基于RS和GIS的开封城市扩展及其影响研究

2014-12-02刘剑锋王双美

黄河水利职业技术学院学报 2014年1期

刘剑锋，王双美

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

近年来，伴随着经济社会的迅速发展，城市化进程明显加快，城市空间迅速扩张，城市周边地区土地利用急剧变化，人地矛盾日益突出［1］。利用不同时相多源遥感数据，结合RS和GIS技术，来获取城区边界信息，已成为研究城市扩展及其动态变化监测的重要手段之一［2～4］。

开封古称东京、汴京，有“十朝古都”、“七朝都会”之称，文化积淀深厚，是世界上唯一一座城市中轴线从未变动的都城，城摞城遗址在世界考古史和都城史上是绝无仅有的。在中原城市群崛起的背景下，郑开多条通道的开通和郑汴一体化的发展为城市建设和城市空间增长注入了新的活力，但同时也面临了很多问题。如何实现科学性发展和可持续性发展，成为未来城市空间增长能否高效的主要问题。这就需要对开封市城区发展扩张的动态变化趋势及其驱动力机制进行剖析。

1 开封城市扩展研究技术路线及信息提取

1．1 研究数据及技术路线

以开封市城区为研究对象，利用Landsat遥感影像数据，结合开封市县界图及其他相关社会经济统计资料（《河南省统计年鉴 2001-2011》［5］），利用Erdas Imagine和ArcGIS软件进行信息解译、提取、处理和分析［6-8］，运用统计学和GIS空间分析方法，系统地从开封市城区格局历史演变分析入手，对开封市2000～2010年的城区空间格局的动态变化趋势、驱动因子及城区未来发展模式和所应采取的措施进行了综合研究。技术路线如图1所示：

图1 开封城市扩展研究技术路线图Fig.1 Technique route of Kaifeng

1．2 开封城市化信息的提取

通过非监督分类方法获取开封市城区的边界信息，利用不同目标地物的光谱特征，采用人机交互的目视解译方法，来确定开封市城区的边界信息。采用滤波等方法将城市内部的非城镇用地归类到城镇用地，将城市外部的城镇用地归类到非城镇用地，由此提取出开封市2000年城区边界图。

通过监督分类，将开封市土地利用类型分为耕地、林地、园地、水域、城镇用地（居民点及工矿用地、交通用地）、未利用地等几种类型。为获得城区边界信息，应用滤波方法将不同土地利用形式进行归类合并，最终提取开封市2006、2010年城区边界信息，如图2所示。

2 开封城市空间动态扩张趋势

2．1 开封城市空间扩张的数量特征

2．1．1 开封城市扩张强度指标［9］

城市空间扩展度反映的是不同时期城市扩张强弱和快慢的变化，主要用于分析和描述城市建成区用地扩展状态，比较不同时期建成区面积扩展的程度、速度及扩展趋势的指标。本文利用开封市年均增加面积与基年面积之比值来表示城市的扩张强度。其计算公式为

图2 开封市2000～2010年不同时段的边界图Fig.2 Boundary graphs of Kaifeng city from 2000 to 2010

式中：I为城市年均扩张强度；UAn+i为第n＋i年城市面积；UAi为第i年城市面积；n、i均为整数。

2．1．2 空间扩张的数量特征

根据2000年、2006年、2010年开封市边界图，分别对开封市建成区面积进行统计，并计算城市扩张强度。经统计计算，求得开封市2000～2006年6年间城市扩张面积为 14 km2，扩张强度为3．48；2000～2010 年 10 年间城市面积扩展 28．05 km2，扩张强度为 4．34。

2．2 开封城市扩张的空间分异特征

2．2．1 紧凑度指标［10～11］

紧凑度是反映地物形状的参数，其变化可表征城市用地扩展的空间特征。紧凑度表达式为

式中：A为建成区面积；P为建成区轮廓的周长。C为城市紧凑度指标，其值在0～1之间，值越大，形状就越紧凑，越接近于圆形，反之，形状的紧凑性就越差。

2．2．2 空间扩张的趋势特征

通过计算，开封市2000年、2006年、2010年各年的紧凑度指标分别是 0．64、0．45、0．56。由此看出，开封市这10年间的紧凑度指标由大变小，再由小变大，从而表明了城市发展的实质是城市地域空间的不断扩大，通过进一步的发展和完善，使得内部空间的市政设施等得到补充和完整化，最终实现城市的不断扩展，达到最优状态。

2．2．3 空间扩张的空间特征

将2000年、2006年、2010年的TM影像经处理后得到的开封市边界图进行叠加分析，如图3所示。

由图3可以看出，开封市2000～2010年10年间城市扩展的主导方向是向西发展，东部发展最慢。这主要是由于郑开大道的开通使得开封市西部呈明显的轴向发展模式。同时，为实现郑汴一体化，开封市规划了新的快速发展区——汴西新区，从而在经济上互相合作、互通有无。向南依托机场高速和南郊乡金明工业园区，形成综合发展轴模式而稳步扩展。向北由于受黄河限制，形成了北部的综合生活服务区而保守发展。

图3 2000、2006和2010年城区边界空间叠置图Fig.3 City boundary superposed graphs of 2000,2006 and 2010

3 开封城市扩张的驱动力研究

3．1 社会经济因素

经济是城市发展的基石，其增长快慢决定着城区的扩展速度和空间格局的演变，是推动城区扩展的主要动力。开封市2000～2010年的国内生产总值从226．2409亿元增长到927．16亿元，增长幅度为309．8%。其中，第一、二、三产业2010年产值分别为2000年的3倍、5倍、4．2倍。同时，人均GDP由2000 年的 4876（元／人）增长到 2010 年的19749．93（元／人），增幅达 305．04%；人均工资水平由 2000 年的 5 883（元／人）增长到 2010 年的 23 948．24（元／人），增幅为307．08%。各年具体统计数据如图4所示。

由图4可以看出，人均GDP增长与人均年工资水平增长呈明显的强线性相关。

伴随开封市经济快速发展，其城市化进程步伐逐步加快，再加上工业结构的调整、整合及其产业化，加速了城市居住、交通、仓储、工业等用地不断向外扩张。

3．2 人口因素

开封市积极贯彻计划生育工作，总人口从2000年的464万人增加到2010年的467．69万人，人口增长缓慢。开封市2000～2010年总人口、城镇人口和乡村人口变化如图5所示。

由图5可以看出，开封市城镇人口2000～2003年呈稳定状态，2003年之后持续增长，增幅较大。究其原因是，第二、三产业的快速发展引发城市人口急剧膨胀。城市人口数量的增加又导致住房、工业等用地面积的不断增加，致使城市不断向周边的郊区扩张，使得城区边界不断扩大。

图4 2000～2010年开封市平均工资、人均生产总值统计图Fig.4 Statistics of Kaifeng average wages and per capita productivity from 2000 to 2010

图5 2000—2010年开封市人口统计图Fig.5 Statistics of population in Kaifeng city from 2000 to 2010

3．3 政策导向型因素

《国务院关于支持河南省加快建设中原经济区的指导意见》以及河南省发改委颁布的《中原城市群总体发展规划纲要》出台之后，为开封市经济发展注入新的活力，促进了城市空间格局的变化，促使农业用地向非农用地的转化。民营科技产业园、高新技术产业开发区的设立及发展，推动了城区的迅速外扩，使得城市空间格局向西发展，逐步实现郑汴一体化空间格局，并形成南部工业产业轴和北部的综合生活服务区。