郑汴一体化区域城市建成区重要地理国情要素动态监测

2014-10-31彭彦彦杨瑞霞陈盼盼王若曦

遥感信息 2014年4期

彭彦彦，杨瑞霞，陈盼盼，王若曦

（1.中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室，北京 100094；2.中国人民大学环境学院，北京 100872；3.河南省遥感与地理信息系统重点实验室，郑州 450052；4.武汉大学遥感信息工程学院，武汉 430072）

1 引言

目前，地理国情监测在我国尚处于启动阶段，系统完整的监测体系还未形成［3］。自2011年起，部分省市已积极开展了相关试点工作［4］，如陕西、河南等省份已按要求对其主体功能区进行了监测［5］。以陕西省为例，监测内容主要包括城镇规模扩展监测，以提取陕西省县级以上城市在不同时期的主城区范围，对其面积、扩展方向和城市重心等信息近10年的变化进行监测；地表覆盖变化监测，主要为植被和水域的覆盖情况，以及道路、城镇、工矿等人工设施对地表的占用情况等［6］。目前，河南省地理国情监测主要围绕郑州、中牟、开封三个城市的建成区范围、道路、绿化、建筑物用地、人口、GDP等监测要素展开［7］。随着城市化进程快速发展，作为河南省主题功能区的郑汴一体化区域不断扩张。鉴于此，本文以郑汴一体化区域为监测主体，选取了8个监测年点，对该区域内14个监测单元（郑州市、中牟县、登封市、巩义市、上街区、新密市、新郑市、荥阳市、开封市、开封县、兰考县、杞县、通许县、尉氏县），近48年建成区内建筑、道路及绿化用地要素进行动态监测，结合GIS空间统计分析，得到郑汴一体化区域主要城市建成区内地理国情监测要素时空变化特征。

2 数据源及研究方法

2.1 研究区域概况

郑汴一体化区域位于中原城市群的核心位置。该地区有良好的发展基础和优越的区位条件，并在龙头城市郑州市扩大规模、增强实力、完善功能，加快与周边城市一体化发展的过程中，这一区域的发展首当其冲。郑汴一体化区域既是郑汴一体化的空间承载区，也是中原城市群一体化发展的先导区和示范区［8］。郑州市作为中原城市群中心城市，是中原经济区龙头和核心，占有十省通衢的区位之重，同时也是中部地区重要的中心城市和国家重要的综合交通枢纽，现辖金水区、二七区、中原区、管城区、惠济区、上街区在内的6区5市1县，其中上街区虽为郑州市所管辖，但其位于郑州市区西部38km处，且周围与荥阳市接壤，并不与郑州市城区接壤［9］，故本文郑州市的研究范围指郑州市现辖的除上街区之外的5个区，上街区作为一独立空间单元与中牟县、登封市、巩义市、上街区、新密市、新郑市、荥阳市、开封市、开封县、兰考县、杞县、通许县、尉氏县等城市建成区一起进行要素信息提取和分析。

2.2 数据源

图1 研究区范围图

本文以研究区域1963年～2010年间8期遥感图像（包括卫星影像、航空像片等，分辨率为0.61m～10m）为主要遥感数据源。其他数据源包括研究区1∶1万数字线化图（DLG）、数字栅格图（DRG）数据，以及城市建设、规划数据。用于提取监测要素的数据及时间主要包括：1963年美国空军KH系列光学成像侦察卫星（KH4），7.6m，全色、1971年美国空军KH系列光学成像侦察卫星（KH4B），1.8m，全色、1984年河南省基础地理信息中心1∶1万DRG、1996年（航空影像）、2001年（SPOT4，10m，多光谱）、2005年（SPOT5，10m，多光谱）、2008 年（SPOT5，10m，多光谱）、2010年（QuickBird，0.6m，多光谱）。

2.3 监测要素提取方法

根据城市建成区内影响城市发展的各项重要因素，并参考现有监测研究中监测指标的选取，本文选取研究区城市建成区范围内建筑用地、道路用地及绿化用地等作为监测对象。通过人工目视判读方法对研究区域内各城市建成区范围进行提取，结合高分辨率遥感影像和1∶1万DLG、DRG数据，对建筑物和道路信息进行采集。研究区内绿化信息的提取采用监督分类的最大似然法（图2），由于监督分类要求影像必须为多光谱遥感数据，故本文选择具备数据的3个年份，分别为2005年、2008年、2010年作为绿化用地监测年。建成区内各监测要素的提取精度统一至1∶1万比例尺，保证提取结果精度较高且具备一致性，可比性强［10］。

图2 郑汴一体化区域地理国情监测要素提取流程图［7］

3 地理国情要素动态监测结果与分析

3.1 城市建成区面积扩展分析

图3 1963年～2010年间研究区域内城市监测建成区面积增长量统计图

根据住房和城乡建设部对城市建成区的定义，城市建成区是城市行政区内实际已成片开发建设市政公用设施和公共设施基本具备的地区，即这个城市实际建设用地所达到的境界范围。因此，本文遵循城市实体保持空间上的连续性原则，将城市内部较小的、非城市用地的地块以及城市内部的水体都划到城市实体内，舍去周围农村的建设用地及没有和主城区连接的厂区。对14个城市建成区8个监测年的面积增长量和增长率进行分析，如图3、4所示。1963年～2010年间，研究区域范围内14个监测单元的城市建成区面积均有所增长，且呈现出2个明显的增长区段，分别是1984年～2001年间和2005年～2008年间，尤其以郑州市建成区面积增长量为最大，达到129.22km2，远远超过其他13个城市。从整体增长趋势看，14个监测单元转折点基本一致。区域内所有城市建成区大面积扩展主要集中在1984年～2001年间，这期间正是我国“九五计划”实施期间，主要以中牟县、荥阳市、上街区等中小城市的增长最为快速，之后进入平稳期，“十一五”期间又出现较大的面积扩展，但扩展幅度小于前次。而作为省会城市，郑州市增长率却较之前有大幅提高，与其在此期间建成区面积增长量达最高相符。河南省城市发展和城镇化相关政策表明，“九五”以来，在发展战略上，从“城镇化战略”到“中心城市带动战略”；在发展布局上，从提出发展大城市、中小城市、小城镇“三头并举”到明确“建设大郑州”、培育“中原城市群经济隆起带”、“形成若干个带动力强的省内区域性中心城市和新的经济增长极”等政策［11－13］，因此，区域内14个城市建成区面积扩展变化反映出城镇化发展和区域政策的重要引导作用。

图4 1963年～2010年间研究区域内14个城市监测建成区面积增长率统计图

3.2 各监测要素用地分析方法

为了对监测要素的空间分布特征进行分析，本文引入空间密度分析模型［10，14］。首先对14个监测区解译出建成区、非建成区两大类，利用GIS的空间分析功能分别对建成区内监测要素和非监测要素进行空间赋值为1和0，然后栅格化为100m×100m的格网，利用邻域分析功能计算出格网所在的1km2区域内监测要素区的面积，分别对14个城市建成区内建筑、道路以及绿化用地进行分析，并制作多年份监测要素空间分析密度图。如1963年最高区域的格网的密度值为0.92，表明该格网区域的监测要素用地占该格网区域面积的92%。

3.2.1 建筑用地分析

本文建筑用地监测指标选取主要有建成区面积及其监测年度增量、建筑物用地及其阶段增量和年均增长率，总体反映出城市建成区内建筑用地在时间维度上的动态变化。通过对监测单元建筑用地面积统计分析（图5），发现14个监测单元建筑用地增长周期比较一致，主要集中在1984年～1996年间和2001年～2005年间。作为省会城市，郑州市建筑用地面积总量和增长速度均在其他13个城市之上，最高年增长率达26.15%，开封市仅次于郑州市，只达到12.40%。从总的增长规律看，郑州市快速增长阶段主要集中在2002年～2008年间，即“十五”期间。其他监测单元建筑用地增长速率虽不及郑州市和开封市，但主要发展期也集中在河南省“九五”、“十五”和“十一五”期间。

图5 1963年～2010年间监测区域内监测单元建筑用地面积统计

通过分析各监测单元建成区内建筑用地空间密度分布可以得到以下规律：①1963年～1996年间，总体看，建筑用地密集区主要集中在中心区域（老城区），期间建筑用地面积有向周边扩展的趋势，但沿交通线扩张的方向明显。在此阶段建筑用地在各市的总体分布格局没有较大改变。各建成区规模总体以1984年为转折点发生变化，呈快速扩张趋势。②1996年～2010年间，随着各城市建成区的不断扩大，建筑用地不断向城市周边扩展，建成区内非建筑用地开始减少。2005年后，尤其是2008年～2010年间，各城市中心建筑密度趋于饱和，建成区规模趋于稳定，建筑区域分布格局发展方向明显。

监测单元中以郑州市1963年～2010年间建成区范围内建筑用地空间密度分布动态变化尤为显著（图6）。其建筑用地空间变化主要集中在3个阶段：1963年～1984年间，建筑用地分布密度均在88%以上，密集区主要集中在郑州市的老城区即金水路以南、陇海路以北、城东路以西和京广路以东的区域，期间建筑用地以向西为主不断向周边扩展。在此阶段建筑用地在郑州市的总体分布格局没有较大改变。1984年～1996年间郑州市建成区扩大明显，建筑用地密集区范围由老城集中区转变为多中心密集区。由于高层建筑的增加、城市基础设施的建设以及城市绿地的增多，建筑用地分布密度降为66%以上，建筑用地密集区主要分布在郑州市的老城区、中、西及西南区。初步形成郑州市建筑用地分布格局。1996年～2010年间郑州市建成区进一步扩大，随着郑州市高新技术开发区、经济技术开发区以及郑东新区的开发与建设，郑州市的建筑用地密集区范围扩大，由集中分布向均质化发展，建筑用地密度提高到73%，郑州市建筑用地分布格局已经形成。

图6 1963年～2010年间郑州市建筑用地空间密度分布

3.2.2 道路用地分析

本文通过对郑汴一体化区域14个监测单元城市道路长度等进行统计，分析各监测单元道路用地动态变化情况，具体监测指标为道路长度及其阶段增量和年均增长率、道路条数、道路面积、路网增量及路网密度。

由表1可知，郑州市2010年道路长度是1963年的7.85倍。2010年的道路用地面积是1963年的9.83倍，其中2001年～2005年阶段增长率达到了41.73%，成为阶段增长的最高值。路网密度也从1963年的3.91km／km2达到了2010年的4.88km／km2。道路用地快速增长阶段主要集中在2001年～2010年间，即河南省“十五”和“十一五”期间，年增长率达27.35%，其他阶段的年均增长率在6%以下。分析郑州市路网空间密度分布（图7）可知，郑州市在1963年～1984年间建成区面积较小，道路密集。其中，金水区、金水路以北的行政区域道路面积密度最大，达到了20ha／km2。郑州市二七广场商业区、郑州市中原区行政区和工业区以及大学路东侧区域的道路密度次之。2001年后，随着建成区的扩大，郑州市的道路建设呈现网络化发展，道路密度密集区增加，区域化的道路高密度区在各区均有分布。

表1 郑州市城市道路用地统计

图7 1963年～2010年间郑州市道路用地空间密度分布

其余13个监测单元1963年～2010年间道路用地空间动态分布总体特征为：①1963年～1984年间，道路用地的高密集区最高为开封市，达到了9.4ha／km2，主要集中于古城区域。各监测单元县城内的建成区面积普遍较小，城区内道路比较窄，故道路用地密度低。②1984年后，各监测单元道路向四周扩展，其中，上街区以其特殊的地理位置向四周延展尤为显著。③2001年后，中牟县、新郑市及兰考县道路向西延展，登封市向西和东延展，巩义市继续向南延展的同时向东进行了较大地延伸，上街区继续向东及西北方向进行较大延伸，新密市向南及西南延展，荥阳市及开封县向东延展，开封市向南延展至南部的商住区，通许县向北，尉氏县向南延展，各监测单元基本形成了现在的道路分布格局，尤以开封市最为明显。2001年后，随着开封市建成区的扩大，多数道路得以延展，开封市道路呈现网络化格局，道路密集区增加，区域化的道路高密度区在各区均有分布，道路用地密度也达到了9.9ha／km2。④2010年各监测单元道路用地密度大幅度提升均在7.3ha／km2以上，其中兰考县2010年道路用地密度达到了16.91ha／km2。

3.2.3 绿化用地分析

绿化用地监测指标选取城市绿地率和人均绿地率作为监测城市绿化用地的重要指标。由于绿化信息提取对影像的光谱分辨率要求，研究区内部分城市早期监测年份数据缺失。本文仅对郑州市、开封市及中牟县3个核心区域2005年、2008年、2010年建成区绿化用地数据进行提取，着重分析其绿地率动态变化情况。

由表2可知，郑州市2005年、2008年和2010年三个时期的绿化用地中公共绿地和城市绿地面积大幅增加，其中绿地率2010年达到21.72%，是2005年的1.46倍，绿化覆盖率2010年达到14.80%，是2005年的1.28倍，人均绿地2010年达到28.745m2，是2005年的1.52倍；开封市相比郑州市这三个时期的绿化用地中公共绿地和城市绿地面积变化不大，而其他绿地面积增加较多（详见表2）；与郑州市和开封市不同的是，中牟县在这3个时期的绿化用地中其他绿地和城市绿地面积均降低，而公共绿地面积增加较多（详见表2）。

表2 监测城市绿化用地统计数据表

由图8可知，①郑州市绿化用地的空间分布呈区域集中分布的特点，且年度空间变化不大，没有明显区域减少的现象，表明郑州市绿化用地基础及维护效果较好。绿化用地的高密度区由2005年的58ha／km2扩大到2010年的96ha／km2，表明郑州市绿化用地斑块有由破碎到整合的趋势，通达性好。②开封市绿化用地的空间分布也具有集中分布的特点，但其分布年度间有空间变化，部分区域有绿化用地减少的现象，说明开封市绿化用地基础较好，相比郑州市维护效果一般。开封市绿化用地的高密度区由2005年的90ha／km2减少到2010年的59ha／km2，表明开封市绿化用地斑块有由整合到破碎的趋势，通达性变差。③中牟县绿化用地的空间分布呈区域集中、边片分布的特点，分布的年度空间变化大，部分区域有绿化用地减少的现象。绿化用地的高密度区由2005年的37ha／km2增加到2010年的41ha／km2，变化不大。

图8 2005年、2008年、2010年郑州市、开封市、中牟县绿化用地空间密度分布图

4 结束语

郑汴一体化区域作为河南省发展的主体功能区，同时也是河南省地理国情监测的重点，其监测结果对河南省今后政治经济文化发展具有重要的指导意义。本文从建筑、道路及绿化用地监测要素揭示郑汴一体化区域内14个主要城市建设近48年的时空动态变化特征，结果表明：

①自监测基年起，郑汴一体化区域城市建成区保持着较高的城市扩展速率，建成区面积扩展速率具有时段不一致性。其中，作为省会城市，郑州市的建成区面积无论从增长速度还是增长量上，较区域内其他中小城市的而言都处于领先地位。尤其在我国“九五计划”实施期间，由于城镇化发展和区域政策的重要引导作用，区域内中小城市的建成区面积增长率显著提高，尤以开封县增长率最高，达322.27%，荥阳市最低也达到了77.79%。

②从建筑用地看，14个监测单元建筑用地增长周期比较一致，主要集中在 “九五”、“十五”和 “十一五”期间，尤以郑州市和开封市增长最快。从建筑密度空间分布看，区域内各城市建筑用地经历了由集中分布向均质化发展的过程，期间各城市建筑用地密度均有所提高。随着建成区规模日趋稳定，各城市中心建筑密度趋于饱和。

③从道路用地来看，区域内各监测单元总体延伸方向均围绕着郑州市、开封市2个位于区域中心的城市展开。随着建成区的扩大，道路建设呈现网络化发展，各城市道路密度密集区均有所增加。在“十五”和“十一五”期间城镇化发展和区域政策引导下，中牟县、新郑市及兰考县等中小城市道路用地密度大幅度提升。

监测表明，研究区内14个监测城市重要地理国情要素建筑、道路及绿化用地扩展时段主要集中在河南省“九五”、“十五”和“十一五”期间，体现出区域政策和规划的重要引导作用。其中，高速外延式的发展是近年来郑汴一体化区域城市建成区扩展的主要特征。此外，建筑用地和道路用地的发展以中心城市为核心，带动区域内其他城市发展，呈现郑汴一体化区域以核心地区带动整体的发展特色。

［1］国务院关于开展第一次全国地理国情普查的通知国发［2013］9号［R］.2013.

［2］姚承宽.关于地理国情监测若干问题的探讨［N］.中国测绘报，2011－4－22（3）.

［3］刘晓阳.地理国情监测数字影像图册的制作［J］.河南科技（上半月），2012（5）：50－51.

［4］李维森.搞好试点，做好示范，扎实开展地理国情监测工作［J］.地理国情监测研究与探索，2011：12－16.

［5］周星，阮于洲，桂德竹，等.地理国情监测体制机制研究［J］.遥感信息，2013，28（2）：121－124.

［6］谢露蓉.对陕西省地理国情监测的思考与实践［J］.测绘标准化，2012，28（2）：5－8.

［7］付治河.基于地理国情监测的城市扩张分析研究［J］.测绘通报，2013（3）：98－101.

［8］王旭升.中部崛起背景下的郑汴一体化发展研究［J］.地域研究与开发，2007，26（6）：28－34.

［9］贺振，赵文亮，贺俊平.郑州市城市扩张遥感动态监测及驱动力分析［J］.地理研究，2011，30（12）：2272－2280.

［10］李佩臻.地理国情监测“郑汴一体化区域分析图”的制作［J］.河南科技（上半月），2012（4）：52－53.

［11］河南省人民政府.河南省国民经济和社会发展“九五”计划和2010年发展纲要豫政［1996］29号［S］.1996.

［12］河南省人民政府.河南省全面建设小康社会规划纲要豫发［2003］17号［S］.2003.