株洲市城市擴展及其驅動力分析

羅春

摘 要 本文以湖南省株洲市區作為研究區，選取1999、2006、2009和2016年的Landsat遙感影像，利用IBI建筑指數分別提取了4個年份的建筑用地，在ARCGIS中對城市的建成區面積及擴展方向進行分析。結果表明，1999-2016年間株洲市面積凈增74.94 km2，凈增面積為1999年的114%；城市擴展方向，1999-2006年間主要為西北和東南，2006-2009年間主要為東南，2009-2016年間主要為西南和東北。運用SPSS對株洲城市擴展的驅動因素進行分析，結果表明，株洲的城市空間的擴展是各種因素和機制的綜合疊加，其中人口、經濟、交通、政府策略和規劃均對株洲城市擴展方向產生了一定的引導作用。

關鍵詞 城市擴展；驅動力；IBI指數；株洲

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A

Abstract： Four Landsat time-series images for 1999， 2006， 2009 and 2013 of Zhuzhou city have been used to study the urban expansion of Zhuzhou urban area with the assistance of remote sensing and GIS technology. The index-based built-up index （IBI） was used to extract urban build-up land information of Zhuzhou from the four images. The results indicated that during the 17-year study period， the urban built-up area of Zhuzhou had a net increase of 74.94km2， which was 114% more than the area in 1999. The main directions of urban expansion are different in different stages ，the expansion direction is northwest and southeast in 1999-2006； the direction of expansion is mainly southeast in 2006-2009；the expansion direction is mainly southwest and northeast in 2009-2016. Use SPSS to analyze the driving factors of Zhuzhou city expansion， the results shows that combined effect of various factors and mechanisms has led to the expansion of urban space， including population， economy， traffic and government strategy should pay attention to the intelligent use of urban land.

Keywords： urban expansion； driving force data； IBI； Zhuzhou city

0 引言

城市化進程的快速發展，城市人口迅速增加，必然引起城市建設用地不斷向外擴展，城市建設用地擴張與城市空間形態演變，逐漸引起了國內外學者以及政府部門的高度重視[1]。1970年Lee等[2]提出了定量測度城市空間形態的方法。2003年Wilson等[3]提出了填充式、孤島式、蔓延式、擴展式和分支式5種擴展模式。徐涵秋[4]利用IBI指數提取了近30年福州的城市建成區邊界。劉盛和[5]總結了歷史形態、區位經濟、決策行為、政治經濟學等4種城市擴展模式。朱錫金[6]根據8種城市空間擴展歸納出勻質分布、蛛網、海星狀、群體、帶狀5大城市擴展形態。株洲處于“3+5長株潭”城市群建設的核心之一，地處湖南乃至全國的重工業基地和交通心臟地帶。本文以湖南省株洲市為研究對象，采用RS和GIS技術對株洲實行動態監測，研究株洲市城市空間擴展及驅動因素進行分析的方法，對研究“長株潭城市群”的擴展及發展提供借鑒參考。

1 研究區數據及分析方法

1.1 研究區數據

株洲市位于湖南省東部，處于北緯26°03′

05″～28°01′07″，東經112°57′30″～114°07′15″

之間，全年平均氣溫在16～18°C，年均降水量1280 mm。株洲是我國南方乃至全國重要的鐵路樞紐，與鄭州并稱為“北鄭南株”，便利的交通是株洲發展的厚實基礎。

1.2 數據預處理

本研究采用Landsat遙感數據，獲取時間為1999年9月2日、2006年6月10日（TM）、2009年10月24日和2016年11月28日（OLI）（下載于中國科學遙感與地球地理研究所和地理空間數據云），由于獲取的遙感數據的質量及數量有限，所選取研究的年份間隔和月份不一致，但是對于研究株洲整體上的城市擴展沒有影響。在ENVI中，以1999年的影像為基準，對2006年、2009年和2016年的影像進行輻射校正配準[7-9]。

1.3 城市擴展分析方法

（1）城市用地提取

本文根據2007年徐涵秋提出的IBI建筑指數[10]進行建筑用地提取，表達式如式1～式4所示。

式中，NDBI為建筑指數[11]；SAVI為土壤調節植被指數[12]；MNDWI為改進水體指數[13]；MIR、NIR、GREEN、RED分別表示中紅外、近紅外、綠光和紅光波段的反射率；土壤調節因子。

根據IBI建筑指數[7]提取4個年份影像的建筑用地信息，通過與原始影像進行疊加及目視判別進行人工調試，得到結果如圖1所示。其中，圖1a～圖1d為已掩膜掉非株洲市區的行政區域的RGB真彩色影像，圖1e～圖1h為提取的建筑用地二值影像，用圖上黑色圖斑代表建筑用地。采用隨機抽樣的方法，將上述提取的建筑用地分別與同期或準同期的土地利用現狀圖進行對比，驗證結果表明，4個年份的建筑用地提取總精度都超過85%，滿足精度要求。

在此基礎上，進一步將提取的建筑用地（圖1e～圖1h）矢量化，為了更準確清晰地顯示株洲市城市建成區的變化，采用象限方位法對影像進行分象限討論[14]，即以1999年株洲市的建筑用地重心為原點，東西向為橫軸，南北向為縱軸，按8個方位將研究區劃分成8個象限區域（圖2），并計算各年份之間8個象限的增加面積。

（2）城市擴展速度計算

城市擴展速度指數[15]表示在整個研究時期內的城市不同階段的增長速度，用以描述城市空間擴展的總體趨勢，其主要根據所獲取建筑面積以進行計算（式5）。

式中：為城市擴展速度指數，和分別為年和年的城市建成區面積，以年為單位。

2 株洲市城市擴展分析

2.1 株洲市城市擴展時空變化

在ArcGIS中，根據獲取的4個年份的建筑用地進行分象限疊加分析，計算17年間整個株洲市主城區及各個象限的建筑用地擴展范圍和擴展速率。由各年份主城區影像疊加圖（圖2）看出，17年間株洲的城市擴展十分明顯，株洲市建成區面積由1999年的63.71 km2增長到2016年的138 km2，增幅為1.17倍。1999-2006年間增長27.93 km2，年平均城市擴展速度為3.99 km2，結合8個象限圖，株洲市的主要擴展方向為西北、東南，其次是西南，這是由于株洲在這期間受到國家重點項目布局的影響，利用交通路線優勢，沿京廣線分布大力發展工業，城市要素往京廣鐵路線集聚，同時蘆淞區大力發展服裝業，成為江南最大的服裝批發市場；2006-2009年間增長14.2 km2，年平均城市擴展速度為3.55 km2，株洲市的主要擴展方向為東南，較之前的期間有所下降，這主要是由于政府重新規劃城市布局，蘆淞及荷塘區政府把重點轉移到舊城區改造，市政府搬遷至天元區。同時，2007年末國務院批準“長株潭城市群”戰略剛剛起步，對株洲市的城市擴展具有滯后性；2009-2016年增長32.16 km2，年平均城市擴展速度為5.36 km2，株洲市的主要擴展方向為西南和東北，其中東北方向是由于在“長株潭城市群”戰略政策下，株洲與湘潭和長沙快速融為一體，創建了云龍示范區，而西南方向是由于為了打開株洲的西門，株洲市在2012年開發完成了栗雨工業園，加速了株洲向西的擴展速度，這一時期株洲的空間擴展屬于現代快速擴展階段。

2.2 城市擴展的驅動因子分析

城市空間擴展演化受制于經濟、社會和政治方面的力量與作用，按照其自身的發展律而增長[16]，對于株洲這一在短期內發展起來的大城市，各種因素和機制的綜合作用導致了城市空間的擴展，城市各組成要素通過競爭尋求適合其發展的最佳區位，在不同的發展時序演化共生，形成集聚或擴散的自組織演替，促進了株洲的發展。

（1）人口增長

從城市擴展的驅動力影響因子中分析人口增長是城市擴展的直接推動力。據表1分析，株洲市區人口由1999年的73.7萬人上升到2016年的122.2萬人，這是由于人口的增長從而需要提供更多的生產生活用地，同時，隨著人們的生活水平提高，追求更高的生活質量，要求更大的生活空間，其中包括居民用地、工業用地、配套設施的建設用地、交通和公共設施用地等，這些因素都會導致城市建成區擴展。而在這期間城市化水平由1999年73.7%上升2009年91.83%，之后到2016年稍微下降至87.2%，究其原因是在1999-2009年城市擴展的過程中促進了農業人口轉非農人口，而在2009-2016年期間，株洲市出現了逆城市化現象，究其原因可能是城市內環境質量下降，同時鄉村地區和小城鎮基礎設施建設日趨完善，從而引起城市人口向鄉村和城鎮遷移。

（2）經濟發展

據表1分析，社會經濟發展與城市空間的擴展密切相關，株洲市區GDP由1999年的1384913萬元猛增到2016年的11281076萬元，第二產業始終占主導位置，同時，在1999-2006年期間第一產業比重3.03%降至2.36%，第二產業60.5%下降至56.28%，第三產業由36.47上升至41.36%；2006-2009年期間第一產業比重2.36%下降至1.65%，第二產業56.28%上升至64.06%，第三產業41.36%下降至34.29%；2010-2015年期間第一產業比重1.65%上升至2.17%，第二產業64.02%下降至58.33%，第三產業34.29%上升至39.4%；而根據遙感影像提取的建成區面積，1999-2006年城市擴展速度為3.99 km2，2006-2010年城市擴展速度為3.55 km2，2009-2016年城市擴展速度為5.36 km2。可見株洲市主城區的城市擴展在與第二產業的發展有緊密聯系的同時，城市擴展的速度與第三產業成正相關，這表明株洲在產業結構發展方面已經在升級轉型階段，在發展第二產業的同時，大力促進發展第三產業，優化產業結構，推動經濟轉型升級。

（3）交通線路

交通是城市與區域及區域外的物質聯系的主要通道，交通線路的開辟與建設往往成為城市空間擴展的大門，而在株洲市的城市擴展中更加明顯。為了更好直觀地反映交通線路對株洲城市擴展的影響，根據2016年地理國情普查數據調查的株洲市主城區范圍，提取出各個年份的株洲市主城區的建成區疊加圖，同時疊加上株洲市主干道分布圖（圖3）來進行分析，可以看出株洲市的城市擴展主要沿京廣鐵路和滬昆鐵路，使車站成為城市人貨流集散的次中心，通過集聚與擴散作用，促使株洲城市逐步向外擴展。隨后，株洲市的公路網絡和大橋不斷完善，聯通株洲市對的河東與河西，縮短了各個城區的距離。

（4）社會人文因素

“政府力”往往成為影響城市空間結構演化的最大因素之一。1992年，在鄧小平南方講話的影響下，株洲市第三產業異軍突起，株洲市的蘆淞區成為江南最大的服裝批發市場，同時帶動了中心商業區的迅速發展，并逐步向周邊擴展。隨后，株洲市提出計劃經濟轉型，逐漸從計劃經濟向市場經濟轉型，企業沖破封閉式發展，建立了高新技術產業開發區給株洲市注入了新的活力。十七大之后，武漢城市圈和長株潭城市群被國家確定為“兩型社會”，在總體規劃中，明確長株潭城市群核心區面積由此前規劃的894.49 km2擴大到1411.69 km2，其中株洲市區占到535.39 km2，這一政策，將促進株洲城市不斷向外擴展，其中向北，重點建設云龍新城，力爭盡快建成生態城、文化城；向西加快新馬、栗雨等片區開發，建設長株潭自主創新示范區核心區。

3 結語

株洲市建成區從1999-2016年間面積增幅是1999年建成區的總面積1.14倍，并且在1999-2006年的擴展速率超過了2006-2010年，而在2010-2016年城市的擴展速率又加速增長。綜合分析表明，株洲市建成區的擴展方向主要先是沿交通干道西北向東南方向呈帶狀擴展，之后受政策影響呈現西南和東北擴展趨勢。

株洲市的空間擴展同時受交通、經濟、人口和政府決策因素的綜合影響。研究表明：（1）在交通線路沿線，株洲市城市建筑用地擴展十分顯著；（2）人口的快速增長促進了株洲市的快速擴展，但近年來，由于城市環境質量下降和鄉鎮交通設施改善等原因，株洲市人口較前段時期有所下降，出現了逆城市化現象；（3）目前，株洲市的城市擴展主要以第二產業驅動為主，但是，近年來株洲市加速對產業優化，推動經濟轉型，促進發展第三產業，在株洲城市擴展的驅動因素中，第三產業所占比重逐漸上升，而城市發展質量的提高主要靠第三產業，這也意味著株洲市城市發展逐步成熟；（4）城市規劃引導和政府力對推動株洲的城市空間擴展扮演著重要的角色。

參考文獻/References

[1]戴昌達，唐伶俐，陳剛等. 衛星遙感監測城市擴展與環境變化的研究[J]. 環境遙感， 1995， 10（1）：1-8.

[2] Lee D R， Sallee G T. A method of measuring shape [J]. The Geographical Review， 1970， 64（4）： 555-563.

[3] Wilson H E， Hurd J D， Civco D L， et al. Development of a geospatial model to quantify， describe and map urban growth[J]. Remote Sensing of Environment， 2003， 86（3）： 275-285.

[4] 徐涵秋. 近30a來福州盆地中心的城市擴展進程[J]. 地理科學， 2011， 31（3）：351-357.

[5]劉盛和. 城市土地利用擴展的空間模式與動力機制[J]. 地理科學進展， 2002， 21 （1）：44-51.

[6]朱錫金. 城市結構的活性[J]. 城市規劃匯刊， 1987， （5）： 7-13.

[7] Chander G， Markham B L， Helder D L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS，TM， ETM+， and EO-1 ALI sensors[J]. Remote sensing of environment， 2009， 113（5）：893-903.

[8] Charvz PS Jr. Image-based atmospheric corrections-Revisited and revised [J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing ， 1996， 62（9）：1025-1036.

[9] 徐涵秋. 基于影像的Landsat TM/ETM+數據正規化技術[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2007， 32（1）：62-66.

[10] 徐涵秋. 基于壓縮數據維的城市建筑用地遙感信息提取[J]. 中國圖象圖形學報， 2005， 10（2）：223-229.

[11] 查勇，倪紹祥，楊山. 一種利用TM圖像自動提取城鎮用地信息的有效方法[J]. 遙感學報， 2003， 7（1）：37-41.

[12] Huete A R. A soil- adjusted vegetation index （SAVI） [J]. Remote Sensing of Environment， 1988， 25（3）：295-309.

[13] 徐涵秋. 利用改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）提取水體信息的研究[J]. 遙感學報， 2005， 9（5）：589-595.

[14] 馬榮華，陳雯，陳小卉等. 常熟市城鎮用地擴展分析[J]. 地理學報， 2004， 59（3）：418-426.

[15]毛廣雄，丁金宏，曹蕾. 城市緊湊度的綜合測度及驅動力分析——以江蘇省為例[J]. 地理科學， 2009， 29（5）：627-633.

[16]何春陽，陳晉，史培軍. 大都市區城市擴展模型——以北京城市擴展模擬為例[J]. 地理學報， 2003， 58（2）：136-146.

[17] 湖南省統計局. 湖南省統計年鑒1999[M]. 北京：中國統計出版社， 1999.

[18] 湖南省統計局. 湖南省統計年鑒2006[M]. 北京：中國統計出版社， 2006.

[19] 湖南省統計局. 湖南省統計年鑒2009[M]. 北京：中國統計出版社， 2009.

[20] 湖南省統計局. 湖南省統計年鑒2016[M]. 北京：中國統計出版社， 2016.

[21] 株洲市統計局. 株洲市國民經濟和社會發展統計公報[R]. 株洲：株洲市規修編辦， 2016.

[22] 張永志. 株洲城市空間擴展特征及影響因素研究[D]. 長沙：湖南師范大學， 2006.