2000—2013年西安市建设用地扩张特征及效益分析

赵胜男，任志远，张 晗，李柏延，吴林筱

(1 陕西师范大学 旅游与环境学院，西北国土资源研究中心，陕西 西安 710119；2 陕西师范大学 西北历史环境与经济社会发展研究院，陕西 西安 710062)

2000—2013年西安市建设用地扩张特征及效益分析

赵胜男，任志远*，张 晗，李柏延，吴林筱

(1 陕西师范大学 旅游与环境学院，西北国土资源研究中心，陕西 西安 710119；2 陕西师范大学 西北历史环境与经济社会发展研究院，陕西 西安 710062)

基于GIS空间分析，采用2000年、2005年、2010年、2013年4期Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，提取西安市4期的建设用地，通过象限分析法、同心圆分析法，以扩展强度、分形维数等扩展指标分析西安市近年建设用地的扩张特征，并从经济效益、社会效益及环境效益三个方面对西安市建设用地扩张效益进行评价。结果表明：2000—2013年西安市建设用地扩张较快，年均增长率高达5.81%，尤以2010—2013年扩张最快，扩展方向主要集中于南、北、西北，扩展范围集中于以钟楼为中心的6～18 km处。14年间西安市的经济效益较好，在2005—2010年达到最高；社会效益较低，建设用地扩张快于人口扩张，在2010—2013年城市规模弹性系数高达5.12；环境效益呈下降趋势，热岛区在建设用地扩展的中低速区、中高速区及高速区分别扩展了0.41倍、3.45倍、6.41倍。

建设用地；扩张特征；经济效益；社会效益；环境效益

改革开放以来，我国城市化进程发展迅速，城市化水平由1978年的17.9%提升到2011年的51.27%，我国进入了城市化发展的关键阶段，其转移人口之巨、经济发展之快、城市土地扩张之速引起了国内外的广泛关注[1-3]。我国城市化速度惊人，但是其城市化质量却不容乐观[4]。相关研究认为，我国的城市化存在由政府主导并推动的现象，在“土地财政”、“以地生财”的刺激下，形成了目前的高城市化率及城市蔓延，这种“驱赶型城市化”造成了土地城市化快于人口城市化、城市用地粗放式发展、社会非公平、耕地迅速流失等一系列问题[1,5-6]。由此，紧凑城市、精明增长、城市发展边界等成为研究热点，政府也出台了相关政策加以遏制，包括1997年冻结审批新增城市建设用地一年，2014年11月西安等14个城市划定城市扩张“红线”，将易被占用的优质耕地优先划为永久基本农田。因此，探索城市蔓延态势、评价城市用地效益对于城市合理扩张、推动城市可持续发展具有重要意义。

目前,对于城市扩张的研究主要集中于城市扩张的特征、模式、驱动力、扩展预测及模拟等内容[7-11]，而对于城市扩展的合理性评价相对缺乏，也少见对于城市内部的空间分析；研究区域主要为东部沿海发达城市[12-14]，而对于近年来城市化速度较快的西部城市研究较少；研究的时间尺度集中于2010年以前，而城市的扩张在2010年后又呈现出新的特点。本文以西安市市区(2013年行政区划标准)作为研究对象，选取2000年、2005年、2010年、2013年的遥感影像，分析西安市建设用地扩展特征，并从经济效益、社会效益及环境效益三个方面评价西安市建设用地扩展的合理性。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

截至2013年，西安市共辖9区4县，其中的9区(新城、碑林、莲湖、灞桥、未央、雁塔、长安、临潼、阎良)囊括了西安市的主城区，即为本文的研究区。作为辐射西北地区的金融、科技、教育、旅游、商贸中心，西安市1978—2013年GDP年均增长率为17.38%，至2013年GDP达4 884.13亿元(现价)，形成了以高新技术产业、装备制造业、旅游业、文化产业、现代服务业为支柱的五大主导产业。

2.2 数据来源与处理

选取西安市2000年9月17日ETM+影像、2005年6月19日及2010年6月17日TM影像、2013年9月13日Landsat8 OLI影像，轨道号均为P127R36。对影像进行几何精校正后，以西安市九城区矢量边界提取研究区范围。于ENVI 4.8软件平台上运用最大似然法对影像进行监督分类及目视解译，为了分类的精确性，将土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地；考虑灞河流经西安，对西安市城市扩张形态存在影响，最后归并成建设用地、水域、植被三大类。参考同期谷歌地图影像，随机选取140个以上的样本点进行精度评价，计算分类误差矩阵及Kappa系数，4期影像的综合分类精度分别为84.62%、85.71%、82.27%、85.75%。于ArcGIS 10.1软件平台中将解译获得的4期建设用地进行叠加，获得2000—2013年西安市城市建设用地扩展图(图1)。同时，还收集了《西安统计年鉴》、《西安年鉴》的社会经济数据以及西安市2000年、2013年三环以内的地表温度反演图，以探究西安市建设用地扩张时空变化的效益。

2.3 研究方法

2.3.1 象限分析法 象限分析法是研究城市建设用地空间格局变化的常用方法之一，能直观反映城市在不同方位的扩展演化进程，通过叠加不同方位不同时期的建设用地图斑，进而分析建设用地的扩展强度、分形维数等时空扩张特征及规律。本文以西安市钟楼为中心，以刚好能囊括西安市连片主城区并与行政边界相切的17 km为半径，以正北为起点，将研究区均分成夹角为45°的8个象限，与各时期建设用地图斑叠加后计算不同象限中建设用地的相关扩展指数来分析西安市2000—2013年间城市建设用地扩张方向特征。

2.3.2 同心圆分析法 同心圆分析法能够反映建设用地随距离变化的空间格局特征，尤其能反映“摊大饼”式发展城市的圈层扩张特点。同心圆分析法是指以研究区中心为圆心，以等间距增长的半径构造多个相互嵌套的缓冲环，并与各时期建设用地图斑进行叠加，获得不同缓冲环的建设用地扩张信息。本文以西安市钟楼为圆心，以2 km为间距，生成能覆盖西安市主城区的9个缓冲环，并与4期时相的西安市建设用地进行叠加，从而分析西安市建设用地随距离变化的扩张特征。

2.3.3 扩展速度及扩展强度指数 扩展速度和扩展强度指数均为描述土地利用数量变化的指标，表征各类用地在不同时期扩展的强弱快慢。扩展速度表示某一时期内某一类用地的平均扩展面积，即绝对扩展；扩展强度则为某一时期内某一类用地的面积增长比率，即相对扩展。其表达式[9]分别为

(1)

(2)

式中，Vu表示建设用地扩展速度指数，Ru表示建设用地扩展强度指数，Sa表示研究期前建设用地面积，Sb表示研究期末建设用地面积，T表示研究时段。

2.3.4 分形维数 城市的空间扩张形态具有自组织、自相似和分形生长的特点，所以分形维数被广泛应用于城市空间形态的研究中，其能客观反映城市边界的曲折性和复杂性。表达式为

(4)

式中，D(t)表示时间为t的分形维数，C(t)表示时间为t时城市边缘周长，A(t)表示时间为t时城市面积。城市的分形维数的理论值为1～2，维数越大表示建设用地的边界越复杂，当维数<1.5时，说明城市边界简单，整齐规划，用地紧凑节约；当维数>1.5时，则城市边界趋于复杂；当维数=1.5时，说明城市边界处于随机运动状态。

3 结果分析

3.1 扩展特征分析

3.1.1西安市城市扩展总体概况 根据遥感解译结果，利用GIS技术提取西安市各时期建设用地的分布及面积信息(图1)，可见西安市在工业化、城市化的推动下，建设用地扩张迅速。2000—2013年间，西安市建设用地扩展了0.76倍，扩展面积309.03 km2，年均扩展速度23.77 km2/a，扩展强度5.81%。

14年间建设用地扩展呈现阶段性特征，空间形态日趋破碎。2000年，西安市建设用地面积为409.06 km2，主要集中于五区(碑林区、莲湖区、新城区、雁塔区、未央区、灞桥区)，分形维数为1.26，说明西安市外部形态较简单规整。2000—2005年扩展幅度较大，建设用地增加了72.27 km2，扩展速度为14.45 km2/a，扩展强度高达3.53%，增加用地分布于城市周边，主要集中于西南方向，分形维数提升至1.46，城市形态向复杂化发展，边缘破碎。2005—2010年，扩展幅度放缓，建设用地扩展了40.70 km2，扩展速度降至8.13 km2/a，扩展强度降至1.69%，增加用地主要集中于城市的南郊与西郊，分形维数降至1.43，城市形态较稳定。2010—2013年间扩展幅度回升，建设用地增加了196.06 km2，扩展速度高达65.35 km2/a，扩展强度为12.52%，增加用地主要分布于西北部及南部，分形维数回升至1.46，城市形态进一步破碎化，有向外扩张的趋势。

图1 2000—2013年西安市建设用地扩张Fig.1 Construction land expansion in Xi′an city from 2000 to 2013

3.1.2 西安市建设用地扩展的空间分异特征 象限分析结果(图2)表明，西安市城市扩张具有明显的集中集聚和方向性特点，城市扩张方向在2000—2010年主要集中于西南方向，与高新技术开发区一致；而2010—2013年则主要集中于西部和北部。2000—2005年，1、5、6象限(东北、西南方向)相对变化率均大于1，扩展强度较大，年均扩展速度分别为1.67、3.21、2.19 km2/a；2005—2010年，整体扩展幅度放缓，主要集中于4、5、6象限(南、西南方向)；2010—2013年，扩展幅度提升较快，主要集中于1、7、8象限(北、西北方向)，扩展速度高达7.37、7.40、8.94 km2/a。

图2 2000—2013年西安市建设用地扩张象限分析结果Fig.3 The quadrant analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013

在同心圆分析结果(图3 )中可以发现，西安市建设用地扩展存在圈层结构特征，属于“摊大饼”式扩张模式。2000—2013年，西安市建设用地扩展主要集中于6～18 km处，并在12～14 km形成一个顶峰，在2～6 km的区域由于建设用地已经趋于饱和，建设用地增长缓慢。2000—2005年，增长面积最多、扩展速度最快、扩展强度最大的均为10～12 km之间；2005—2010年，扩展面积最大的仍然是10～12 km处，但扩展强度最大的向外移至14～16 km处；2010—2013年，8～18 km之间建设用地扩展大幅度提升，扩展中心回移至12～14 km处，年均扩展速度为13.15 km2/a，扩展强度高达36.36%，此间西安市一方面进行了大面积的城市内部填充，另一方面向外围也进行了快速扩张。12～16 km之间，大致为西安市的二、三环之间。

图3 2000—2013年西安市建设用地 同心圆分析结果Fig.3 The buffer analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013

西安市建设用地扩展的南北缓慢延伸、西北跨越发展的时空分异特征与政治、经济因素密不可分。西安市作为历史文化名城、西部中心城市，树立了建设具有历史文化特色的国际性现代化大城市的目标。为了保护遗址，西安市选择水平扩展方式发展，故城墙及周边地区及位于西北、东南方向的汉长安城、杜陵遗址城市用地扩展缓慢。另外，西安市调整产业布局、退二进三的政策，即搬迁二环路以内及二环沿线工业企业至工业园，使得二、三环之间成为主要的扩展区域。同时，在西部大开发(1999年)、西咸一体化(2002年)、关中-天水经济区(2009年)等一系列政策的推动下，“大西安”的城市空间扩展方式的出台，并且规划了“一轴、一河、两带”的主城区空间结构，初期在南北方向延伸，包括高新区、经济开发区、曲江新区的开发区建设及长安区的西部大学城建设；后期，为了实现西咸一体化建设，发展方向主要向西。随着西安市人民政府的北迁(2011年)，城市中心逐渐北移，故在2010—2013年城市北部扩张迅速。

3.2 效益分析

城市的用地效益可以分解为经济效益、社会效益和环境效益。由于目前采用的综合效益法均涉及指标权重的确定，而在此过程中或多或少受到主观因素的影响，故本文选择单一指标评价方法来分别评价西安市建设用地的扩张效益。

3.2.1 经济效益 城市建设用地的产出主要源自二、三产业的迅速发展，相较于GDP产值，二、三产业的产值与城市建设用地经济产出更加吻合[15]。本文选择以建设用地与第二、三产业增长弹性系数来评价西安市建设用地的经济效益(表1)，表达式为

(5)

式中，K表示建设用地与第二、三产业增长弹性系数，V表示t时间段内的第二、三产业增长速度，V′表示t时间段内建设用地增长速度。当K=1时，表示建成区扩张速度与经济增长速度持平；当K>1时，表示经济增长速度快于建成区扩张速度，即城市扩张可促进用地效益提高，建设用地紧凑式发展；当K<1时，表示经济增长速度慢于建成区扩张速度，即城市扩张导致用地效益下降，建设用地利用方式粗放。

表1 西安市2000—2013年二、三产业增长弹性系数Tab.1 The elastic coefficient of secondary and tertiary industries of Xi′an city from 2000 to 2013

注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。

由表1可知，2000—2013年中，西安市九区建设用地年均增长率高达5.81%，而二、三产业的年均增长率为17.64%，故其建设用地与二、三产业增长弹性系数为3.03，即新增建设用地扩张可以促进经济效益提高，属于合理扩张。14年中，西安市建设用地扩张呈现快—慢—快的增长模式，而二、三产业的增长却与之相反，从而使得西安市建设用地与二、三产业增长弹性系数在2005—2010年达到最高值，在2010—2013年达到最低值。可见，西安市建设用地在控制增长的情况下，其经济效益仍有较大的提升空间。

就具体的区域而言，仅未央区与长安区在2010—2013年间建设用地与二、三产业增长弹性系数K<1，属于建设用地利用粗放，经济效益较低；其他区域在2000—2013年间建设用地与二、三产业增长弹性系数均K>1，属于合理扩张，经济效益较好。尤其在2005—2010年间，新城区、碑林区、莲湖区、灞桥区由于建设用地趋于饱和，增速趋于0 ，但是其二、三产业产出却仍保持在年均增速19%以上的较高水平，故其建设用地与二、三产业增长弹性系数趋于无穷。

3.2.2 社会效益 社会效益的评价主要以人为核心，而城市的社会效益则是指城市的发展是否与当地人口的物质文化需要一致。本文选取了城市用地规模弹性系数来表征西安市建设用地的社会效益(表2)，其表达式为

(6)

式中，P表示城市用地规模弹性系数，VU、VP分别为建设用地和城市人口年均增长率。当P=1.12时，表示城市扩张与人口增长基本同速，当P<1.12时，表示建设用地扩张慢于人口扩张，人均用地有减少趋势，用地效率提升；当P>1.12时，表示建设用地扩展快于人口扩张，人均用地有增加趋势，用地效率降低。

表2 西安市2000—2013年城市用地规模弹性系数Tab.2 The elastic coefficient of urban land use scale of Xi′an city from 2000 to 2013

注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。

西安市2000—2013年城市用地规模弹性系数为1.90，属于城市扩张快于人口扩张，用地效率呈下降趋势，而其主要的贡献来自于2010—2013年的快速城市扩张，其城市用地规模系数高达5.12，城市扩张速度远远高于人口扩张。而就具体的地区而言，2000—2005年，城市扩张合理的有新城区、碑林区、莲湖区、灞桥区、雁塔区、阎良区和长安区，而城市扩张快于人口扩张的有未央区和临潼区；2005—2010年，仅阎良区和长安区城市扩张速度过快，其他城区均属于合理扩张；2010—2013年，碑林区由于人口出现负增长，其城市用地规模弹性系数为负值，属于合理扩展的有新城区、碑林区、莲湖区、长安区，而灞桥区、未央区、雁塔区、阎良区和临潼区则属于城市扩展过快，其中尤以阎良区和临潼区最为明显，建设用地扩展速度远远快于其人口扩展速度。

3.2.3 环境效益 城市热岛效应是城市扩展的直接结果，其引起的热量环境的改变，影响到城市生态系统的物质流和能量流，以及城市生态系统的结构和功能，包括气候、水温、空气质量、城市土壤理化性质、城市生物分布、城市居民健康等[16]。本文以探究西安市城市地表温度变化与建设用地扩展速度的关系来定量分析西安市14年间的环境效益。

基于西安市2000年、2013年三环以内地表温度反演图，以自然间断点分级法将地表温度划分为5级，分别为低温区、次低温区、中温区、次高温区、高温区。将西安市14年间建设用地扩展面积与1 km×1 km网格进行叠加，并根据相等间隔法划分为低速区、中低速区、中高速区与高速区，与地表温度反演图进行叠加，从而分析西安市建设用地14年间在不同扩展速度下其地表温度的变化状况。由图4可见，14年间，在低速区，低温、中温及高温区域都有不同程度的扩张，低温区扩张了80.99%，中低温区扩张了81.05%，高温区提升了2.42%，但次低温下降了30.30%，涉及热岛区的次高温区下降了24.40%；在中低速区，仅次低温下降了61.95%，其他区域均呈扩张趋势，尤其是次高温及高温区，分别扩张了1.12倍、4.66倍；在中高速区，低温区、次高温及高温区扩张明显，分别扩张了2.89倍、2.71倍、11.33倍，而次低温缩小了45.61%；在高速扩展区域，热岛扩张更加明显，次高温及高温区域分别扩张了5.48倍、14.26倍，低温区的扩张也高达12.87倍，而次低温及中温区分别下降了50.47%、15.13%。而影响到城市环境效益的热岛区(次高温区+高温区)，14年间在西安市建设用地扩展低速区下降了68.69%，在中低速区提升了40.59%，在中高速区扩展了3.45倍，在高速区扩展了6.41倍。

图4 西安市2000—2013年不同扩展速度下地表温度变化

Fig.4 The surface temperature under the different expansion speed of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013

14年中，西安市三环区域内，热岛面积扩张了10.44%，主要的贡献率来自于中高温区的大幅度提升，而中高温扩张的区域主要集中于中高速区与高速区，分布于城市边缘，主要位于西北郊及东北郊。在城市用地不同的扩展速度下，热岛效应与扩展速度存在一定的正相关关系。西安市应该严格控制城市建设用地速度，提高建设用地效率。

4 结论

作为世界城市化发展最快的地区，中国的城市扩展模式别具一格，同时存在显著的地区差异。通过对西安市建设用地扩展特征及用地效益的研究，为西部城市化特征的建设用地扩张及效益提供更多参考。本文基于Landsat四期影像，通过象限分析法、同心圆分析法探讨了西安市2000—2013年城市建设用地扩展特征。选取了最主要的评价指标，试图以城市建设用地扩张特征为基础，探讨伴随城市化而来的经济要素、社会要素和环境要素的效益状况，从而探讨城市扩张合理性。主要结论有：

(1)2000—2013年西安建设用地扩展速度经历了先快后慢再快的过程；扩展方向先是集中于南北，后主要集中于西北；扩展区域主要集中于距离钟楼的6～18 km范围内。这种扩展特征与西安市城市规划、政策、人口及经济发展关系密切。

(2)2000—2013年西安市建设用地扩张的经济效益整体较高，尤以2005—2010年间最为突出，在建设用地增速放缓的情况下，二、三产业产值反而快速提升，建设用地经济集约水平达到较高层次。而在建设用地快速扩张的2010—2013年，西安市建设用地扩张的经济效益普遍下降。说明西安市提升建设用地经济效益的空间较大，在严格控制建设用地增长的情况下，存在仍能保持经济效益良好的可能性。

(3)2000—2013年西安市建设用地增速快于人口增速，属于土地快速扩张型，土地城市化快于人口城市化，社会效益不高，尤以2010—2013年最为严重，城市用地规模弹性系数高达5.12。

(4)2000—2013年西安市建设用地扩张的整体环境效益呈下降趋势。14年间热岛面积扩张了10.44%，热岛区在建设用地的低速扩展区下降了68.69%，在中低速区提升了40.59%，在中高速区扩展了3.45倍，在高速区扩展了6.41倍。

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〔责任编辑 程琴娟〕

Analysis of characteristics and benefits of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013

ZHAO Shengnan，REN Zhiyuan*，ZHANG Han，LI Boyan, WU Linxiao

(1 School of Tourism and Environment Sciences, Center for Land Resources Research in Northwest China, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China；2 Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development,Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, Shaanxi, China)

Based on the spatial analysis of GIS, the Landsat images were used to extract the urban boundary of Xi′an city in 2000, 2005, 2010 and 2013, the characteristics of Xi′an city were explored by quadrant and buffer analysis and the efficiency of economic, social and environment were evaluated. The study showed that the sprawl of construction land in Xi′an city was rapid from 2000 to 2013, and the speed was fastest in 2010—2013. The average growth rate is 5.81%. The south, north, northwest is the main extension direction, and 6～18 km from the bell tower is the rural expansion scope. The economic efficiency of urban sprawl in Xi′an city was very well, on the contrary, the social and environment efficiency declined over the past 14 years.It reflected that the construction land expansion faster than population expansion and the heat island area expand rapidly, especially in the high-speed urban sprawl zone. Key words: construction land; sprawl characteristics; economic efficiency; social efficiency; environment efficiency

1672-4291(2015)04-0089-07

10.15983/j.cnki.jsnu.2015.04.442

2015-03-30

教育部人文社会科学重点研究基地项目(14JJD840004)；国家自然科学基金(41371523)

赵胜男，女，硕士研究生，主要研究方向为国土资源与GIS。E-mail：shengnan@snnu.edu.cn

*通信作者：任志远，男，教授，博士生导师。E-mail：renzhy@snnu.edu.cn

F293.2

A