河谷盆地型城市擴張的時空與驅動力分析——以蘭州市為例

顧晶晶，冶運濤，何 毅，曹 引，趙紅莉，蔣云鐘

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測技術應用國家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，蘭州 730070；4.中國水利水電科學研究院，水資源研究所，北京 100038)

20世紀80年代以來，隨著中國城市化快速發(fā)展，城市用地迅速擴張[1]。在城市化過程中，土地利用/覆被(land use and land cover，LULC)變化是最直觀表現。基于遙感技術在LULC動態(tài)監(jiān)測方面的優(yōu)勢，可準確獲取城市擴張時空特征，分析城市擴張規(guī)律及驅動力[2-3]。Landsat系列衛(wèi)星因空間分辨率高、傳感器波段數多且可免費獲取特點，被廣泛應用于LULC變化監(jiān)測和城市擴張研究[4]。

在遙感技術快速發(fā)展的時代，基于遙感影像分類，儼然已經成為獲取土地利用數據的主要途徑。多數土地利用提取研究總是基于單一分類器實現，如面向對象、支持向量機、隨機森林和決策樹等[5-7]。但面對不同研究區(qū)和數據源時，能否提取高精度土地利用數據，分類方法的選擇就顯得尤為重要[8]。

隨著全球經濟快速發(fā)展，在經濟驅動和政策調控下，城市擴張迅速，中外學者也展開了大量的城市擴張研究[9]。城市擴張研究內容可概括為時空特征分析、驅動力分析和多情景模擬分析等方面[10]。城市擴張研究尺度從城市尺度到全球尺度不等[11-12]。在中國，近些年學者對城市擴張研究區(qū)域主要是華北平原和長江中下游平原的發(fā)達城市[13-15]。而楊永春等[16]以蘭州市為例，最先對河谷型城市擴張進行研究，分析了建成區(qū)擴張、結構以及變化特征。喬林凰等[17]以1990—2004年土地利用圖和衛(wèi)星數據為基礎，利用空間擴展速度和形式指標分析了蘭州市城市擴張情況。充分了解典型區(qū)域的城市擴張規(guī)律，對相似類型城市的研究與規(guī)劃有重要意義[18]。

蘭州市是絲綢之路重鎮(zhèn)、西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和交通樞紐、中國西部重要的中心城市，了解蘭州市城市擴張規(guī)律就顯得尤為重要。通過文獻調研，21世紀以來對蘭州市城市擴張研究極為有限。基于2003—2019年的Landsat TM和OLI影像數據，提出利用多分類器組合以及分層分類思路，提取研究區(qū)土地利用/覆被分類，以此為基礎獲得各時期建成區(qū)范圍；分析蘭州市城市擴張的時空特征，并探討驅動城市擴張的自然和社會經濟因素，以期為蘭州市和其他河谷型城市建設提供科學依據。

1 數據源及處理

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市位于甘肅省中部，是中國西北綜合交通樞紐、絲綢之路經濟帶的重要城市，市區(qū)地理位置在35°34′～37°07′N、102°35′～104°34′E之間。截至2018年底戶籍人口328 萬，人口密度約237 人/km2。黃河由西向東橫穿全境，南北兩山隔河而立，形成了典型的河谷型城市。以城關區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)和西固區(qū)為研究區(qū)(圖1)，區(qū)域內海拔1 484～2 502 m，城市建成區(qū)集中在黃河灘地，北邊山區(qū)多為裸地及低覆蓋度草地，南邊山區(qū)多為梯田和林地。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數據源及預處理

選用的Landsat遙感影像，下載于美國地質勘探局網站(https://earthexplorer.usgs.gov/)，包括2003、2006、2009年(Landsat 5 TM)和2013、2016、2019年(Landsat 8 OLI)，軌道號131、35，多光譜分辨率30 m。數字高程模型(digital elevation model，DEM)下載于地理空間數據云網站(https://www.gscloud.cn/)，共2景，分辨率30 m。

遙感影像數據預處理：利用ENVI 5.3軟件擴展工具，對Landsat影像批量輻射定標和快速大氣校正，并利用研究區(qū)矢量邊界進行批量裁剪。基于ArcGIS 10.6軟件，對DEM數據進行填洼、鑲嵌及裁剪。

其他數據包括：甘肅省行政區(qū)劃圖、2003—2019年甘肅省統(tǒng)計年鑒、蘭州市統(tǒng)計年鑒和蘭州市經濟統(tǒng)計資料。

2 研究方法

傳統(tǒng)遙感影像分類研究多采用決策樹、最大似然、面向對象等單一分類器方法。由于每一種分類器的學習和容錯能力存在很大差異，且對不同衛(wèi)星影像和研究區(qū)適用性差。然而各分類器在實際分類過程中，優(yōu)勢和缺點共存，如決策樹分類原理是從原始數據中逐類提取并對已提取類掩膜處理，避免對其他類提取產生干擾，但決策樹分類閾值確定比較困難。面向對象分類包括目標構建和目標分類，對建設用地和規(guī)則耕地提取效果更佳。

多分類器組合方法利用各分類器提取優(yōu)勢，取長補短，達到提高分類精度目的。基本原理是利用單一分類器對特定土地利用提取的優(yōu)勢，由易到難逐層提取，在此過程中，對已提取的對象進行掩膜處理，可減少對其他對象提取的影響。

基于分層分類原則，利用多分類器組合方法提取蘭州市土地利用/覆被分類和建成區(qū)范圍，分析城市擴張時空特征，最后結合社會經濟數據，利用主成分分析統(tǒng)計方法，對蘭州市城市擴張驅動力進行分析。本文實驗方法和分析流程如圖2所示。

圖2 論文基本框架

2.1 土地利用分類方法

本文土地利用/覆被分類方法采用分層策略，結合各分類器的優(yōu)勢，采取先易后難，先特殊后一般的原則提取。首先利用水體的歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)小于0的特點[19]，利用決策樹提取水體；然后利用面向對象方法，結合紋理特征和歸一化建筑指數(normalized difference building index, NDBI)提取建設用地[20]；最后采用隨機森林分類器，綜合NDVI和地形特征解譯其他用地[21]。

2.1.1 分類體系及樣本數據

參考國土資源部《土地利用現狀分類》、國家基礎地理信息中心分類系統(tǒng)以及結合數據源和研究區(qū)覆被特點，確定分類體系為水體、建設用地、裸地、草地、林地和耕地。

基于蘭州市土地利用現狀圖和高分辨谷歌影像在研究區(qū)內均勻選取樣本，按5∶1分為分類樣本和驗證樣本。

2.1.2 特征參數計算

利用ENVI5.3軟件，計算NDVI、NDBI和紋理特征；基于DEM數據，利用ArcGIS10.6軟件計算坡度和坡向特征。NDVI、NDBI的計算公式為

NDVI=(ρnir-ρr)/(ρnir+ρr)

(1)

NDBI=(ρmir-ρnir)/(ρmir+ρnir)

(2)

式中：ρnir表示近紅外波段；ρr表示紅外波段；ρmir表示中紅外波段。

2.1.3 LULC分類步驟

分類步驟以2019年Landsat8 OLI數據為例，共包括13景影像。統(tǒng)計2019年內各地物類型在不同時期的NDVI，構建時間序列曲線如圖3所示，明確不同覆被類型的年際NDVI變化。

圖3 2019年NDVI時間序列曲線

(1)研究區(qū)水體包含黃河及其支流湟水，水量充沛，流動性好，由圖3可得研究區(qū)內水體的NDVI值全年均小于零，利用這一特點，采用決策樹分類算法提取水體。

(2)基于紋理特征，采取面向對象分類方法提取建設用地。面向對象分類基本原理是先通過多尺度分割，得到均質單元，尋找合適的參數剔除不需要的對象；再通過其他分類算法進一步提取[22]。考慮到城市邊緣建筑物與部分耕地相鄰，所以選擇兩者光譜差異較大的夏季影像進行建設用地和耕地的區(qū)分。建設用地提取包括兩步：首先利用多尺度分割，得到包含建設用地、草地和裸地的混合體；然后根據建設用地和裸地的高程差異以及4—9月草地NDVI明顯高于前兩者，采用決策樹提取建設用地。

(3)采用隨機森林分類方法提取其他剩余覆被類型，其中高程、坡度和坡向對覆被類型有一定程度上的影響[23]。NDVI最大值合成數據可以體現全年植被最高覆蓋，并降低大氣和云層等對數據的影響[24]。隨機森林分類器輸入數據為NDVI時間序列數據、NDVI最大值合成數據、地形以及紋理特征數據等。

2.2 城市擴張評價指標

建成區(qū)面積變化(ΔS)是城市擴張最直接的表現；擴張速度(Vs)表達城市擴張速度在一定時間段的快慢，用城市擴張面積年平均值表示[15]；城市擴張強度指數(urbanization intensive index，UII)表示面積相對變化的年平均值，主要表達某一時期城市擴張快慢[25]，值越大，表示城市擴張速度越快。以上評價指標計算公式為

ΔS=St+1-St

(3)

(4)

(5)

式中：St表示前一時段建成區(qū)面積；St+1表示后一時段建成區(qū)面積；ΔT表示時間間隔，年。

緊湊度(C)是反映地物形狀的參數，可表示城市土地開發(fā)強度和土地利用率，大小為0～1，其值越大代表形狀越緊湊，計算公式[26]為

(6)

式(6)中：S表示建成區(qū)面積；P表示建成區(qū)周長。

研究表明城市面積和人口存在異速生長定律，通過探究兩者之間的關系，可定性分析城市擴張的合理性[27]，在SPSS 25.0中擬合建成區(qū)面積和人口之間的函數關系為

S=aNb

(7)

式(7)中：S表示建成區(qū)面積；N為對應年份的城鎮(zhèn)人口；a為系數；b為標度指數，具有分維意義。

3 結果與分析

3.1 LULC分類與統(tǒng)計分析

LULC分類結果如圖4所示，圖4(a)～圖4(f)分別為2003、2006、2009、2013、2016、2019年土地利用圖，分類精度分別為87.6%、89.3%、88.9%、91.5%、89.5%、90.8%，Kappa系數分別為0.86、0.88、0.80、0.91、0.88、0.89。統(tǒng)計各時期土地利用類型面積，得到如圖5所示2003—2019年各覆被類型面積變化。其中研究區(qū)內水體主要是以黃河及其支流為主，面積基本沒有發(fā)生變化；建設用地逐年增加，且一直保持較快的速度；耕地2003—2009年，由172 km2減少到149.3 km2，之后趨于穩(wěn)定；裸地在2009年之后，面積出現一定程度的減少；建成區(qū)內林地逐年減少。

圖4 蘭州市2003—2019年LULC分類結果

圖5 蘭州市2003—2019年LULC

3.2 城市擴張時空分析

基于研究區(qū)LULC數據，認為建成區(qū)范圍即為建設用地，將各時間點建成區(qū)范圍在ArcGIS 10.6中疊加顯示，得到研究區(qū)2003—2019年城市擴張情況如圖6所示。從圖6可以看出，2003—2006年城市沿河谷整體擴張，主要方式為外部擴展；2006—2009年，在西固區(qū)和七里河區(qū)主要沿南方向外圍擴張；2009—2013年，在西固區(qū)東南方向、七里河區(qū)北方向、安寧區(qū)和城關區(qū)，擴張形式為內部填充和外部擴展并存，河谷內部已經趨于飽和；2013—2019年，城市持續(xù)向外零散擴展。

圖6 2003—2019年城市擴張

3.2.1 城市擴張時序分析

計算2003—2019年各時期城市擴張指標如表1，由表1可得，蘭州市主城區(qū)16年間建成區(qū)面積持續(xù)增加，總增加面積為107.5 km2，其中2009—2013年和2016—2019年面積增加幅度較小，分別為8.57 km2和11.66 km2，其余時間段內面積增加量接近30 km2。

表1 2003—2019年蘭州主城區(qū)擴張數據

擴張強度可以分為以下幾類：大于2.05%/a為高速，(1.07%～2.05%)/a為快速，(0.55%～1.07%)/a為中速，(0.22%～0.55%)/a為低速，(0～0.22%)/a為緩速[28]。由表1可看出，其中2009—2013年、2016—2019年擴張強度分別為1.1%/a和1.6%/a，城市處于快速擴張，其他時間段擴張強度都大于2.05，處于高速擴張。總體來說，2003—2019年間擴張強度為4.8%/a，城市處于高速擴張狀態(tài)。

3.2.2 城市擴張地形分析

區(qū)域性的地貌是形成河谷型城市格局的基礎，河谷的長度、寬度、山體的坡度以及地質等都是影響城市發(fā)展的因素，山體的坡度和地質條件決定了城市是否有向山上發(fā)展的可能性[29]，這也是出現重慶市和蘭州市兩種不同河谷型城市的主要原因。

蘭州市河谷可建筑面積僅為207 km2，截至2008年，城市面積已經占用了約85%的河谷區(qū)域[16]，城市擴張在東西方向比南北方向更加強烈。蘭州市2003—2019年建成區(qū)范圍的海拔和坡度統(tǒng)計結果如圖7所示，從圖7中可以看出，建成區(qū)海拔在2003—2009年，基本都在1 650 m以下，在2009年以后，隨著城市向南北方向的持續(xù)擴張，建成區(qū)海拔也逐漸增加，尤其出現在安寧區(qū)北邊、七里河區(qū)的南邊和城關區(qū)，其中城關區(qū)的北方向最劇烈。從圖7可以看出，城市中心區(qū)域坡度都在0°～10°之間，而城市邊緣地帶坡度較大。從時間緯度分析，2013年前城市擴張主要出現在小坡度區(qū)域，在2013年后，隨著河谷內可建設用地趨于飽和，建成區(qū)開始向大坡度山地擴張，在城關區(qū)東北方向尤為明顯。

圖7 2003—2019年建成區(qū)海拔和坡度

3.2.3 緊湊度

研究表明，若建成區(qū)緊湊度隨時間增大，城市就呈現填充式擴張，反之則代表城市向外擴張[30]。計算2003、2006、2009、2013、2016、2019年緊湊度分別為0.035、0.037、0.033、0.038、0.040、0.045。緊湊度在2003—2019年間持續(xù)增加，但緊湊度整體偏小，城市空間布局分散。由緊湊度變化可知，蘭州市城市擴張模式是向外擴張與內部填充并存。

蘭州市作為典型的河谷盆地型城市，由于南北兩山的限制，城市只能沿河谷方向發(fā)展，這也使得城市呈現多核-帶狀特點[31]，形成以城關區(qū)、西固區(qū)以及安寧區(qū)和七里河區(qū)為中心的多核城市群。西部大開發(fā)戰(zhàn)略開始以來，隨著城市副中心的建設以及經濟技術開發(fā)區(qū)的設立，黃河兩邊的灘地快速開發(fā)，其中最主要的是城關區(qū)雁灘、安寧區(qū)南北部及七里河區(qū)西北部。再加上購房政策變化，促使房地產快速發(fā)展，大批黃河灘地住宅區(qū)項目開發(fā)，使得盆地內建設用地快速擴展[32]。建成區(qū)整體沿黃河兩岸擴展，模式以類平原的圈層式擴展和內部填充式并存，城市內部充實，但外部越來越破碎。

3.2.4 合理性分析

參考文獻數據，在城市建成區(qū)面積S與人口異生長數量N關系中，b大小間接表達城市擴張的合理性，若b=0.9，城市屬于合理擴張；若b>0.9，城市擴張速度高于人口增長；若b<0.9，人口增長速度大于城市擴張[33]。通過SPSS 25.0非線性擬合，得到蘭州市人口異生長函數如式(8)，其中擬合度R2=0.923，系數a=0.026，b=1.718，大于合理值，城市擴張速度大于人口增長速度，也就意味著土地的大量浪費。

S=0.026N1.718

(8)

4 城市擴張驅動力分析

主成分分析的思想是利用降維，確定權重，用較少的變量去解釋原始數據，其中每個主成分是原始變量的線性組合，而且新的主成分之間互相無關[34]。驅動城市擴張社會經濟因素眾多，由于各因素之間有一定的相關性，存在信息的重疊，而主成分分析就是將相關性較高的變量只保留下某一個，然后組成盡可能少的新變量作為驅動城市擴張的因子。

結合研究區(qū)實際情況，通過對社會經濟要素與建成區(qū)面積之間的進行主成分分析，探究城市擴張的社會經濟因素。根據甘肅省和蘭州市統(tǒng)計年鑒，選擇如表2所示的指標，考慮到數據單位不一致，故在進行主成分分析前對數據進行標準化處理。

分別對表2中11個驅動力指標與研究區(qū)建成區(qū)面積做相關分析，發(fā)現除了公路公里數指標外，其余指標與建成區(qū)面積之間都存在很強的相關性。在剩余10個驅動力指標之間兩兩做相關性分析，分析相關系數矩陣，發(fā)現指標之間也存在很強的相關性，因此選擇利用主成分分析對數據進行降維處理。

表2 驅動力指標標準化數據

利用SPSS 25.0進行主成分降維分析，本文選擇前3個因子，累計貢獻率達到99.6%，其特征值分別為10.075、0.621、0.259，貢獻率分別為91.6%、5.6%、2.4%。由主成分分析因子負荷矩陣得，第一主成分主要與人口、國內生產總值和城鎮(zhèn)居民收入相關，第二和第三主成分主要與產業(yè)結構占比相關。綜上所述，人口增加和產業(yè)結構調整是蘭州市城市擴張的主要驅動力。

(1)人口因素。城市人口數及其所占總人口的比例，是城市化水平的重要指標，城市擴張和城市人口增長有直接的關系[35]。蘭州市主城區(qū)，從2003—2019年末，總人口數增加49.3 萬，城市人口占總人口數的90.47%。隨著城市化發(fā)展，城市人口持續(xù)增加，對生活空間需求量變化，直接促使城市建筑物及其他社會公共用地的增加。

(2)經濟因素。經濟發(fā)展是城市擴張的引擎和主要推力，從宏觀經濟方面分析，只要城市經濟發(fā)展，城市擴張就必然存在，而城鎮(zhèn)居民收入的增加最能解釋城市擴張[36]。據統(tǒng)計，蘭州市自2003年以來國內生產總值從358.1億元增長到1 756.43 億元，增幅約6倍，經濟發(fā)展迅猛。同期社會消費總額由從206.53 億元增加到1 263.35 億元，其中批發(fā)零貿易業(yè)占比逐年增加，住宿和餐飲業(yè)基本趨于穩(wěn)定。城鎮(zhèn)居民收入從2003年不足1萬，增加到85 575 元，增幅達8倍。

(3)產業(yè)結構。城市擴張是土地利用類型從第一產業(yè)向第二和第三產業(yè)用地的重新配置過程，而隨著經濟的快速發(fā)展，第一產業(yè)占比下降是必然趨勢，當進入后工業(yè)化，第二產業(yè)逐漸被第三產業(yè)替代，第三產業(yè)占將占據經濟的主導地位[37]。

隨著蘭州市工業(yè)結構調整和高新技術產業(yè)的發(fā)展，以及第三產業(yè)的進一步優(yōu)化，合理的產業(yè)結構促進了經濟的快速發(fā)展。由相關性分析，蘭州市建成區(qū)面積與第一和第二產業(yè)占比呈負相關，與第三產業(yè)占比呈正相關。根據年鑒數據統(tǒng)計，2003年第一、二和三產業(yè)占比分別為1.5%、51.4%、47.1%，到2019年各產業(yè)占比變化率為-0.79%、-21.11%、21.9%，其中第一和第二產業(yè)占比下降，第三產業(yè)占比逐年增加，這也符合城市經濟發(fā)展和產業(yè)結構之間的關系。

城市人口、經濟和產業(yè)結構三者相輔相成，經濟的繁榮發(fā)展促使產業(yè)結構更優(yōu)化配置，其中第三產業(yè)快速發(fā)展提供了更多的工作崗位，而城市人口增加也會刺激服務業(yè)和經濟的蓬勃發(fā)展。

5 結論

基于蘭州市2003—2019年6期Landsat遙感影像，首先提取2003—2019年蘭州市主城區(qū)土地利用數據，確定建成區(qū)范圍；對城市擴張時空特征、高程和坡度變化進行分析；最后對驅動城市擴張的自然條件和社會經濟因素進行探索，得出以下結論。

(1)基于分層分類策略，結合NDVI時間序列、紋理以及地形等特征，采用多分類器組合方法對蘭州市進行土地利用/覆被分類。結果表明，此方法能準確提取蘭州市土地利用/覆被分類，總體分類精度大于87%，Kappa系數大于0.8。

(2)分析擴張面積、擴張速率和擴張強度、城市地形、緊湊度和擴張合理性等指標，對蘭州市城市擴張規(guī)律進行探索。結果表明，2003—2019年建成區(qū)面積持續(xù)增加，年擴張速率6.72 km2/a，年擴張強度4.8%/a，處于高速擴張；隨著城市擴張，建成區(qū)持續(xù)向更高海拔與更大坡度區(qū)域擴展；受自然條件限制，城市緊湊度低，城市在空間上呈現多核-帶狀；建成區(qū)面積擴張速率大于人口增加速率，蘭州市城市擴張不合理。

(3)對社會經濟因子進行主成分分析，得到人口增加、產業(yè)結構調整是蘭州市城市擴張的主要驅動因子。優(yōu)化產業(yè)結構配置，改善經濟發(fā)展質量，居民收入提高，城市人口增加，也促使城市進一步擴張。