成都市1988～2018年间主城区城市扩展时空特征分析

王鸿州,先 敏,蔡田杰,刘志红

(成都信息工程大学，成都 610000)

引 言

城市是因人口聚集作用而形成的一个综合体，会随着社会生产力的提高而不断向四周扩大发展[1-2]。当前，城市化进程正在全球范围内以前所未有的速度进行。改革开放以来，得益于经济的高速发展，我国的城市化进程也驶上了“快车道”，城市化水平已经从改革开放初期1978 年的17.9%上升到2018年的59.58%[3]；城市的国内生产总值占到总量的60%以上[4],对城市扩展研究一直都是城市研究的主要领域，人们试图藉此分析、揭示城市用地形成和演化的内在和外在驱动机制，以及城市扩展带来的影响。

从80年代后期开始，我国就进行了大量的城市扩展研究，其中包括城市形态分类、演变阶段、城市扩展方式和速率、城市扩展的主要影响因素，城市扩展预测和模拟等[5-6]。在我国的城市扩展研究中，全国大尺度的城市扩展研究以东、西部城市扩展对比研究为主[7-8]，中等区域尺度的研究集中在长三角、珠三角和京津翼等城市集群[9]，单个城市扩展研究也主要选择上海、北京、杭州、等大型城市[10]；在研究手段和数据获取上，也越来越多地利用RS与GIS 相结合的方式: GIS技术提供了强大的空间分析能力、长时序的遥感数据为城市扩展监测提供了数据保障[11]。

现有城市扩展研究对西南地区城市的关注并不充分。成都是四川省省会，是四川省政治、经济、文化中心[12]，对它的城市扩展研究鲜有报道。基于此，本文选择以成都市主城区为研究对象，选取1988～2018年的Landsat遥感影像作为主要的数据源，以遥感解译为主要的获取信息的手段，以GIS空间分析方法定量分析成都市近20年间的城市扩展情况，结合成都市的经济发展状况和城市规划政策，分析了该区域城市扩展的驱动力因素。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

成都位于四川盆地西部，成都平原腹地，地势平坦、河网纵横、物产丰富、农业发达，境内有平原、丘陵、山地等多种地貌,东有龙泉山,西含南北方向的龙门山脉,南为总岗山、邛崃山,北则是广阔的冲积平原,主城区平均海拔约500m，气候属于亚热带湿润季风气候区。

成都经纬度范围在东经102°54′～104°53′，北纬30°05′～31°26′之间。东西横距192km，南北纵距166km，成都市现辖成华区、武侯区、青羊区、锦江区、金牛区、龙泉驿区、青白江区、新都区、温江区、双流县、郫都区、大邑县、金堂县、蒲江县、新津县,代管都江堰市、彭州市、崇州市、邓峡市,全市土地面积14 335km2。本文选取的研究区域为成都市主城区，位于成都平原东部,包括武侯区、青羊区、金牛区、成华区、龙泉驿区、温江区、新都区、青白江区、双流区、郫都区,总面积3 630.53km2,详见图1、图2。

图1 研究区概况Fig.1 Survey of Research Areas

图2 研究区三维景观图Fig.2 Three-dimensional Landscape Map of the Research Area

1.2 数据源

1.2.1 遥感数据

用于城市扩展研究的光学遥感数据有多种，如Landsat, SPOT, QuickBird, IKONOS, Lidar等。为满足城市扩展的研究对数据源的时间序列的要求，又考虑到本文研究对影像分辨率等方面因素的要求，本文遥感分类提取土地利用类型的数据源采用从USGS地球资源观测系统数据中心网站(https://www.usgs.gov/)获取的7个不同时相的Landsat TM/OLI遥感影像。详见表1。

影像的年份间隔分别为 4年、8年、4年、5年、4年、5年，从城市扩展研究的角度，7个时相的影像所包含的信息分别代表了1988～2018年成都市主城区城市扩展过程中的状态，影像很具有代表性，满足本文城市扩展变化研究的要求。

表1 所用遥感数据时间序列Tab.1 Time Series of Remote Sensing Data Used

1.2.2 专题数据

本文采用的专题数据包括:

(1)成都市1∶100万县级行政区划矢量图。

(2)成都市1∶50 000地形图。

(3)2010年GlobeLand30地表覆盖数据。

1.2.3 统计数据

为了分析成都市1988～2018年30年间城市扩展动态演化过程及其驱动力因素，本文的研究过程中不仅用到了上述7个时相的遥感影像数据和作为辅助的专题数据，还结合使用这期间成都市的经济、政策等方面的统计数据作为参考，这方面的数据也主要是来源于相关的政府统计信息网站的统计年鉴。

2 研究方法

2.1 城市建设用地的遥感解译方法

城市建设用地是一种复杂的土地利用类型，其电磁波谱与其他地物有许多相似的地方。因此，很难用简便的方法将其从遥感影像中准确地提取出来。城市建设用地的提取通常采用手工方式和监督分类自动提取，前者自动化程度低，后者如果不做后续处理，精度无法满足要求。

自归一化建筑指数NDBI[13]提出以来，使用指数法来进行建设用地的相关研究越来越多[14], 其中徐涵秋提出了一种新型的建筑指数IBI[15],其表达式见式(1)。

(1)

式中: SAVI为土壤调节植被指数[16]；MNDWI为改进水体指数[17]；NDBI为建筑指数[12]。

由于IBI是由3个指数波段构造的，且3个指数代表的3种主要的地类(水体；植被；建筑)之间都为负相关，故而能很好的将建设用地与其他地物区分开来，且该指数经过归一化处理，所以使用IBI指数来提取城市建设用地能有较高的精度，满足本文的研究需要[18]。

2.2 城市建设用地时空扩展分析方法

城市建设用地的时空扩展是指在一定的时间间隔内，城市建设用地发生变化的面积、位置、形态、扩展方向等信息。利用遥感影像提取出不同时期的城市建设用地后，可以进行时空扩展分析，得到城市建设用地扩张布局和趋势信息。本文将从扩展速率与强度、扩展形态和扩展各方向差异3 个方面来进行具体分析[11]。

2.2.1 扩展速率与强度：城市建设用地时空扩展的数量分析重要指标为扩展速率和扩展强度，具体公式见式(2)、式(3)。

V=(△Sij)/(△Tij)

(2)

M=△Sij×100/A/△Tij

(3)

式中：△Sij为i到j时间间隔内建设用地面积的变化量；△Tij为i到j的时间间隔；A为研究区总面积。

扩展强度指数的实质是用研究区的面积对其年均扩展速率进行标准化处理，使其具有可比性，根据其值的大小可将城市扩展模式分为高速扩展(>1)、快速扩展(>0.7)、中速扩展(>0.5)、低速扩展(>0.2)、或者缓慢扩展(>0)。

2.2.2 扩展形态：本文主要利用质心指数、紧凑度指数、形状分维数方面进行扩展形态分析。

质心指数是描述城市空间分布的一个重要指标，质心迁移过程反映了城市建设用地的时空演变过程与规律。表达式见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：Xti、Yti为t时刻第i个地块的质心坐标；Sti为t时刻第i个地块的面积

紧凑度指数是通过计算城市中心与周长的关系，用以反映城市空间是否紧凑；值越高，土地利用率越高，公共设施设置相对集聚，反之城市功能区越分散。表达式见式(6)。

(6)

式中：Si为i时刻研究区域建设用地面积；Ci为i时刻研究区域建设用地周长。

形状分维数用以反映城市边界形状的曲折性和复杂性；在城市面积不断增加的情况下，分维数增大，说明在该时期城市以外部扩展为主；若减小，则说明城市面积的增加是以内部填充为主。如果分维数基本不变，则说明城市进入相对稳定发展阶段。表达式见式(7)。

D=2ln(Ci/4)ln(Si)

(7)

式中：Si为i时刻研究区域建设用地面积；Ci为i时刻研究区域建设用地周长。

2.2.3 扩展各方向差异：描述城市空间扩展方向的各异性是以城市中心为原点，选取适当的半径将研究区分为若干个方向，利用Arc GIS的叠加分析功能与研究区各时期的图层进行相交，通过各个时期城市建设用地在各方向上的扩展面积及扩展强度定量分析各个时期城市建成区形态扩展在各个方向的空间差异性。这种方法能够从总体勾画出城市扩展的空间形态，具有直观简单的优点。

3 结果与分析

3.1 城市建设用地的遥感解译

本文在Envi软件支持下，进行图像预处理：①利用GCP(地面控制点)进行几何校正。②采用黑暗像元法对图像进行辐射定标与大气校正。③使用行政区划矢量图对图像进行裁剪。并利用预处理后的图像计算IBI指数，使用最邻近法重采样，再进行二值处理、矢量化后由此得到成都市主城区完整的城市建设用地分布图，见图3。

将得到的2009年成都市城市建设用地结果与准同时期的2010年 GlobeLand30 30m分辨率的全球地表覆盖数据进行对比，解译精度达80%以上；

又根据成都市统计年鉴的统计数据对解译的数据进行一个比对(1988、2004、2009年统计年鉴无建设用地数据)，详见表2；遥感解译的数据总体偏高可能是由于提取建设用地的包含一小部分的村庄，其总体精度达92.61%，满足研究需要。

图3 1988～2018年成都市中心建设用地遥感解译结果Fig.3 Result of Remote Sensing Interpretation of Construction Land in Chengdu City Center from 1988 to 2018

表2 城市建设用地遥感解译精度评价Tab.2 Accuracy Evaluation of Remote Sensing Interpretation of Urban Construction Land

3.2 城市建设用地扩展速率与强度

城市建设用地扩展最直观的变化就是面积的增长。计算成都市中心建设用地扩展面积、扩展速率、年平均面积增长率和扩展强度见表3。

总的来说，1988～2018年成都市中心建设用地面积在数量上呈逐年上升趋势。市中心建设用地面积增长了918.86km2，面积增长率1 074.56%，平均每年扩展30.63km2，总扩展强度指数为0.84。

成都市中心的面积增长率、扩展速率和扩展强度指数呈现先上升后下降再上升的趋势，说明成都市中心建设用地的扩展由高速扩展向快速扩展转变后再次进入高速速扩展阶段。

表3 1988～2018年成都市中心建设用地扩展变化量Tab.3 Expansion of construction land in central Chengdu from 1988 to 2018

3.3 城市建设用地扩展形态

3.3.1 质心指数

通过跟踪不同时期城市空间质心的移动，能够得到城市建设用地时空扩展的演变过程。

在ArcGIS平台下，根据质心指数公式计算出各个时间节点的质心位置见图4。图5显示了1988～2018 年市中心质心的移动过程，各个时期的移动方向为：西、西北、西南、东南、南，距离分别为0.37、1.27、0.93、0.28、1.50、0.32km，总迁移距离为4.67km。

图5 各时期成都市中心建设用地质心移动情况Fig.5 Centroid movement of construciton land in Chengdu city

3.3.2 紧凑度指数BCI

由图6(a)可知，1988～2018年随着建设用地的扩展，市中心紧凑度指数逐渐降低，基本维持在1.02～1.04。

3.3.3 形状分维数

根据图6(b)，1988～2018 年形状分维数呈逐年增大的趋势。

图6 各时期成都市中心扩展形态指数Fig.6 The expansion form index of Chengdu city center in different periods

3.4 扩展各向差异性

描述城市空间扩展方向的各向差异性是以城市市中心为原点，选取适当的半径将研究区分为若干个方向，利用ArcGIS的叠加分析功能与研究区各时期的图层进行相交，通过各个时期城市建设用地在各方向上的扩展面积及扩展速率定量分析各个时期城市建成区形态扩展在各个方向的差异性。这种方法能够从总体勾画出城市扩展的空间形态，具有直观简单的优点。

以研究的7个年份中建设用地质心坐标的均值为中心，将成都市中心建设用地等分为8个方向，并计算出各年份在各方向的面积值，结果见表5，根据扩展速率的计算公式计算并绘制各时间段成都市城区各方向的空间扩展速率，见图7。

表5 成都市中心建设用地在8个方向的面积Tab.5 Area of Construction Land in the Center of Chengdu in 8 Directions (km2)

图7 各时间段成都市中心各方位空间扩展速率图Fig.7 Spatial Expansion Rate Map of All Directions in the Center of Chengdu in Each Time Period

3.5 城市扩展的驱动力分析

3.5.1 从扩展速率和扩展强度来看，和我国大部分城市发展相似，成都市城市建设用地在研究期间亦呈外延扩态势。根据研究结果，1988～1992年还是是改革开放初期，现代化，城市化主要发生在拥有经济特区的沿海省份，成都地处内陆，所以表现出缓慢扩展模式；1992～2004年期间，由1992年邓小平南方谈话为契机，中国共产党第十四次全国代表大会确立了社会主义市场经济体制改革目标，且在2000年国务院通过了“西部大开发”政策，由此成都市开始了快速城市化的进程，建设用地的扩展速率有大幅提高；之后的2004～2009年，由于2008年经济危机爆发以及地震的影响，城市扩展有所放缓，但仍在快速扩展，2009年之后随着内陆经济的发展、城市的转型、新一轮政策的刺激下，成都市中心的扩展速率与强度又出现增加趋势。

3.5.2 从质心的迁移规律来看，质心的移动城市空间发展战略基本吻合，即由于1988～2000年间温江专区并入成都市，并提出积极发展小城镇，城市向西扩展；2000年后，在成都市第三版城市规划等决策影响下，城市郊区卫星城区扩展迅速,并迅速与主城区连接在一起。

3.5.3 从扩展各向差异性来看，由于地质条件的限制，成都市城市扩张并非单纯的圈层式扩展，而是具有比较典型方向性，扩展方向为质条件较好的东北及西南方向。1988～2000年市中心建设用地扩展速率较慢，最大方位为西方向；2000～2004 年市中心建设用地的扩展速率除了东部较小外，基本上呈现“摊大饼”式扩展；2004～2009 年城区扩展速率不高，东部和北部的扩展速率基本为0，主要是向西北扩展；2009～2013年市中心建设用地主要向南部及西南，也就是天府新区与双流区扩展；2013～2018年间由于双流区经过之前的发展已基本和主城区连成一片，建设用地趋于饱和，所以西南方向扩展速率较低，以内部填充为主。

4 结 论

本文以遥感和GIS为手段，在ENVI软件支持下采用基于谱间特征和归一化指数分析的城市建设用地的提取方法多时相解译了成都市中心的建设用地，在ArcGIS软件的支持下对成都市城区建设用地进行了扩展分析，得出结论如下。

4.1 1988～2018年间成都市中心建设用地面积增长了918.86km2，面积增长率1 074.56%，平均每年扩展30.63km2，扩展强度指数为0.84。城市建设用地质心各个时期的移动方向为：西、西北、西南、东南、南，距离分别为0.37、1.27、0.93、0.28、1.50、0.32km，总迁移距离为4.67km。

4.2 由于地质条件的限制，成都市城市扩张并非单纯的圈型扩展，而是具有比较典型方向性，扩展方向为质条件较好的东北及西南方向；形状分维数呈逐年增大的趋势；紧凑度指数BCI逐年降低，基本维持在1.02～1.04。

4.3 成都市主城区城市扩展受相关政府决策及经济发展状况影响较大，90年代初还是是改革开放初期，现代化，城市化进程主要发生在沿海省份，因此呈现缓慢的圈层扩展而在进入21世纪后，在政府的引导下，由经济发展带动，主城区以极快的速度向周边发展，与周边城镇连成一片。