青海省格爾木市城鎮(zhèn)擴張驅動因素研究

□ 張 政 楊海鎮(zhèn)

1 研究背景

研究城鎮(zhèn)擴張過程對城市開發(fā)邊界劃定有著重要的意義。隨著國家支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展政策的出臺、蘭西格（蘭州、西寧、格爾木）經(jīng)濟區(qū)的確立以及以格爾木為主戰(zhàn)場的柴達木循環(huán)經(jīng)濟實驗區(qū)和住房城鄉(xiāng)發(fā)展示范區(qū)的加快建設，格爾木市在新時期面臨更大的發(fā)展機遇。目前格爾木市缺乏明確的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界線，迫切需要根據(jù)格爾木市的實際情況對城鎮(zhèn)擴張的驅動因素進行科學研究。近年來學者們對影響城市擴張的要素進行了深入的研究，主要的技術手段是GIS和RS。馮浩城等應用了動態(tài)度模型等分析了城市擴張驅動要素，認為城鎮(zhèn)人口數(shù)量、經(jīng)濟水平的不斷提升、產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化與區(qū)域政策極大地促進了墾區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴張，交通條件是城鎮(zhèn)擴張速率和模式的重要影響因素[1]。胡銀根等從供需關系的視角探討城鄉(xiāng)建設用地擴張及其配置的動力，認為居民收入增長、常住人口增加、私人汽車的普及和固定資產(chǎn)投資的增長是城鎮(zhèn)建設用地擴張的主要動力[2]。王海軍等基于空間句法的擴張強度指數(shù)研究得到交通狀況改善是城市擴張的驅動力之一，交通對城市發(fā)展模式和方向具有重要的導向作用[3]。

綜上所述，城市擴張是由多種要素共同驅動的。本文以青海省格爾木市為研究區(qū)域，通過構建模型，對2010—2019年城市擴展的動態(tài)變化及驅動因素進行分析，探索其影響機制，為后續(xù)城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定提供一定的理論基礎，以保障格爾木市未來國土資源的高效利用和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究區(qū)域概況

格爾木市地處青海省西部，青藏高原腹地，東接西寧，北上敦煌，南至拉薩。地理位置十分重要，是通往新疆、西藏等地的中轉站。轄區(qū)由柴達木盆地中南部和唐古拉山地區(qū)兩塊互不相連的區(qū)域組成。本文的研究區(qū)域為格爾木市的中心城區(qū)，城區(qū)地處郭勒木德鎮(zhèn)，平均海拔為2780m，地理坐標為東經(jīng)94°89′，北緯36°42′。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括2010年美國地球資源衛(wèi)星landset ETM+影像（9月12日，空間分辨率為30m）和2019年LandSet 8 OLi衛(wèi)星影像（9月13日，空間分辨率為30m），云量均小于10%，以便于建設用地識別提取；遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云；行政邊界數(shù)據(jù)獲取自國家基礎信息中心；10年城鎮(zhèn)面積數(shù)據(jù)來源于格爾木市自然資源局；社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來源于格爾木市統(tǒng)計公報。

3.2 遙感影像的提取

遙感圖像解譯分類的依據(jù)主要是根據(jù)圖像像元所反映地物的光譜特征和空間信息的異同進行分析，將影像中的每一個像元按照一定的算法或特定的規(guī)則劃分為不同的類別，從而實現(xiàn)遙感圖像的分類。本文采用監(jiān)督分類法分別對格爾木市中心城區(qū)2010年ETM和2019年LandSet 8 OLi的遙感影像進行建設用地提取，在研究前借助ENVI 5.3軟件平臺中的Flash快速大氣校正模塊對遙感數(shù)據(jù)進行預處理，同時對2010年ETM數(shù)據(jù)進行條帶修復，用格爾木市中心城區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁剪遙感圖像得到研究區(qū)的遙感影像，參考中國土地資源分類標準和格爾木市城區(qū)的真實狀況，將研究區(qū)土地類型劃分為建設用地、林地、草地、耕地、水體、裸地、農(nóng)業(yè)設施用地等7類土地利用類型，鑒于陸地資源衛(wèi)星分辨率較低，在目視解譯的過程中難免會出現(xiàn)一些誤差。所以本研究結合了遙感影像與同時期谷歌地球影像，在谷歌地球上選取各類典型地物的樣本數(shù)據(jù)，并轉化為ROI，之后采用神經(jīng)網(wǎng)絡法提取建設用地，并進行目視判讀，為保證研究區(qū)土地分類的準確性，采用精度評估工具對分類結果進行精度評價，kapper系數(shù)均在0.85以上，得到2010年和2019年格爾木市中心城區(qū)城鎮(zhèn)用地提取結果及新增建設用地，使用ArcGIS軟件將圖導出，如圖1—3所示。

圖1 2010年城市建設用地分布圖

圖2 2019年城市建設用地分布圖

圖3 新增建設用地分布圖

3.3 研究方法

3.3.1 城市用地擴張變化分析

關于城市建成區(qū)的相關測度，一般從時間和空間維度進行[4]。建成區(qū)面積變化（ΔS）是城市擴張最直接的表現(xiàn)；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[5]；城市擴張強度指數(shù)（urbanization intensive index， UII）表示面積相對變化的年平均值；要表達某一時期城市擴張快慢，值越大，表示城市擴張速度越快[6]。以上評價指標計算公式為:

3.3.2 城市空間重心坐標變化分析

空間重心通常被定義為一個多邊形的幾何中心，通過計算建設用地的空間重心有助于跟蹤城鎮(zhèn)用地的空間布局變化。可選取重心轉移指數(shù)進行量化表述。測度公式如下：

3.3.3 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(tǒng)計分析方法，使用Pearson相關系數(shù)分析城鎮(zhèn)建設用地擴張的驅動因子及相關系數(shù)，變量間相關性越顯著，相關系數(shù)則越大[7]。

3.3.4 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法。

4 結果和分析

4.1 城鎮(zhèn)擴張規(guī)模特征分析

對格爾木市中心城區(qū)建設用地提取結果進行柵矢轉換，分別計算城鎮(zhèn)建設用地面積，2010年和2019年中心城區(qū)建設用地面積分別為40.50km2、49.15km2，城鎮(zhèn)用地擴展面積為8.65km2，平均擴展速度為0.865km2/a，年平均擴張強度為2.14，10年內建設用地規(guī)模比增加了21.4%。結果表明，城鎮(zhèn)化進程緩慢但穩(wěn)步向前。通過對10年來格爾木市中心城區(qū)新增建設用地變化情況的觀察分析，發(fā)現(xiàn)城區(qū)擴張分為填補式和外延式兩種發(fā)展方式同時進行，主要的外延方向為東南向與西南向。由于格爾木東方向有大量的農(nóng)田分布，城市擴張并沒有侵占農(nóng)田，大部分新增建設用地都是在裸地的基礎之上進行建設的，因此可認為格爾木市城市擴張受到土地類型的影響。

4.2 重心遷移分析

城市空間重心是解釋城市空間分布的指標[8]，通過對2010年、2019年格爾木市中心城區(qū)城市重心的計算，得出2010年格爾木市中心城區(qū)的重心坐標處在東經(jīng)94°54′14″，北緯36°24′17″，2019年的重心坐標在東經(jīng)94°54′11″，北緯36°23′49″。10年間城市建成區(qū)重心轉移情況呈現(xiàn)出了向西南方向轉移的趨勢，轉移的長度為366m。

4.3 影響因素分析

4.3.1 經(jīng)濟社會因素分析

已有研究表明，經(jīng)濟發(fā)展、人口增長等社會經(jīng)濟因素對城市擴張具有直接推動性[7]。格爾木市作為西部高原新型工業(yè)型城市，與一般內陸城市相比，驅動城市擴張因素可能更為復雜。為探明格爾木市中心城區(qū)建設用地擴張機制，選取2010—2019年地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)貢獻值、第三產(chǎn)業(yè)貢獻值、固定資產(chǎn)投資額、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、常住人口、戶籍人口等8個指標與同時期格爾木市中心城區(qū)建設用地面積通過SPSS軟件進行相關分析。分析結果如表1所示，結果表明，除了常住人口因素外其他因素均與城市擴張之間存在較強的相關性。其中城鎮(zhèn)居民人均可支配收入的相關性最高，相關性高達0.899，且極其顯著。地區(qū)生產(chǎn)總值，戶籍人口與第三產(chǎn)業(yè)貢獻值相關性次之，相關性均在0.7以上，且影響顯著。說明10年間格爾木市的城市擴張受經(jīng)濟、收入、消費、人口的綜合影響。

表1 城市擴張驅動因素相關性分析

考慮到所選相關因素在一定程度上存在交叉，所以對選定的8個要素進行降維分析，以此分析影響格爾木市城市擴張的主要因素。利用SPSS對所選要素進行主成分分析。本文選擇了前兩個主成分，發(fā)現(xiàn)累計貢獻率達到了92.18%，其中第一主成分、第二主成分貢獻率分別為79.53%、12.65%。各因子的旋轉成分矩陣如表2所示。由主成分分析因子負荷矩陣可得，第一主成分與第二產(chǎn)業(yè)貢獻值、地區(qū)生產(chǎn)總值和固定資產(chǎn)投資有關，說明格爾木市城市擴張主要是由第二產(chǎn)業(yè)及固定資產(chǎn)投資驅動的，第二主成分與常住人口、社會消費品零售總額及第三產(chǎn)業(yè)貢獻值有關，說明人口與消費是格爾木市城市擴張的次要驅動因素。綜上所述可得，第二產(chǎn)業(yè)投資、常住人口的增加以及居民消費水平的提升是促進格爾木市城市擴張的主要因素，也充分說明格爾木市是一座消費型工業(yè)城市。

表2 主成分分析表

4.3.2 自然要素分析

自然地理環(huán)境是城市擴展的物質基礎，地理環(huán)境的差異性直接影響了城市空間擴展的方向、潛力、形態(tài)格局[9]。本文選擇高程、坡度作為影響城市擴張的自然要素因子進行研究，發(fā)現(xiàn)大部分新增建設用地都偏向于低海拔、低坡度地區(qū)。只有新增建設用地向南部擴張時，才會向高坡度高海拔地區(qū)聚集，原因在于南部新增建設用地均為商業(yè)物流設施用地，商業(yè)集聚會產(chǎn)生一定的規(guī)模效應，且緊臨道路，交通優(yōu)勢度高。但高程均在3000m，坡度均在25°范圍內，當新增建設用地向北部擴張時，會向高坡度低海拔地區(qū)聚類，原因在于北部大部分土地為園地、河流、灘涂，可供利用程度低；新增建設用地在向東擴張時向低海拔、低坡度的地區(qū)聚類，原因在于東部土地類型大多為鹽堿地，土地可利用程度高。由此可以得到格爾木市中心城區(qū)擴張時受土地利用類型的影響較大，在土地可利用程度高的地區(qū)，建設用地在擴張時會選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進行擴張。

5 結論

本文以2010年和2019年兩個時相的遙感影像為基礎，應用監(jiān)督分類的方法對兩個時期的城區(qū)建設用地進行提取，并結合同時期的社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，分析了格爾木中心城區(qū)10年來動態(tài)性及影響城市擴張的因素。研究表明，10年間格爾木市中心城區(qū)建成區(qū)面積增加了8.65km2，建設用地規(guī)模比增加了21.4%，屬于緩慢擴張類型。結合中心城區(qū)重心轉移的軌跡，10年間格爾木市重心位置向西南方向轉移了366m，說明了城鎮(zhèn)擴張的趨勢和方向。之后通過對格爾木10年間的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)應用相關分析法，主成分分析法進行分析得出了增加第二產(chǎn)業(yè)投資和增加常住人口是格爾木市城市擴張的主要驅動因素。同時城市的擴張形式主要分為內涵式與外延式，本文對新增建設用地的坡度高程進行分析發(fā)現(xiàn)，格爾木市中心城區(qū)擴張受土地利用類型的影響較大，在土地可利用程度高的地區(qū)，建設用地在擴張時會選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進行擴張。