基于GIS的綠洲城市時空擴展特征研究
——以新疆伊寧市為例

趙禾苗，阿里木江·卡斯木

（新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054）

自地球邁入“人類世”后，認知人類活動與地表環境系統之間相互作用機理從而對人類行為調控和管理，已成為國際“Future Earth”研究計劃、IPCC項目、生物多樣性和生態系統服務政府間科學-政策平臺（IPBES）等重大研究計劃倡導的前沿領域與優先級主題［1，2］。隨著全球城市化進程的迅猛發展，城市規模發展成為各國參與國際競爭的重要內容，作為世界上最大的發展中國家，中國經濟高速發展的同時，城鎮化進程有了質的飛躍，城市規模日趨龐大復雜［3-5］。20世紀90年代以來，西部大開發戰略的實施促使西北部地區經濟社會快速發展，導致西部干旱區城市化、經濟化發展進程迅速，但城市急速擴張過程導致地表覆被發生明顯變化，大量瀝青、水泥等人造景觀代替了自然土地覆被，使其面臨著城市“三生”（生態-生產-生活承受能力）空間比例失調、城市局部熱島、區域景觀格局破碎、生態退化等一系列問題［6，7］。

遙感數據能大面積同步觀測及獲取瞬時信息，監測城市擴展動態，已被廣泛應用于區域城市發展及時空變化特征研究。目前，國內學者通過借助GIS及RS相關技術對城市擴展及驅動力因素、影響機制等做了大量工作，如采用擴張面積、擴張速度等指標分析城市時空擴展變化態勢［8，9］；通過緊湊度、重心轉移模式等反映城市擴張方向及重心遷移特點［10］；應用景觀格局指數、地統計學方法和空間測算模型等分析城市擴張模式及驅動力等［11，12］，但對于西部干旱地區城市擴張及空間驅動力因素研究還較少。

由于水資源的有限性及生態環境及其脆弱等特點，中西部干旱半干旱區人地關系更加緊張［13］。在2014年5月召開的第二次中央新疆工作會議上，新疆被確認為絲綢之路經濟帶核心區，在此背景下，研究絲綢之路重要節點的中小型城市城鎮擴張動態具有現實意義［14］。鑒于此，本研究以新疆伊犁州首府城市——伊寧市為研究對象，基于2000、2005、2010、2015和2018年5年Landsat TM/ETM/OLI影像數據，采用最大似然法（MLC）對伊寧市土地利用進行分類，提取城市建成區范圍，采用擴張速度、擴張強度、綜合擴張程度指數及標準差橢圓等指標分析伊寧市2000—2018年城市建設用地擴張及其空間分異特征。

1 研究區概況

伊寧市位于新疆伊犁哈薩克自治州，地處中國西北邊陲，伊犁河谷綠洲中部，市區轄五鄉四鎮二場，北緯43°50′—44°09′、東經80°04′—81°29′，區域內地形總體分為北部山區、南部平原及河谷平原，坐落于人民渠以南，伊犁河以北。作為絲綢之路經濟帶建設新疆段的重要節點，新亞歐大陸橋中西部的主要窗口，連接中西亞間的樞紐，戰略與地理位置至關重要。自1992年被黨中央確認為沿邊開放城市后，經過近幾十年的發展進程，伊寧市已成為西部地區最大的開放城市。

市區屬半干旱大陸性氣候，四季分明，年均降水量超245 mm，空氣相對濕度達60%，因位于“天然濕島”——伊犁，素有“塞外江南”“不到新疆，不知新疆之大；不到伊犁，不知新疆之美”等美譽，其所在的伊犁河谷由于氣候濕潤與特殊地理環境，為世界薰衣草三大種植基地之一。伊寧市先后榮獲“中國十座宜居中小城市之一”“中國優秀旅游城市”“國家歷史文化名城”等稱號。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及預處理

本研究主要采用軌道號為147/29的美國Landsat系列5景衛星影像（2000、2005、2010、2015和2018年），5年影像數據均來自美國地質勘探局（USGS）網站，云量均低于10%且季相相近（6—7月），夏季遙感影像云量偏低，植被易于區分，地物識別度較高，更有利于提高結果的精確度，滿足研究需求（表1）。研究區行政邊界矢量數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統（http：//www.webmap.cn）1∶100萬基礎地理信息數據庫，DEM數據來源于國家地理信息中心。

表1 影像基本信息

借助ENVI5.3軟件平臺中Flash模塊對5年遙感數據進行大氣校正、裁剪等預處理工作，以2018年影像為基準，對其余4年數據影像進行幾何精糾正，誤差控制在0.5個像元內。同時對2000年和2005年ETM影像進行條帶修復，然后通過所獲研究區邊界矢量數據對遙感影像進行裁剪處理提取研究區影像。

此外，除了遙感數據，在綜合國內外相關研究的基礎上，本研究還收集了伊寧市相應年份的社會經濟數據，用于城市建設用地擴張驅動因素分析，數據來源于《伊犁哈薩克族自治州統計年鑒》；氣象數據來源于中國氣象數據網。

2.2 研究方法

2.2.1 監督分類法 監督分類是指在目視解譯的基礎上，利用已知地物樣本判別遙感影像上未知區域單元屬性類別的過程，其特點具有分類結果精度高、準確性好以及與實際地物類別吻合度高等優點［15］。本研究利用監督分類法中的最大似然分類法（MLC），參照中國土地資源分類系統的土地分類標準（GB/T 21010—2007）及《2006—2020年新疆維吾爾自治區土地利用總體規劃》［16］，同時考慮伊寧市目前土地覆被情況，把研究區LUCC劃分為建設用地、林地、草地、耕地及水體5類（圖1），進而提取城市建成區范圍，此項操作在ArcGIS軟件平臺中進行，為確保土地分類結果的精確性，采用精度評估工具（Accuracy assessment）對5期遙感影像分類結果進行精度評價，Kapper系數均達到0.80以上，滿足試驗要求。

圖1 伊寧市土地利用類型及覆被空間分布狀況

2.2.2 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣是用來表示一定時間內各土地利用類型之間隨時間的轉移方向和轉化量的方法［17］，能直觀反映出土地利用類型數量的分布特征及相互轉化的方向，具體計算公式如下：

式中，Sij為研究初期與研究末期的土地利用狀態；n為土地利用類型數。

2.2.3 建設用地擴展指數 主要引入的指標包括城市擴張速度指數指標、擴張強度指數和綜合擴張程度指數以揭示伊寧市城市擴張特征及空間變化狀況。ESI表征建設用地的年均增長速率，體現了城市的擴展速度以及增長趨勢，但未能對研究區內土地利用總體變化情況進行概括；EII指單位時間內城市建設用地面積占研究區土地利用總面積的百分比，表示城市建成區在不同時期擴展的強弱程度，但缺點是未對基期建設用地面積進行考慮；EDI指數在內梅羅公式（當前國內外進行綜合污染指數計算的常用方法之一）的基礎上被提出，通過將ESI和EII2個指數指標合成標準化得到，EDI指數兼顧前兩者優點，彌補了ESI、EII單一指數的不足［18］。3個指標具體計算公式如下：

式中，At和A（t+n）分別為t年和（t+n）年建設用地面積；S為研究區土地總面積。

2.2.4 標準差橢圓法 標準差橢圓法（SDE）是通過橢圓中心、長軸、短軸及旋轉角參數來度量數據方向和分布狀況以表征城市空間擴展特征的一種方法，能精確地理清要素空間分布的中心性、方向性，揭示空間要素時空演化過程［19，20］。該方法被廣泛用于城市擴張狀況、經濟分布格局等方面。橢圓長半軸表示數據的分布方向；其短半軸表示垂直主方向上數據的主要分布趨勢，短半軸越短，數據所表示的向心力則越明顯，扁率（長短半軸距離差值）越大，則表示數據分布的方向性越明顯。

方位角α為：

x軸標準差δx和y軸標準差δy分別為：

式中，（xi，xi）表示研究對象的空間區位；Wi表示對應權重；（xi，yi）表示各研究對象區位到重心的坐標偏差。

2.2.5 相關分析 相關分析是研究兩個或兩個以上相關變量間相互關系的統計分析方法，使用Pearson相關系數分析城鎮建設用地擴張的驅動因子及相關系數，變量間相關性越顯著，相關系數則越大［21］。

3 結果與分析

3.1 土地利用空間變化特征

在GIS平臺中，通過監督分類獲得5年土地利用類型空間變化圖，即LUCC時空變化特征，由圖1、圖2可知，伊寧市土地利用/土地覆被在2000—2018年發生了明顯變化，建設用地、耕地及林地變化最為顯著，草地和水域變化較穩定。2000—2005年城市擴展較緩慢，2005年城市化進程加快，耕地空間范圍縮退明顯，2015年建設用地取代大部分農用耕地。2000—2005年，研究區土地利用結構以耕地、草地為主，兩種土地類型占比分別為45.22%、40.21%，2015年耕地及草地占比分別為36.32%、40.08%，林地面積由2000年的30.37 km2減少至2015年的10.39 km2（表2）。城市擴張形態由2000年的散射式轉變為2018年“攤大餅”式外沿擴張，同時在市區西北部低植被覆蓋草地有少部分“飛地式”建設用地。

表2 2000—2018年伊寧市不同土地利用類型面積及比例

圖2 伊寧市土地利用類型變化趨勢

伊寧市建設用地大多集中在東南部及伊犁河谷盆地，城鎮空間擴展呈穩步增加，由初期的伊犁河域附近，逐漸向北遞進，北部為天山山脈，經過實地調查，多為半荒漠草原草地及草甸草地，由于地勢等原因，土地利用及開發較為困難，導致建設用地選址多集中在南部的平原區；伊犁河豐沛的水資源及良好的生態環境形成了初期的伊寧市建成區，后來人地關系的不斷演變促使建設用地等人造下墊面不斷在伊犁河沿岸及中部平原及河谷盆地落成，同時機場附近還分布有零星點狀建設用地。近19年來，伊寧市建設用地空間持續擴展，面積增長加快，但建設用地區域始終集中在北部人民渠與南部伊犁河水域之間，2015年后，城市區域西北向擴展緩慢，受水域阻隔，城區已有向東北向擴張的趨勢。

3.2 土地利用轉移矩陣分析

通過不同時期土地利用轉移矩陣（表3、表4）可得出，伊寧市2000—2018年各類土地利用類型轉移變化情況。2000—2010年，耕地轉出面積286.04 km2，是轉出面積最多的土地利用類型，其中，41.70 km2轉為建設用地，9.20 km2轉化為草地；轉入面積最多的土地利用是耕地，轉入面積255.60 km2，其次為草地。建設用地轉入91.94 km2，轉出47.54 km2，面積增加明顯。伊寧市土地利用空間范圍的劇烈變化主要由于快速城鎮化對建設用地的大量需求所致，而主要的轉入來源為農用耕地及草地，所占比例分別為66.96%和31.81%。

表3 2000—2010年伊寧市土地利用轉移矩陣（單位：km2）

由表4可以看出，2010—2018年，伊寧市耕地轉出面積255.22 km2，為面積最多的土地轉出類型，其中，28.56 km2轉化為建設用地，其他類型土地利用轉入較少；建設用地轉入面積為127.51 km2，主要來自耕地，來自草地占比較少。相比2000—2010年，近8年間建設用地增長轉入面積增加，建成區擴張速率有所下降。

表4 2010—2018年伊寧市土地利用轉移矩陣（單位：km2）

3.3 城市擴展分析

伊寧市不同時段的城市建設用地擴張指數如表5所示。2000—2018年，近19年間建設用地共擴展了80.03 km2，與2000年建設用地面積相比，增加了1.68倍。2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3個時間段城鎮建設用地擴展面積分別為5.40、39.01和35.62 km2，分別占19年間擴張面積的6.66%、48.14%和45.19%；ESI分別為2.27%、14.73%、4.84%；ESI分別為0.17%、1.23%、1.12%，2005—2010年（中期5年）建設用地擴張速率及強度最大，表明這5年間伊寧市建設用地呈加速擴張態勢，后期擴張強度有輕微下降趨勢。

表5 伊寧市2000—2018年間城市建設用地擴張情況

3.4 伊寧市空間分異特征分析

利用ArcGIS 10.7軟件建立伊寧市城區建設用地的空間點格局，在伊寧市范圍內生成隨機樣點，然后將隨機點樣層與研究區建設用地進行疊加分析，計算研究區2000—2018年建設用地空間分布橢圓（圖3）。2000—2018年間，伊寧市建設用地擴張總體呈“東南-西北”空間分布格局，人造下墊面及城鎮用地主要分布在伊寧市老城區中心，2000—2005年，橢圓重心有緩慢向西北移動趨勢，前期5年城市化進程較緩慢，建設用地擴張強度較低，2010—2015年（中期5年）重心移動明顯，城市建設用地變化強度加大，由于地理位置影響，南部人民渠水域與北部伊犁河流域限制了建設用地的擴張，2010—2018年后期建設用地擴張速率降低，重心轉移變弱，伊寧市建設用地已有向人民渠水域與伊犁河流域夾角處即西北向擴張的趨勢。

圖3 2000—2018年伊寧市城市擴展標準差橢圓

由表6可以看出，伊寧市建設用地面積持續擴張的過程中，短半軸持續增加，隨著年份增加增幅變大，尤其2010年和2018年變化趨勢增大且離散程度增加。2000—2010年，扁率增幅持續上升，建設用地西北向擴張，方向性趨于明顯，而2010—2018年，長半軸增幅變小，扁率呈下降趨勢，建設用地趨于均衡擴張，方向性不如此前年份明顯。

表6 2000—2018年伊寧市城市擴展空間分布SDE參數

3.5 城市空間擴展驅動因素分析

3.5.1 自然因素 自然地理環境是城市形成與發展的基礎，地勢、地貌等自然因素主導著城市空間擴張形態的演變及土地覆被變化形式，某種程度上對城市擴展有一定的約束作用。新疆伊寧市位于伊犁河谷盆地中央，市區北依天山支脈科古爾琴山，南瀕伊犁河，整體地勢北高南低，北部巨大山脈導致近19年伊寧市城市擴展范圍主要集中在南部伊犁河沖擊平原。隨著時間推移，北部山地區域雖然出現一定面積的建設用地，但地塊破碎化明顯，且不集中連片，利用潛力較低，建設用地受到明顯制約。伊犁河從區內南沿由東向西蜿蜒流過，北部人民渠由東北流經市區匯入伊犁河，導致南部建設用地擴展只能在兩條河流夾角處。2000—2015年城市急劇向西北擴展，直至河流邊緣，西北方向擴展空間明顯受限，隨后建設用地擴展呈東北向轉移的趨勢。

3.5.2 社會經濟因素 已有研究表明［21］，經濟發展、人口增長等社會經濟因素對城市擴張具有直接推動性。為探明伊寧市建設用地擴張的時間驅動機制，選取2000—2018年地區生產總值、年末人口總數、固定資產投資、財政支出等指標，利用同時間段城市建成區增量與4個指標增量通過SPSS軟件進行相關性分析，結果（表7）表明，各因素與城市建設用地面積增長量間存在較強相關性，其中財政支出與城市擴張的相關性最高，地區生產總值及固定資產投資變化量相關性次之，說明國家政策強有力地推動著區域發展。自20世紀90年代以來，黨中央開始注重對邊疆經濟扶持，加大了對各市縣的經濟投資，隨著社會經濟與二、三產業所占比重不斷增加，伊寧市城市化速度增加明顯，建設用地范圍不斷向原有耕地蔓延；2000年伊寧市城鎮人口為34.27萬人，2018年人口增至55.78萬人，近8年間人口上升了62.77%，人口總數與城市擴張呈中等相關，間接促進城市的擴展（圖4）。

表7 城市擴張驅動因素分析

圖4 城市建設用地發展與社會經濟因素關系分析

4 結論與討論

4.1 結論

本研究利用2000—2018年間5幅Landsat TM/ETM/OLI多時相衛星遙感影像，采用最大似然法（MLC）對伊寧市土地利用進行分類，提取城市建成區范圍，采用ESI、EII、EDI和SDE等指標分析伊寧市2000—2018年19年間的城市空間擴張特征及其驅動力因素，結論如下：

1）伊寧市持續發展過程中，耕地、草地利用類型不斷轉化為建設用地；2000—2010年和2010—2018年的耕地轉出面積分別為286.04和255.22 km2，為轉出面積最多的土地利用類型，其中大部分土地轉化為建設用地，小部分轉化為草地。

2）伊寧市建設用地面積持續增長，共增加了80.03 km2，為凈增初期的1.7倍。由標準差橢圓分析可得，研究區建設用地呈西北向蔓延式擴張，2005—2010年間，建設用地擴展強度最大，城市化呈急劇擴張態勢，2010年后城市擴張較之前緩慢，且由于河流阻擋，后期城市有向東北擴張的趨勢。

3）2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3個時間段城鎮建設用地擴展面積分別為5.40、39.01和35.62 km2，ESI分別為2.27%、14.73%、4.84%，建成區不斷向西北遠郊區推進，中期城市建設用地擴張變化劇烈。

4）地區生產總值、政府財政支出等社會經濟因素是區域建設用地擴展的主要驅動因素，兩者相關性分別達0.78、0.99，區域的持續發展與政策密不可分；地形地勢、海拔及水域條件等自然因素影響城市擴展空間形態，河流的分割導致北部山地出現破碎不規則建設用地，緊湊度偏低。

4.2 討論

通過對伊寧市城市擴展演變格局的分析，較為全面地掌握了城市土地利用強度及建設用地的時空演變過程及形成的驅動因素，結果可為更精確地判斷伊寧市城市擴展規律及未來城市改造及區域資源可持續利用提供理論支撐。由于研究區南緣河流及北部山脈的影響，2000—2018年伊寧市城市擴張始終集中于市區南部平原地帶，伊犁河與人民渠水域的阻隔促使建設用地擴展方向有“西北→東北”轉移的趨勢。隨著城市化進程加快，城鎮范圍持續擴展，西南方向已無充裕可利用地，市區東北部人民渠水域附近平原地帶還余少量可發展空間，城鎮通過侵占大量耕地、林地發展區域空間的過程，造成了地表植被覆蓋變化劇烈，由此也引發一些區域生態問題，此后的土地利用及城鎮化建設應以資源集約利用為主，在提高土地利用效率基礎上實現區域經濟與社會協調發展，同時加強區域生態保護。