綿陽市城市擴展及其驅動力分析

曹 琦，韓元明

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621000)

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綿陽市城市擴展及其驅動力分析

曹 琦，韓元明

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621000)

摘要以遙感影像為數據源，借助GIS的空間疊加分析技術和多要素綜合分析功能，提取1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年7個時期綿陽市建成區的擴展信息，并結合綿陽市經濟社會數據，從擴展數量、擴展形態、擴展合理性、擴展空間差異4個方面對綿陽市城市建成區擴展情況進行分析；選取自然因素、經濟和產業結構因素等方面指標，分析綿陽城市擴展的驅動力。結果表明，1985~2014年綿陽市建成區面積增加了126.27 km2，1985~1995年以中心區為中心呈外延式多方向擴展，1995~2010年呈多方向廊道式擴展，2010~2014年以內部結構調整為主；經濟發展和人口增長是綿陽市城市擴展的決定因素。研究結果可為政府提供科學的決策依據，為綿陽市今后的城市規劃和生態保護提供指導。

關鍵詞城市擴展；驅動力分析；GIS；綿陽市

西部大開發以來，我國西部的城市化進程加快，特別是大中城市的擴張，對其周邊地區的耕地侵占加劇，已深刻地影響著城市的周邊環境[1]。城市用地擴張直觀地體現了城鎮化和城市發展的空間過程和特征[2]，因此研究城市建成區擴展及其驅動力機制，對城市的發展有著重大的意義。國內許多學者采用不同數據源，以RS與GIS為手段，采用空間分析方法，對北京、上海、重慶、杭州等城市的用地擴展及驅動力等進行了系統研究[3-6]。筆者運用RS和GIS技術分析1985年以來綿陽市城市擴展動態變化，并結合統計年鑒、規劃資料來分析城市擴展內在驅動力，以期為相關規劃的制定和城市的生態保護等提供依據。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況綿陽市作為成渝經濟區第二梯隊的城市，位于成都、重慶、西安“西三角”的腹心地帶，是成都平原城市群的重要節點城市。綿陽市區三面臨水，一面靠山，作為河流階級型城市，涪江縱穿于南北，在南山山麓納安昌河，城市形狀呈西北東南向條帶狀，東西寬約144 km，南北長約296 km。筆者主要研究綿陽市城市規劃區范圍內的城市用地擴展。

1.2數據來源 數據涉及綿陽市的城市空間擴展數據；1995年版地形圖(1∶5萬)；Google Earth綿陽市2010年城市衛星圖，以及通過遙感技術所獲得的1985～2014年7個時相(1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年)的綿陽市的遙感影像圖，通過分析解譯，獲得了7個時相的城市建成區邊界；還有從2004~2015年《綿陽統計年鑒》獲得的社會經濟基礎資料。

1.3技術路線利用遙感和地理信息系統技術可以獲取不同時相關于城市空間結構的準確信息，這些信息的解譯、分析將為城市變遷的動態監測與規劃調控提供有用的技術參數。該研究以綿陽市城區為例，基于多時相TM、ETM+數據，結合1∶5萬地形圖，用Erdas Imagine 8.7對遙感影像圖進行校正配準，利用ArcGIS軟件進行解譯、處理和空間分析，運用數理統計方法，結合相關社會經濟統計資料，通過將不同時期的圖像疊加處理，確定各個時相城市建成區面積，得到不同時期的城市用地范圍。以此為基礎，結合《綿陽統計年鑒》，利用SPSS軟件，運用城市建成區擴展分析方法，系統深入地分析綿陽市城市擴展的特征、方向和驅動力機制。

1.4研究方法選擇城市建成區擴展分析方法來分析綿陽城市擴展空間特征，它包括3個方面：擴展數量分析法、擴展形態分析方法、擴展合理性的分析方法。

1.4.1擴展數量分析法。用擴展強度指數來分析城市擴展數量。擴展強度指數是指研究區域在研究時期內的城市用地擴展面積占用地總面積的百分比。計算公式為：

R=(Ab-Aa)/Aa×(1/T)×100%

(1)

式中，R為研究期末城市擴展強度指數；Aa為a時間城市建成區用地面積；Ab為b時間城市建成區用地面積；T為時間間隔。

1.4.2擴展形態分析方法 。

(1)城市空間的緊湊度指數。城市的形態變化是城市內部的空間布局和結構的綜合反映。衡量城市空間形態變化的重要指標之一就是緊湊度指數。其表達式為：

(2)

式中，C為城市緊湊度；A為城市面積；P為城市周長。

(2)城市空間的分形維數。分形維數在描述城市外輪廓邊界形狀的復雜性時是一個比較重要的指標。其公式為：

D=2ln(P/4)/lnA

(3)

式中，D為某一時期城市斑塊的分形維數；A、P分別是某一時期城市斑塊的面積和周長。 分維數D值越大，表示城市形狀的不規則程度越大。

1.4.3擴展合理性的分析方法。

(1)建成區擴展彈性系數。城市面積-人口彈性系數描述了城市擴展速度與城市人口增長速度之間的關系，是用來評價城市擴展合理性的指標之一。其數學表達式為：

R(i)=A(i)/Pop(i)

(4)

式中，R(i)為第i時段建成區擴展彈性系數；Pop(i)為第i時段市區人口平均增長率；A(i)為第i時段建成區面積平均增長率。通過對綿陽市歷年城市化過程的綜合分析，認為R(i)為1.120較為合理。

(2)異速生長模型。 異速生長模型是用來反映建成區人口數量和占地面積增長速度的模型，其表達式為：

(5)

式中，A為城市建成區占地面積；P為城區的人口數量；a、b為常系數。不同的異速生長關系是由與常系數b=0.9比大小來反映的。

2結果與分析

2.1建成區擴展數量分析通過ArcGIS對7個時期城市建成區范圍進行空間分析，得到不同時期綿陽市建成區的擴展情況(圖1、表1)。從圖1、表1得出，綿陽市在1985年建成區面積僅為16.88km2，1985~2014年綿陽市建成區面積呈逐年上升趨勢。由表1得出，經過29年的建設，至2014年，建成區面積增長了126.27km2，平均每年擴展4.354km2，擴展強度指數為25.794%。其具體特征如下。

2.1.1城市擴展強度呈階段性特征，整體呈快速擴展的特征。1985~1990年，由于城市用地面積基數較小，城市的擴展強度高于其他階段；1990~1995年，城市擴展強度指數達到14.84%，該時期各類開發區建設使城市向周邊快速擴展；1995~2010年，擴展強度基本保持穩定，但仍然較高，該時期表現為快速擴展的特征；2010年以后，城市調整了發展模式，城市擴展強度指數為1.926%，為29年間最低。

圖1　1985~2014年主要年份綿陽市城市規劃區內建成區擴展情況Fig.1　The expansion diagram of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year面積Areakm2周長Perimeterkm緊湊度指數Compactnessindex分維數Fractaldimension年份Year面積增長量Incrementofarea∥km2面積增長率Growthrateofarea∥%擴展速率Expansionspeed∥km2/年擴展強度指數Indexofexpansionstrength∥%198516.8855.800.2611.8651985~199015.2990.5813.05818.116199032.17102.070.1971.8661990~199523.8774.2004.77414.840199556.04174.860.1521.8771995~200018.3832.7893.6766.560200074.42230.870.1321.8822000~200526.4735.5685.2947.1142005100.89316.400.1131.8952005~201032.0232.7386.4046.3482010132.91426.400.0961.9112010~201410.247.7042.5601.9262014143.15436.800.0971.9111985~2014126.27748.0454.35425.794

2.1.2城市擴展方式呈階段性特征。根據圖1、表1數據和實地的調研分析將綿陽城市擴展分為3個階段：第一階段為1985~1995年，城市建成區以中心區為中心呈外延式多方向擴展；第二階段為1995~2010年，保持較高速度外延式擴展，同時伴隨填充式擴展，擴展呈多方向廊道式特征；第三階段為2010~2014年，擴展方式以內部結構調整為主，伴隨少量填充式擴展。

2.2建成區擴展形態分析對綿陽市進行緊湊度和分形維數進行分析，得出綿陽市建成區擴展總體變化特征：1985~2014年綿陽市城市用地擴展表現為快速外延式并伴隨階段性填充式的特征。

2.2.1緊湊度指數。由表1可知，1985~2014年，綿陽市建成區緊湊度指數總體呈下降趨勢，最后達到平穩，說明29年間綿陽城市空間呈離散型擴展，形態偏離緊湊，2010年后逐漸達到平穩狀態。

2.2.2分維數指數。由表1可知，1985~2014年綿陽市建成區外輪廓邊界分維數均在1.8以上，說明綿陽市建成區的空間形狀比較復雜。1985~2010年分維數呈增長的狀態，表明城市以向外擴展為主。1990~1995年分維數變化較大，緊湊度指數由0.197下降到0.152，是由于綿陽市各類開發區的建設使城市快速向外擴展。2000~2010年分維數由1.882增長到1.911，緊湊度由0.132下降0.096，形態離散的程度減小，表明該階段城市任以外延式擴展為主并伴隨內部填充式擴展。2010年是一個拐點，2010~2014年分維數開始減小，緊湊度指數逐漸趨于平穩，說明該時期城市以內部結構調整為主。總體來說，1985~2010年綿陽建成區是以外部擴展為主，2010~2014年是以內部結構調整為主。

2.3建成區擴展合理性分析

2.3.1城市面積-人口彈性系數。城市面積采用基于遙感影像提取的建成區面積，城市人口采用綿陽市年鑒中市區平均人口，利用公式(4)計算1985~2014年各時期綿陽市建成區擴展彈性系數，結果見表2。

表21985~2014年各時期綿陽市建成區擴展彈性系數

Table 2Expansion elasticity coefficient of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

時期Period建成區平均增長率Averageincreasingrateofbuilt-uparea∥%市區人口平均增長率Averageincreasingrateofurbanpopulation∥%R(i)1985~1990年13.7676.0412.2791990~1995年11.7404.3322.7101995~2000年5.8372.4962.3392000~2005年6.2754.6931.3372005~2010年5.6684.2001.3502010~2014年1.8889.4310.201

由表2可知，1985~2014年綿陽市各個時段建成區擴展彈性系數的平均值為1.703，高于經驗值1.120。以2010年為拐點，2010年以前的建成區面積-人口彈性系數均高于1.120，2010年以后的低于1.120。其中1990~1995年建成區擴展彈性系數最大，達到2.710。2010~2014年建成區擴展彈性系數最小，僅為0.201。這表明2010年以前綿陽市建成區空間擴展速度明顯快于人口增長速度，處于不合理狀態；2010年以后綿陽市建成區空間擴展與人口增長的關系是相對協調的，但要低于合理值。

表31995~2014年各時期綿陽市建成區人口與面積

Table 3Population and area of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year建成區人口Populationofbuilt-uparea∥萬人建成區面積Built-uparea∥km2198522.316.88199029.932.17199534.356.04200038.874.42200548.8100.89201059.9132.91201485.9143.15

2.4城市擴展驅動力分析

2.4.1經濟發展是城市擴展的決定性因素。城市郊區化是城市發展到一定水平的必然產物，而經濟發展是城市發展的最根本動力。自綿陽市成為地級市以來，城市經濟建設取得了飛速發展，綿陽市居民人均消費水平從2004年的4 179元提高到2013年的12 056元，地區GDP從2004的415.05億元增加到2013年的1 455.12億元，平均每年增長13.37%，高于全國經濟發展的同期平均水平。經濟的快速發展促使人們對居住環境的要求提高了，經濟條件好的居民紛紛遷向居住條件好的郊區，導致城市擴展。

城市居民收入的高低是一個城市經濟發展水平的重要體現，通過對2003~2014年綿陽城市居民人均可支配收入和建成區面積的研究，發現二者存在線性關系。對綿陽市人均可支配收入和建成區面積進行Z-score(標準分數)標準化后，用SPSS軟件進行分析，建立一元線性回歸方程：Y=0.882X+3E-06，R2=0.778。可見，綿陽市經濟發展水平影響建成區面積的擴張，這種影響是決定性的。

2.4.2產業結構的升級促進城市的擴展。隨著經濟的發展，綿陽市產業結構產生了較大的變化。第一產業占GDP的比例有所降低，從2004年的24%降低到2013年的17%；第二產業有了較大的發展，其中GDP中所占比重從2004年的38%增長到2013年的42%；第三產業所占比重由38%增加到40%。第二、三產業的比重均高于第一產業的比重，產業由低級向高級發展。新興工業用地和科技產業用地在郊

區的增加，促進城市向外擴展。

2.4.3自然地理環境影響城市的擴展。自然地理環境是城市空間擴展的基礎條件，直接影響著城市空間擴展的潛力、方向和速度等[7]。綿陽市作為淺丘平壩地形的城市，特殊的地理環境導致城市的擴展只能依托自然地理環境，城鎮用地擴展空間深受地形和水域限制。中心城區坐落在涪江、安昌河、芙蓉溪3江匯合處，城市的東部為富樂山風景區，西南部為高起伏丘的區陵，城市建成區基本不向這兩個方向擴展。而西部、北部、東南部為涪江、安昌河谷平壩，地形較為平坦，城市擴展容易實現。所以綿陽市建成區沿涪江、安昌河、芙蓉溪的河谷平壩地呈放射狀進行擴展，形成了綿陽現在的“Y”形空間布局形態。

總之，經濟發展是綿陽城市擴張的決定性因素，自然地理環境是城市擴展的基礎條件和門檻，產業結構的升級加劇了城市擴展。

3結論

該研究基于遙感數據，運用GIS空間分析技術和多要素綜合分析功能，對綿陽市建成區擴展分析和城市擴展驅動力分析，揭示了綿陽市空間擴展的過程、規模和規律。主要結論如下：

(1)1985~2014年綿陽市建成區面積在數量上呈逐年上升趨勢，建成區面積增長了126.27 km2，平均每年擴展達到4.354 km2，擴展強度指數為25.794%，擴展強度呈階段性特征。擴展過程分為3個階段：第一階段為1985~1995年，城市以中心區為中心呈外延式多方向擴展；第二階段為1995~2010年，保持較高速度外延式擴展，同時伴隨填充式擴展，擴展呈多方向廊道式特征；第三階段為2010~2014年，擴展方式以內部結構調整為主，伴隨少量填充式擴展。

(2)通過對綿陽市進行緊湊度和分形維數的分析，綿陽市城市用地擴展總體空間格局變化表現為快速外延式并伴隨階段性填充式的特征。

(3)通過空間合理性分析分析得出，綿陽市建成區增長速度快于人口的增長速度，土地城市化快于人口城市化，土地利用方式是粗放型的，是不合理的。快速擴張是在經濟快速發展的推動下進行的，帶有盲目性，缺乏規劃的科學管理，造成郊區農業用地被侵占，城市周邊的生態環境遭到了一定程度的破壞。

(4)對綿陽市建成區擴展的驅動力分析結果表明，經濟發展和人口增長是綿陽城市擴張的決定性因素，自然地理環境是城市擴展的基礎條件和門檻，產業結構的升級加劇了城市擴展。

參考文獻

[1] 吳宏安，蔣建軍，周杰，等.西安城市擴張及其驅動力分析[J].地理學報，2005，60(1)：143-150.

[2] 劉濤，曹廣忠.城市用地擴張及驅動力研究進展[J].地理科學進展，2010，29(8)：927-934.

[3] 劉盛和，吳傳鈞，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J].地理學報，2000，55(4)：407-416.

[4] 尹昌應，石憶邵，王賀封.晚清以來上海市建成區邊界擴張過程與特征[J].地理科學進展，2013，32(12)：1793-1803.

[5] 廖和平，彭征，洪惠坤，等.重慶市直轄以來的城市空間擴展與機制[J].地理研究，2008，26(6)：1137-1146.

[6] 王偉武，金建偉，肖作鵬，等.近18年來杭州城市用地擴展特征及其驅動機制[J].地理研究，2009(3)：685-695.

[7] 陳本清，徐涵秋.城市擴展及其驅動力遙感分析：以廈門市為例[J].經濟地理，2005，25(1)：79-83.

Urban Expansion of Mianyang City and Analysis of Its Driving Force

CAO Qi, Han Yuan-ming(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621000)

AbstractWith remote sensing image as the data sources, the expansion information of built-up area in Mianyang City was extracted in seven periods by GIS spatial overlay analysis technology and multi-factor comprehensive analysis function. Combining with the economic and social data in Mianyang City, the expansion situation of built-up area in Mianyang City was analyzed from the aspects of expansion quantity, expansion form, expansion rationality, and expansion space. With natural factor, economic and industrial structure and other factors as the indexes, driving force for the urban expansion of Mianyang City was analyzed. Results showed that the built-up area in Mianyang City increased by 126.27 km2from 1985 to 2014. With the central area as the center, Mianyang City showed multi-direction extensive expansion in 1985-1995, multi-direction gallery expansion in 1995-2010, and mainly internal structure adjustment in 2010-2014. Both economic development and population were the determinants of urban expansion in Mianyang City. This research provides decision basis for the government, and offer guidance for the urban planning and ecological protection in Mianyang City in future.

Key wordsUrban expansion; Driving force analysis; GIS; Mianyang City

收稿日期2015-12-17

作者簡介曹琦(1984- )，女，甘肅蘭州人，講師，博士，從事區域規劃與人居環境研究。

基金項目西南科技大學博士研究基金項目(14zx7133)。

中圖分類號S-9；F 291

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-248-03