地理国情普查成果在城市空间格局变化分析中的应用

熊长喜，窦小楠

(河南省基础地理信息中心，河南 郑州 450003)

地理国情是指那些与地理相关的自然和人文要素的国情，反映了一定时期内地理信息的发展和变化，如城市扩展、地表覆盖等方面的信息，因而具有明显的时间属性[1]。随着我国城市化进程的加快，及时了解和掌握城市空间格局变化信息及其时空演变规律，是城市科学规划与可持续发展的决策基础。高分辨遥感影像和基础地理信息数据是监测城市空间格局变化的最主要技术手段，自从我国开展地理国情普查与监测以来，城市空间格局变化监测已成为地理国情监测的一个重要组成部分[2]。张法等采用4个年份的高分辨率遥感影像，从城市扩展速度、扩展强度、紧凑度、分维数等方面对成都市的空间扩展进行了分析[3]；付治河采用8个年份的遥感影像，从空间密度、扩张数量、扩张速率等方面对郑汴一体化区域的城市扩展进行了监测分析[4]；田燕云等通过研究石家庄市5个历史时期地理国情要素的变化来实现对城市空间扩展数据精确的定量检测[5]；黎夏通过多时段土地利用地理国情数据，获取区域城市化发展的时空动态特征，为科学合理地制定区域城市发展政策服务[6]。

上述研究虽然取得了一定的效果，但由于这些方法主要基于建筑物、道路、自然景观等城市景观特征从高分辨率影像中提取城市边界，使得提取结果难以反映城市的真实范围。针对上述存在问题，本文以郑州市为例，基于地理国情普查与监测成果，以提取的交通网络、居民地与设施、地理单元等人文地理要素的类别、位置、范围作为城市空间格局变化因子，提取出城市建成区边界要素，并结合同时期的经济、人口数据，从地理空间角度分析研究城市综合实力和城市发展变化情况[7]，以及中心城区监测要素的演变机理与变化趋势，实现城市空间格局扩展变化的有效监测。

1 研究方法

1.1 研究区概况

郑州是中原经济区核心城市，国家重要的综合交通枢纽。近年来，随着中原城市群和郑州航空港区建设的加快，城市用地扩张迅速，空间格局变化十分明显。本文通过收集郑州市第一次地理国情普查成果与最新的基础性地理国情监测成果，提取2000、2005、2010、2015、2016年5个年份的城区边界，结合收集的专题资料对郑州城市格局变化状况进行分析研究，揭示城市城镇化发展历程、空间结构和布局演变过程，为城市进一步发展与科学规划提供技术支持。

1.2 源数据

使用的源数据主要有地理国情普查与监测数据、高分辨率卫星遥感影像及其他资料。地理国情普查与监测成果数据为郑州市2015年第一次全国地理国情普查成果和2016年地理国情监测成果，以及数字郑州地理空间框架建设成果、1∶10 000基础地理信息等数据成果。选择2000、2005、2010、2015、2016年5个年份的航空影像，以及SPOT5、WorldView等卫星影像(分辨率优于2.5 m)，并以2015年第一次全国地理国情普查标准时点核准影像成果作为参考影像，对其他4个时相的影像进行正射影像生产，作为城区边界和内部结构信息提取的源数据。

同时，搜集郑州市2000、2005、2010、2015、2016年的《中国城市统计年鉴》《中国城市经济年鉴》《中国人口统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》数据。

1.3 城市空间格局变化信息提取

依据先宏观再精细的研究思路，按照“行政界线”限定、“城市景观特征”符合原则[8]，本文基于郑州市国情普查与监测成果，从卫星遥感影像中提取2000、2005、2010、2015、2016年间的郑州市城区边界范围。具体技术步骤如下：

(1) 将2015年第一次全国地理国情普查标准时点核准影像成果与2010、2005、2000年多期数字正射影像进行空间叠加，从历史变迁的视角综合分析郑州市的整体布局和扩展情况。

(2) 将2015年的影像数据与第一次地理国情普查成果数据进行叠加，综合分析国情成果的人文要素，提取2015年的郑州市城区边界；同理，提取2010年、2005年和2000年的城区边界。

(3) 将2016年影像与2016年监测成果套合，提取2016年的城区边界。

1.4 城市空间格局变化研究策略

利用郑州市5个年份城区边界数据及城市扩展存在的时空差异，采用RS和GIS相结合方法分析不同形态类型的城市扩展模式，以城区扩展面积、扩展速度、扩展强度、地均人口、地均GDP、城市用地增长弹性系数等因子作为城市空间扩展统计分析指标[9]，对郑州市城区扩展变化进行统计分析研究。

2 郑州市城市空间格局扩展变化研究

选取郑州市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2016年4个年点的城市空间格局变化量，对城区面积与扩展、城市用地效率、城市空间扩展协调性、城市空间结构和形态变化4个方面进行分析研究，揭示郑州市历年的城市空间格局扩展及其变化规律。

2.1 城区面积及其扩展

城区面积扩展以5年的变化值作为分析单元，城区扩展速度是指某一时间段内城区面积的年增长速率[10]，而城区扩展强度则是指某一时间段内各城市城区面积相对于基期城区的年扩展比例，表示单位时间内不同城区扩展快慢的相对(比例)差异。

城区扩展速度的计算式为

Vi=ΔUij/(Δtj)·100%

(1)

式中，Vi为城市扩展速度；ΔUij为j时段第i个研究单元城区扩展面积；Δtj为j时段的时间跨度。

城区扩展强度计算式为

Ni=ΔUij/(Δtj·Mi)·100%

(2)

式中，Ni为城市扩展强度；ΔUij为j时段第i个研究单元城区扩展面积；Δtj为j时段的时间跨度；Mi为j时段初期第i个单元城区总面积。

依据式(1)和式(2)，可计算郑州市16年间城区扩展变化情况见表1和表2。

表1 2000—2016年郑州市城区面积 km2

由表1和表2可知，郑州市2000年城区面积仅为166.77 km2，到2016年扩展了122.78 km2达到289.55 km2，是2000年的1.74倍。其中，2005—2010年扩展为67.12 km2，占比54.67%，说明该时段为城区面积快速增长期。城区面积扩展速度的两个峰值分别是2005—2010年间的13.42 km2/年和2015—2016年间的7.16 km2/年；2000—2010年间扩展速度快速，2010—2015年间减缓，2015—2016年少量增加。

表2 2000—2016年郑州市城区扩展面积占比统计

2.2 城市用地效率

城市用地效率主要用地均人口B和地均GDP 2个指标衡量，其相应计算式为

(3)

式中，P为城区人口数；A为城区面积；Q为生产总值。从郑州市统计年鉴中查找相应年份的人口和GDP数据，根据式(3)可得到不同年份的用地效率见表3。

表3 郑州市2000—2016年地均人口与地均GDP

由表3可以看出，郑州市地均人口与地均GDP在2000—2016年间变化幅度较小，表明城区面积扩展速度与人口增长速度持平；而2015年的地均人口相比2010年有明显增加，表明2010—2015年间，城市面积扩展低于人口增长速度；地均GDP在2000—2016年间均为增长趋势，表明GDP的增长大于城区面积扩展速度，城市用地效率在逐步提高。

2.3 城市空间扩展的协调性

城市用地增长弹性系数是指一定时期内城市用地增长率与人口增长率之比，是测定城市用地扩展程度的指标[11]，中国城市规划设计院通过研究认为该系数的最优值为1.12，其计算式为

(4)

式中，K为城市用地增长弹性系数；PR为城市人口年均增长率；GR为城市用地年均增长率；At、A0表示某个时间段末期、初期的城区面积；Δt表示以年为单位的时间跨度[12]。

根据式(4)可计算出郑州市5个时间段的用地增长率，并结合统计年鉴中相应时期的人口数量，得到各个监测时段的扩展弹性系数见表4。

表4 2000—2016年郑州市城市用地增长弹性系数统计表

由表4可知，2000—2016年间，郑州市城市用地增长弹性系数为1.12，表明城市扩展速度与人口增长速度之间在17年间基本一致，但仅在2005—2010年间用地增长弹性系数从0.48猛增至2.57(增加近5.35倍)，人口增长速度远低于城市扩展速度，表明土地开发模式在城市发展中占据重要位置。

2.4 城市空间形态结构及变化

2.4.1 城市空间扩展类型演变

凸壳为城市区域或城市潜在的控制区域，利用凸壳原理可以识别城市用地空间扩展类型，即填充类型和外延类型[13]。本文根据郑州市2000年城区呈多边形状的边界，计算生成该多边形所有顶点的最小凸多边形(凸壳)，即为郑州市潜在的初始控制范围；然后将该凸壳面与2016年郑州市城区边界叠加，2个面相交的部分即为填充面积，超出凸壳面的部分即为外延扩展面积，如图1所示。

图1 郑州城区扩展类型

由图1可以看出，郑州市主城区为外延扩展，扩展区域主要位于北部的惠济区、东部的郑东新区、南部的南三环区及西部的高新区；南部属于蔓延式外延扩展，其他3个方向均表现为跳跃式的外延方式。

2.4.2 城市空间形态演变

城市空间形态的演化是城市空间布局和机构变化的综合反映，据此可以分析城市的生长过程，揭示城区的扩展规律[14]。本文以郑州市2000—2016年4个阶段的城市紧凑度指数、分维数指数(见表5)，对各监测时期城区的形态进行分析，揭示郑州市空间形态的演变规律。

表5 2000—2016年郑州市城区紧凑度分形维数统计

由表5可知，郑州市主城区各监测年城市空间紧凑度最大值为2000年的0.36，最小值为2005年的0.3，城市空间整体离散程度较小。从2000年起郑城区的城市紧凑度指数总体呈现先减后增的趋势，2005年达到最小值，表明城市空间发展在2000—2005年间较为离散；从2005—2016年紧凑度逐渐增长，城市空间变得越来越紧凑。

2.5 郑州市空间扩展趋势预测

综上所述，郑州市2000—2016年间城区空间扩展主要集中在东、东南、西和西北方向，随着航空港区的快速发展、中牟产业片区的高速推进及郑州市政府西迁带动的向西发展，郑州市未来会形成东西两翼的发展趋势，最终西与洛阳相连、东与开封贴近，形成郑—汴—洛东西轴线格局，实现人口聚集与一体化区域经济社会发展的态势，从而成为中原城市群的“龙头”。

3 结 语

本文基于地理国情普查与监测成果对郑州市2000—2016年城市空间格局变化进行分析研究，得出如下结论：①经济发展是城区扩展的主要驱动力[15]。随着经济的快速发展，带来固定资产投资投入增加，促使城市用地规模与扩张速度的加快。②城市人口的增长和空间迁移是城市空间扩展的又一重要驱动力[16]。③政府的政策引导是城市扩展的最重要的推动力。