基于GIS和RS的德令哈市城市擴展研究

宋金蕊, 蓋艾鴻, 任秀金

(甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070)

?

基于GIS和RS的德令哈市城市擴展研究

宋金蕊, 蓋艾鴻, 任秀金

(甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070)

借助RS和GIS技術，對德令哈市1989年TM影像數據、1999年ETM影像數據和2009年土地利用現狀圖進行分析處理，采用人機交互目視解譯法提取德令哈市建成區邊界圖，并將3個時期的建成區范圍圖疊加；然后從城市擴展強度、重心坐標轉移、緊湊度指數、分形維數指數以及城市擴展彈性系數等角度對德令哈市建成區的空間擴展狀況進行分析；結果顯示：1989—1999年、1999—2009年這兩個階段，德令哈市建成區的面積都在增加，但是1999—2009年，建成區面積的擴展速度和強度都大于1989—1999年；建成區重心坐標第一階段向西北方向偏移，第二階段向南偏移，緊湊度指數偏小，并逐漸減小，分形維數指數比合理值1.12大很多，城市空間演變形態趨于復雜；城市擴展彈性系數偏大，并有上升趨勢，城市人口增加與城區面積擴展不協調。德令哈市在未來的發展中，需要注重城市內部建設用地填充，合理控制外延擴展規模，盡力確保城市形態緊湊發展。

RS; GIS; 人機交互目視解譯; 空間擴展; 德令哈市

城市空間是城市占有的地域空間，更多屬于地理概念而非行政概念，指的是城市設施和城市人口相對集中的建成區[1]。當前，隨著經濟社會的快速發展，城市化進程不斷加快，我國的城市正在迅速擴展[2]。擴展是城市空間增長的最直接表象，也是一個復雜的經濟社會現象和過程，地域不同，城市空間擴展的形態也會有所差異，因此，研究城市擴展動態，可以有效地引導和調控城市擴展，在城市土地利用規劃中具有重要的戰略意義。近年來，隨著衛星影像分辨率的提高和各種新軟件的開發應用，借助RS和GIS手段研究城市擴展成為可能，國內許多學者[3-6]對北京、天津、武漢、南京等大城市開展了空間形態變化的遙感分析，并取得了很多有價值的成果，但對西北地區中小城市進行的研究則相對較少[7]。

本文以青海省德令哈市建成區為研究區域，對該市多個時相的遙感影像和相應的地形圖、市區圖進行計算機自動解譯，并結合GIS技術，研究德令哈市近20多年來的城市空間擴展變化，以期為德令哈市城市規劃提供一定的參考依據。

1 研究區概況

德令哈市是青海省海西蒙古族藏族自治州州政府所在地，行政區總面積為27 765.19 km2，位于柴達木盆地東北邊緣、宗務隆山南麓，東臨天峻縣、烏蘭縣，南與都蘭縣相接，西與大柴旦毗鄰，北臨甘肅省，處于青海省東進西出、連接新疆、西藏、甘肅等廣大西部地區的重要樞紐位置。

德令哈市地形由北向南微傾，市區平均海拔3 000 m，終年干燥少雨，屬典型的大陸性高原氣候。截止2009年底，全市常駐人口為71 930人，其中城鎮人口29 167人，漢族人口52 677人，少數民族人口29 167人，少數民族人口中，蒙古族和藏族人口居多。2009年，全市完成地區生產總值26.99億元，其中農牧業完成增加值12 672萬元，第二產業完成增加值139 589萬元，第三產業完成增加值117 666萬元，糧食產量20 637 t，油料作物2 727 t。

2 數據來源和處理

2.1 數據來源

本研究采用的數據包括德令哈市1989年TM和1999年ETM遙感影像圖、2009年德令哈市全國第二次土地利用調查數據庫、1∶25 000的中心城區土地利用規劃圖以及1996—2011年德令哈市統計摘要等。

2.2 數據預處理

為了研究德令哈市建成區空間擴展變化，需要對遙感數據進行必要的處理。

首先，在Erdas 9.2中對多時相的TM和ETM原始遙感影像數據進行投影轉換、幾何校正和重采樣預處理，并對研究區遙感影像做圖像增強處理；然后對預處理過的遙感影像進行監督分類，并在ArcGIS 9.3軟件的支持下，結合德令哈市行政區劃圖，通過人機交互目視解譯方法[8-12]，獲取德令哈市不同時期建成區的邊界圖。在進行城市邊界提取時，應遵循以下原則：城市實體保持空間上的連續性，城市內部較小的以及城市內部的水體都劃到城市實體內；最后，對德令哈市3個時期的建成區擴展圖層進行疊加，獲取德令哈市建成區擴展演變圖(圖1)，并用ArcGIS統計工具，計算各期城區面積。

圖1 德令哈市建成區不同方位擴展過程

3 研究方法

空間擴展是城市地理學的核心內容之一，其測度指標有很多種。為全面反映德令哈市城市擴展的時空特征，本文選擇城市擴展強度指數、城市重心轉移、城市用地緊湊度和分形維數、城市擴展彈性系數等指標，對德令哈市空間擴展的各向異性及其空間演變過程進行定量分析[1]。

3.1 城市空間擴展指數

城市擴展強度指數表示單位時間內土地面積變化的幅度，是反映城市空間變化的一個重要指標[1]。通過分析城市擴展強度指數，可定量比較城市擴展的程度和速度，其表達式為：

(1)

式中：R——研究末期城市擴展強度；Ub——研究末期城市用地面積(km2)；Ua——研究初期城市用地面積(km2)；T——時間間隔(年)。

3.2 建成區重心指數

城市空間重心是描述城市空間分布的一個重要指標，是城市保持均勻分布的平衡點[2]，通過不同時期城市重心的遷移情況，可分析城市空間變化規律。

(2)

(3)

式中：Xt，Yt——t時間城市空間重心坐標(m)；Xi，Yi——第i個城市地塊的幾何中心坐標(m)；Cti——第i個地塊面積(km2)。

3.3 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張的空間特征[13]，其表達式為：

(4)

式中：C——城市緊湊度；A——城市面積(km2)；P——城市周長(km)。C值為0～1，越接近1，城市形狀越緊湊；反之，城市空間離散程度越大。圓是形態最緊湊的圖形，其緊湊度為1。

3.4 分形維數

城市用地分形維數可描述城市邊界形狀的曲折性和復雜性[3]，它反映了土地利用形狀的變化和土地利用受干擾的程度，計算公式為：

(5)

式中：D——某一時期城市區域的分維數；A，P——某一時期城市區域的面積(km2)和周長(km)。

分形維數值的理論范圍為1～2，維數越大，則圖形形狀越復雜。當D<1.5時，說明圖形趨向于簡單；當D=1.5時，則圖形處于布朗隨機運動狀態，越接近于該值，穩定性越差；當D>1.5時，則圖形更為復雜。1.0代表形狀最簡單的正方形區域，2.0代表等面積的情況下周邊最復雜的區域[4]。因此，在假定城市面積隨時間不斷增加的前提下，如果城市形態不規則的程度值增加，則說明在這一時期城市地域以外部擴張為主；如果城市形態的不規則值下降，則說明城市地域面積的增加是以建成區邊緣間的填充為主[5]。

3.5 城市擴展彈性系數

城市擴展彈性系數指城市擴展速度與人口增長速度之間的協調關系，據分析城市擴展彈性系數為1.12時較為合理[2]，其計算公式為：

(6)

式中：R(i)——城市擴展的彈性系數，彈性系數越大，則人口增長與面積增長的速度越不協調；A(i)——城市面積年均增長率(%)；Pop(i)——城市非農業人口年增長率(%)。

4 結果與分析

4.1 德令哈市建成區擴展數量分析

為了更直觀簡明的描述德令哈市建成區在3個時間段內的擴展情況，在本研究中，以1989年德令哈市城市幾何中心為原點，對德令哈市3期建成區的疊加圖進行象限劃分[1,6,9](圖1)，并統計不同方位區域內城區擴展面積，以便分析不同時期、不同象限方位的擴展強度特征(表1)。

表1 德令哈市建成區在不同時段不同方位的擴展情況

由圖1、表1可知，整體上，1989—1999年期間，德令哈市城區面積增加了2.131 km2，年均擴展速度為0.213 1 km2，擴展強度為3.81%；1999—2009年期間，德令哈市城區面積增加了5.431 9 km2，年均擴展速度為0.543 25 km2，擴展強度為7.03%。由此可見，無論是擴展規模，還是擴展速度和強度，1999—2009年都大于1989—1999年，這主要因為1988年德令哈市剛剛撤鎮建市，在到1999年的這段時間，處于起步階段，城市基礎設施還不是很完善，而1999—2009年，“十五”和“十一五”計劃的全面實施和柴達木循環經濟試驗區的成立，為德令哈市的經濟發展注入了新的活力。

整體上，德令哈市建成區在8個方向、兩個時間段內都有所擴展，但是從各個分方向來看，又存在差異。1989—1999年，建成區的擴展主要集中在正北和西北方向，擴展面積分別占總體擴展面積的36.92%，24.70%，同時，這兩個方向的擴展強度也很大，原因是這兩個方向上的農村居民點比較集中，城鄉基礎設施建設相對比較完善，比較容易擴展為城鎮用地；正南方向雖然擴展面積和擴展速度不是很大，但是擴展強度卻比較大，原因是1989年正南方向的城市用地面積分布小；1999—2009年，建成區在各個方向上都有所擴展，尤其是正南和東南方向，擴展面積分別占總擴展面積的20.22%，27.49%，擴展強度也很大，正南方向達到25.53%，這是因為2005年國家發展改革委等6部委批準青海省柴達木循環經濟試驗區為國家首批循環經濟產業試點園區，其中德令哈循環經濟工業園正坐落在這兩個方向上。

4.2 德令哈市建成區形態演變特征分析

由表2可知，1999—1989年，建成區重心坐標變化不大，略有向西北方向移動的趨勢，原因是這一時期建成區的擴展主要集中在西北方向；1999—2009年，建成區重心坐標變化較大，有向南移動的趨勢，主要與德令哈市工業園區在這個時期成立有關；在整個研究時間段內，建成區緊湊度指數都遠小于1，并且逐漸減小，表明德令哈市建成區形狀越來越離散，空間形態也趨于復雜。依據城市經濟學原理，非緊湊城市較緊湊城市在交通效率、能源使用和生活質量等方面都存在一定的差距。德令哈市建成區緊湊度指數逐年下降，勢必會降低城市基礎設施和已規劃土地的利用效率，同時會增加城市內部各部分之間的距離，給交通帶來不便；分維數指數均大于1.5，并且整體上有上升的趨勢，說明在整個研究時間段，德令哈市建成區的邊界線復雜程度較大，城市穩定性差,城區發展的隨意性較大；1989—1999年，分維數值從1.863下降到1.729,表明在這個時間段內，德令哈市建成區面積的擴展主要以建成區邊緣間的填充為主；1999—2009年，分維數值從1.729增加到1.903，說明在這個時間段內，德令哈市建成區面積的擴展是以外部擴張為主。為了城市空間形態演化更加合理，建議德令哈建成區在以后的發展中，應該增加城市緊湊度，減小分形維數，以期在一定程度上提高城市服務職能的效率。

表2 德令哈市建成區不同時期的城市形態指數

4.3 德令哈市建成區空間擴展彈性分析

由表3可以看出，在整個研究階段，德令哈市建成區的城市擴展彈性系數整體上呈上升趨勢。1989—1999年，建成區城市擴展彈性系數為1.28，略高于合理值(1.12)，說明這一階段城市人口的增長速度與建成區面積的增長速度相對協調；1999—2009年，建成區城市擴展彈性系數為1.93，是合理值的1.73倍，明顯高于前一階段，說明德令哈市人口增長與建成區面積增長的速度在這一階段不太協調，出現這種現象的原因：一是2000年以來，國家對西部大開發的大力扶持，帶動了德令哈市的經濟發展，從政策和資金等方面為德令哈市的快速擴展提供了保障；二是德令哈市建市時間不長，地廣人稀，城市人口增長本身比較緩慢，人口增長的速度遠遠低于城市發展的速度，因此，建議德令哈市在以后的發展中，需要加強城市土地的合理規劃，積極吸引城鎮人口，保證城市擴展與人口增加協調發展。

表3 德令哈市建成區不同時段城市擴展彈性系數

5 擴展驅動力機制分析

5.1 自然地理條件

自然地理因素不僅對城市的形成和發展具有重要影響，也決定了城市擴展的總體趨勢。德令哈市建成區以北地勢較高，且有多條河流交匯，只有向其他方向發展；巴音河自北向南穿城而過，將市區劃分成河東和河西兩個自然區，河流的南端河灘土質疏松，只能進行生態環境建設。

5.2 經濟和社會發展因素

經濟的發展和城市人口的增加推動了城市化進程，決定了城市化水平的高低。1989年，德令哈市國內生產總值(GDP)為0.84億元，2009年達到26.99億元，20年間增長了31.13倍；德令哈市城鎮人口由1989年的2.41萬增加到2009年的4.27萬，凈增了77.18%，同一時期的建成區面積由5.592 km2增加到13.155 km2，分別對德令哈市建成區面積和德令哈市GDP、德令哈市城鎮人口進行相關分析，相關系數為0.986 6，0.993 1，表明德令哈市的城市擴展與社會經濟和城鎮人口的增加都具有很強的相關性。

5.3 交通因素

交通網絡的發展對城市的擴展具有重要的牽引作用，青藏鐵路、青新公路兩條交通大動脈，呈平行狀態，從德令哈境內的南部通過，又有省級德都公路把青新公路和遙遙相對的青藏公路聯接起來。德令哈市東與省會西寧市、西與格爾木市由鐵路和公路兩條運輸線路連接，南與都蘭縣、北與敦煌市，西北與大柴旦鎮、冷湖鎮、花土溝鎮、茫崖鎮處公路連接，基本上形成了青海—西藏、青海—新疆、青海—河西走廊交通網絡上一個交通樞紐，加大了德令哈市與外界的聯系。青藏鐵路又將市區分割成南、北兩塊，鐵路以北是建成區，大多是居住區；鐵路以南為工業區，著力發展兩堿化工、鍶化工、新型建材產業。

5.4 政策因素

德令哈市是1988年經國務院批準，在原德令哈鎮的基礎上建立起來的縣級市，起步較晚，市政設施基礎較差，并且由于沒有總體規劃，亂建、亂占現象比較嚴重。1989年德令哈人民政府成立，立即著手編制《德令哈市城市總體規劃》，并于1900年開始實施，在很大程度上引導了德令哈市的發展，但是由于德令哈市基礎設施和經濟基礎比較薄弱，1999年以前城市發展仍然比較緩慢。從2000年開始，德令哈市在1990年總體規劃的基礎上，結合市域和城市經濟、社會等方面實際和新的發展要求，擴大了規劃區規模。1999年以來，隨著西部大開發戰略的實施，國家在投資項目、稅收政策和財政轉移支付等方面加大對西部的支持，逐步建立起長期穩定的西部開發資金渠道，尤其是2005年，國家把柴達木循環經濟區列入“十一五”規劃，這為德令哈市的基礎設施建設提供了資金和政策保障，在很大程度上促進了德令哈市的發展。因此，1999年以來，德令哈市的發展速度顯著加快。

6 結論與討論

6.1 結 論

(1) 1989—1999年，德令哈市建成區面積擴展了2.131 km2，平均每年的擴展強度和速度為3.81%，0.213 1 km2；1999—2009年，市區建成區面積增加了3.555 2 km2，平均每年的擴展強度和速度為4.6%，0.355 5 km2。1989—2009年20年間，德令哈市建成區面積增加了5.431 9 km2，比1989年建成區面積擴展了將近1倍。

(2) 1989—1999年，德令哈市建成區的重心坐標變化不大，略有向西北方向移動的趨勢；1999—2009年，建成區的重心坐標大幅度向東南方向偏移。1989年、1999年、2009年這3年的城市緊湊度指數為0.422，0.421，0.277，建成區空間形態越來越復雜，而城市分形維數為1.863，1.729，1.903，均大于1.5，建成區邊界線復雜程度偏大，建議政府相關部門在以后的城市規劃中采取相應的調控措施。

(3) 1989—1999年，德令哈市城區空間擴展彈性系數為1.28，略高于合理值(1.12)；1999—2009年為1.93，比合理值(1.12)大很多，城市擴展的速度與城市人口增加的速度極度不協調，建議德令哈市在以后的發展中要積極吸納城市人口，鼓勵有技術、有資金的農民向小城鎮集聚，參與小城鎮建設。

6.2 討 論

本文基于遙感影像數據，運用城市空間擴展指數，對德令哈市不同階段城市發展進行了定量分析，參考德令哈市1989—2009年的城市建設用地擴展特征，建議德令哈市在未來的發展中，需要注重城市內部建設用地填充，合理控制外延擴展規模，盡力確保城市形態緊湊發展。

[1] 王厚軍,李小玉,張祖陸,等.1979—2006年沈陽市城市空間擴展過程分析[J].應用生態學報,2008,19(12):2673-2679.

[2] 李愛民,劉杉,呂安民.基于衛星遙感影像的鄭州市建成區擴展變化研究[J].鄭州大學學報:工學版,2011,32(2):125-128.

[3] 王晶,劉錦.基于多時相遙感數據的連云港城市擴展監測:以新浦區為例[J].城市勘測,2011(1):81-83.

[4] 牟鳳云,張增祥,遲耀斌,等.基于多源遙感數據的北京市1973—2005年間城市建成區的動態監測與驅動力分析[J].遙感學報,2007,11(2):257-268.

[5] 王青.城市形態空間演變定量研究初探:以太原市為例[J].經濟地理,2002,22(3):339-341.

[6] 董芳,趙庚星,張磊.基于GIS的濟南市城區擴展遙感動態監測[J].國土與自然資源研究,2004(4):12-14.

[7] 阿斯耶姆·圖爾迪,阿里木江·卡斯木.基于多源遙感數據的奎屯市城市擴展分析[J].水土保持研究,2013,20(2):233-237.

[8] 穆曉東,劉慧平,薛曉娟.基于遙感監測的北京1984—2007年城市擴展研究[J].北京師范大學學報:自然科學版,2012,48(1):81-85.

[9] 彭淑貞,程鵬,張偉,等.1979—2006年泰安市建成區擴展特征及影響因素分析[J].資源開發與市場,2011,27(6):507-510.

[10] 徐昔保,楊桂山,張建明.近50年蘭州城市空間擴展模擬及其未來預測[J].干旱區研究,2009,26(5):763-769.

[11] 王茜,張增祥,易玲,等.南京城市擴展的遙感研究[J].長江流域資源與環境,2007,16(5):554-559.

[12] 黃煥春,李明玉.長吉圖開發先導區城市空間擴展模擬預測:以延吉市為例[J].湖南師范大學：自然科學學報,2010,33(2):124-128.

[13] 爾德尼其其格,阿拉騰圖雅,烏敦.基于GIS和RS的呼和浩特市近百年城市空間擴展及其演變趨勢[J].干旱區資源與環境,2013,27(1):33-39.

Study on Construction Land Extension of Delhi City Based on GIS and RS

SONG Jinrui, GAI Aihong, REN Xiujin

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

With the help of RS and GIS, the remote sensing image of 1989 TM, 1999 ETM and the land-use pattern of 2009 in Delhi City were analyzed and treated, the information about scope of built-up of this city was extracted by the method of visual interpretation of human-computer interaction, and the maps of the built-up area of the three periods were overlaid. Then, the status of spatial expansion of built-up area in Delhi City was analyzed based on the intensity of urban expansion, transfer of the center of gravity, compact index, fractal dimension index and urban expansion coefficient of elasticity. The results showed that both the area of Delhi built-up area in the two stages were increasing, however, the rate and intensity of expansion of the built-up area was greater from 1999 to 2009 than that from 1989 to 1999. The center of gravity of the built-up area offset to the northwest, the compact index was too little, and gradually reduced, the fractal dimension index was much lager than the reasonable value of 1.12, the morphology of urban spatial evolution became more complex. The urban expansion coefficient of elasticity was too large, and there was an upward trend, the increase of urban population and the expansion of urban area were inconsistent. As for the development of Delhi City in the future, it will be needed to focus on internal urban construction land planning, the reasonable control of the extension and expansion of the scale, it will also be needed to ensure the compact development of the urban pattern.

RS; GIS; visual interpretation of human-computer interaction; space expansion; Delhi City

2014-10-22

2014-11-06

海西州國土資源局“青海省海西州土地整治規劃”(037-036164)

宋金蕊(1989—),女,甘肅蘭州人,在讀碩士,研究方向為景觀生態學。E-mail:songjr811910@163.com

蓋艾鴻(1967—),男,甘肅平涼人,副教授,博士,碩士生導師,主要從事遙感與地理信息系統研究。E-mail:gaiah@gsau.edu.cn

F293.2

1005-3409(2015)05-0176-05