地理國情普查成果在城市空間格局變化分析中的應用

熊長喜，竇小楠

(河南省基礎地理信息中心，河南 鄭州 450003)

地理國情是指那些與地理相關的自然和人文要素的國情，反映了一定時期內地理信息的發展和變化，如城市擴展、地表覆蓋等方面的信息，因而具有明顯的時間屬性[1]。隨著我國城市化進程的加快，及時了解和掌握城市空間格局變化信息及其時空演變規律，是城市科學規劃與可持續發展的決策基礎。高分辨遙感影像和基礎地理信息數據是監測城市空間格局變化的最主要技術手段，自從我國開展地理國情普查與監測以來，城市空間格局變化監測已成為地理國情監測的一個重要組成部分[2]。張法等采用4個年份的高分辨率遙感影像，從城市擴展速度、擴展強度、緊湊度、分維數等方面對成都市的空間擴展進行了分析[3]；付治河采用8個年份的遙感影像，從空間密度、擴張數量、擴張速率等方面對鄭汴一體化區域的城市擴展進行了監測分析[4]；田燕云等通過研究石家莊市5個歷史時期地理國情要素的變化來實現對城市空間擴展數據精確的定量檢測[5]；黎夏通過多時段土地利用地理國情數據，獲取區域城市化發展的時空動態特征，為科學合理地制定區域城市發展政策服務[6]。

上述研究雖然取得了一定的效果，但由于這些方法主要基于建筑物、道路、自然景觀等城市景觀特征從高分辨率影像中提取城市邊界，使得提取結果難以反映城市的真實范圍。針對上述存在問題，本文以鄭州市為例，基于地理國情普查與監測成果，以提取的交通網絡、居民地與設施、地理單元等人文地理要素的類別、位置、范圍作為城市空間格局變化因子，提取出城市建成區邊界要素，并結合同時期的經濟、人口數據，從地理空間角度分析研究城市綜合實力和城市發展變化情況[7]，以及中心城區監測要素的演變機理與變化趨勢，實現城市空間格局擴展變化的有效監測。

1 研究方法

1.1 研究區概況

鄭州是中原經濟區核心城市，國家重要的綜合交通樞紐。近年來，隨著中原城市群和鄭州航空港區建設的加快，城市用地擴張迅速，空間格局變化十分明顯。本文通過收集鄭州市第一次地理國情普查成果與最新的基礎性地理國情監測成果，提取2000、2005、2010、2015、2016年5個年份的城區邊界，結合收集的專題資料對鄭州城市格局變化狀況進行分析研究，揭示城市城鎮化發展歷程、空間結構和布局演變過程，為城市進一步發展與科學規劃提供技術支持。

1.2 源數據

使用的源數據主要有地理國情普查與監測數據、高分辨率衛星遙感影像及其他資料。地理國情普查與監測成果數據為鄭州市2015年第一次全國地理國情普查成果和2016年地理國情監測成果，以及數字鄭州地理空間框架建設成果、1∶10 000基礎地理信息等數據成果。選擇2000、2005、2010、2015、2016年5個年份的航空影像，以及SPOT5、WorldView等衛星影像(分辨率優于2.5 m)，并以2015年第一次全國地理國情普查標準時點核準影像成果作為參考影像，對其他4個時相的影像進行正射影像生產，作為城區邊界和內部結構信息提取的源數據。

同時，搜集鄭州市2000、2005、2010、2015、2016年的《中國城市統計年鑒》《中國城市經濟年鑒》《中國人口統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》數據。

1.3 城市空間格局變化信息提取

依據先宏觀再精細的研究思路，按照“行政界線”限定、“城市景觀特征”符合原則[8]，本文基于鄭州市國情普查與監測成果，從衛星遙感影像中提取2000、2005、2010、2015、2016年間的鄭州市城區邊界范圍。具體技術步驟如下：

(1) 將2015年第一次全國地理國情普查標準時點核準影像成果與2010、2005、2000年多期數字正射影像進行空間疊加，從歷史變遷的視角綜合分析鄭州市的整體布局和擴展情況。

(2) 將2015年的影像數據與第一次地理國情普查成果數據進行疊加，綜合分析國情成果的人文要素，提取2015年的鄭州市城區邊界；同理，提取2010年、2005年和2000年的城區邊界。

(3) 將2016年影像與2016年監測成果套合，提取2016年的城區邊界。

1.4 城市空間格局變化研究策略

利用鄭州市5個年份城區邊界數據及城市擴展存在的時空差異，采用RS和GIS相結合方法分析不同形態類型的城市擴展模式，以城區擴展面積、擴展速度、擴展強度、地均人口、地均GDP、城市用地增長彈性系數等因子作為城市空間擴展統計分析指標[9]，對鄭州市城區擴展變化進行統計分析研究。

2 鄭州市城市空間格局擴展變化研究

選取鄭州市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2016年4個年點的城市空間格局變化量，對城區面積與擴展、城市用地效率、城市空間擴展協調性、城市空間結構和形態變化4個方面進行分析研究，揭示鄭州市歷年的城市空間格局擴展及其變化規律。

2.1 城區面積及其擴展

城區面積擴展以5年的變化值作為分析單元，城區擴展速度是指某一時間段內城區面積的年增長速率[10]，而城區擴展強度則是指某一時間段內各城市城區面積相對于基期城區的年擴展比例，表示單位時間內不同城區擴展快慢的相對(比例)差異。

城區擴展速度的計算式為

Vi=ΔUij/(Δtj)·100%

(1)

式中，Vi為城市擴展速度；ΔUij為j時段第i個研究單元城區擴展面積；Δtj為j時段的時間跨度。

城區擴展強度計算式為

Ni=ΔUij/(Δtj·Mi)·100%

(2)

式中，Ni為城市擴展強度；ΔUij為j時段第i個研究單元城區擴展面積；Δtj為j時段的時間跨度；Mi為j時段初期第i個單元城區總面積。

依據式(1)和式(2)，可計算鄭州市16年間城區擴展變化情況見表1和表2。

表1 2000—2016年鄭州市城區面積 km2

由表1和表2可知，鄭州市2000年城區面積僅為166.77 km2，到2016年擴展了122.78 km2達到289.55 km2，是2000年的1.74倍。其中，2005—2010年擴展為67.12 km2，占比54.67%，說明該時段為城區面積快速增長期。城區面積擴展速度的兩個峰值分別是2005—2010年間的13.42 km2/年和2015—2016年間的7.16 km2/年；2000—2010年間擴展速度快速，2010—2015年間減緩，2015—2016年少量增加。

表2 2000—2016年鄭州市城區擴展面積占比統計

2.2 城市用地效率

城市用地效率主要用地均人口B和地均GDP 2個指標衡量，其相應計算式為

(3)

式中，P為城區人口數；A為城區面積；Q為生產總值。從鄭州市統計年鑒中查找相應年份的人口和GDP數據，根據式(3)可得到不同年份的用地效率見表3。

表3 鄭州市2000—2016年地均人口與地均GDP

由表3可以看出，鄭州市地均人口與地均GDP在2000—2016年間變化幅度較小，表明城區面積擴展速度與人口增長速度持平；而2015年的地均人口相比2010年有明顯增加，表明2010—2015年間，城市面積擴展低于人口增長速度；地均GDP在2000—2016年間均為增長趨勢，表明GDP的增長大于城區面積擴展速度，城市用地效率在逐步提高。

2.3 城市空間擴展的協調性

城市用地增長彈性系數是指一定時期內城市用地增長率與人口增長率之比，是測定城市用地擴展程度的指標[11]，中國城市規劃設計院通過研究認為該系數的最優值為1.12，其計算式為

(4)

式中，K為城市用地增長彈性系數；PR為城市人口年均增長率；GR為城市用地年均增長率；At、A0表示某個時間段末期、初期的城區面積；Δt表示以年為單位的時間跨度[12]。

根據式(4)可計算出鄭州市5個時間段的用地增長率，并結合統計年鑒中相應時期的人口數量，得到各個監測時段的擴展彈性系數見表4。

表4 2000—2016年鄭州市城市用地增長彈性系數統計表

由表4可知，2000—2016年間，鄭州市城市用地增長彈性系數為1.12，表明城市擴展速度與人口增長速度之間在17年間基本一致，但僅在2005—2010年間用地增長彈性系數從0.48猛增至2.57(增加近5.35倍)，人口增長速度遠低于城市擴展速度，表明土地開發模式在城市發展中占據重要位置。

2.4 城市空間形態結構及變化

2.4.1 城市空間擴展類型演變

凸殼為城市區域或城市潛在的控制區域，利用凸殼原理可以識別城市用地空間擴展類型，即填充類型和外延類型[13]。本文根據鄭州市2000年城區呈多邊形狀的邊界，計算生成該多邊形所有頂點的最小凸多邊形(凸殼)，即為鄭州市潛在的初始控制范圍；然后將該凸殼面與2016年鄭州市城區邊界疊加，2個面相交的部分即為填充面積，超出凸殼面的部分即為外延擴展面積，如圖1所示。

圖1 鄭州城區擴展類型

由圖1可以看出，鄭州市主城區為外延擴展，擴展區域主要位于北部的惠濟區、東部的鄭東新區、南部的南三環區及西部的高新區；南部屬于蔓延式外延擴展，其他3個方向均表現為跳躍式的外延方式。

2.4.2 城市空間形態演變

城市空間形態的演化是城市空間布局和機構變化的綜合反映，據此可以分析城市的生長過程，揭示城區的擴展規律[14]。本文以鄭州市2000—2016年4個階段的城市緊湊度指數、分維數指數(見表5)，對各監測時期城區的形態進行分析，揭示鄭州市空間形態的演變規律。

表5 2000—2016年鄭州市城區緊湊度分形維數統計

由表5可知，鄭州市主城區各監測年城市空間緊湊度最大值為2000年的0.36，最小值為2005年的0.3，城市空間整體離散程度較小。從2000年起鄭城區的城市緊湊度指數總體呈現先減后增的趨勢，2005年達到最小值，表明城市空間發展在2000—2005年間較為離散；從2005—2016年緊湊度逐漸增長，城市空間變得越來越緊湊。

2.5 鄭州市空間擴展趨勢預測

綜上所述，鄭州市2000—2016年間城區空間擴展主要集中在東、東南、西和西北方向，隨著航空港區的快速發展、中牟產業片區的高速推進及鄭州市政府西遷帶動的向西發展，鄭州市未來會形成東西兩翼的發展趨勢，最終西與洛陽相連、東與開封貼近，形成鄭—汴—洛東西軸線格局，實現人口聚集與一體化區域經濟社會發展的態勢，從而成為中原城市群的“龍頭”。

3 結 語

本文基于地理國情普查與監測成果對鄭州市2000—2016年城市空間格局變化進行分析研究，得出如下結論：①經濟發展是城區擴展的主要驅動力[15]。隨著經濟的快速發展，帶來固定資產投資投入增加，促使城市用地規模與擴張速度的加快。②城市人口的增長和空間遷移是城市空間擴展的又一重要驅動力[16]。③政府的政策引導是城市擴展的最重要的推動力。