近60年南寧市城區城市空間擴展遙感監測研究

劉清，范城城，劉潤東，羅慰生，李彬，施宇軍

(1.廣西壯族自治區遙感信息測繪院， 廣西南寧530023；2.中國科學院微小衛星創新研究院， 上海201210)；3.廣西壯族自治區森林資源與生態環境監測中心， 廣西南寧530028)

0 引言

聯合國統計數據指出，中國目前是世界上城市化發展進程最快的國家之一[1]。在全球范圍內，城市地區正在迅速擴大，現在世界上大多數人口居住在城市。周邊城市化，一種以快速和零散增長為特征的特定形式的城市化，也在增加，特別是在發展中國家[2]。南寧市作為廣西自治區的首府，在近60年的時間內，城市發展不斷加快,是區域內城市化進程最快的城市。隨著城市區位因素的重要性和自治區政府對城市建設的大力投入以及國家發展戰略的傾向，促使城市的發展進程不斷提速，城市建設日趨完善，南寧市正往建成特大城市和邊境國際城市的道路快速健康發展。從1978年的改革開放開始，南寧城市加大了商業用地的比重，城市發展轉變為圈層式發展；1991年和1992年，先后出現中越兩國恢復友好關系，鄧小平南巡講話兩件大事件，使南寧擁有和平的周邊環境的同時獲得了沿海開放城市的優惠政策，南寧發展有了更明朗的方向和前景；1996年，南寧到昆明的鐵路建成通車，交通方式的轉變帶動了南寧工業的發展，更帶動了南寧工業園區的擴展建設；2001年，中國—東盟自由貿易區的建立使南寧擔負起區域性國際中心的作用，促使南寧的商業貿易用地大大增加；2004年，南寧成為中國東盟國際博覽會的永久舉辦地，強化與東南亞各國的經濟紐帶作用，因此業帶動了高檔居住用地、高級商貿用地和會展用地的發展；2008年，廣西北部灣經濟區規劃獲國家批準成立，使南寧成為北部灣經濟區中心城市[3]；2011年，自治區黨委、政府提出“南寧市要緊緊圍繞區域性國際城市目標，實施重點向南發展戰略，建設五象新區，再造一個南寧”，這一政策加快了南寧南部的發展規劃和城區建設速度，目標是使南寧城市形態由單中心，高集聚向多中心，組團式轉變，歷時10年，分三個階段；2013年，國家主席習近平提出“一帶一路”政策，建立“一帶一路”經濟區，作為國家“一帶一路”海上絲綢之路有機銜接的重要門戶城市，更結合北部灣經濟帶中心城市的優勢，南寧城市化進程的大大提速[4]；2017年，國務院發布《北部灣城市群發展規劃》，將南寧定位為面向東盟的核心城市，支持建成特大城市和邊境國際城市。近60年來，大事件的發生促進了南寧市的發展，南寧逐漸發揮區域競合的功能，轉變為區域中心城市。南寧的發展由廣西的中心城市向區域中心城市轉變，成為西南地區的交通紐帶。回顧南寧城區的發展史，并對南寧在時間序列上的城市空間擴展和形態變化進行研究，有助于找到城區發展的最優方式。

全國600多個城市，每個城市在發展過程中由于地理區位、地形地貌、政治需求、經濟發展等差異條件而致使城區的形態出現差異[5]。對于這些差異的具體誘因以及形態的表現與城市發展的優良性的關系使得城市城區的擴展研究一直成為學術界的熱門研究點，并以此出現了不同的論點[6]。而遙感技術的出現對學者進行城市擴展的研究提供了助力。遙感技術可以快速、及時、大范圍的獲取城市地表的影像信息，并且可以人工交互的進行城區各類信息的有效提取，是城市空間擴展分析的基礎數據獲取技術路徑之一。國內外學者在應用遙感監測技術對城市擴展進行研究方面做了大量研究工作并取得很大的成效[7]。本研究利用1960～2017年的9個時期不同數據源的遙感影像對南寧市城區信息進行提取，結合專題數據和統計數據，開展了近60年南寧主城區的擴展變化趨勢，為南寧發展規劃與調控提供有效的依據，為南寧建設成為特大城市和邊境國際城市提供理論方法和科學數據支撐。

1 研究區域概況

南寧市位于廣西壯族自治區南部偏西，是廣西壯族自治區首府及廣西政治、經濟、文化中心，總面積 22112 km2。南寧與越南社會主義共和國毗鄰，地處亞熱帶，北回歸線穿域而過，位于東經107°45′～108°51′，北緯22°13′～23°32′之間，地理坐標東經108°22′，北緯22°48′。南寧市總面積33 112 km2，土地面積22 112 km2。

南寧市是中國中西部地區的廣西壯族自治區首府，北部灣城市群核心城市、中國面向東盟十國國際大通道、內陸開放型經濟高帶、西南出海綜合交通樞紐城市，中國東盟博覽會暨中國東盟商務與投資峰會的永久舉辦地，國家“一帶一路”海上絲綢之路有機銜接的重要門戶城市，也是南部戰區陸軍機關駐地。南寧市行政區劃為七區五縣，共84個鎮、15個鄉、3個民族鄉、22個街道。本研究選取南寧市主城區6個市轄區(分別為江南區、青秀區、邕寧區、西鄉塘區、良慶區、興寧區)作為一個整體監測對象，提取南寧主成區范圍。

南寧市主城區地理區位示意圖見圖1。

圖1 南寧市主城區地理區位示意圖Fig.1 Geographical location map of Nanningmain urban area

2 研究數據與方法

2.1 數據源與影像處理

本文采用1960、1977、1985、1997、2001、2005、2009、2013年和2017年9個時相的多源遙感影像，數據來源于廣西測繪局地理信息中心。影像數據源包括航攝黑白、真彩、彩紅外影像和天繪一號衛星影像、北京二號衛星影像、高分二號衛星影像、SPT5衛星影像，相關參數見表1。

表1 影像數據Tab.1 Image data

通過ERDAS影像處理軟件對影像進行輻射校正、幾何校正、影像配準和影像拼接后，然后還需要對影像進行影像增強、影像融合、影像分割和勻色等，得到滿足監測要求的正射影像(圖2)。此外，本文還收集了南寧市部分的專題數據(如地理國情監測數據和數字廣西數字線化圖(DLG)等)和統計數據作為遙感監測分析的輔助資料。

圖2 南寧市2016年正射影像Fig.2 2016 Orthophoto image of Nanning City

2.2 城區范圍提取

對收集的不同時相的遙感影像和專題資料進行匯總，以9個時相的影像為基礎，結合第一次全國土地調查、第二次全國土地調查、地理國情監測數據和數字廣西DLG等數據對南寧主城區邊界進行人工勾繪提取，城區的主要包括南寧6個市轄區:興寧區、青秀區、西鄉塘區、江南區、良慶區、邕寧區。邊界的提取首先以影像為地圖進行宏觀提取，然后結合專題資料進行精細邊界的修改，要求完整體現城區邊緣的微細形態，并按時相的倒序依次提取城區邊界，既先提取2017年時相的城區邊界。最后對主城區邊界提取結果進行檢核，確定邊界提取的可靠性。最終獲取南寧市建城區邊界提取結果，并制成南寧市主城區擴展變化矢量圖(圖3)進行主城區擴展變化分析。主城區主要采集外圍邊緣線，藍線表示前一個時像的主城區范圍，疊加的紅線則表示后一時像的主城區范圍，紅藍線間的區域則表示時間段內的主城區面積的增長區域，影像底圖為后時相的影像。

圖3 南寧市主城區擴展變化矢量圖Fig.3 Comparison of spatial change of Nanning main urban area

2.3 城市空間擴展評價指標

本研究結合南寧市統計資料和主城區范圍計算南寧城區的擴展速率、擴展強度和城市用地彈性系數，用于分析城市近六十年空間擴展的時空變化情況。并通過計算分形維數、緊湊度和城市重心變化研究南寧市城市空間擴展監測的發展趨勢、城市發展的驅動力和承載力情況，實現對南寧市主城區近六十年空間形態特征演變的定量分析。

2.3.1 城市空間擴展指標

城市擴展強度指數是指某空間單元在一定時期內的城市土地利用擴展面積占其土地總面積的百分比，數字越大表示擴展越快。城市用地增長彈性系數表現的是城市用地擴張與人口增長的協調性，中國城市規劃設計院經過多年對歷年城市進程的研究分析為這一系數設置了一個閾值指數，其值為1.12。當城市用地增長彈性系數大于該閾值，則表現為城市占地過量且土地利用率低；若低于該閾值，則表現為城市擁擠，基礎設施落后等一系列城市問題。

① 城市擴展強度和速度指數:

Qi=ΔQij/(Δtj×Aj)×100 %,

(1)

Vi=ΔQij/Δtj,

(2)

式中:Qi為城市擴展強度指數；Vi為城市擴展速度指數；ΔQij為j時段第i個研究單元主城區的擴展面積；Δtj為j時段的時間跨度；Aj為第j個時段土地面積。

② 城市用地增長彈性系數:

κ=CR/UR,

(3)

(4)

(5)

式中:κ為城市用地增長彈性系數；UR為城市非農人口年均增長率;At為某個時間段末主城區的面積;A0為某個時間段初主城區的面積;Ut為某個時間段末城市人口數;U0為某個時間段初城市人口數;CR為城市主城區年均增長率;Δt為時間段的跨度,以年為單位。

2.3.2 城市空間形態變化指標

分形維數N的取值區間為[1,2],N值的大小與圖形的復雜程度相關[12]。具體關系如下：

(6)

由式(6)可知，分形維數N值愈大，城區的圖形復雜程度越高，反之越小[13]。城區緊湊度BCI是反映城市空間形態的指標。緊湊值越大，形狀越具有緊湊性。圓是一種緊湊度最高的圖形，其緊湊度為1；緊湊度越小于1，則形狀越狹長[14-15]。城區空間重心轉移可以直觀的體現城市在發展過程中的擴展方向，該指數與城市大事件和政府相關重大決策有直接關系。

① 城市空間形態的分形維數:

N=2lg(Z/4)/lgA,

(7)

式中:N為分形維數；Z為城市主城區周長；A為城市主城區面積。

② 城市空間形態的緊湊度：

(8)

式中：BCI為城區緊湊度；Z為城市主城區周長；A為城市主城區面積。

③ 城市空間重心轉移。

空間重心坐標：

(9)

(10)

式中：Xt、Yt分別為t時像城市主城區重心；Xi、Yi為第i塊城市建設用地的幾何中心坐標；Ati為第i個片區面積。

(11)

式中：Lt+1表示從t到t+1時期地理單元空間重心轉移距離；at+1表示從t到t+1時期地理單元空間重心轉移方向與正東方向夾角。城市中心坐標可在獲取主城區邊界矢量圖后通過Arcmap軟件的Feature to point功能進行計算獲取，并通過公式(11)計算重心轉移距離。

3 南寧市主城區空間擴展遙感監測研究

3.1 城市空間擴展變化研究

由表2和表3的統計數據可以看出，從1960年至2017年南寧主城區的面積發生巨大變化，歷經58年，由原來的16.2 km2增加到了2017年294.0 km2，增幅為277.8 km2。8個時間段中，面積增量最小的為1977～1985年時段，面積增量最大值出現在2009～2013年時段。其中增速最慢的為1960～1985年時段，為1.51 km2/a，最大增速為2009～2013年時段，為13.45 km2/a。

表2 南寧主城區相關統計數據Tab.2 The relevant statistical data of Nanning main urban area

表3 南寧主城區面積統計數據Tab.3 Statistical data on the area of Nanning main urban area

9個時間段來看(表4)，南寧市主城區的擴展面積逐年增加，擴展速度較快，整體表現為前期相對緩慢，中后期發展速度較快，總趨勢為加速提高，且對應的擴展強度呈現相同的趨勢。其中1960～1977年間最擴展速度和強度最小，分別為2.30 %和1.50；而2009～2013年擴展速度和強度最大，分別達到了20.5 %和13.45。擴展速率變化和擴展強度變化基本一致。此外城市用地彈性系數在近60年的城市發展中均出現不同程度的問題，1960～1977年的彈性系數最大，且嚴重偏離閾值，說明該時期段內城市土地利用率很低； 2005～2013年間城市發展速度快，城市占地多，處于快速發展時期；而2001～2005年和2013～2017年彈性系數很低，偏離閾值較大，表明城市也處于快速發展階段，但基礎建設與城市擴展沒有實現同步，導致在城市化進程中會現一系列問題。

表4 城市空間擴展指標Tab.4 Index of urban spatial expansion

由圖4對比分析可知，1977年后城市擴展指數、強度指數和城市用地增長彈性系數的趨勢性存在同一性，幾乎均表現出兩個階段的先升后降，趨勢為整體提升，這表明南寧市城市建設在改革開放(1978年)以來均穩定擴展。但1960～1977年城市用地增長彈性系數偏高，由數值表明該時段南寧市城市占地過量且土地利用率低，仍處于摸索階段。

聯合表3和表4研究可知，1997年以后城市的擴展強度和速度有了很大的提升，年城市擴展強度指數均值為9.70，年城市擴展速度指數均值為14.8 %，兩項指數均為1997年以前2.5倍以上。即在1996年南昆鐵路開通以來，帶動工業園區建設后，城市擴展進程開始提速，城市擴展雙指標分別提升到9.7 %和14.8 %。到2001年中國—東盟自由貿易區的建立，加大了商業用地后，城市擴展雙指標分別提升到11.0 %和16.80 %。尤其是在政府出臺建設五象新區政策后，城市擴展雙指標提升到歷史最大值，分別為13.45 %和20.5 %。而在2013年“一帶一路”事件的帶動下，南寧城市化進程加快。這表明城市的發展速度與政府相關決策和大事件的發生存在正向強相關性。

3.2 城市空間形態變化研究

通過統計數據計算獲取了南寧市主城區城市空間形態分形維數及緊湊度指標數據，制作成如下圖5。本研究由于對城區內或邊緣區域的零散部分進行了綜合，因而會整體減小計算得出的分形維數值，但對整體趨勢和個體表現的影響較小。由圖5可知，南寧市主城區9個時相的分形維數從1960年的1.58下降至1977年1.23，然后上升至1997年的1.30，然后2001年下降到1.28，又上升至2005年的1.36，隨后又下降至2013年的1.31，最后2017年上升至1.38，整體的呈現上升的趨勢，中后半段趨于平緩。結合9個時相的南寧市主城區擴展變化矢量圖(圖3)分析可知，1960年至2001年城區內部填充和外部擴展同步進行，2001年之后，城區形狀越來越不規則化，內部填充的同時向外擴展的程度逐年增大，且偏向南部和東部延伸擴展，呈現快速外擴發展的趨勢。

由圖5可知，南寧市城區1960年到1977年的BCI由較大增長趨勢，中后段整體平緩，呈整體下降趨勢，其中BCI在1977年最高，約為0.57；2017年BCI最低，約為0.30。結合9個時相的南寧市主城區擴展變化矢量圖(圖3)和分形維數，南寧主城區的空間擴展已從內填充式轉為外延擴展。自2005年至2017年，城區開始延南部和東部延伸發展，城區形態開始逐步變為狹長，緊湊度降低，表明城市處在迅速擴展的發展階段，城市管理成本較高，城市基礎設施建設和已開發土地的利用率需逐步提高。

圖5 南寧市主城區空間形態分形維數及緊湊度Fig.5 Fractal dimension and compactness of spatial morphology of Nanning main urban city

由圖6可知，1960～1977年城區重心往西南方向移動距離為1044.1 m, 1977～1985年城區重心往東北方向移動距離為215.2 m, 1985～1997年城區重心往西北方向移動距離為194.7 m, 1997～2001年城區重心往西南方向移動距離為475.2 m, 2001～2005年城區重心往東南方向移動距離為1736.1 m, 2005～2009年城區重心往西北方向移動距離為299.1 m, 2009～2013年城區重心往東北方向移動距離為314.5 m, 2013～2017年城區重心往東南移動距離為1362.0 m。整體趨勢段為：1960～2001年城區重心往西南方向移動，2001～2017年城區重心往東南方向移動。更為具體的，1960～1977年間南寧城區重心在興寧區內，1977～2001年逐步向西鄉塘區小遷移，2005～2017年城區重心向青秀區遷移。其中1960～1977年，2001～2005年，2013～2017年城區重心變化最大，遷移距離分別為1.04 km、1.74 km和1.36 km。結合南寧市主城區擴展變化矢量圖(圖3)可知，城區重心的遷移緊隨城區發展動向，1977～2001年城區建設主要往西南方向，則城區重心向西南方向移動；2005～2017年，城區主要加大投資力度跨江向南和延伸向東建設，則城區重心向東南方向移動，且移動趨勢明顯。改造老城區成本過高，發展新區成本較低以及政府政策成為影響因子，同時結合南寧市規劃管理局發布的南寧市2011～20120年城市總體規劃(圖7)發現數據計算的出的主城區重心轉移方向與之同趨勢。

圖6 南寧主城區重心坐標轉移示意圖Fig.6 Gravity center coordinate transfer of Nanning main urban area

圖7 南寧市2011～2020年城市整體規劃(來源：南寧市規劃管理局網站)Fig.7 Comprehensive urban planning of Nanning from 2011～2020 (from:NPAW)

4 總結分析

本文通過遙感技術對南寧市主城區空間形態的演變分析與定量化研究，可以得出以下結論 ：

① 南寧城市空間形態處于延伸發展的趨勢。早期(1960～1997)主城區城市擴展相對緩慢，內部填充式發展結合外部多向擴展；中期(1997～2005)調整了規劃，逐步提高了外部擴展的強度，在擴展方向上開始向西南延伸；后期(2005～2007)，主城區城市空間增長方向邏輯清晰，明確了發展重心向東南方向轉移，向東南方向延伸擴展，且為主城區城市布局留出了繼續增長的空間，城市空間增長具備較強的銜接性和可持續性。空間形態的緊湊度先升后降，表明主城區正處在快速擴展階段。

② 城市大事件的發生同樣起到引導調控的作用。從1978～1996年，改革開放開始，中越兩國恢復友好關系，鄧小平南巡講話到南昆鐵路的開通，南寧城市開始發生變化。城區加大了商業用地的比重，城市發展轉變為圈層式發展，交通方式的轉變帶動了南寧工業的發展，更帶動了南寧工業園區的擴展建設；2001～2008年，自由貿易區的建立和中國東盟國際博覽會的落地，強化與東南亞各國的經濟紐帶作用，帶動了高檔居住用地、高級商貿用地和會展用地的發展，此外廣西北部灣經濟區規劃批準成立，使南寧成為北部灣經濟區中心城市，加大了對城區南部的擴展；2011年，自治區黨委、政府提出“建設五象新區，再造一個南寧”的規劃加快了南寧南部的發展進程；“一帶一路”政策提出，使南寧區位重要性提升，南寧城市化進程的大大提速[3]；2017年，國務院發布《北部灣城市群發展規劃》，將南寧定位為面向東盟的核心城市，支持建成特大城市和邊境國際城市，南寧城市重點向東南方向開發建設。

在研究時間段內， 2012 年南寧市規劃管理局發布了南寧市2011～20120年城市總體規劃(圖6)對城區的城市空間形態以及城市用地擴展、功能結構演變起到了推進作用，促進了城市空間的新舊交替。盡管城市規劃并不是城市空間發展的直接動力，但卻通過為城市發展不斷提供政策調控手段，對城市空間形態變化起到了引導作用。

③ 城市空間擴展受到水系走向和地勢的影響。生命水系和地形復雜程度將極大地影響城市的整體發展[16]，受自然環境影響南寧市城市主城區空間擴展存在一定的局限性。南寧市地貌分平地、低山、石山、丘陵、臺地5種類型。平地是南寧市面積最大的地貌類型，分布于邕江南北兩岸區域，這使南寧城區沿江擴展不會遇到自然地形地貌阻隔。而西部邊緣為一穹窿山地的鳳凰山和北部呈東北——西南西走向的高峰山以及西北部的峰林石山、孤峰石山成為了南寧城區向西部和北部擴展的天然屏障。而中部地區沿江大片地區地勢平坦，利于減少建設的成本，適合成為商業用地、工業用地和居住用地的建設，這就決定了南寧市城區以邕江為軸，向東南拓展的擴張格局。此外，南寧主要水系—邕江水系東西走向決定了其他市轄區城市的空間形態和發展局限。