

圖1 1979—2009年徐州市不同方位區的城市擴展過程Fig.1 Urban expansion processes of Xuzhou in different directions during 1979—2009

由圖2、圖3可見，1979—2009年間城市空間擴展增幅較大的3個象限分別是1，8和7象限，平均增長速度分別是 0.88，0.78 和 0.69 km2·a－1。城市空間擴展朝東部和東南方向擴展，這是由于徐州市政府積極推進新城區的建設和京滬高鐵的建設對城市擴展的拉動作用。第3象限的城市用地空間擴展在8個象限中擴展速度和擴展的幅度最低，主要是由于該區受到九里山的阻隔，對城市的空間擴展起到阻礙作用。1979—1989年間城市空間擴展幅度較大區域集中在第4象限，其主要是由于西北部礦區的發展對城市發展的拉動作用，使得城市向西北發展。1979—1989年間，徐州市城市在8個象限擴展較均衡，主要沿“西北—東南”軸線發展，而在1989—2009年間，城市主要朝東部和東南方向擴展。

由圖3可以看出，徐州市不同時期不同象限內城市擴展面積有所不同，擴展強度也不相同。1979—1989年間，徐州市城市用地擴展強度變化最大的出現在第4象限，其主要原因是由于徐州作為礦業城市正處于快速發展時期，城市發展的重要動力主要是由于煤炭資源的開采和礦區居民的增多所致。1989—1999年間，擴展強度的峰值出現在第1，8象限，主要原因是該時段內，徐州東部京福高速等的修建和徐州市新的行政區劃調整使得城市向東部發展。1999—2009年間，擴展強度較大的區域主要集中在第1，7和8象限。首先，主要是由于進入21世紀以來，徐州處于后采礦時期并進入快速發展時期，徐州西部和西北部主要是采煤塌陷地，由于地質結構等條件限制了城市朝該區發展;其次是徐州北部的九里山和京杭大運河以及南部的云龍湖的阻隔作用，抑制城市朝西、南部發展;同時，由于政策因素，新城區的建設和京滬高鐵等設施的建設和使用，使得城市用地朝東部、東南部快速發展。

各監測時段重心分布結果(圖2，表2)表明，不同時期城市擴展的地域空間分異明顯，1979—1989年間，徐州市城市重心向西北方向移動，移動幅度較小，主要由于徐州市作為典型的礦業城市，該時段城市的發展主要依靠煤炭資源的開發，使得城市朝西北方向發展;1989—1999年間，城市重心向東部遷移，表明該時期城市整體向著東部方向擴展顯著。1999年以后，城市逐漸向東部、東南方向發展，方向非常顯著，用地擴展主要朝新城區方向(東部)發展，主要原因是城市東南部是城市主要的文教區、風景區，適宜城鎮居民居住，使得城市朝東南方向發展。

表2 徐州市建成區重心位置移動(1979—2009年)Tab.2 The shift of urban gravity center of Xuzhou City during 1979—2009

從遷移方向可以看出，徐州城市空間擴展與煤炭資源的開發密切相關，1979—1989年間主要是由于煤炭資源的開發，使得市區西北部礦區蓬勃發展，城市的中心朝西北方向移動;其次是城市的重心轉移跟交通網絡密切相關，朝公路、鐵路等主要交通干線擴展是其發展的另一大特點。

3.3 城市擴展的空間形態演變特征

由表3可以看出，徐州市區城市用地的分維數隨時間的變化呈現先增大后不斷減少的趨勢，表明徐州市早期城市空間相對規則，由于煤炭資源的開發，使得城市的形狀變得不規則。1989年以來，隨著規劃的引導，城市空間變得更加規則;同時，城市的緊湊度得以提高，說明城市朝著更加合理的空間形態發展演化，城市的行政職能和服務水平得以提高。

表3 徐州市建成區分維數和緊湊度變化(1979—2009年)Tab.3 The variation of fractal index and compact index of Xuzhou City(1979—2009)

3.4 礦業城市空間擴展機制

3.4.1 自然地理環境。自然地理環境是城市發展的基礎條件，城市的地質、地貌、水文和氣候等是城市空間發展的重要因素。徐州市位于華北平原的東南部，區內除中部和東部存在少數丘崗外，大部皆為平原。地勢西北高東南低，就城市擴展的制約因素和發展條件而言，首先，城市南郊的云龍湖和云龍山的屏障作用抑制了城市向南發展;由于城市北部的九里山和京杭大運河的阻隔，使得20多年來城市往北擴展的速度很慢;而城市東部和東南部地區，地質條件較好，地勢較為平坦，適合作為城市發展的主要方向。

3.4.2 煤礦的開采。徐州是江蘇省唯一的能源基地，有百余年的煤炭開采史。城市的空間擴展受到煤炭開采的影響。礦區主要集中在市區西部和西北部，由于煤炭的開采，使1989年之前徐州市城市空間擴展的方向主要朝西部和西北部;1989之后該區處于后采礦階段，隨著煤炭的開采，塌陷地的增多，抑制了城市向西部、西北部礦區的進一步擴展。由此可見，礦區在礦業城市的空間擴展中具有兩面性，一方面推動城市空間早期朝礦區擴展，另一方面又抑制城市空間后期向礦區擴展。

3.4.3 交通因素。交通是城市空間拓展的骨架，交通干線周圍通常是城市擴展的熱點區域。徐州城市的交通網絡從1979—2009年經歷了由傳統的環狀交通格局到城市主干路與城市快速路共同構成主城區路網骨架的環形加放射路網格局，從而改變了城市的內部結構和外部形態。如在老城區與主城區各片區之間建立快速公共客運系統和快速道路系統;加強交通基礎設施建設，采用“交通設施發展為先導”策略，促進城市新區開發和老城改造;建設與城市布局形態相協調的道路網絡;在老城區向東、東南跨越鐵路、河湖和山體的交通薄弱截面，提高現有通道道路等級，增加通道，以支持城市向東、東南發展的戰略。

3.4.4 政策與規劃。城市規劃通過引導和控制干預城市空間發展，城市空間擴展通過對規劃的適應以期影響城市規劃方案，從而實現城市規劃和城市發展的協調與統一?！?984年徐州市總體規劃》規劃發展孟家溝、下淀、八里屯等5個工業區，使得城市工業用地面積急劇增加，同時，由于城南大學城和教育區的規劃擴建，使得對城市的向南擴展起到了一定推動作用。20世紀90年代，規劃建設了西苑、壩山、楊莊、九里山機場、金山橋、萬寨、拾屯、七里溝、桃園、羅王莊等生活區域，規劃下淀和金山橋經濟技術開發區、九里山經濟技術開發區、萬寨、朱莊輕化工業區、礦山路機械工業區、喬家湖機械工業區、七里溝為輕工業區，規劃九里山區、孟加溝等為倉庫區，使得城市朝東北和東部方向發展?！?003年徐州市總體規劃》中確立了以老城區中心和徐州新區中心為“雙心”和“城市組團”空間布局結構，從而使得2003年以來城市向東、東南方向快速擴展。

3.4.5 經濟、人口因素。城市經濟增長對城市空間擴展起到推進作用。分析1979—2009年徐州市GDP、第二產業增加值和第三產業增加值與城市擴展之間的關系，其相關系數分別為 0.946，0.957 和 0.929。由此可見，經濟的發展是徐州市城市空間擴展的重要原因之一。同時，人口增長是最具活力的城市擴展驅動力，隨著城市化進程的加快，城市人口逐年增多，人口增長必然導致居住地、基礎設施的增加，加劇了人們對于生活、工作以及基礎設施的需求，進一步推動了城市的擴展。

4 結語

(1)以城市建成區土地利用時空演變為研究對象，利用多時相衛星遙感資料并輔以城市統計資料、城市土地利用圖為數據源，借助GIS空間分析、統計分析等方法對礦業城市徐州近30年來的城市空間擴展時空分異和驅動力進行分析。在改革開放30年來，礦業城市徐州的城市空間擴展劃分為2個主要的發展階段:1979—1999為慢速發展階段;1999—2009為城市快速發展階段。

(2)煤炭資源的開采對礦業城市空間擴展具有雙重作用:一方面，在1979—1999年間，由于煤炭資源的開發導致礦區的繁榮，使城市朝西北和西部礦區方向擴展;另一方面，在1999—2009年間，礦區處于后采礦階段，塌陷地的增多和地質結構的不穩定性等諸多因素抑制了城市向礦區進一步擴展，導致城市在1999年以后朝東部和東南方向擴展。

(3)徐州市城市空間擴展過程中分維數隨時間的變化呈現先增大后不斷減少的趨勢，表明徐州市早期城市空間形態相對規則，由于煤炭資源的開發，使得城市空間形態變得不規則。1990年以來，隨著規劃的引導，城市空間變得更加規則;同時，城市的緊湊度得以提高，說明城市朝著更加合理的空間形態發展演化，城市的行政職能和服務水平得以提高。

總之，城市的空間擴展是自然、政策、人口和經濟以及交通等多種因素綜合作用下的結果;另外，產業結構的調整也是城市發展演變的重要驅動力。因此，徐州市應繼續以振興徐州老工業基地的政策為契機，強化城市內涵挖潛，改善投資環境，推動城市健康轉型和經濟社會穩定發展。

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