太原市城市重心演变过程及驱动力分析

宋洁, 刘敏

太原师范学院地理科学学院， 山西 太原 030619

进入21世纪以来，太原市经济社会发展对城市规划提出了更高的要求，因此，2005年，市规划院对原有的城市总体规划进行调整，太原市迎来了城市发展建设的新契机.2010年，太原市总体规划再次修编，更加明确了太原市城市发展方向，也使得太原市城市发展进入快车道[1，2].在城市化快速发展时期，明确城市空间扩展的阶段性特征及其重心转移过程，对于摸清城市发展轨迹，优化城市空间布局具有重要意义.近年来，借助多时像遥感影像和GIS 空间分析技术，对城市重心转移进行定量分析、动态监测城市空间扩展格局，进一步优化空间布局，已成为研究城市空间格局演变的主流手段[3～6].目前，国内相关研究主要集中在沿海发达地区，而针对中西部城市的相关研究较少.随着沿海地区过剩产能逐渐向中西部地区转移，中西部地区也必将经历快速的城市化过程.本文以快速发展时期的太原市为研究对象，借助遥感与 GIS 分析技术，分析2005年～2010 年、2010年～2015 年两个时间段太原市建成区重心演变过程及驱动机制.为合理利用土地资源，进一步做好太原市城市总体规划以及推进内部产业结构的优化升级提供科学依据.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

太原市位于山西省境中部，介于 111°30′～113°09′E，37°27′～38°25′N 之间，东西跨度2°39′，长约144 km，南北跨度 58′，宽约 107 km，区域轮廓呈现蝙蝠形.处于太原盆地的北段，华北地区黄河流域中部，西、北、东三面环山，中、南部为河谷冲积扇平原，汾河贯穿其间，全市地形呈北高南低簸箕形.海拔最高点和最低点分别为 2 670 m和 760 m，平均海拔约 800 m.属于暖温带大陆性季风气候.市中心位于 112°33′E，37°54′N.太原市共辖 6个市辖区、3 个县、1 个县级市.全市总面积6 988 km2.截至 2015 年底，太原市市区人口达到352.54 万人，城镇化水平达到 55.03 %.

1.2 数据来源及数据预处理

研究数据主要来源于 2005 年、2010 年、2015 年的 LandsatTM 遥感影像及相应年份的统计年鉴.首先，在 ArcGIS 软件支持下，分别对 2005 年、2010 年、2015 年的单波段影像进行融合拼接和切割，对相关影像进行几何校正配准并定义好投影坐标.其次，确定城市行政区政府，通过对2005年、2010年、2015年太原市的Landsat TM 影像进行目视解译，确定城市中心周围连片的建设用地为中心城区，并将城市边缘城区与中心城区连接起来的大片建设用地也归类为城市建成区，但注意除去大型的河流湖泊.

1.3 研究方法

1.3.1 建成区空间扩张分析

本文主要选取扩展速度、扩展强度指数、扩展弹性系数以及重心转移指数来测度2005年～2010 年、2010年～2015 年太原市城市空间扩展的时空特征，各指数公式详见表 1.

表 1 城市空间扩展时空特征测度指标Tab.1 Index of spatial and temporal characteristics of urban space expansion

1.3.2 等扇方位法

等扇方位法是指以研究区的几何中心为原点，选取可以包含建成区的适当半径，将研究区划分为若干相等的扇形区域，与各时相建成区边界矢量图叠加，统计各时间段建成区在各扇区的扩展面积，据此计算不同时段各扇区的扩展强度[7].本文以太原市政府所在地为原点，以东西方向为横轴，南北方向为纵轴，把研究区平均划分为 8 个方位，分别为正东、东北、正北、西北、正西、西南、正南和东南，调用 ArcGIS 软件中的叠加分析工具对各个方位的扩展特征进行定量分析.

1.3.3 空间重心转移模型

空间重心是描述地理对象空间分布的重要指标，分析城市重心转移情况，可以掌握城市空间变化的过程与特点[8].通过分析建成区用地变化引发的重心变化情况，反映城市在不同时期的发展方向.运用重心转移指数构建太原市建成区分别在 2005年～2010 年、2010年～2015 年的重心转移模型.

2 建成区演变特征

2.1 建成区扩展速度和强度具有相对均衡性

建成区空间扩展速度反映建成区空间扩展的总体趋势，通常用研究时间段的年平均建成区面积变化来表征[9].由表 2 可知，2005年～2010 年间，太原市建成区面积由 253.28 km2增加到328.31 km2，面积增加量为 73.03 km2，扩展速度为15 km2/a.2010年～2015年间，2015年建成区面积为398.39 km2，比2010 年净增70.08 km2，扩展速度为 14 km2/a.2005年～2015 年整个研究时间段建成区空间扩展速度相对均衡.两个时间段的扩展速度无明显波动，建成区空间扩展方式主要以向东南部外延扩展为主，辅以其他方向不同强度的内部填充.2005年～2015年太原市建成区总体呈现出整体性发展，无明显破碎斑块状单独扩展.

扩展强度指数表示单位时间内建成区空间空战的强度和快慢，是衡量建成区空间扩展规模和轻度的常用指标[10].由表 2 可知，2005年～2010 年、2010年～2015 年建成区的扩展速度都相对较高，但是由于这两个时间段的基期面积都较大，结果反而使这两个时间段的城市扩展强度指数变小.2005年～2010 年建成区扩展强度指数为5.92 %，2010年～2015年建成区扩展强度指数为4.23 %，比上一时间段低了 1.69 %.

表2 2005年～2015年太原市建成区空间扩展概况Tab.2 Space expansion of the built-up area in Taiyuan from 2005 to 2015

2.2 建成区用地扩展渐趋不合理

扩展弹性指数用来描述建成区扩张速度与人口增长速度之间的协调关系，主要用于衡量城市用地扩展的合理性[11].研究表明扩展弹性指数为1.12 较为合理.由表 3可知，2005年～2010年建成区扩展弹性系数为0.92，较接近于合理值.说明该时间段太原市建成区用地扩展速度慢于人口增长速度，但总体来说该时间段太原市用地扩展基本处于合理状态.2010年～2015 年建成区扩展弹性指数高达 7.11，是合理值的 6.35 倍.说明该时间段太原市建成区用地扩展速度大于人口增长速度，扩张不合理.建成区用地面积增长过快，可能造成土地资源不能有效开发利用，造成土地资源浪费.

2.3 建成区扩张具有明显的轴向性

以太原市政府几何中心(112°32′1″E，37°52′7″N)为圆心，作出距离为23 km 的圆形缓冲区，将缓冲区等分为8 个等分的扇形区域，计算不同时间段各扇形区域建成区的扩展强度.

由于各扇区的夹角、面积均相等，因此计算出各扇区的扩展强度具有时空上的可比性.

从图 1 可以看出，2005年～2010 年、2010年～2015 年这两个时间段太原市建成区空间扩展在不同方位上呈现出明显的不均衡性.2005年～2010年，太原市建成区空间形态以南向、北向扩展为主，S-SE 扩展幅度相较于 N-NW的扩展幅度大，东向和西向也有不同程度的扩展，但是扩展强度较低，西向扩展幅度大于东向扩展幅度，东西向扩展面积小于南北向的扩展面积，这一时间段的建成区边界比较破碎，建成区边界地区的通达度相对受限.2010年～2015 年，太原市建成区空间形态扩展呈现出与上一时间段(2005年～2010年)同样的扩展方向，建成区空间向南有较大幅度扩展，S-SE 扩展幅度明显，主要以填充式和外延式继续向南发展，北向扩展幅度小于南向的扩展幅度.伴随以南向发展为主线，E-SE 方向相对扩展面积较明显，这一时间段建成区扩展面积较上一时间段有非常明显的变化，2010 年建成区呈现连片集中发展态势，建成区边界区域通达度加强.综上所述，自 2005 年以来，建成区扩展主要集中在S-SE、NE-NW范围内，具有明显的轴向性，建成区扩展以东南向为主要方向，西北向为辅的扩展态势.

表3 太原市建成区空间扩展弹性系数Tab.3 The elastic coefficient of space expansion in the built-up area of Taiyuan

图1 2005年～2015年太原市建成区扩展等扇分析图
Fig.1 Equal fan analysis map of built-up
area in Taiyuan from 2005 to 2015

3 建成区重心演变分析

从城市重心转移过程来看，2005年～2010 年间，建成区重心向东偏南方向转移1 214 m，转移角度为59.74°.2010年～2015 年间，建成区重心继续向南转移，转移距离为996 m，转移角度为61.11°(表4).2005年～2010 年、2010年～2015 年太原市建成区重心一直保持向东南方向转移，两个时间段的转移角度非常接近，2005年～2010 年的转移距离略高于 2010年～2015 年.

表4 太原市建成区空间重心转移情况Tab.4 The transfer of space center of gravity in the built-up area of Taiyuan

4 驱动力分析

4.1 自然因素

区域自然地理要素为城市发展提供了原生动力，但是随着城市的进一步发展，自然地理要素可能成为制约城市发展的一个因素.同时，区位、地形等综合地理因素也会影响城市的发展，随着城市的发展，在一定程度上制约和引导城市的空间扩展方向，间接改变着城市的外部形态[12].太原市三面环山，汾河流域贯穿其间，形成了地理条件相对优越的太原盆地.

北、东、西三面环山的地理格局限制了太原市建成区向这三个方向发展，南部成为太原市建成区发展的主要方向，南部地区地势平坦，腹地开阔，符合建设南部新城的发展战略.对接太原市南部新城的晋中市榆次区，地势相对平坦，腹地开阔，是晋中市的经济文化中心，为太原市向东南方向扩展奠定了基础.

4.2 社会因素

经济方面，经济社会发展带动城市持续发展，为城市发展提供不竭的动力[13].2005年～2015年，太原市人均地区生产总值由 12 495 元/人上升至 63 483 元/人，经济快速发展，人们生活水平提高，建设用地扩张明显，建成区用地扩展以南向轴线为主快速蔓延.建成区的空间扩展形态与经济发展变化一致.经济快速发展的同时，产业结构的逐步调整也进一步反映出建成区扩展的用地变化特征.2005年～2015 年间，太原市第一产业比重由 1.14 %下降到 0.80 %；第二产业比重由 65.84 %下降到 59.32 %,下降幅度较大，并呈现继续下降的趋势；第三产业比重由32.70 %上升到39.87 %.近年来，太原市高新技术开发区、小店民营经济开发区、山西综改试验区起步区等大型开发区纷纷落户太原南部地区，在促进太原市经济发展的同时，使得城市空间不断向南发展.太原市高新技术开发区作为国家级开发区，位于科研人员密集、工业基础和城市设施良好的坞城片区，发展产学研一体化，形成以高新技术产业为主，第二、第三产业协调发展的立体经济结构.全区总收入达到太原市经济总量的四分之一.太原市小店区民营经济开发区，主要大力发展非公有制经济，积极扶持发展民营经济企业，主要发展养老服务业、旅游产业、节能环保产业等新兴产业，形成产业集群，为民营经济发展提供良好的投资环境.2017 年，全面启动建设的山西综改试验区太原起步区将重点打造先进制造、新能源、新材料、电子信息、健康医疗、文化创意等 6 大专业化产业园区，为太原市经济注入新的活力，也必将进一步促进建成区向南转移.

人口方面，2005 年太原市区常住人口为261.66 万，2015 年太原市区常住人口为 352.54万人，十年间增长了 1.35 倍.人口增长对城市用地需求增加，人口的迁移带动城市重心的转移.太原市人口的快速增加，对城市的基础设施需求量变大，中心城区人口压力较大，房价飙升.为了降低在中心城区的生活压力，城市空间向外延展，形成新的发展重心.太原市建成区向南扩展，形成南部新城.位于太原市与晋中市榆次区交界处的山西大学城于 2013年正式投入使用，与教育文化相关的产业和人口逐渐向大学城附近聚集，也在一定程度上促进了太原市城市空间向东南部扩张. 交通方面，随着太原市新晋祠路改造工程、滨河东西路的南延工程、长治路和太行路的南延工程，龙城大街东延工程的相继开工建设，也在一定程度上带动了太原市建成区向东南方向发展.2007 年，太原市武宿机场扩建.2014 年，太原市火车南站投入运营，都促使太原市东南部地区建设用地快速增长且土地利用更加集约化.

4.3 政策因素

政府的决策和规划在一定程度上会激励或约束城市的发展，在不同时期，决定城市土地利用空间扩展的方向和规模[14].2004 年以来，太原市总体规划对城市发展方向、性质进行了定位.2010年，太原市城市规划设计院编制了太原南部区域规划方案(2010年～2020 年)，指出将太原南部区域作为太原市区的发展方向，南部新区主要以晋阳湖片区和汾东新区两部分为主.在太榆一体化的战略指导下，太原南部新城与晋中市榆次区顺利对接，太原市建成区重心也随之向东南方向转移.2010 年，国家发改委正式批复设立山西省国家资源型经济转型综合配套改革试验区，并在太原市率先建立山西转型综改示范区，这一举措进一步推进了太原市城市化进程，城市空间扩展的步伐也逐步加快.

5 结论与展望

本文借助 GIS 空间分析技术，融合多时相卫星遥感影像，提取出不同时间段太原市建成区的扩展边界信息，利用等扇方位法分析 2005年～2015 年太原市建成区扩展过程.进而，结合太原市社会经济统计年鉴及相关发展政策分析建成区扩展的驱动力机制，更加深入、准确地掌握太原市建成区空间扩展演变的规律，为进一步优化太原市城市空间布局，维护区域可持续发展提供理论依据.研究得到以下结论：

(1)2005年～2010 年间，太原市建成区面积逐步增加，两个时间段建成区扩展速度接近，扩展强度指数下降.2005年～2010 年时间段建成区扩展弹性系数接近合理值，建成区用地扩展速度基本与建成区人口增长速度保持一致，但2010年～2015 年扩展弹性指数接近7，建成区用地扩展速度大于人口增长速度，建成区用地集约度有待提高.

(2)2005年～2015 年间，太原市建成区重心向东南方向转移.随着太原市南部新城的快速发展和太榆一体化战略的实施，未来太原市发展重心仍然呈现出向东南转移的态势.

(3)太原市建成区空间扩展是自然、社会、政策等诸多因素影响的结果.自然因素决定了太原市建成区的宏观格局，是建成区空间扩展的基础；交通因素也在一定程度上促进和牵引建成区扩展；社会经济因素作为最重要的因素，是太原市建成区扩张的不竭动力；人口增长相应加速建成区向外延伸，以协调人地关系；政府决策指导和引领着建成区的扩展方向和重心的转移，使太原市建成区土地利用更加合理化.不同时间各个驱动力因素的调整和改变使城市空间扩展产生不均衡变化.

城市空间的扩展导致城市不断向外延伸扩展，但是相应的配套设施未跟上步伐，这样从根本上还是无法解决中心城区的交通和生活压力.然而，城市用地是否做到集约化，城市空间扩展与经济发展的步调是否一致，如何避免鬼城的出现都是今后太原市城市扩展过程中需要考虑的问题.在新的发展契机下，掌握城市扩展规律，合理规划太原市城市用地，提高城市综合交通运输能力，使城市空间扩展跟上经济发展的步伐，将太原建设成为既有金山银山又有绿水青山的环境友好型城市.