張掖市甘州區城市空間擴展研究

冉祺祺 范拴喜 董麗娟 崔佳茜

[提要] 城市化作為當今社會發展最顯著的特征之一，最首要的表現就是城市的空間擴展。張掖市甘州區在1992～2010年期間城市擴展迅速。基于1992年、2002年和2010年遙感影像，利用GIS和RS提取甘州區城市建成區輪廓，并在此基礎上對甘州區城市空間擴展特征及驅動力進行分析。結果表明：1992～2010年期間甘州區建成區面積逐年增長，城市擴展速度在10%以上;1992～2010年甘州區城市空間擴展在各方向上存在較大差異性，正東、東北和東南方向的拓展速度明顯高于平均水平1.28，說明這三個方向是城市拓展的主要方向;利用線性回歸模型對城市空間擴張人文影響因素進行分析發現，甘州區城市空間擴展主要受經濟、人口、交通、政府政策等因素影響，其中經濟發展水平是最主要的影響因素。并結合時間序列分析預測到2020年底甘州區主城區的面積將達到4，373.63hm2。

關鍵詞：甘州區;城市拓展;GIS;RS;影響因素

基金項目：陜西省科技廳自然科學基金項目（項目編號：2020SF-438）;寶雞文理學院重點項目（項目編號：YJSCX19ZD03）;通訊作者：范拴喜

中圖分類號：TU984 文獻標識碼：A

收錄日期：2020年8月6日

隨著社會的發展，城市化成為了不可逆轉的趨勢，它深深地改變著人類的聚居狀態、生活方式和生存方式。城市空間拓展是社會經濟發展的特征之一，以城市空間拓展為主要特征的城市化及帶來的許多問題，是中國現在和未來將要面臨的主要挑戰之一。

20世紀，遙感和地理信息系統的快速發展給城市空間擴展的研究提供了技術支持。國內外學者開始借助于多源遙感數據對城市擴展的形式及規律、城市空間擴展的驅動力、城市空間擴展的對應措施等方面進行了大量研究。Lopez等利用航空影像分析莫雷利亞地區城市擴展過程中的土地利用結構變化，結合回歸分析的方法分析了城市擴展和農業景觀及人口的變化。趙元洪等利用影像、影像和航空相片數據，對岳陽市地區的城市擴展狀況進行研究，得到了岳陽市區的動態擴展圖。夏敘、李云梅、李尉尉以無錫市1991年、1996年、2001年和2005年的影像為數據源，采用改進后的波段組合閾值提取法對無錫市城市建成區空間信息進行提取，認為無錫市城市總體擴張呈現出不斷增加的態勢，同時其城市空間擴張呈現集中連片發展和軸向擴展兩種典型的擴展模式。陳順清認為，城市增長的動力可分成向心力、離心力和摩擦力三種力量的相互作用。但是，我國對城市空間擴展的研究多集中于大城市，對于西北地區小城市的研究較少，小城市的空間擴展問題還需得到進一步的研究。

本文基于RS和GIS對張掖市甘州區城市空間擴展情況及影響因素進行分析，可以正確地把握甘州區城市空間擴展規律和趨勢，有效把控和引導甘州區城市空間合理有序的發展，提高城鄉建設用地布局的合理性，對于促進甘州區城市進一步發展具有重要意義。

一、研究區概況、數據來源與研究方法

（一）研究區概況。甘州區，是張掖市主要的轄區之一，地處河西走廊中段，南靠祁連山，北臨內蒙古，屬于溫帶大陸性氣候。甘州區主要河流有4條，季節性河流有26條，河水徑流量16.6億立方米。截至2010年，甘州區面積為4，240 hm2，城市面積2，730.29hm2，人口50.7萬人，全年實現生產總值1，153，474萬元，比上年增長13.4%。其中，第一產業增加值293，586萬元，增長6%;第二產業增加值397，316萬元，增長19.9%;第三產業增加值462，572萬元，增長13.5%。甘州區不僅是華夏直達西域的唯一要道，世界貿易極其重要中轉站，也是我國東西縱橫鐵路、公路的戰略要道，國家四大西能東輸工程的能源通道。

本文研究時間選取1992～2010年，該時間段內研究區城市擴展特征較為明顯。研究范圍以甘州區主城區為中心點，東至李家灣二社，西至西關村，最北到達張家樹灣，最南到達二閘廟。該區域是近年城市化進程最快的區域。城市用地的規模越來越大，區域集中代表了城市化的速度與進程，也代表了城市化的總體特征。

（二）數據來源。在進行城市擴展研究時只需要掌握城市建設用地擴展的總體特性，對遙感影像的精度要求并不是太高，因此遙感影像數據使用空間分辨率30m以上的。本文用到的地圖數據、土地利用現狀圖等來源于地理空間數據云。社會經濟、人口等數據以及城市建成區面積數據主要來源于1996～2010年甘州區統計年鑒。（表1）

（三）研究方法

1、城市范圍的提取。本文將甘州區城市規劃圖、城市現狀圖進行電子掃描，再幾何精校正。然后，用非監督分類和人工目視解譯相結合的方法，使用 ENVI5.1軟件對遙感影像解譯，總體精度在 75% 以上，之后與谷歌地球進行對比驗證，在總體誤差不超過10%的前提下在ArcGIS10.3中建立屬性數據庫，利用軟件中的矢量疊加分析功能對不同時期的城市空間擴展數據進行提取。

2、城市擴展速度指數與強度指數。本文在研究城市空間擴展數量時選取了城市擴展速度指數（M）和強度指數（I）兩個指標，這兩個指標是衡量城市空間擴展進程的重要指標。城市空間擴展速度表示了城市在整個研究時間段內不同時期的年均增長速度，可以直觀反映出城市空間擴展的總趨勢;而城市擴展強度事實上是對各個方向的年均擴展速度進行標準化的過程，使不同階段的擴展速度更具可比性。

其計算公式分別為：

M=×100%

I=

式中：△Uij為時刻i到j城市建成區面積的變化數量，△tij時刻為i到j 的時間跨度，ULAi為i時刻的建成區面積，TLA為初始時的建城區面積。

3、GIS空間分析法。本文在對研究區城市空間擴展方位分析時，選取Arcmap中的空間方位分析法來分析研究區城市空間擴展的方位差異性。

4、多元線性回歸分析法。在進行城市擴展人文驅動力分析時，選取了與城市擴展密切相關的6個社會經濟指標進行多元線性回歸分析，分別是非農業人口、國民生產總值、固定資產投資額、工業總產值、地方財政支出以及社會消費總額，然后利用SPSS軟件建立個指標與建成區面積之間的多元線性回歸模型。

二、城市空間拓展分析

（一）數據預處理

幾何糾正：為了得到甘州區幾何高精度的覆蓋圖，論文對每副影像選取了20～25個控制點，對影像使用的糾正方法為二階多項式幾何精校正，重釆樣用鄰近點插值法進行幾何糾正。

遙感圖像增強：運用ENVI5.1軟件進行直方圖匹配、圖像色彩變換、去相關拉伸等一系列增強處理，有效提高了TM和ETM+影像的視覺效果和可解譯性。圖1為圖像增強前后的效果。（圖1）

（二）城市擴展范圍分析。在Arcmap軟件中運用拓撲工具，分別提取1992年、2002年和2010年三個時期的城市面積信息，得出1992～2010年甘州區主城區城市面積的動態變化情況，如表2所示。（表2）

利用Arcmap中矢量疊加分析工具，進行1992年、2002年和2010年甘州區城市面積矢量數據的疊加分析，獲取甘州區城市擴展過程中城市用地變化的信息。（圖2）

從圖2可以看出，1992～2010年期間張掖市甘州區主城區城市面積整體處于擴張狀態。2002～2010年期間主城區城市面積擴展尤為明顯，年均擴展面積和年均擴展率明顯上升，呈現加速擴展的趨勢。

（三）城市擴展方位分析。為了明確甘州區主城區擴展的方向性，本文應用空間方位分析法，以主城區幾何中心為原點，將研究區分為八個方位進行城市擴展的空間分析，如圖3所示。對各個方位的城市建設用地分布矢量圖進行空間疊加分析，從而得到不同時期城市建設用地在各個方位區中的面積，進而分析出1992～2010年城市建設用地在各個方位擴展的強度特征，研究城市用地擴展變化的方向差異。（圖3）

將甘州區城市面積變化進行統計得到表3。（表3）

由圖3、表3可以很直觀的看出1992～2010年主城區各個方向上的拓展情況：1992～2002年正東、東北、西北方向均高出平均水平，其中正東和西北方向最為顯著，達到了272.88hm2和183.19hm2，西南和正北方向拓展面積最少，僅為34.35hm2和45.80hm2，低于平均水平;2002～2010年期間，正東和東南方向面積擴展較多。正西、西北和正南方向拓展面積較少，其中西北拓展面積最少，僅為26.05hm2。

總體來說，甘州區主城區在1992～2010年城市空間拓展的方位差異明顯。受到自然和人為因素的影響，正南、西南和正北方向城市空間拓展緩慢，正東、東北和東南方向是城市拓展的主要方向。

（四）城市擴展強度與速度分析。對甘州區城市擴展的速度和強度計算如表4所示。（表4）

由表4可以看出，正東和西北方向的拓展指數分別為2.82和1.90，明顯高于平均水平1.10，這是由于在城市規劃和交通方面的影響，使得城市在這兩個方向快速發展，該方向的城市建設用地的比重在逐年增加。但是在2002～2010年之間，正東和西北方向的拓展指數下降，說明該方向的土地利用已經達到了最大的極限。在東南方向的拓展面積不是很大，但拓展指數達到了1.24，明顯高于平均水平0.80，說明在2002～2010年期間，該區域的城市建設面積比重不斷增加。

總體來看，1992～2010年期間，正東、東北和東南3個方向城市的拓展速度指數明顯高于平均水平1.28，說明城市總體空間拓展沿著這三個方向進行快速的擴展。

三、城市空間拓展人文驅動因子分析

（一）人文驅動因子分析。進行城市空間拓展方面的研究，不僅可以有效直觀的觀察出一個城市在不同時期空間規模和結構的差異，對不同城市的城市建設用地擴展的特征和驅動因素的認識，而且還可以預測出城市未來的發展布局及其產生的生態環境影響。城市空間擴展過程受到自然、經濟、人口、國家政策等多方面因素的影響，自然因素是城市空間擴展的重要限制因素，對于城市空間擴展方向具有約束性，但城市規模的擴張則主要取決于城市社會經濟的發展。因此，本文對于甘州區城市擴展的驅動因素分析研究主要集中在人文因素方面，選取1996～2010年經濟、人口、交通以及政策等指標進行分析，并建立甘州區城市建成區面積與人文驅動力因素之間的多元線性回歸模型。

1、經濟因素。GDP（國內生產總值）：是指一個國家（或地區）所有常住單位在一定時期內生產的全部最終產品和服務價值的總和，是衡量一個國家（或地區）經濟發展狀況的指標。經濟發展對城市擴張的影響也是十分巨大的，從圖4可以看出，甘州區1996～2010年期間GDP增長十分迅猛。（圖4）

對甘州區1996～2010年國內生產總值與城市建成區面積進行一元線性回歸分析，如圖可以發現二者之間相關度很高，見圖5。（圖5）

其一元線性回歸方程：

M=0.990Z-4.911 （2）

式中，M為建成區面積，Z為國內生產總值。進行檢驗時可知，相關系數為0.990，判定系數R2為0.979，回歸系數檢驗統計量t=24.845，相伴概率值P<0.001，該回歸方程有意義。由此可見，甘州區建成區面積的增長與經濟的增長存在顯著的相關關系，經濟發展是城市空間擴展的重要驅動因素。

2、人口因素。房屋住宅一直以來都是人類生存和生活的基礎，隨著經濟的不斷發展，城市化進程不斷加快，大批農村人口轉入城市，城市擴張成為一種必然的趨向，這使得城市用地急劇增加。利用SPSS對1996～2010年甘州區市區非農業人口數與建成區面積進行一元線性回歸分析，發現非農業人口與建成區面積之間存在較好的線性關系，見圖6。（圖6）

其線性回歸方程：

M=0.945Z-4.044 （3）

式中，M為城市建成區面積，Z為非農業人口。進行檢驗時可知，相關系數為0.945，判定系數R2為0.893，回歸系數檢驗統計量t=10.412，相伴概率值P<0.001，該回歸方程有意義。對城市建成區面積與非農人口顯著性檢驗可知建成區面積與人口變化關系密切，二者之間存在極顯著正相關性。

3、交通因素。城市空間的規模很大程度也取決于城市交通的發展，便捷的交通擴大了城市半徑，使得城市人口集聚、產業集聚、也促使城市規模擴大。甘州區境內有國道有6條，共計828.518公里，省道有13條，共計1，267.4公里，縣道有74條，共計2，053.9公里。蘭新高鐵開通后，新增高速鐵路達到262公里，全市鐵路營運里程達到496公里。同時，張掖軍用機場實現軍民合用，民航基礎條件得到改善。全市鐵路、公路、航空運輸三位一體，甘州區交通樞紐的地位日益凸顯。立體化交通的發展不僅改變著城市的發展速度，而且還影響著城市空間拓展的形態。

4、政策因素。城市離不開政府，政府是一個城市的核心。政府的一些活動都會影響到城市的規劃和未來的發展，其中最重要的就是政府制定的政策。另外，城市的土地空間利用類型很大程度上取決于政策和制度因素。所以，政策與制度因素會影響城市的集聚規模和布局。

綜上所述，城市空間拓展最主要的影響因素有人口因素、經濟因素、交通因素和政策因素，這些人文驅動直接影響到主城區的拓展速度、方向和空間結構。隨著社會經濟的不斷發展，人文驅動因素將成為影響主城區拓展的最關鍵因素。

（二）多元線性回歸模型。在研究城市規模擴展的人文驅動因素時，主要從人口增長、經濟發展、交通因素等方面進行研究，但是這些驅動力因素較為宏觀，在建立多元線性回歸模型時需要利用具體的指標來體現和衡量。結合甘州區統計年鑒（1996～2010年）的統計數據，選取了與城市擴展密切相關的6個社會經濟指標與甘州區主城區建成區面積進行多元線性回歸分析。分別是非農人口Z1、國內生產總值Z2、全社會固定資產投資額Z3、工業總產值Z4、地方財政支出Z5、社會消費品零售總額Z6。

對各人文驅動因子與建成區面積進行相關性分析。由表（5）可知各因子與建成區面積存在極顯著相關性。（表5）

建立建成區面積與自變量驅動因子的多元線性回歸方程：

M=0.241Z1+0.844Z2+0.048Z3+0.022Z4-0.017Z5-0.120Z6-4.376 （4）

式中：M為建成區面積，Z1為非農業人口，Z2為國民生產總值，Z3為固定生產投資，Z4為工業總產值，Z5為地方財政支出，Z6為社會消費總額。

檢驗可知，回歸方程的相關系數R為0.998，判定系數R2為0.997，回歸系數檢驗統計量t=6.206，相伴概率P<0.001，說明該方程有意義，各因子與建成區面積存在顯著相關性。

（三）時間序列分析。時間序列分析就是研究社會經濟現象的各個指標隨時間不斷變化而出現一定規律性的統計方法。為了研究事物在不同階段的發展狀態和趨勢，就要分析其隨時間延伸的發展趨勢，預測事物在未來時間的數量及其在空間上的變化。本文采用指數平滑法來預測2020年甘州區的建成區面積。

其計算公式：

（1）一次指數平滑：

yt+1'=ayt+（1-a）yt'

其中，yt+1'為t+1期的預測值，即本期（t期）的平滑值S（t）;yt為t期的實際值;yt'為t期的預測值，即上期的平滑值S（t-1）。

（2）二次指數平滑：

F1+T=at+btT

式中，F1+t為t+T的預測值，T為t期到預測期的間隔期數，at、bt為參數。

at=2St（1）-St（2）

bt=（St（1）-St（2））

St（1）和St（2）分別為一次指數平滑和二次指數平滑值。

St（1）= axt+（1-a）St-1（1）

St（2）= aSt（1）+（1-a）St-1（2）

采用時間序列分析法對甘州區2011～2019年各指標預測，并將2011～2019年的預測值與實際值對比發現，各指標的誤差小于10%，所以可以進行后期預測。經預測，到2020年底，甘州區非農業人口可達到262，428人、國民生產總值達到183.37億元、固定資產投資達到1，649，492萬元、工業總產值達到63.92億元、地方財政支出達到438，189萬元、社會消費總額達到1，089，581萬元。將這六個指標帶入（4）中，計算得出2020年底甘州區主城區的建成區面積可達到4，373.63hm2。（表6）

四、結論

本文基于landsat遙感影像，以張掖市甘州區為研究區，應用地理信息系統方法進行城市擴展研究，并采用多元線性回歸分析法對城市空間擴展人文驅動因素進行分析，得到以下結論：

（一）1992～2010年甘州區主城區面積擴展趨勢顯著，幾乎呈現倍數增長。從1992年的966.44hm2到 2010年的2，730.29hm2。其中，2002～2010年期間甘州區城市擴展最為明顯，城市擴展面積為916.61hm2，年擴展速率達到了12.5%。

（二）1992～2010年甘州區城市空間擴展在各個方向上存在著較大差異性，主城區面積在正東和東北方向擴展最為明顯，達到了613.94 hm2和267.52 hm2，西南、正南和正北方向擴展相對比較少，僅有84.09hm2、106.06hm2和119.22hm2;正東、東北和東南方向的城市擴展速度指數明顯高于平均水平1.28，城市總體空間在這三個方向擴張速度較快，擴展強度較大，說明城市在這三個方向的拓展潛力最大，是未來甘州區城市拓展的主要方向。

（三）對各驅動因子分析表明經濟因素、人口因素、交通因素及政策因素是張掖市甘州區最主要的驅動因素，對主城區的空間拓展產生了巨大影響。其中，國民生產總值和工業總產值與建成區面積相關系數最高，說明經濟的發展是城市擴展的決定性因素。

（四）利用多元線性回歸的分析方法，建立了數學模型，并預測2020年底甘州區主城區面積將達到4，373.63hm2。但與政府規劃的2020年城市建成區面積5，032hm2有較大的出入，這可能與指標的選取、采用的方法以及具體城市規劃中的限制因素有很大的關系，這也是日后研究的側重點。后期研究時應該多與政府規劃部門接觸，了解城市規劃時涉及的因素，以便在研究中更好地選取指標，預測未來城市空間發展趨勢。

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