1990～2010年榆次区城市扩张与驱动力分析

2014-03-25秦明星马建根郭青霞

山西农业大学学报（自然科学版） 2014年3期

秦明星,马建根，郭青霞

(1.山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801；2.晋中市国土资源局榆次分局,山西晋中 030600)

在城市化进程中，城市用地明显地向外扩张，这种扩张不仅影响城市自身的发展，还对城市的土地利用及所处的区域经济、环境有着深刻的影响。许多学者从不同角度对城市扩张及影响进行了分析研究。李开宇、车前进等对城市空间扩展及空间结构演化进行了研究[1～3]；曹银贵、文枫等对城市土地利用变化及效益评价进行了研究[4～6]；刘云刚、丛沛桐等对快速城市化下的城市建设用地规模预测模型及方法进行了研究[7～9]。赵可、王伟武等对城市用地扩张特征及驱动机制进行了研究[10～14]。关于城市扩张及驱动力分析的研究，国内外学术界关注经济发达城市较多，如武汉、厦门、珠海等地区。采用的方法和手段多为通过遥感影像获取数据，结合经济、交通等数据分析建设用地变化的驱动因素，但是土地利用有着很强的地域性，不同城市在不同时段扩张速度和驱动机制大有不同。合理分析城市扩张特征及驱动力对区域土地利用变化和总体规划设计有很大的参考意义。

榆次区作为省会太原的卫星城市，其地理位置十分优越。近年来榆次区大幅扩张，人口急剧增加，住房要求随之高涨，土地利用情况变化很大。为了实现榆次区城市发展合理调控以及未来城区土地合理利用，对其城市扩张及驱动机制进行研究有很强的现实性和必要性。本文采用GIS方法研究榆次区城市空间格局演变，定量分析榆次区不同时段的扩张过程、特点及成因，有利于了解榆次区发展过程和制定榆次区土地利用总体规划，为中心城区用地布局提供重要参考理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

榆次区地处山西省中部，晋中盆地的东北边缘，地理坐标为东经112°34′～113°08′，北纬37°23′～37°53′。南与太谷相邻，西与清徐相邻，西北与太原南郊相邻，东北与寿阳相邻，东南与和顺、榆社相邻。境内东南部和北部为山地，西部为平川，地势由东向西倾斜。辖10个乡镇，310个行政村，总人口52万。素有“省城门户”之称，是山西省交通运输的重要枢纽。

1.2 数据来源与预处理

结合榆次区实际扩张情况，选取1990年9月16日、2000年9月19日和2010年9月21日的TM、ETM+影像，时隔10年，可有效分析其扩张规律。由于大气辐射、遥感平台位置、地球自转等一系列原因，卫星影像存在误差，需要对数据进行预处理。数据预处理过程包括辐射校正和几何校正。首先对遥感数据进行辐射校正，由于卫星地面站提供的数据已经进行过系统辐射校正，但大气和太阳光照引起的辐射差异依然存在，所以采用ENVI软件中FLAASH功能模块对影像进行辐射校正处理。然后对遥感影像进行几何精校正，具体采用的校正方法为：以1∶1万地形图为基准，在影像上均匀选取30个明显地物点；采用UTM投影，WGS84坐标系，运用多项式变换进行校正。对于重采样的算法，软件提供3种常用的算法，最邻近点法、双线性内插法和3次卷积法。3种方法中三次卷积法有很好的精度，但其亮度值改变费时且数据计算量大。双线性内插法计算简单，并能有很好的亮度连续和图像平滑作用，这里采用双线性内插法进行重采样，完成几何精校正。

1.3 建成区提取

经几何精校正后的TM影像，以最新的城区连片建设用地范围进行裁剪。考虑到城市总体是建成区扩张的，所以采用2010年底的城区连片建设用地范围进行裁剪，得出研究范围的影像。通过分析典型地物在不同波段上的波谱值，建立模型，找寻其最大差异，进而提取所需城市建成区专题信息。据实地调查，榆次区城区的典型地物分为5类：建设用地，包括工业企业用地和居民住宅商铺用地；耕地，包括城区内水浇地和居民点附近菜地；林地，包括城区内的苗圃、居民自栽的果树等；草地和未利用地，其中草地多为荒废土地，可与未利用土地并为一类。在充分分析研究区典型地物的波谱值后，发现高植被覆盖的耕地和已经收割或未种植作物的耕地波谱值变化有很大差异，所以这里将此两类耕地分开采集样点。将榆次区城区典型地物均匀采集样点，每种地类采集20个样点，分析其在不同波段上的变化差异，最后将采样地物的波谱值求平均值得到5组地物波谱值随波段变化的地物波谱特征值。由NDBI=(T5-T4)/(T5+T4)可以清楚得出，以NDBI=0为分界线，可以将高植被覆盖耕地和低植被覆盖耕地区分。依此粗劣的将建成区分为两大类：建设用地、低植被覆盖耕地、草地与未利用地；高植被覆盖耕地和林地。

由NDVI=(T4-T3)/(T4+T3)得出，以NDVI=0为分界线，大体也可以将有植被覆盖区域和无植被覆盖区域区分。就建成区来说，分为两大类：建设用地；低植被覆盖耕地、草地与未利用地、高植被覆盖耕地和林地。

受土壤光谱噪音、表层植被等的影响，以NDVI=0为界限不能很好的区分有植被覆盖区域和无植被覆盖区域。而NDBI取值以0为界限也不能很好的区分建设用地和非建设用地，需要划定一个合适的值作为界限进行区分。经反复试验，得出NDVI取值为0.15时得出的分类与实际面积与分布相似；而NDBI取值为0.18时得出的分类与实际面积与分布相似。

在ArcGIS10下对NDBI和NDVI值求合并运算，可以得到无植被覆盖并且为建设用地的城市建成区范围。但仅仅靠NDBI、NDVI进行分类，得到的分类后建设用地中仍会混杂低植被覆盖的耕地和部分草地与未利用地。为了提高分类精度，更好的将城市建成区提取，在此基础上采用最大似然法监督分类，以初始感兴趣区分类，然后根据NDBI和NDVI合并运算得出的城市无植被建成区图与先前分类图叠加运算。得出误分、错分的区域，然后制作误差图，和彩色合成后的原始影像链接显示，采用人机交互的方式，记录，修正分类错误区域，并以此重新补充感兴趣区，以修正后的感兴趣区继续分类，得到新的分类图。

1.4 精度检验

分类结果判定即为精度验证。对于一般监督分类，精度验证分两类：一类是分类图与高精度的影像进行比对；一类是实地核查比对，计算分类后的各个地类与实际地类之间的相近关系。

精度评价是土地利用遥感分类的重要步骤。目前，衡量分类精度最常见的方法是混淆矩阵法。其主要评价指标有生产者精度、用户精度、总体精度和Kappa系数等。生产者精度是指某一类被正确分类的概率，对应的误差为漏分误差；用户精度是指被分为某一类中的像素被正确分类的比率，与之对应是错分误差；总体精度是所有分类正确的样本数与样本总数的比值，反应分类结果总的正确程度；Kappa系数是一个反映整个误差矩阵的精度系数，其计算公式为：

式中，K为Kappa系数；r为分类矩阵的行数；Xii为第i行i列的观察值；Xi+和X+i分别为分类误差矩阵的总行数及总列数；N为采样总数。

对分类结果的评价一般是以已有的分类图或更高精度的遥感图像为参照,而本文研究区域为城市建成区，面积较小，而且多为建设用地，所以采用土地部门的城区地籍数据，选择1990年、2000年、2010年3期的城区地籍数据等间隔选取样点，与分类后数据对比。经检验，监督分类的总体精度为91.4%，Kappa系数为89.6%，满足分类精度要求。

1.5 空间分析

将通过遥感影像提取的三期城市建成区进行空间叠加分析，可得出城市建成区叠加图。以建成区质心为坐标原点，建立平面直角坐标，将整个建成区分成8个方向，以水平方向零度角为起始边逆时针旋转，为第一、第二、第三等共8个方向。将建成区按8个方向裁剪，计算得出各个方向不同时间段建成区扩张面积。

2 结果与分析

2.1 城市建成区地类转换特征

由不同年份城区范围内不同地类土地利用现状(表1)可以看出，1990年至2010年榆次区城区范围内建设用地逐年增加，耕地、林地及草地与未利用地则逐年减少。其中， 1990～2000年建设用地增加了404.2 hm2，年增长率为1.59%，耕地减少了299.95 hm2，年减少率为2.91%，林地减少了4.85 hm2，年减少率为2.65%，草地与未利用地减少了99.39 hm2，年减少率为3.88%；2000～2010年建设用地增加了643.81 hm2，年增长率为2.19%，耕地减少了492.34 hm2，年减少率为6.73%，林地减少了7.11 hm2，年减少率为5.3%，草地与未利用地减少了144.4 hm2，年减少率为9.22%。

表1 不同年份下区范围内土地利用现状/hm2

由图1可见，自1990～2010年20年来，榆次区城市建成区呈现扩张的趋势，且明显扩张方向主要集中在北部。正北和西北方向面积都有大幅扩张。2000～2010年，主要是西部、北部城区扩张。1990～2010年，北部近似整体平移扩张，西部扩张巨大。其余方向没有大的扩张变化，可认为榆次区这20年来是某些因素导向造成城市建成区扩张。为了更好地说明各类用地转移情况，对用地面积变化进行了转移矩阵分析，结果如表2所示。由表2可见，1990～2010年，城区范围内建设用地共增加1048.01 hm2，而耕地减少792.29 hm2，林地减少11.96 hm2，草地与未利用地减少243.79 hm2。这20年来，城市建成区逐步扩张，主要是占用耕地，占总增加的75.6%。

图1 榆次区1990、2000、2010年建成区叠加图Fig.1 The overlay analysis of the land use of yuci during 1990, 2000 and 2010

2.2 城市扩张特征

由图2可以得出1990～2010年不同方向扩张范围和趋势。具体扩张面积由表3可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年份段扩张面积较多，且扩张面积大小接近，说明这段时间榆次区北部扩张空间均匀，有整体平移的感觉，西部出现框架式扩张模式。2000～2010年，第二、五方向扩张面积变化尤为明显。说明榆次区北部区域此段时间仍在继续扩张，第五方向横向拉伸扩张。进一步分析数据可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年均扩张面积较多；可见，1990～2000年，榆次区北部年均扩张比其他方向快，而第五方向年均扩张面积高于同期别的方向，但低于2000～2010年的扩张面积，说明第五方向面积扩张在1990～2000年已经开始，但仍处于起始阶段，并未全面扩张。2000～2010年，第二、五方向年均扩张面积较多，由此得出2000～2010年北部第二方向依然扩张，而第五方向全面扩张，且扩张速率明显高出1990～2000年的幅度。

表2 1990至2010年城区范围内各个地类面积变化转移矩阵/hm2

表3 榆次区各个方向不同时间段建成区扩张面积/hm2

图2 1990、2000、2010年城区范围建成区扩张方向示意图Fig.2 The expansion orientation of build-up in the city area during 1990, 2000 and 2010

2.3 城市扩张驱动力分析

1990～2000年，扩张面积贡献率较高的是第二、三、四、五方向，这个时间段，榆次区的发展为中心区域外扩，重点发展迎宾路(榆次区北部)，并通过道北街将新华街与迎宾路相连，形成一个工字型中心区。很多商家开始沿街开铺，使得商业集中化有了明显改善。此后随着广场的不断建设，成片的住宅区在其周围建立起来，使得工人俱乐部成为城市的娱乐休闲中心。为适应居住区的迁移，在迎宾路北侧扩建校园路，并新建逸夫小学，使得榆次一中、榆次五中、逸夫小学成为教育的集中区。而经纬厂、晋华厂(榆次西北部)规模上升，人口密集，城市建设扩大。这个时期，榆次的建设以北部和西北部为主。2000～2010年，扩张面积贡献率较高的是第二、三、五方向。这个时间段，榆次区北部的乌金山镇成为重要建设地段。积极地构建北部新城，加快基础设施与中心城区的对接，瑞光电厂热电联供和智海水泥三期扩产项目，省禁毒基地、清泰安养园的建设，加快了榆次区与太原在金融、通讯等方面同城化的步伐，乌金山镇成为太榆同城化的强力跳板。榆次区西部，工业园区和工业基地建立，150余家企业入驻，产值、税收连年翻番，园区地段房屋大幅建设。随后，榆次区西部张庆乡北部整体搬迁，工业园区二期开发加速开展，地域直接与太原市小店区汾东新区对接。

1990～2010年，扩张面积贡献率最高的是第二、三、五方向。第二、第三方向扩张明显对应“北部新城”的政策。由第二、第三方向扩张面积贡献率最高得出榆次区北部正大力扩张，建成区面积直线上升。第五方向上扩张面积贡献率高说明榆次区在为构建“大太原经济圈”战略中积极响应和具体运作。顺应省会太原向东、向南扩张的趋势，积极引进外资，建立工业园区，工业基地。