昆明市建成区动态扩展研究

董 磊，王崇云，彭明春，杜建海

(1.云南省林业调查规划院，云南 昆明 650051；2.云南大学生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091； 3.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

城市化(Urbanization)是人类对生物圈影响最为强烈的行为之一，城市扩展是城市化进程的直接表现[1]。目前，城市人口剧增，预计到2025年全球城市人口将达到人口总数的65%，城市扩展正在以惊人的速度席卷全球[2]。改革开放以后，我国城市化进程高速发展，并且这一态势还会持续相当长的一段时期[3]。快速的城市化进程，除了带来GDP的高速增长外，还带来了一系列问题[4]。面对城市迅速而又复杂的扩展变化，及时、准确地掌握城市景观扩展过程中空间形态的演化趋势，讨论城市空间的发展规律，成为急需解决的问题[5,6]。卫星遥感影像具有客观性、周期性、宏观性等特点，被广泛应用于土地利用变更调查、环境变化监测、城市扩张动态监测等领域[7]。近年来，国内外学者纷纷运用地理信息系统(Geographical Information Systems, GIS) 和遥感(Remote Sensing, RS) 技术对城市空间扩展进行研究[8,9]，但多数研究对象为北方平原、长江三角洲平原、沿海地区等地势较为平坦的地区[10-13]。西部地区城市多处于高原平坝、高山河谷、荒漠绿洲地区，对这些城市的研究相对较少，而这些地区又是生态环境较为脆弱和敏感的地区[14]，城市发展面临更大的生态压力。因此，对西部城市扩展时空特征进行及时和持续地分析，有利于对区域可持续发展和生态文明建设进行科学预测和指导。

作为面向东南亚和南亚的人流、物流、信息流和资金流的重要集散地，昆明市迎来了建设区域性国际化大都市的历史机遇。然而，高原平坝区城市发展受复杂的地形地貌条件制约，城市扩展不同于东部平原城市。本文以昆明市建成区为研究对象，基于多时段卫星遥感影像资料，研究分析：1)流域36年间(1974—2010年)城市建成区扩展时空特征，2)城市扩展强度和方向性的动态变化，3)城市扩展的形态变化，以期揭示西部高原平坝区城市建成区动态扩展特征，为城镇化发展和城市规划建设提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆明市地处云南高原中部，是云南省的省会城市，国家一级口岸，是通向东南亚、南亚的重要交通枢纽(图1)。城市建成区坐落于滇池流域。市中心海拔 1 890 m，三面环山，南濒滇池，属低纬度高原山地季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，素有“春城”之美称。据建国以来的气象资料统计，昆明年均气温14.5℃，最热月(7月)平均气温19.7℃，最冷月(1月)平均气温7.5℃，年温差12～13℃。全年降水量约 1 030 mm，相对湿度为74%，湿气不大，全年无霜期近年均在240 d以上。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study areas

1.2 数据与处理

选用1974—2010年的5期遥感影像作为研究的基础数据(表1)。影像校正利用遥感图像处理软件ERDAS IMAGINE 9.1，以1∶5万数字栅格地图(Digital Raster Graphic，DRG)为基准，以及1∶5万地理信息基础数据(水系、高程、居民点等)对影像进行几何校正。选用二次多项式校正函数，每景影像选取30个控制点，校正误差控制在1个像元之内，最后选用双线性插值法进行重采样，栅格大小为30 m×30 m。

表1 遥感数据一览

土地利用分类系统的选择对影像解译结果的精确性有重要影响[15]。由于本文土地利用数据的获取来自于多源影像，且影像空间分辨率不一，为了便于分析，对影像进行了重采样，并且参照《土地利用现状分类(GB/T 21010- 2007)》[16]和中国科学院制定的土地资源分类系统[7]，结合研究区内实际情况，将土地资源统一划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、其他用地等6个一级类，采用面向对象(Object-based)影像解译方法，遥感分类软件为eCognition Developer 8.64.1。

1.3 城市建成区边界提取

从理论上说，城市建成区界线应该大体上就是城乡分界线，但实际上远非如此，因为从城市到乡村是渐变的、交错的[17]。城市建成区边界的提取应遵循城市在空间上的连续性原则，将城区范围内部较小的非城市用地的地块以及城市内部的水体都划分到城市范围内。

参照陈本清[18]等人的方法对图层进行二值化赋值。将昆明市5个时相的城市建成区数据进行叠加运算，最后得到包含5个时相的城市建成区专题灰度图像(图2)。通过对城市建成区二值形式的处理，可以更加直观明了地看出城市建成区的动态变化过程。

1.4 城市建成区空间扩展特征提取

选取空间重心转移、扩展速率和强度作为城市建成区空间扩展特征的分析指标。

空间重心：指对象的几何空间中心，是描述地理对象空间分布的一个重要指标，常用于城市演变、土地利用类型的变化研究[9,19]。重心的偏移角度和距离代表了城市建成区扩展的方向和幅度。为了研究建成区空间扩展特征，本文采用Zhang[20]等人在其矢量景观理论中对于单个地理对象的空间重心理论进行研究。

城市用地扩展速率(Mt+1)：研究区内城市建成区扩展面积的增长速率，用来衡量城市用地扩展的规模。

城市用地扩展强度指数(It+1) ：研究区内城市土地利用扩展面积占其土地总面积的比率。

为了使不同时期城市建设用地扩展的速度具有可比性，对其年平均扩展速度进行标准化处理[21,22]。

(1)

(2)

式中：Ut+1表示t+1时的建成区面积；Ut表示t时的建成区面积；△t表示时间t与t+1间的时间跨度。

1.5 城市建成区空间形态特征提取

城市外围轮廓形态的形成是城市用地不断扩展的结果。外围轮廓形态的变化则是城市生态系统的一个非常重要的特征，可用紧凑度指标来反映城市空间扩展的形态变化特征[23]，其公式如下：

(3)

式中：c为城市紧凑度，A为建成区面积，P为建成区轮廓周长。c值越大，说明城市形态越具有紧凑性；反之，城市形态的紧凑性较差。

由公式可以看出，圆是形态最紧凑的图形，其紧凑度为1；对于不规则狭长的形状而言，c值远远小于1。

分形维数是描述分形特征的重要指数，同时是表征事物自相似性的定量指标之一，其数值的大小可以反映事物形态的复杂性与稳定性[24,25]。城市有着复杂的、非线性的空间形态，具有自组织、自相似和扩展的能力[26]，因此分形维数可以较好地研究城市空间的形态特征。空间的分形维数可以描述城市边界形状的复杂性，反映出土地利用形状的变化及土地利用受干扰的程度。对于城市形态分形的研究主要有3种测算方法[27]，本文采用周长—面积法[22,28]计算城市形态分形维数St。

St=2ln(Pt/4)/ln(At)

(4)

式中：St为t时期城市斑块的分形维数；At，Pt分别是t时期城市斑块的面积和周长。St的理论范围在 1～2之间，St值越大表示图形形状越复杂。当St﹤1.5时，说明图形趋向于简单；当St=1.5时，表示图形处于布朗随机运动状态，越接近于该值，稳定性越差；当St﹥1.5时，则图形更为复杂。St=1.0代表形状最简单的正方形斑块，St=2.0表示等面积的情况下形状最复杂的斑块。

2 结果与分析

昆明市建成区范围在36年间面积从1974年的 2 211.5 hm2增加到2010年的 44 755.1 hm2(表2)。

建成区范围从1974年局限于环城路内，此后开始向各个方向扩展，到2010年时，建成区出现了向正东方向以及东南方向迅速扩展的趋势。

表3 不同年份建成区重心坐标

由表3可知，1974—1992年建成区重心偏移方向与正东方向夹角β1974—1992为0.54°，重心偏移距离D1974-1992为1.4 km；1992—2000年，β1992—2000为179.39°， D1992—2000为1.1 km；2000—2006年，β2000—2008为34.85°，D2000—2004为1.1 km；2006—2010年，β2000—2010为45.02°，重心偏移距离最大，为 5.5 km。由此可见，城市重心的空间转移表现为由东→西→东南→东南。1974—2006年，滇池流域城市重心基本稳定在东经102°70′～102°72′，北纬25°03′～ 25°05′范围，而到2010年，城市空间重心整体向东南方向大幅度移动，移至东经102°76′，北纬25°00′。

城市用地扩展的速率和强度是研究城市扩展特征的重要指标。1974—1992年，城市的扩展速率M1974-1992最低，为8.98%。2006—2010年的城市扩展速率β2006-2010最高，为25.48%(图3)。这36年间，城市的扩展速率整体是上升的，只是2000—2006年略有减缓。扩展强度的变化与扩展速率的变化具有一致性，1974—1992年和2006—2010年的扩展强度(I)分别为3.43和12.62，滇池流域城市建成区扩展强度在36年间增长了近4倍(图3)。

图3 建成区扩展速率和扩展强度Fig.3 Expansion rate and intensity of urban built-up area

在1974—2010年的36年里，滇池流域城市的紧凑度(c)均远低于1(图4)。紧凑度最高的1974年也仅为0.214 1。1974—2000年，紧凑度呈缓慢下降趋势；2000—2006年略有上升；2006—2010年骤然下降。紧凑度的变化与城市扩展速率的变化有着一致性，由于城市总体上均在向外扩展，所以城市的紧凑度不高。城市紧凑度的提高有利于城市内部各部分间“流”的交换，同时也是对城市内部空间的优化过程，提高了城市的效率，从而降低城市的管理成本，这一点在2000—2006年表现较为明显。与此同时，该时段城市扩展速率趋于缓慢，该时段城市扩展以内部填充式发展为主。2006年后，随着新一轮城市扩展的开始，紧凑度又开始下降。

城市有着复杂的、非线性的空间形态和内在的自组织、自相似和分形生长的能力。这意味着城市空间形态演变可能受到某种隐含规则的支配。36年来，滇池流域城市建成区面积共增加了 42 544 hm2，即共有 42 544 hm2的其他土地利用类型转化为城市建设用地。1974—2010年间的分形维数(S)均小于1.5，但是数值波动依然明显。这说明城市形态的整体发展还是趋于简单的，但是总的趋势是由简单向复杂发展。不同年份的发展过程表现出了稳定性差，随意性大的特点。其中1974年分形维数的值最小，仅为 1.168 0，城市边界形状最简单。1974—1992年，滇池流域城市建成区向外扩张的稳定性相对较高。2000—2006年，分形维数的下降说明该时期城市没有明显的扩展，边界形状没有较大的变化。2006年后分形维数又开始上升，2010年建成区分形维数最大，为 1.220 9 (图4)。

图4 城市紧凑度和分形维数变化Fig.4 Changes of city compactness index and fractaldimension

3 讨论

昆明市建成区扩展格局经历了扩展—填充—再扩展3个阶段。

1)1974—2000年为城市扩展阶段。其中，1974—1992年，流域城市建成区呈放射性发展(图1)，这与周昕[29]的研究结论相一致。建成区分形维数和紧凑度一直呈缓慢变化的趋势，说明该时期城市建成区的扩展比较规整、有序，城市内部开始呈现同心圆的扩张趋势。从传统的计划经济向市场经济模式的转化过程中，逐渐加快了城市和外部经济的交流。1992—2000年，建成区紧凑度的突降和分形维数的激增是对应的，也就是说这一时期建成区出现无序扩展的趋势。1993年第一届中国昆明进出口商品交易会的成功举办以及3个国家级开发区的建设，使得昆明城市第三产业迅速发展，城市空间迅速扩大。1999年昆明世界园艺博览会的成功举办，为昆明市的发展注入了强心剂，建成区向四周蔓延式地增长，使城市人员、货物的流动以及环境、交通问题开始突出，城市边界形态的曲折和复杂性突然增加。

2)2000—2006年为城市填充阶段。这一时期城市的扩展强度和速度均有减缓。城市扩展趋于缓和，相应紧凑度和分形维数都转向平稳。1999年昆明世界园艺博览会导致的城市快速建设之后，城市进入了一个相对缓慢的发展时期，城市建设以内部填充为主。

3)2006—2010年为城市再扩展阶段。城市扩展强度和速度再次激增，旧城区改造和新城区建设齐头并进。2008年2月，昆明市委、市政府提出用5年时间完成昆明建成区内336个城中村的重建改造。这一期间，新城区的建设也在如火如荼地进行着。建成区南部迅速发展，集结了昆玉高速、贵昆、昆石高速、老昆石、昆洛等5条公路，解决了城市南部交通不便的问题。加之，以新亚洲体育城、世纪城、彼岸等为代表的新型住宅小区，其自建配套设施将大幅度改变滇池流域城市的发展方向。同时，呈贡大学城的建设、新昆明市政府办公区的建设与搬迁，都推动着呈贡新区建设的步伐，建成区大跨步向东南方向发展。

昆明市建成区的扩展方式与平原城市既相同又相异。相同点是城市核心区都表现为同心圆式扩张，这与国内大多数中心城市发展的模式是一样的[30,31]。昆明目前的同心圆已经扩展到直径约16 km，这种密集型圈层拓展模式将比平原城市引发更为严重的环境、交通问题[29]。昆明市核心区以外的区域则受地形限制的影响十分严重，三面环山，南濒滇池，这点又与平原城市不同。由于核心区建成时间较为久远，当时缺乏完善的公共交通体系，尤其是公共轨道交通，造成了核心区道路较为狭窄，楼宇之间的距离较近，这同样也是国内大多数城市面临的主要问题。随着昆明市建成区轨道交通的建设，势必将对城市的规划发展和居民的出行方式带来变革。

作为我国与东南亚、南亚联系的桥头堡和滇中经济圈崛起的核心[32]，昆明的区位优势和国家给予的城市定位决定了其必然由目前的中等规模省会城市向大城市的方向发展。传统的单中心同心圆式的空间拓展模式使城市的许多种功能混合在一起，不利于城市内部“流”的交换，随之而来的是密集的城市核心区人居环境恶化、交通负担增加、城市综合竞争力明显下降。因此，在城市规划中需遵循从圈层式扩展形态走向轴间发展形态，最后形成带状增长形态的发展规律[29,33]。目前，昆明建成区的扩展方向体现了这一趋势，从以翠湖为中心向四周发展形成的“一主四副”向以滇池为中心的“一湖四片”跨越式发展，但城市功能的完善仍面临诸多挑战。

4 结论

从1974年起，昆明城市重心先后经历了向东，然后转向西，最后再转向东南的扩展特点，其中2006—2010年，城市重心在4年时间里向东南方向转移了5.5 km，城市扩展的速度和强度均有逐年增加的趋势。1974—2000年，城市的紧凑度在逐渐下降，期间城市空间扩展明显，但对土地利用的合理性重视不够。此后，城市对土地的开发利用趋于复杂化和多元化。由于滇池盆地的面积有限，因此，城市发展需要开拓新的扩展空间。2006—2010年，紧凑度和分形维数分别大幅度下降和上升，表明城市扩展出现了新的拓展空间。

目前，城镇化进程使昆明市处于快速发展时期，城市建设面积迅速扩展，城市空间形态演变剧烈，大规模的旧城区改造与新城区建设齐头并进。城市结构由圈层拓展向轴向拓展转变，由单一中心向多中心转变。南部呈贡大学城的建设、新昆明市政府办公区的建设与搬迁，北部昆明新机场的建成使用，城市建成区将形成新的南北轴向发展。随着呈贡新城区的发展，城市功能区不再仅仅依靠原有的主城区，城市景观建设由“翠湖时代”逐步向“滇池时代”过渡。此外，云南“城镇上山”政策的出台，将使城市发展面临新的机遇与挑战。城市发展增加了滇池流域内固化下垫面的面积，将使得城市面源污染问题加重[34]。作为西南地区重要城市之一，昆明城市发展也将为西部山地城镇化进程提供指导和借鉴。

[1] TIAN G J，LIU J Y，XIE Y C，et al. Analysis ofspatio-temporaldynamic pattern and driving forcesof urban land in China in 1990susing TM images and GIS[J].Cities，2005，22(6)：400-410.

[2] ZHOU X L，WANG Y C. Spatial-temporal dynamics of urban green space in response to rapidurbanization and greening policies[J]. Landscape and Urban Planning，2011，100(3)：268-277.

[3] 冯俊新.中国城市化所处阶段分析—基于面板数据非线性模型的跨国比较分析[J].清华大学学报(哲学社会科学版)，2004，21(S1)：38-44.

[4] ZHAO S Q，DA L J，TANG Z Y，et al.Ecological consequences of rapid urban expansion: Shanghai, China[J]. Frontiers in Ecology and the Environment. 2006，4(7)：341-346.

[5] 姚士谋，李昌峰，管驰明.城市化问题急需数学思维[J].城市规划汇刊，2000(2)：60-61.

[6] 谈明洪，李秀彬，吕昌河.我国城市用地扩张的驱动力分析[J].经济地理，2003(5)：635-639.

[7] 刘纪远，张增祥，庄大方，等.20世纪90年代中国土地利用变化时空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，22(1)：1-12.

[8] WILSON E H.，HURD J D.，CIVCO D L.，et al. Development of a geospatial model to quantify, describeand map urban growth[J].Remote Sensing of Environment，2003，86(3)：275-285.

[9] 李明财，郭军，熊明明.基于遥感和GIS的天津建成区扩张特征及驱动力[J].生态学杂志，2011，30(7)：1521-1528.

[10] 牟凤云，张增祥，迟耀斌，等.基于多源遥感数据的北京市1973—2005年间城市建成区的动态监测与驱动力分析[J].遥感学报，2007，11(2)：257-268.

[11] KONG F H，NAKAGOSHI N. Spatial-temporal gradient analysis of urbangreen spaces in Jinan, China[J]. Landscape and Urban Planning，2006，78:147-164.

[12] ZHANG L Q，WU J P，ZHEN Y.A GIS-based gradient analysis of urban landscapepattern of Shanghai metropolitan area, China[J]. Landscape and Urban Planning，2004，69:1-16.

[13] 马跃良.广州市城区空间扩展遥感监测及驱动力分析[J].国土与自然资源研究，2009，3：8-10.

[14] 张力，周廷刚，李成范，等.特大型山地城市动态扩展的遥感研究[J].遥感技术与应用，2009，24(1)：77-81.

[15] LU D S，WENG Q H. A survey of image classic cation methods and techniques forimproving classic cation performance[J]. International journal of Remote sensing，2007，28(5)：823-870.

[16] GB/T 21010- 2007，中华人民共和国国家标准[S].

[17] 周一星.城市地理学[M].北京：商务印书馆，1995.

[18] 陈本清,徐涵秋.城市扩展及其驱动力遥感分析—以厦门市为例[J].经济地理,2005，25(1)：79-83.

[19] 匡文慧，张树文，张养贞，等.1900年以来长春市土地利用空间扩张机理分析[J].地理学报，2005，60(5)：841-850.

[20] ZHANG S Q，ZHANG J Y，LI F. Vector analysis theory on landscape pattern (VATLP) in SanJiang Plain Marsh, China[J]. Wetland Science，2004，2(3)：161-170.

[21] 刘盛和，吴传钧，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用扩展模式[J].地理学报，2000，55(4)：407-416.

[22] 刘雅轩，张小雷，雷军,等.新疆绿洲城市扩展与空间形态变化分析[J].水土保持学报，2009，23(6)：252-256.

[23] 刘纪远,王新生,庄大方,等.凸壳原理用于城市用地空间扩展类型识别[J].地理学报，2003，58(6)：885-892.

[24] 徐建华,艾南山,金炯,等.西北干旱区景观要素镶嵌结构的分形研究—以黑河流域为例[J].干旱区研究,2001,18(1)∶35-39.

[25] 吴兵，葛昭攀.分形理论在地理信息科学研究中的应用[J].地理学与国土研究，2002，18(3)：23-26.

[26] 陈彦光.中国城市发展的自组织特征与判据—为什么说所有城市都是自组织的?[J]城市规划,2006,30(8)∶24-30.

[27] 陈彦光，罗静.城市形态的分维变化特征及其对城市规划的启示[J].城市发展研究，2006，13(5)：35-40.

[28] 牟凤云，张增祥，迟耀斌,等.基于多源遥感数据的北京市1973—2005年间城市建成区的动态监测与驱动力分析[J].遥感学报，2007，11(2)：257-268.

[29] 周昕.昆明城市空间形态演变趋势研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[30] 陈爽，刘云霞，彭立华.城市生态空间演变规律及调控机制—以南京市为例[J].生态学报，2008，28(5)：2270-2278.

[31] YE Q，Henderson M, MING, et al. Evolving core-periphery interactions in a rapidly expanding urbanlandscape: The case of Beijing[J]. Landscape Ecology，2004，19:375-388.

[32] 陆亚琴.昆明市建设面向东南亚和南亚地区国际化中心城市的优势与机遇[J].东南亚纵横，2011，3：60-64.

[33] 顾朝林，陈振光.中国大都市空间增长形态[J].城市规划，1994(6)：45-50.

[36] 孔维琳，王崇云，彭明春,等.滇池流域城市面源污染控制区划研究[J].环境科学与管理,2012,37(9):74-78.